Záložní napájení průmyslového provozu: elektrocentrála, ATS a UPS

Když se zákazníkem řeším záložní napájení výrobního provozu, nezačínám otázkou, jak velkou elektrocentrálu chce koupit. Nejdřív potřebuji vědět, které technologie musí při výpadku zůstat v provozu, které nesmějí ztratit napájení ani na několik sekund a které lze dočasně odstavit.

Teprve potom má smysl řešit výkon generátorového soustrojí.

V průmyslu totiž nestačí postavit vedle haly elektrocentrálu a připojit ji k rozvaděči. Záložní napájení musí fungovat jako celek, ve kterém spolupracují elektrocentrála, přepínací zařízení ATS, případně UPS a řízení jednotlivých odběrů.

Každá část řeší jiný úkol.

Elektrocentrála, ATS a UPS mají v systému rozdílnou úlohu

Aktuální ČSN EN IEC 60947-6-1 ed. 3 se vztahuje na přepínací zařízení TSE používaná pro zajištění kontinuity napájení přepínáním zátěže mezi zdroji. Norma rozlišuje mimo jiné ručně ovládaná MTSE, dálkově ovládaná RTSE a automatická ATSE včetně řídicí jednotky. České vydání z roku 2024 nahradilo předchozí vydání z roku 2023. csnonline.agentura-cas.cz

Nejdřív určujeme, co musí při výpadku skutečně fungovat

Začít součtem příkonů všech strojů v hale je většinou špatně.

Výrobní závod může mít instalovaný příkon několik stovek kilowattů, ale během výpadku nemusí být nutné napájet všechny stroje. Naopak zařízení s relativně malým příkonem může být pro bezpečné pokračování výroby zásadní.

Typickým příkladem je PLC, komunikační infrastruktura, mazací systém nebo čerpadlo chladicího okruhu. Jejich příkon může být proti hlavnímu výrobnímu stroji malý, ale bez jejich funkce nelze technologii bezpečně provozovat.

Při návrhu proto odběry rozděluji podle jejich skutečné priority.

Zařízení, která nesmějí ztratit napájení

Patří sem podle konkrétní technologie například:

• PLC a řídicí systémy,
• průmyslové počítače,
• servery,
• síťová a komunikační infrastruktura,
• některé měřicí systémy,
• bezpečnostní systémy.

Tyto odběry mohou vyžadovat UPS, protože elektrocentrála potřebuje určitý čas k nastartování a převzetí zátěže.

Zařízení, která mohou několik sekund počkat

Typicky jde například o:

• čerpadla,
• ventilaci,
• kompresory,
• chlazení,
• dopravníky,
• části výrobní technologie.

Po převzetí napájení elektrocentrálou se mohou jednotlivé odběry připojovat postupně podle nastavené řídicí logiky.

ATS přitom nemusí řídit každý jednotlivý motor. Jeho základním úkolem je přepnout napájení příslušné části instalace mezi zdroji. Sekvenci jednotlivých spotřebičů následně může řídit PLC, stykače, výkonové spínače nebo nadřazený řídicí systém.

Zařízení, která lze během výpadku odstavit

Sem může patřit část pomocných strojů, nabíjení, některé vytápění, část osvětlení nebo jiné odběry, bez kterých může provoz po omezenou dobu fungovat.

Takové rozdělení často umožní navrhnout výkon záložního zdroje podle skutečných potřeb provozu a zdroj zbytečně nepředimenzovat.

Co se děje od okamžiku výpadku sítě

Dobře připravený systém má přesně definovanou sekvenci.

1. Distribuční síť vypadne

UPS pokračuje v napájení zařízení, která nesmějí zaznamenat ani krátké přerušení.

2. Řídicí systém vyhodnotí stav sítě

Automatické přepínací zařízení sleduje parametry napájení. Pokud jsou splněny nastavené podmínky pro přechod na záložní zdroj, odešle se povel ke spuštění elektrocentrály.

3. Elektrocentrála nastartuje

Motor se rozběhne a soustrojí musí dosáhnout požadovaných provozních parametrů.

Teprve když jsou napětí a frekvence v nastaveném rozsahu, může záložní zdroj převzít určenou zátěž.

4. ATS přepne napájení

ATSE přepne napájení příslušné zátěže z distribuční sítě na generátorové soustrojí.

