Áramfejlesztők alkalmazása
2005/4. lapszám | Székely Sándor | 14 283 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Ebben a cikksorozatban elsősorban a kisebb rendszerek, családi házak, társasházak, éttermek, boltok energetikai rendszereivel foglalkozunk, de a teljesség kedvéért nagy objektumok (ipari üzemek, irodaházak, kórházak, kereskedelmi áruházak, távközlési és közlekedési objektumok) jellemzőit is érintjük, tehát a megállapítások általános érvényűeknek tekinthetők.
1. Egy objektum fogyasztói és energiaforrásai
Az objektumok háromféle energiaforrással rendelkezhetnek, ezek a hálózati betáplálások, az áramfejlesztők és a megszakításmentes rendszerek kémiai áramforrásai, az akkumulátorok. Ahhoz, hogy meghatározzuk: melyik fogyasztói csoport táplálásához melyik betáplálás vagy mely betáplálások szükségesek, vegyük sorra a különböző fogyasztók táplálással szembeni igényeit
Hogyan lehet egy objektum fogyasztóit csoportosítani a táplálás megszakadásával kapcsolatban
Egyre több az olyan épület, objektum, amelynek kisfeszültségű (400/230 V-s, 50 Hz-es) fogyasztói nem egysze-rűen csak hálózati táplálást igényelnek, hanem korlátozott megszakadási idejű vagy teljesen megszakításmentes energiaellátást.
A különböző táplálási módok jelentése a következő:
- csak hálózati táplálás, ha a fogyasztókat csak hálózat jelenlétekor tápláljuk.
- korlátozott megszakadási idejű a táplálás akkor, ha – függetlenül a hálózat-kimaradás hosszától, – a fogyasz-tók táplálásának megszakadását adott időnél (jellemzően 15 másodperc – 1,5 perc) rövidebb intervallumra korlátozzuk. Ennek tipikus módja robbanómotoros (leggyakrabban dízel vagy gázmotoros) áramfejlesztők alkalmazása, automatikus átkapcsoló rendszerekkel.
- megszakításmentes a táplálás, ha a fogyasztók táplálásában egyáltalán nincs megszakadás. Ezt – néhány kü-lönleges kiviteltől eltekintve – UPS-ek alkalmazásával oldjuk meg. (Különleges eljárás, például az állandó-an forgó generátor és lendkerék, melyhez hálózat kimaradáskor villamos tengelykapcsoló kapcsolja hozzá a dízelmotort.)
Csak hálózatról kell táplálni azokat a fogyasztókat, amelyek üzeméről – vállalható kompromisszummal – a háló-zat kimaradás teljes tartamára lemondhatunk. Ilyenek az alárendelt világítások, díszkivilágítások, valamint az olyan technológiák, melyekről akár egész munkanap alatt le lehet mondani (pl.: targonca akkumulátortöltés, ha a használt akkumulátor kibírja a műszakot, egyes printerek stb.).
Korlátozott megszakadási idővel kell táplálni:
- a szünetmentes tápberendezéseket (UPS),
- a technológiai berendezések azon részét, melynek rövid idejű kimaradása nem okoz károsodást, de tartós üzemszünete nem engedhető meg (pl. konveyorok, szállítószalagok, megmunkáló berendezések, technológi-ai emelők, daruk, szellőztetők),
- a technológia működéséhez nélkülözhetetlen klímákat, felvonókat,
- szükségvilágítási áramköröket,
- nagy tömegforgalmú objektumokban minden berendezést, ami szükséges a működés folytatásához, vagy az épületek biztonságos elhagyásához,
- kisebb objektumokban a motoros kapukat, a hűtőszekrényeket, a klímákat, a kazánok villamos berendezéseit (elektronika, szelepek, keringető szivattyúk stb.), lifteket, világításokat különösen a közös terek világításait.
Megszakításmentesen kell táplálni például a következőket:
- műtőtechnikai eszközöket, intenzív monitorokat, dialízis berendezéseket, CT-ket,
- számítástechnikai, biztonsági, tűzvédelmi, beléptető, pénztári, baktechnikai, vásárlók kis- és nagykereske-delmi szolgáltatására szolgáló rendszereket,
- stúdió, távközlési, kábel TV, közösségi elosztó berendezéseket, média szerkesztőségeket,
- biztonsági világításokat,
- kisebb rendszerek számítástechnikai, biztonságtechnikai berendezéseit, médiafelvevőit (videók, CD, DVD írók), távközlési eszközeit (elektronikus telefonkészülékek, házi alközpontok).
