TARTALÉK ÁRAMELLÁTÁS IEC / EN UPS Szabvány. Szünetmentes berendezések osztályzása. 3.lépés: Kimenet dinamikus tulajdonsága

Átírás

1 TARTALÉK ÁRAMELLÁTÁS UPS Szabvány IEC / EN október 10. Szünetmentes áramellátás 1 Szünetmentes berendezések osztályzása IEC / EN szerint 1. lépés: Kimenet függetlensége 2. lépés: Kimeneti jelalak 3.lépés: Kimenet dinamikus tulajdonsága

2 Szünetmentes berendezések osztályzása Minősítés 1. lépés: Kimenet függetlensége V F I V I Az UPS kimenete független a hálózati feszültség és frekvencia változásától A hálózati frekvencia változása megjelenik a kimeneti jelalakban, míg a kimeti feszültsége ettől független V F D Az UPS kimeneti feszültsége és frekvenciája nem független a betáphálózattól UPS felépítése IEC szerint V F I ON-LINE UPS V I LINE- INTERACTIVE / DELTA CONVERSION UPS V F D OFF-LINE UPS

3 Szünetmentes berendezések osztályzása Minősítés 2. lépés: Kimeneti jelalak S S X X Színuszos: a THD< 0.08, lineáris és nem lineáris terhelés esetén is a harmonikusok értéke IEC szabványban meghatározott értékeken belül van. Nem színuszos: a THD> 0.08és nem lineáris terhelés esetén a harmonikusok értéke IEC szabványban meghatározott értékeken belül van. Y Y Nem színuszos: athd> 0.08 lineáris és nem lineáris terhelés esetén is a harmonikusok értéke IEC szabványban meghatározott értékeken belül van Akkumulátoros üzem Normál üzem Szünetmentes berendezések osztályzása Minősítés 3. lépés : A kimenet dinamikus tulajdonságai Minősítés 1 Minősítés 2 Minősítés 3 Dinamikus viselkedés nem lineáris terhelésugráskor Dinamikus viselkedés lineáris terhelésugráskor Dinamikus viselkedés üzemmód váltáskor

4 Minősítési lépések A kimenet függősége a hálózattól Szünetmentes berendezések osztályzása A kimeneti jelalak torzítása Kimenet dinamikus tűrése V F I S S V I S X V F D S Y Köszönöm a figyelmet! Témafelelős: Előadó: Dr. Kárpáti Attila Vörös Miklós Címzetes egyetemi tanár Ügyvezető iggató karpati@aut.bme.hu office@interpower.hu október 10. Szünetmentes áramellátás 13

5 TARTALÉK ÁRAMELLÁTÁS Dízel aggregátorok október 10. Dízel aggregátorok 1 Röviden a dízel aggregátokról Általános ismeretek

6 Motor Generátor Hűtő Üzemanyagtank Az áramfejlesztő Vezérlés Légszűrők 3 Teljesítmény definíciók ISO 8528 Part 1 adja meg a teljesítmény definíciókat Continuous teljesítmény (COP) Korlátlan idejű Prime teljesítmény (PRP) Korlátozott idejű Prime telj. ( LTP) Standby teljesítmény (ESP)

7 Teljesítmény Continuous teljesítmény COP Elsődleges hálózati betáp konstans 100% teljesítmény, évi korlátlan üzemidő. Ez a teljesítmény nem terhelhető túl Idő t 1 t 1 1 év t 1 Karbantartási leállások (8760 h/év, mínusz szervíz) COP dízel erőmű A COP szerint üzemelő generátorok a hálózathoz vannak kapcsolva.

8 Teljesítmény Átlag Prime Teljesítmény 100% 70% Korlátlan idejű Prime teljesítmény (PRP): (8760 óra/év mínusz szervíz) Korlátlan éves óraszám Változó terhelés t 1 t t Idő 2 t 3 t 4 5 t 6 t 7 A gép 24 óránkénti terhelési átlaga nem lépheti túl a PRP teljesítmény 70%- át. PRP Alkalmás Kone Cranes 500kVA teljesítményű aggregát hajtja a konténer rakodó darut. A daru emelési kapacitása 40 tonna, mozgása 135 méter / perc

9 Teljesítmény Teljesítmény Prime Teljesítmény t 1 Leállás karbantartás miatt 500 h/év max Korlátozott üzemidejű Prime teljesítmény (LTP): Korlátozott óraszám 500 h/év Állandó terhelés A terhelés nem haladhatja meg a Prime teljesítményt. Ha éves üzemidő meghaladja 500 üzemórát, Continuous teljesítményszintre kell méretezni Idő t 1 t 1 1 év Vészüzemi Standby teljesítmény t 1 t 7 Kevesebb mint 200 üzemóra évenként 100% Átlag 70% ESP Vészüzemi teljesítmény a hálózakiesés idejére. t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 Idő Nem lehet több mint 200 h/év Az átlagteljesítmény 70% -a standby teljesítménynek Nincs tervezett kiesett üzemidő. 1 év

