Zasilacze bezprzerwowe UPS (Uninterruptible Power Supply) to urządzenia elektroenergetyczne odpowiadające za utrzymanie ciągłości zasilania w sytuacji zakłóceń występujących w sieci elektroenergetycznej. Ich podstawowym zadaniem jest ochrona odbiorników przed skutkami spadków napięcia, przepięć oraz całkowitych przerw w dostawie energii elektrycznej. W sektorze przemysłowym rola UPS-ów wyraźnie się jednak rozszerza – obecnie stanowią one nie tylko system zabezpieczenia, ale również element aktywnego zarządzania energią, współpracujący z magazynami energii i rozwiązaniami smart grid.

Czym jest UPS i na jakiej zasadzie działa?

UPS, określany również jako zasilacz awaryjny lub zasilacz bezprzerwowy, składa się z prostownika, układu magazynowania energii – najczęściej w postaci akumulatorów litowo-jonowych albo VRLA (Valve Regulated Lead-Acid, czyli szczelnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych wyposażonych w zawory regulujące ciśnienie), falownika oraz systemu sterowania. W środowisku przemysłowym najczęściej stosowane są rozwiązania online, które realizują ciągłe przetwarzanie energii i zapewniają wysoką jakość parametrów zasilania.

Podczas standardowej pracy energia pobierana z sieci jest konwertowana przez prostownik na prąd stały. Następnie zasila on falownik oraz ładuje akumulatory. W momencie zaniku napięcia UPS automatycznie przełącza się na zasilanie bateryjne, a czas przejścia jest praktycznie niezauważalny lub całkowicie zerowy. Ma to kluczowe znaczenie dla procesów technologicznych wrażliwych nawet na bardzo krótkie przerwy w zasilaniu.

Typy UPS-ów i zakres ich zastosowań

Ze względu na zastosowaną topologię wyróżnia się trzy podstawowe grupy UPS-ów: offline, line-interactive oraz online (double conversion). Różnice pomiędzy nimi wynikają przede wszystkim ze sposobu zasilania odbiornika podczas normalnej pracy – bezpośrednio z sieci, przez układ regulacji napięcia albo przez stale działający tor podwójnej konwersji energii.

Najprostszym rozwiązaniem jest UPS offline. W warunkach standardowych energia trafia bezpośrednio z sieci do odbiornika, a sam UPS pozostaje w stanie gotowości. Aktywuje się dopiero po wykryciu zaniku napięcia lub istotnych odchyleń parametrów zasilania. Wówczas przełącza odbiornik na pracę z baterii, jednak operacja ta trwa kilka milisekund. Dla mniej wymagających urządzeń taki czas jest akceptowalny, lecz bardziej czułe systemy mogą odczuwać krótkotrwałe przerwy. Dodatkowo UPS offline praktycznie nie filtruje zakłóceń ani wahań napięcia.

Schemat działania UPS typu offline, opracowanie: DB Energy

UPS line-interactive stanowi rozwiązanie pośrednie. W czasie normalnej pracy nadal wykorzystuje energię z sieci, ale posiada układ stabilizacji napięcia, który umożliwia kompensację niewielkich spadków i wzrostów napięcia bez konieczności przełączania na baterię. Dzięki temu poprawia ochronę odbiorników i ogranicza zużycie akumulatorów. W przypadku całkowitego zaniku zasilania nadal jednak występuje krótki czas przełączenia na tryb bateryjny – krótszy niż w UPS-ach offline, lecz nadal obecny.

Najbardziej zaawansowaną technologią jest UPS online, określany także jako system double conversion. W tym rozwiązaniu odbiornik nie jest bezpośrednio połączony z siecią elektroenergetyczną. Energia jest stale przekształcana – najpierw z prądu przemiennego na stały, a następnie ponownie na prąd przemienny o stabilnych parametrach. Taki układ skutecznie izoluje odbiorniki od zakłóceń występujących po stronie sieci. W razie awarii lub blackout’u nie dochodzi do widocznego przełączenia, ponieważ UPS cały czas pracuje w tym samym torze energetycznym. Z tego względu rozwiązania online są powszechnie stosowane w przemyśle oraz wszędzie tam, gdzie nawet chwilowa utrata zasilania jest niedopuszczalna.

Można więc przyjąć, że UPS offline reaguje głównie na awarię, line-interactive dodatkowo stabilizuje napięcie, natomiast UPS online stale kontroluje parametry zasilania i odtwarza energię o wymaganej jakości.

UPS jako komponent systemów zarządzania energią

Jeszcze do niedawna UPS był postrzegany przede wszystkim jako system zabezpieczający odbiorniki przed utratą zasilania. Rozwój cyfryzacji przemysłu oraz rosnące znaczenie elastyczności energetycznej sprawiają jednak, że urządzenia te coraz częściej stają się elementem systemów EMS (Energy Management Systems).