Hálózati betáplálás
A hálózati táplálás megkerülhetetlen, mert ez a gazdaságos táplálás. Kisebb rendszerekben a betáplálás mindig kisfeszültségű (400/230 V). Nagyfogyasztású objektumok táplálása a fogyasztott teljesítménytől függően közép- vagy nagyfeszültségű.
Nagyobb rendszerekben gyakran felmerül az a probléma, hogy a táplálás biztonságának fokozására kétirányú be-táplálást építsenek-e ki. Terjedelmi okokból a számítási és hozzáférési hátteret mellőzzük, csak a következtetést írjuk le: nagyon kevés olyan hely van az országban, ahova reális költséggel az országos hálózat két olyan alállomásból lehet energiát vételezni, melyek nagy valószínűséggel nem egyszerre esnek ki. Átlagos helyen ezért csak a beruházási költségek kétszereződnek, a megbízhatóság csak csekély mértékben nő, és az energiaszámlát jelentős mértékben növeli a tartalékbetáplálás rendelkezésre állási díja.
A fentiek miatt a műszaki és gazdaság optimum egy betáplálás és szükség-áramfejlesztő alkalmazásában állapítható meg.
Áramfejlesztők
Hálózat kimaradás alatt a fogyasztók táplálását robbanómotoros áramfejlesztő veheti át. Ha csak villamos ener-giára van szükség, telepített áramfejlesztőként csak dízelmotoros berendezést javasolunk (ennek leírását az áram-fejlesztők osztályozásával kapcsolatos rész tartalmazza). Korszerű áramfejlesztőkkel hálózat-kimaradáskor mintegy másfél perces magszakadási idő tekinthető szokásos-nak, a hálózat visszatérésekor pedig akár néhány másodpercre is korlátozható a kimaradás.
Mi szabja meg a megszakadási időt? Egy korszerű, előfűtött dízelmotoros áramfejlesztő az indítási parancs (ön-indítózás kezdete) után 3-5 másodperc alatt beindul, a generátor frekvenciája és feszültsége 3-5 másodperc alatt stabilizálódik, és a főkapcsoló máris bekapcsolható, azaz a kimaradás 7 – 15 másodpercre korlátozható. Ezt az értéket azonban célszerű 30 – 60 másodperces várakozási idővel megnövelni, mivel a légvezetékes hálózatokon automatikus visszakapcsoló áramkörök vannak, így csak akkor érdemes az áramfejlesztőt indítani és átterhelni, ha a hálózat kb. 1 percen belül nem tér vissza. Hálózat visszatérésekor érdemes egy percet várni, de ezalatt a fo-gyasztókat az áramfejlesztő táplálja, kimaradás csak addig van, míg a két főkapcsoló vált (a dízel főkapcsoló már kikapcsolt és a hálózati főkapcsoló még nem kapcsolt be). Ez az idő még megszakítóknál is biztonsággal 3 má-sodperc alatt tartható.
Akkumulátoros berendezések (UPS)
Teljesen megszakításmentes táplálás csak akkumulátort tartalmazó megszakításmentes rendszerekkel lehetséges. (AZ UPS szó jelentése: Uninterruptible Power System: megszakításmentes energiaellátó rendszer).
Az UPS-ek egyenirányítója a hálózati váltakozó áramból egyenáramot állít elő, amivel táplálja az invertert és tölti az akkumulátort. Az egyenáramú energiát az inverter alakítja ismét váltakozó árammá, amivel táplálja a megszakításmentes táplálást igénylő fogyasztókat. (Természetesen léteznek más felépítésű UPS-ek, de működé-sük analóg azzal, amit itt röviden vázoltunk.)
Sokan gondolják azt, hogy ha egy UPS képes hálózat-kimaradás alatt táplálni a fogyasztókat, akkor nem kell áramfejlesztő, csak megfelelő kapacitású akkumulátor, amivel tetszőleges hálózat kiesési idő is áthidalható.
Az akkumulátor töltésére rendelkezésre álló áram a legtöbb esetben az inverter által felvett névleges áram kb. 10 %-a. Ez az oka annak, hogy az akkumulátor tároló képessége nem növelhető tetszés szerint, mert a korlátozott töltőáram nagy telepnél csak hetek, hónapok alatt képes a telepet feltölteni, ezért minden olyan esetben, amikor az akkumulátor áthidalási idejénél (10-30 perc) tovább is fenn kell tartani a táplált berendezések üzemét, auto-matikus indítású, a főelosztó hálózat dízel átkapcsolóját is vezérlő áramfejlesztőt is alkalmazni kell!