Právě takový princip popisuje i ABB u systémů síť–generátor: po poruše hlavního zdroje je generátor spuštěn a po dosažení připraveného stavu je zátěž přepnuta na záložní zdroj. Po návratu sítě může následovat opačný proces. ABB Group

5. Jednotlivé technologie se spouštějí podle priority

Například:

1. řídicí a bezpečnostní systémy,
2. chlazení a mazání,
3. ventilace,
4. čerpadla,
5. kompresory,
6. hlavní výrobní technologie,
7. méně důležité odběry.

Konkrétní pořadí vždy závisí na technologii daného závodu.

Podrobněji jsme samotný princip přepínání zdrojů popsali také v článku ATS pro elektrocentrálu – jak funguje automatické přepnutí při výpadku elektrické sítě.

Při dimenzování nestačí jen hodnota v kW

U průmyslové dieselové elektrocentrály mě nezajímá pouze součet činných výkonů spotřebičů.

Potřebuji znát také:

• zdánlivý výkon v kVA,
• účiník,
• typ připojené zátěže,
• rozběhový proud motorů,
• způsob jejich spouštění,
• velikost skokových změn zatížení,
• současný provoz jednotlivých zařízení,
• přítomnost frekvenčních měničů,
• přítomnost UPS a další výkonové elektroniky.

ISO 8528-1:2018 se právě proto nezabývá pouze jediným údajem o výkonu. Norma stanovuje klasifikaci použití, jmenovitých výkonů a provozních charakteristik generátorových soustrojí. Vydání z roku 2018 bylo při revizi v roce 2023 potvrzeno jako aktuální. ISO

Pro první orientaci lze použít naši kalkulačku výkonu elektrocentrály.

U průmyslového provozu ale kalkulačka nenahradí kontrolu skutečných parametrů motorů, měničů a dalších významných spotřebičů.

U motorů je rozhodující hlavně rozběh

U většího motoru si vždy ověřuji způsob rozběhu. Samotná hodnota kW na štítku mi pro návrh nestačí.

Představme si, že elektrocentrála už napájí řídicí systém, osvětlení, ventilaci a čerpadla. Ustálený odběr je pro soustrojí bezproblémový.

Potom dostane povel ke spuštění velký kompresor.

V tu chvíli rozhoduje nejen jeho jmenovitý výkon, ale také proudový požadavek během rozběhu a to, jak rychle se změní zatížení celého soustrojí.

Přímý rozběh, softstart a frekvenční měnič se přitom chovají odlišně.

U významných motorů proto potřebuji pokud možno znát:

• jmenovitý výkon,
• jmenovitý proud,
• způsob rozběhu,
• rozběhový proud nebo parametry omezení rozběhu,
• dobu rozběhu,
• zařízení, která už budou v okamžiku startu v provozu.

Bez těchto údajů lze udělat pouze orientační odhad.

Postupné připojování odběrů může snížit požadovaný výkon elektrocentrály

Pokud současně spustíme několik velkých motorů, generátorové soustrojí dostane výrazně větší skok zatížení než při jejich postupném startu.

Řídicí systém proto může pracovat například takto:

1. PLC, komunikace a bezpečnostní systémy,
2. chlazení a mazání,
3. ventilace,
4. čerpadla,
5. kompresor,
6. výrobní linka,
7. méně důležité odběry.

Mezi jednotlivými kroky může systém čekat na potvrzení provozního stavu nebo na stabilizaci zatížení.

U některých provozů se během práce na elektrocentrálu méně důležité větve vůbec nepřipojí.

Takové řízení zátěže může mít na potřebný výkon soustrojí větší vliv než prosté přidání další výkonové rezervy.

Jakou roli má UPS v průmyslovém záložním napájení

UPS a elektrocentrála řeší dvě různé části stejného problému.

V běžném průmyslovém systému se UPS používá především pro odběry, které nesmějí zaznamenat ani krátké přerušení napájení.

Může jít například o:

• PLC,
• průmyslové PC,
• server,
• komunikační infrastrukturu,
• vybrané měřicí a řídicí systémy.

UPS překlene dobu mezi ztrátou distribuční sítě a převzetím napájení elektrocentrálou.

Po převzetí zátěže generátorem ale UPS ze systému nezmizí. Stává se jedním z odběrů elektrocentrály.