Należy przy tym rozróżnić klasyczne UPS-y, których zadaniem jest krótkotrwałe podtrzymanie zasilania, od rozwiązań hybrydowych integrujących UPS z większym magazynem energii oraz systemem EMS. Dopiero taka konfiguracja umożliwia realizację bardziej zaawansowanych funkcji związanych z zarządzaniem energią, wykraczających poza samo zabezpieczenie odbiorników krytycznych.

Nowoczesne systemy UPS mogą między innymi:

• uczestniczyć w redukcji szczytowego poboru mocy (peak shaving),
• wspierać stabilizację napięcia i częstotliwości w zakładzie,
• brać udział w lokalnym bilansowaniu energii,
• współpracować z instalacjami OZE.

Dzięki bardzo szybkiemu czasowi reakcji oraz wysokiej sprawności – przekraczającej w trybie online nawet 96% – UPS może pełnić funkcję krótkoterminowego bufora energetycznego odciążającego sieć w momentach największego obciążenia. Zakres takich możliwości zależy jednak od pojemności baterii, konfiguracji układu oraz stopnia integracji z EMS lub magazynem energii.

Integracja UPS z magazynami energii i smart grid

Jednym z najważniejszych kierunków rozwoju UPS-ów jest ich integracja z systemami magazynowania energii BESS (Battery Energy Storage Systems) oraz infrastrukturą smart grid. W praktyce oznacza to możliwość współpracy z instalacjami fotowoltaicznymi, jednostkami kogeneracyjnymi, przemysłowymi magazynami energii, systemami DSR (Demand Side Response) oraz lokalnymi mikrosieciami.

W takich konfiguracjach UPS może realizować funkcję:

• stabilizacji pracy źródeł OZE poprzez kompensację niestabilności generacji,
• zarządzania przepływem energii w obrębie instalacji,
• zabezpieczenia odbiorników krytycznych podczas pracy wyspowej.

Największą efektywność osiągają rozwiązania hybrydowe, w których UPS współpracuje z magazynem energii o większej pojemności. UPS odpowiada wówczas za natychmiastową reakcję liczona w milisekundach, natomiast magazyn energii przejmuje funkcję długotrwałego zasilania w perspektywie minut lub godzin. Takie rozwiązania zwiększają bezpieczeństwo energetyczne przedsiębiorstwa, a jednocześnie umożliwiają ograniczanie kosztów energii poprzez arbitraż cenowy i redukcję opłat związanych z mocą zamówioną.

Zachowanie UPS podczas awarii i blackoutów

W sytuacji zakłóceń w sieci elektroenergetycznej UPS stanowi pierwszą linię zabezpieczenia odbiorników. W przypadku krótkotrwałych spadków napięcia system online skutecznie izoluje odbiorniki od problemów występujących po stronie sieci. Gdy dochodzi do całkowitego zaniku zasilania, UPS natychmiast przełącza się na tryb pracy bateryjnej.

Czas podtrzymania zależy od pojemności akumulatorów oraz poziomu obciążenia i w zastosowaniach przemysłowych zazwyczaj wynosi od kilku do kilkunastu minut. Okres ten pozwala na:

• bezpieczne wyłączenie procesów technologicznych,
• uruchomienie agregatów prądotwórczych,
• przełączenie instalacji na alternatywne źródła energii.

W bardziej zaawansowanych układach UPS współpracuje z automatyką SZR (samoczynne załączanie rezerwy), umożliwiając płynne przejście pomiędzy źródłami zasilania bez zakłóceń dla odbiorników.

Nowoczesne systemy UPS oferują również funkcję cold start, rozpatrywaną szerzej jako element funkcji black start. Oznacza ona możliwość uruchomienia UPS-a oraz zasilenia odbiorników wyłącznie z energii zgromadzonej w bateriach, bez obecności napięcia w sieci elektroenergetycznej. Rozwiązanie to umożliwia restart kluczowych systemów po całkowitym blackoutcie jeszcze przed przywróceniem zasilania zewnętrznego lub uruchomieniem źródeł rezerwowych.

,,W bardziej rozbudowanych układach, szczególnie zintegrowanych z magazynami energii lub mikrosieciami, UPS może stanowić jeden z elementów scenariusza black start, inicjując odbudowę zasilania w instalacji. Najpierw zasila systemy sterowania i automatykę, następnie umożliwia uruchomienie kolejnych źródeł energii (np. agregatów lub jednostek kogeneracyjnych). Takie podejście znacząco zwiększa odporność zakładu na długotrwałe przerwy w dostawach energii i skraca czas powrotu do normalnej pracy.” - komentuje Piotr Danielski, Prezes Zarządu w DB Energy.