10 Nézzünk egy példát: C1675D5 Standby teljesítmény 1675kVA A 24 órás átlagteljesítmény (70%) kVA Üzemidő korlát: 200h/év Korlátlan idejű Prime teljesítmény 1400kVA A 24 órás átlagteljesítmény (70%) 980kVA Korlátozott idejű Prime teljesítmény 1400kVA 500h/év állandó terhelésen Continuos teljesítmény 1028 kva Röviden a dízel aggregátokról Gépészeti ismeretek

11 Az aggregát energia mérlege A motorban elégetett üzemanyagból: Forgó mechanikai energia / elektromos energia Hő Sugárzó hő 10% Kipufogógáz 30% Hűtőrendszer 25% Elektromos telj. 35% Mechanikai energia Üzemanyag be 13 Gépház szellőzés Levegő be zsalu Radiator Hűtőlevegő be Meleg levegő ki Flex.elem Szellőzési rendszer: Biztosítja a motor égéslevegőjét Biztosítja a generátor hűtőlevegőjét Elviszi a sugárzó hőt a helységből Hűti a motort a hűtőn keresztül Levegő ki zsalu Az egyenes átszellőztetés a kulcsa a megfelelő gépműködésnek! 14

12 Cool Air Flow In Külső hűtős gépház Levegő be zsalu Hűtő Helység szellőztető ventillátor A helység szellőztető ventilátor által keltett vákuum szívja be a levegőt a gépházba és juttatja át a gépen. Ez több szempontból is előnyösebb lehet mint a gépre épített hűtő, mert ez a gép leállása után is biztosítja a levegő áramlását és így a gép forró alkatrészeinek hűtést és így megakadályozza a helység hőmérséklet túlzott megemelkedését. 15 A környezet figyelembe vétele Uralkodó szélirány Végzetes következmény: Meleg levegő visszaáramlás. A helység levegőjének hőmérséklete megemelkedik, a hűtőradiátor nem lesz képes megfelelően hűteni, a dízel aggregát túlmelegedésre (olaj vagy víz) le fog állni. 16

13 A különböző zajforrások 6 különböző zajforrás: Motorzaj dB(A)@1m Hűtő ventilátor zaj dB(A)@1m Generátor zaj 80 90dB(A)@1m Indukciós zaj 80 90dB(A)@1m Mechanikai zaj rezgés, hajtómű stb. Csillapítatlan kipufogó zaj dB(A)@1m speciális elbánást igényel 17 Külső zajok figyelembe vétele A hűtőlevegő zajcsillapítása 18

14 Kipufogó hangtompító Industrial Silencer Zajcsökkentés db(a) Residential Silencer Zajcsökkentés db(a) Critical Silencer Zajcsökkentés db(a) 19 Rezgéscsillapított padló 20

15 Röviden a dízel aggregátokról Villamos ismeretek I. Generátor működési karakterisztika Példa generátor teljesítmény 800 kw, 1000 kva Motor határ Stabilitási határ Forgórész határ 800 kw Locus of 1000 kva 800 kw

16 Az öngerjesztő generátor működése Gerjesztő forgórész Gerjesztő állórész Generáto r forgórész Generáto r állórész vezérlés kimenet Öngerjesztő feszültségszabályzó AVR kimenő terminál alapérték bemenet mérés bemenet & AVR betáp Külső gerjesztésű generátor PMG forgórés z Gerjesztő forgórész Generátor forgórész PMG állórész Gerjesztő állórész Generáto r állórész AVR betáp control output Külső gerjesztésű AVR kimenő mérés terminál bemenet Alapérték bement

17 Kérdések? Köszönöm a figyelmet! Előadó: Szalai Gábor CAD-Server Kft. info@cad-server.hu október 10. Dízel aggregátorok 26