Při konečném dimenzování proto vycházíme z parametrů vstupu konkrétního UPS, nikoli pouze ze součtu výkonů zařízení připojených na jeho výstupu.

Je potřeba počítat také s vlastními ztrátami UPS a podle konfigurace systému případně s dobíjením baterií po obnovení napájení.

Důležitá je také kompatibilita UPS s generátorovým soustrojím. UPS má definovaný rozsah vstupního napětí a frekvence. Pokud se parametry generátoru dostanou mimo tento rozsah, UPS může zdroj vyhodnotit jako nevyhovující a pokračovat v provozu z baterie. Eaton proto mezi důležité body společného návrhu řadí frekvenční stabilitu generátoru, správné dimenzování i topologii UPS. Eaton

Při návrhu proto vždy ověřujeme, zda vstupní parametry UPS odpovídají chování elektrocentrály při ustáleném provozu i při změnách zatížení.

Frekvenční měniče a další nelineární odběry

V moderní výrobní hale je běžná kombinace motorů a výkonové elektroniky.

Může jít například o:

• frekvenční měniče,
• UPS,
• spínané napájecí zdroje,
• průmyslové nabíječky,
• další elektronicky řízené pohony.

U těchto spotřebičů nestačí posuzovat pouze činný výkon.

Do návrhu se mohou promítnout také harmonické složky proudu, účiník a dynamika zatížení.

Pokud je v provozu větší počet frekvenčních měničů nebo jiných nelineárních odběrů, je potřeba pracovat s parametry konkrétních zařízení a celé sestavy.

Jednoduché pravidlo typu „sečteme všechny kW a přidáme 20 %“ proto u průmyslové instalace nemusí vést ke správnému výsledku.

Pozor také na neutrální vodič, uzemnění a ochrany

Při připojení elektrocentrály do stávající elektroinstalace se neřeší pouze výkon.

Součástí projektu musí být také:

• způsob uzemnění,
• konfigurace neutrálního vodiče,
• počet pólů přepínacího zařízení,
• koordinace ochran,
• zkratové poměry,
• ochrana před nežádoucím paralelním propojením zdrojů.

Konkrétní řešení závisí na zapojení rozvodu a na použitém přepínacím zařízení.

Tyto otázky proto nelze bezpečně rozhodnout jen podle výkonu elektrocentrály nebo podle obecného schématu převzatého z jiné instalace.

Modelový příklad: výrobní provoz na Ostravsku

Pro názornost si vezměme modelový výrobní provoz na Ostravsku. Čísla jsou zjednodušená a neslouží jako návrh konkrétní instalace.

Nejde tedy o popis skutečného zákazníka společnosti GAPPA.

Celý závod má vyšší instalovaný příkon, ale během výpadku není nutné napájet všechny stroje.

Po rozdělení odběrů podle priority dostaneme například následující přehled:

Na první pohled by někdo mohl dojít k závěru, že potřebujeme elektrocentrálu jen o něco větší než 106 kW.

Takový závěr by ale byl předčasný.

Ještě neznáme:

• účiník jednotlivých odběrů,
• celkový požadovaný zdánlivý výkon v kVA,
• parametry rozběhu kompresoru,
• charakter zátěže výrobní linky,
• harmonické zatížení,
• skoky výkonu při připojování jednotlivých zařízení,
• požadovanou rezervu,
• budoucí rozšíření provozu.

Navíc odběry napájené přes UPS nelze v konečném návrhu posuzovat pouze podle 9 kW uvedených na jejich výstupu.

Po převzetí napájení elektrocentrálou může UPS současně napájet připojenou zátěž a podle svého provozního režimu dobíjet baterie. Pro dimenzování proto potřebujeme parametry jeho vstupu.

Jak by mohla vypadat sekvence spuštění

Po výpadku pokračují PLC, komunikace a bezpečnostní systémy z UPS.

Elektrocentrála nastartuje a po dosažení správných parametrů převezme prostřednictvím přepínacího zařízení určenou část instalace.

Potom se mohou postupně připojovat:

1. základní infrastruktura,
2. chlazení,
3. ventilace,
4. čerpadlo,
5. kompresor,
6. kritická část výrobní linky.

Po každém větším kroku lze podle řídicí logiky ověřit stav technologie a zatížení.

Takový postup dává pro návrh mnohem více informací než samotný součet hodnot uvedených na štítcích zařízení.