Másként fogalmazva, a hálózat kimaradás áthidalásában munkamegosztás kell: a megszakítás-mentességet csak UPS tudja biztosítani, azonban az áramfejlesztő 1-2 percen belül pótolja a hálózatot és átveszi az UPS-ek és a korlátozott megszakadási idővel táplálható berendezések ellátását. Ennek eredményeként az UPS akkumulátora csak kismértékben sül ki és a feltöltési ciklus alatti esetleges ismételt hálózat kimaradások dízelindulási szaka-szait is biztonsággal át tudja hidalni.
2. Több betáplálású rendszer kialakítása
Az egész rendszer felépítése alapvetően meghatározza, hogy milyen arányban áll az áramfejlesztő teljesítménye és a hálózati üzemben felvett teljesítmény. Ebből a szempontból két alapeset lehetséges:
- Az áramfejlesztő teljesítménye – a hálózati betáplálás teljesítménye, azaz az áramfejlesztő minden korláto-zás nélkül képes ellátni az objektum minden fogyasztóját.
- Az áramfejlesztő teljesítménye – a hálózati betáplálás teljesítménye, azaz az áramfejlesztő csak korlátozá-sokkal tudja ellátni a fogyasztókat, más szóval csak a fogyasztók egy kiválasztott csoportját tudja táplálni.
Röviden, az első esetben csak egy hálózat-áramfejlesztő átkapcsolóval kell kiegészíteni a szokásos főelosztót, hi-szen hálózat kimaradás alatt az áramfejlesztő képes az összes fogyasztó ellátására. A második esetben szét kell bontani a fogyasztói leágazásokat csak hálózattal táplált részre, illetve áramfejlesztővel is táplált részre, és az át-kapcsolót csak az áramfejlesztőről is táplált, ún. dízeljogos fogyasztók táprendszerébe kell beépíteni.
Természetesen a valóságban, mint azt a cikk további részében láthatjuk majd, a legtöbb gyakorlati esetben cél-szerű bonyolultabb elosztót tervezni, ha a rendszer bővítésére számítani lehet, mert előfordulhat, hogy kezdeti kiépítésben az áramfejlesztő minden fogyasztó ellátására alkalmas, de a későbbiekben, ha a fogyasztói terhelés nő, korlátozások válnak szükségessé, tehát célszerű, ha a rendszert eleve ennek megfelelően építjük ki.
Automatikus hálózat – áramfejlesztő átkapcsoló – főelosztó
A több betáplálásos (hálózat, áramfejlesztő) főelosztók egyszerűsített kapcsolása az alábbi három elv valamelyi-kébe sorolható. Mindhárom esetben a feszültségek figyeléséről, a főkapcsolók vezérléséről az áramfejlesztő elektronikus vezérlőegysége gondoskodik.
Nagyon fontos, hogy egyetlen elosztóból se maradjon ki a többlépcsős túlfeszültség védelem, a durva, a közép-fokozat, valamint a fogyasztói áramköröknél a varisztoros finom fokozat. Ez még egy családi ház esetében sem válhat a költségcsökkentés áldozatává. A teljes túlfeszültség védelem költsége kisebb, mint egyetlen házimozi erősítő, vagy egy közepes képernyős TV ára, ugyanakkor az összes elektronikai berendezés biztonságáról gon-doskodik!
Az elosztókban kétféle kapcsolókészüléket alkalmazunk. Főkapcsolóként és bizonyos szakaszkapcsolóként vezé-relhető készülékeket alkalmazunk. Vezérelhető kapcsoló a motoros megszakító és a mágneskapcsoló. Azokban a pozíciókban, ahol nem kell a kapcsolókat automatikusan működtetni, nem vezérelhető készülékeket alkalma-zunk, elsősorban kismegszakítókat és terhelésszakaszoló biztosítókat.
A három ábrához a következő magyarázatot szükséges fűzni.
1. ábra
- Az ábra tipikus példa arra az esetre, amikor az áram-fejlesztő teljesítménye az objektum összes fogyasztó-jának táplálására elegendő, nemcsak kezdetben, de a következő 1-2 évtizedben várható bővítések végén is.
- A két betáplálás két vezérelhető főkapcsolón keresz-tül kapcsolódik a gyűjtősínre. Természetesen – a szinkronizált átkapcsoló rendszerek kivételével – a főkapcsolók reteszeltek.
- A betáplálások főkapcsoló előtti leágazásai táplálják a hálózati és a generátor feszültségfigyelő áramkörö-ket, a főkapcsolók vezérlő áramköreit és az áramfej-lesztő házi-üzemét (motor melegen-tartás, indítóak-kumulátor töltés, zsalumozgatás, üzemanyag utántöl-tő rendszer stb.).