O tym, jak przedsiębiorstwa przemysłowe mogą chronić się przed skutkami blackoutu piszemy w tym artykule w bazie wiedzy DB Energy.

Branże o największym wykorzystaniu UPS-ów

UPS-y znajdują zastosowanie w wielu sektorach przemysłu, jednak ich znaczenie jest szczególnie duże w branżach charakteryzujących się wysoką wrażliwością na zakłócenia zasilania. Dotyczy to przede wszystkim:

• przemysłu chemicznego i petrochemicznego, gdzie przerwanie procesu może powodować straty surowców oraz zagrożenia bezpieczeństwa,
• przemysłu spożywczego, zwłaszcza linii ciągłych związanych z chłodnictwem i przetwórstwem,
• centrów danych oraz branży IT wymagających bardzo wysokiej dostępności systemów,
• przemysłu farmaceutycznego, w którym stabilność parametrów produkcji wpływa bezpośrednio na jakość wyrobów,
• sektora automotive i produkcji dyskretnej, gdzie zatrzymanie linii produkcyjnej generuje wysokie koszty przestojów,energetyki i infrastruktury krytycznej zabezpieczającej systemy sterowania oraz automatykę.

Bardzo istotnym obszarem zastosowań są również placówki ochrony zdrowia oraz infrastruktura publiczna o strategicznym znaczeniu. W szpitalach UPS-y odpowiadają za ciągłość zasilania aparatury medycznej, systemów podtrzymywania życia, bloków operacyjnych, diagnostyki obrazowej czy infrastruktury IT przetwarzającej dane pacjentów. Nawet krótkotrwała utrata zasilania może w takich przypadkach bezpośrednio zagrażać zdrowiu i życiu, dlatego stosuje się rozwiązania redundantne współpracujące z agregatami prądotwórczymi. Redundancja oznacza nadmiarowość systemu poprzez powielanie jego elementów w celu utrzymania ciągłości działania podczas awarii.

Podobne wymagania dotyczą systemów administracji publicznej, infrastruktury bezpieczeństwa oraz krytycznych centrów danych. Obejmuje to między innymi systemy zarządzania kryzysowego, infrastrukturę telekomunikacyjną oraz rozwiązania związane z bezpieczeństwem państwa. W takich zastosowaniach UPS pełni podstawową rolę w zapewnieniu ciągłości działania usług oraz integralności danych, a jego architektura projektowana jest z uwzględnieniem wysokiej redundancji, skalowalności i możliwości pracy wyspowej.

Jak dobrać odpowiedni UPS?

Dobór UPS-a nie powinien opierać się wyłącznie na mocy odbiorników. Równie istotny jest charakter procesu technologicznego, który ma zostać zabezpieczony. Znaczenie mają wymagany czas podtrzymania, dopuszczalny czas przełączenia, jakość napięcia oczekiwana przez odbiorniki, możliwość współpracy z agregatem prądotwórczym lub magazynem energii, warunki środowiskowe oraz wymagany poziom redundancji.

W środowisku przemysłowym istotna jest również analiza skutków potencjalnego przestoju. Inne wymagania będą dotyczyć linii produkcyjnej generującej straty jakościowe w przypadku zatrzymania, a inne systemów automatyki odpowiedzialnych za bezpieczeństwo procesu technologicznego.

Podsumowanie

UPS-y przestały pełnić wyłącznie funkcję zabezpieczenia zasilania i coraz częściej stają się aktywnym elementem infrastruktury energetycznej przedsiębiorstw. Integracja z systemami EMS, magazynami energii oraz odnawialnymi źródłami energii wpisuje się w rozwój elastycznych i odpornych systemów zasilania. Dzięki temu możliwe jest nie tylko ograniczanie ryzyka przestojów, ale również wpływanie na koszty energii i sposób jej wykorzystania w zakładzie przemysłowym.

Wraz ze wzrostem niestabilności systemów elektroenergetycznych, rosnącym udziałem źródeł odnawialnych oraz presją na poprawę efektywności energetycznej znaczenie UPS-ów będzie dalej rosło. Coraz większą rolę odgrywają rozwiązania hybrydowe, łączące klasyczne funkcje zasilania gwarantowanego z możliwościami magazynowania i optymalizacji zużycia energii. Takie podejście pozwala przedsiębiorstwom nie tylko zabezpieczać procesy technologiczne, ale także aktywnie uczestniczyć w transformacji energetycznej.

Dla przemysłu oznacza to zmianę podejścia do projektowania systemów zasilania – od modelu reaktywnego do proaktywnego. UPS staje się jednym z kluczowych elementów infrastruktury krytycznej, łącząc niezawodność operacyjną z nowoczesnym podejściem do zarządzania energią i wspierając zarówno ciągłość produkcji, jak i długofalową konkurencyjność przedsiębiorstw.