Návrat distribuční sítě je součástí návrhu

Záložní systém nekončí ve chvíli, kdy elektrocentrála úspěšně převezme výrobu.

Stejně důležitý je návrat do běžného provozu.

Po obnovení sítě musí řídicí systém nejprve vyhodnotit, zda je napájení stabilní. Až potom může dojít k přepnutí zátěže zpět na hlavní zdroj.

ABB u automatického přepínání síť–generátor popisuje také opačnou sekvenci po návratu hlavního zdroje a následné odstavení generátoru podle nastavených časových prodlev. library.e.abb.com

Pro samotnou výrobní technologii však může být potřeba další postup.

Některé stroje po návratu napětí automaticky pokračují. Jiné musí potvrdit obsluha nebo čekají na splnění provozních podmínek.

Proto se při návrhu ptám také:

Co se má stát s jednotlivými stroji po návratu sítě?

Je to stejně důležitá otázka jako jejich chování při samotném výpadku.

Systém je potřeba ověřit pod skutečnou zátěží

Start elektrocentrály bez zatížení ověří, že motor nastartuje a soustrojí je schopné pracovat naprázdno.

Neověří ale celý záložní systém.

Problém se může projevit teprve při:

• prudkém nárůstu zátěže,
• rozběhu motoru,
• provozu frekvenčních měničů,
• přechodu na ATS,
• souběžném provozu UPS,
• návratu z elektrocentrály na distribuční síť.

Proto má u průmyslového záložního zdroje smysl pravidelná zkouška pod zatížením.

Při testu mě nezajímá jen to, zda motor elektrocentrály nastartuje.

Potřebuji ověřit celý řetězec:

detekce výpadku → start soustrojí → stabilizace parametrů → přepnutí zdroje → připojení zátěže → provoz pod zatížením → návrat na distribuční síť.

Teprve takový test ukáže, jak se bude systém chovat v podmínkách blízkých skutečnému výpadku.

Jaké údaje potřebuji od zákazníka před návrhem

Pokud mi zákazník pošle pouze informaci, že má „výrobu přibližně 150 kW“, nestačí to k přesnému návrhu.

Mnohem užitečnější je seznam spotřebičů, které musí zůstat při výpadku v provozu.

U významných zařízení potřebuji pokud možno znát:

• činný výkon v kW,
• zdánlivý výkon v kVA, pokud je uveden,
• napětí,
• počet fází,
• účiník,
• jmenovitý proud,
• způsob rozběhu motoru,
• rozběhový proud nebo parametry softstartu,
• typ a výkon frekvenčního měniče,
• zda zařízení pracuje nepřetržitě,
• zda se může spustit s časovým odstupem.

Dále řešíme:

• požadovanou dobu provozu bez distribuční sítě,
• automatický nebo ruční režim přepnutí,
• místo instalace soustrojí,
• větrání a odvod tepla,
• odvod spalin,
• hlučnost,
• způsob doplňování paliva,
• délku kabelových tras,
• místo připojení do rozvaděče,
• plánované budoucí rozšíření provozu.

Z těchto údajů už lze připravit technicky smysluplné zadání.

Záložní napájení je potřeba navrhovat jako jeden systém

Když řeším průmyslovou instalaci, otázka:

„Jak velkou elektrocentrálu potřebujete?“

přichází až později.

Nejdřív potřebuji vědět:

Co musí během výpadku fungovat?

Co nesmí vypadnout ani na několik sekund?

Které motory se budou rozbíhat?

Které odběry lze spouštět postupně?

Jak dlouho má provoz fungovat bez distribuční sítě?

A co se má stát, když se síť znovu vrátí?

Teprve z těchto odpovědí vznikne zadání pro elektrocentrálu, ATS, UPS a řídicí logiku.

Cílem není zvolit co největší generátor. Cílem je navrhnout soustrojí, které zvládne skutečný zatěžovací profil provozu a bude správně spolupracovat se zbytkem elektroinstalace.

Pokud připravujete záložní napájení výrobního závodu, skladu nebo technologického provozu, pošlete nám seznam hlavních spotřebičů a jejich parametry. Můžeme nejdřív určit, které odběry musí být skutečně zálohované, jak se budou spouštět a jaké nároky bude mít provoz na průmyslovou elektrocentrálu.