- A fogyasztók – ha technológiai okból nem kell vezé-relhető kapcsoló – nem vezérelhető kapcsolókon ke-resztül csatlakoztathatók a gyűjtősínre.
2. ábra
- A 2. ábra jellemző példa arra az esetre, amikor az áramfejlesztő teljesítménye nem elegendő az összes fogyasztó táp-lálására. Az ábra baloldalán láthatók azok a fogyasztók, melyek csak hálózat-ról kapnak táplálást. Az ábra többi része mindenben megfelel az 1. ábra szerinti konfigurációnak.
- A megoldás nagy hátránya az, hogy ha egyes fogyasztókat később dízeljogossá kell minősíteni vagy az áramfejlesztőt nagyobbra cserélik, az elosztót lényege-sen át kell építeni. 300A megoldás nagy hátránya az, hogy ha egyes fogyasztókat később dízeljogossá kell minősíteni vagy az áramfejlesztőt nagyobbra cserélik, az elosztót lényege-sen át kell építeni.
3. ábra
A 3. ábra szerinti elosztó kialakítás ajánlható megvalósításra Ennek okai a következők.
- A rendszer rugalmas konfigurálást tesz lehetővé, mert az áramfejlesztő működésével és a főkapcsolók mű-ködtetésével kapcsolatos áramköröket kivéve minden fogyasztó a dízeljogos gyűjtősínre kapcsolódik.
- Azok a fogyasztók, melyek minden konfigurációban dízeljogos táplálást igényelnek, vezérelhető kapcsoló nél-kül kapcsolódnak a gyűjtősínre.
- A többi fogyasztókat prioritás szerint csoportokba gyűjtjük, és egy-egy ve-zérelhető kapcsolón keresztül táplál-juk.
Hogyan vezérelhetjük a 3. ábra csoportkapcsolóit?
Legegyszerűbb az ábrán jelzett megoldás: egy háromállású kapcsolóval jelöljük ki az üzemet:
- 1. állásban a kapcsoló csak hálózatról kap vezérlést, azaz a táplált áramkörök csak hálózatról működ-nek.
- 0 állásban a kapcsoló nem kap vezérlést, ez a szerviz állás.
- 2 állásban a kapcsoló mind hálózatról, mind áramfejlesztőről működik, azaz a fogyasztók bármelyik tápforrás működése esetén üzemképesek.
- A rendszert egyszerűen lehet automatizálni áramérzékelő, elsőbbségi relékkel. A fogyasztói összáramot megfelelő relékkel mérjük és a relék a terhelőáram növekedésekor fontossági sorrendben lekapcsolják a fo-gyasztói csoportokat, illetve, ha a fogyasztói áram ismét csökken, ellentétes sorrendben visszakapcsolják a csoportokat.
- Programozott logikákkal nemcsak merev fontossági sorrendiség (prioritás) állítható be, de feltételtől függő, dinamikus is. Például, ha mérjük az adott helyiség hőmérsékletét, akkor a klímaberendezés működését ala-csony prioritásúnak tekinthetjük adott hőmérsékleti tartományban, elsőbbséget adva más fogyasztóknak. Távközlési objektumokban lehet alacsony prioritást rendelni az akkumulátortöltő rendszernek mindaddig, amíg az akkumulátorok töltöttségi állapota pl. félérték alá nem csökken stb. Természetesen csak éreztettük a dinamikus teljesítményszabályzás lehetőségét, a téma külön cikket érdemelne. A dinamikus prioritás sza-bályzás nem csak az áramfejlesztős rendszerek sajátja, mivel hálózati üzemben is segít a lekötött energia-mennyiség kompromisszumok nélküli csökkentésére, így alkalmazása jelentős költségmegtakarítást ered-ményez.
A 3. ábra szerinti felépítésnek további előnye, hogy az egyes csoportkapcsolók egyszerűen időzíthetők, így nem egyszerre kapcsolnak be. Ez a módszer jelentősen csökkenti a teljes bekapcsolási áramlökés mértékét, mivel a csoportok áramlökései néhány másodperccel eltolva, egymás után jelentkeznek.
A korlátozott áramlökés hálózati üzemben is csökkenti a feszültség-tranziensek amplitúdóját (nagyságát) és le-csengési idejét, de különösen jótékony hatású áramfejlesztő üzemben, mivel az áramfejlesztő gépcsoport tehetet-lensége több nagyságrenddel kisebb az együttműködő energiarendszer tehetetlenségénél, a generátor belső im-pedanciái is sokszoros értékűek, mint a hálózat tápponti impedanciája, ezért azonos áramlökésre az áramfejlesztő nagyobb feszültség- és frekvenciaváltozással reagál.
Alelosztók, hálózatok
A főelosztókban csak leágazásokat, fogyasztói csoportokat jelöltünk.
Természetesen a főelosztó egy-egy konkrét leágazása nemcsak fogyasztókat, de alelosztókat is táplálhat.
A több betáplálásos rendszerek alelosztói – néhány egyszerűsítéssel – a következő csoportokba sorolhatók
- Csak egyféle fogyasztói csoportot tápláló alelosztók. Ezek egyszerű berendezések, egy betáplálással, több fogyasztói leágazással. Ha a főelosztó táplálja a betáplálást, akkor a leágazások üzemelnek. Ebbe a csoport-ba tartoznak a szünetmentes elosztók, melyek csak abban térnek el, hogy betáplálási oldalukat az UPS táp-lálja.
- Több betáplálású elosztók. Ezek nem mások, mint kettő vagy több, az előző pont szerinti elosztó, közös szekrényben. Legbonyolultabb esetben három betáplálás van: csak hálózatról ellátott; mind hálózatról, mind áramfejlesztőről táplált (ún. dízeljogos); valamint UPS-ről táplált. Az egyes betáplálások külön elosztó síne-ket táplálnak, melyről külön táplált fogyasztók működnek.
- Olyan alelosztók, melyekben nincs külön csak hálózati és dízeljogos betáplálás, de a fogyasztókat szét kell választani. Ez a probléma gyakori, ha egy meglévő rendszert utólag egészítenek ki áramfejlesztővel, de mind a hálózatok, mind az elosztók készen vannak, a főelosztókat csak az automatikus betáplálás átkapcso-lóval szeretnék kiegészíteni, és a csak hálózatról vagy áramfejlesztőről is táplálandó fogyasztókat az alelosztókban (pl. szintelosztókban) szeretnék szétválasztani.
A megoldás általában meglévő elosztókban is kivitelezhető, új elosztókban csak tervezési kérdés.
Ezekben az elosztókban külön gyűjtősínekre kell csoportosítani az azonos módon táplálandó fogyasztók le-ágazó készülékeit. A gyűjtősíneket vezérelhető kapcsolókon keresztül kell táplálni, és azokat úgy kell vezé-relni, hogy az egyik csak hálózati üzemben legyen bekapcsolva, a másik dízel üzemben is.
A vezérlésnek számtalan módja van, lehet vezérlő vezetékeket fektetni a főelosztó (vagy az automatikus be-táplálás átkapcsoló) és az adott alelosztó közé, lehet vivőfrekvenciával kapcsolni (úgy, ahogy a többtarifás mérőket kapcsolja át az áramszolgáltató), olcsón beszerezhetők vezeték nélküli jeladók és jelvevők.
A több betáplálásos rendszer működéséhez természetesen – legalább az alelosztóktól kezdődően – külön hálóza-tokat kell kiépíteni. És a megszakításmentesen táplált fogyasztók, fogyasztói csoportok számára is. Ha csak egy hálózat van, azt nem lehet különbözőképpen táplálni.
Nagyon fontos a különböző hálózatokat külön, jelölten vezetni, csatlakozóhelyeiket maradandóan meg kell je-lölni, nehogy később egy nem odavaló készülék csatlakoztatásával nagy kárt okozzanak (például egy klíma-kompresszort csatlakoztassanak az UPS hálózatra, melynek minden bekapcsolási áramlökése letöri az UPS ki-menő feszültségét és leállítja a szervereket): egy ilyen berendezés rosszabb esetben működteti a védelmeket és a megszakításmentesen táplált összes fogyasztó táplálását megszakítja.
Fogyasztói helyek, csatlakozók
A fogyasztók csatlakoztatása kétféleképpen történhet: fix kábel bekötéssel, oldható kötéssel (dugaszoló aljzat).
Mindkét esetben lényeges az egyértelmű megjelölés. Célszerű külön, konzekvens színjelzést alkalmazni az ösz-szes, csak hálózatról üzemelő, dízeljogos és megszakításmentesen táplált áramkör esetében, a gyűjtősínek, a kap-csolókészülékek, kábelek, elosztódoboz-részek (szektorok, készülék sorok), csatlakozódobozok, dugaszoló aljzatok egyértelmű jelölésére. A cél az, hogy egyetlen pillantással lehessen meggyőződni attól, hogy az adott elem milyen táplálási rendszer része.
Folytatása következik.