18 Dr. Karpati Attila, Mosonyi Karoly, Voros Mikl6s Meghatarozasok A cikk sziinetmentes aramellat6 rendszerek (UPS) osztalyba sorolasaval foglalkozik. Rovid magyarattal osszefoglalja a hal6zati feszultseg hi bajelensegeit, majd osztalyozza a megoldasokat a kimeneti feszultseg jelalakja szerint, ezutan alapelrendezeseket ismertet. The paper deals with the classification of UPS systems. A short summary of the the network voltage failures with an interpretation is given. Thereafter follows a classification using the output voltage form and the basic arrangements are given. A cikk egy tervezett sorozat elsa resze, amelyben a szunet mentes aramellat6 rendszerek (to vabbiakban UPS-ek) rend szerbe sorolasaval foglalkozunk. Ez reszben a rendelkezesre all6 szabvanyokban alkalmott rendszerezesen alapul, de a rend szerezest kiegeszitettuk sajat elkepzeleseinkkel is. Az UPS hal6zatp6tl6 aramforras, amely a legfontosabb egy segen a DClAC inverteren kivui egyeb fontos egysegeket is tar talm, mint pi. automatikus es kezi hal6zat-inverter atkap csol6 (bypass) eg ysegek. Minasitesenek elsa lepese a kimena kbr parametereinek elemzese. Az UPS kimeneti jellemzai: frek vencia, fisszam, alland6sult allapotbeli nevleges feszultseg es aram, cos(<p) tarto many, (zarlati) tulterhelhetoseg, a kimeneti feszultseg viselkedese tranziens uzemben (hirtelen terheles valtozaskor). A gyakorlatban 1 es 3 fisu megoldasok terjed tek el. A kimeneti frekvencia 50 Hz ill. 60 Hz. A mai fogyasztasi igenyeknek megfeleloen (szamit6gepek) szokasos cos(<p) tarto many: 1-0,7. Az UPS inverter egysegenek a sajat frekvenciasta bilitasa a kvarcvezerles m iatt nagyon j6. A ki meneti feszultseg statikus es dinamikus stabilita sa is %-os nagysagendu. Fontos megjegyezni, hogy inverterek tranziens tu lterhelhe toseget a beepitett felvezetok erosen korlatozzak, ezert egy fel vezetos szunetmentes aramforras zarlati viselkedese a klasszikus szinkron generatoret61 elter. A szinkron generator tranziens ill. szubtranziens reaktanciaja miatt zarlat kbzben jelentos tu laramot biztosit, ami a vedelmek szelektiv mukbdese miatt elonybs (I. 01 vad6 biztosit6k kioldasi jelleggbbeje). Az UPS-eknel a tranziens reaktanciat dinamikus aramkorlattal, valamint a zarlati idotartam idejere a hal6zatra val6 oda-vissza kapcsolas sal csbkkentik. A minosites masodik lepese a rendszer zavarellat6 kepesse genek elemze se (milyen tipusu hal6zati hibakat tud a rendszer elharitani es mennyi ideig.) A 2. pontban a hal6zati feszultseg hibajelensegeit foglaljuk ossze. A 3. pontban a szunetmentes aramellat6 rendszereket a zavarelharit6 kepesseguk szerint osztalyozzuk. A 4. pontban alapelrendezeseket ismertetjuk. A HALOZATI FESZOLTSEG HIBAJELENSEGEI Harom alapesetet kulbnbbztetnek meg, ezek: - Kulbnbbza idotartamu hal6zatkimaradas, amely alatt a hal6 zati feszultseg nulla ertek kbzelebe csbkken: (pillanatszeru msec, rbvid ideju 1-10 sec, idoszakos 10 sec-5 perc, hosszu ideju > 5 perc). Angolul, mains failure > 10 msec. - Alland6sult allapotbeli hiba: tart6s feszultsegemelkedes ill. -csbkkenes, harmonikus torzitas, jelalaktorzulas. Elektrotechnika '0 A mdsodik betukombindci6 (YY) lehet Angolul: overvoltage, undervoltage, harmonic distortion. - Tranziens hiba: feszultsegingadozas, atmeneti feszultseg emelkedes es -csbkkenes, igen rbvid ideju feszultsegnbve kedes, frekvenciavaltozas, kapcsolasi tranziens, villamcsapas okozta tulfeszultseg, periodikus, nagyfrekvencias zavar6 feszultseg csomag. Angolul: power surge «16 msec, < 4 msec), power sag «16 msec), frequency variation, switching transient, voltage burst). Megjegyzesek - A hal6zatkimaradas oka lehet vezetekszakadas (akar legve zeteken vagy kabeles hai6zaton), vedelmi aramkbrbk mukb dese miatti lekapcsolas (megszakit6k, biztosit6k mukbdese soran bekbvetkezo hai6zatkimaradas). - Legfontosabb jellemzojuk a hosszusaguk (1-10 sec). Hal6zati zavar (hiba) eseten a vedelmek a hibas szakaszt lekapcsoljak, es egy rbvid kivaras utan megpr6balnak vis szakapcsolni. - (10 sec-5 perc). Bonyolultabb esetben a hal6zati vedelem tbbbszbr megpr6balja a hibat elharitani, kis szunettel. - (> 5 perc). Tart6s hiba eseten a hal6zat helyreallitasa tbbb idot igenyel. Akar a hal6zati kep atalakitasa akar javitas aran. Az idoigenyetol fugg a hal6zatkimaradas hossza, de a karbantar tasi idoszakok is jelentos hal6zatkimaradast jelenthetnek. - A taplal6 hal6zat nem idealis feszultseggenerator. Alapeset ben idealis generator soros R-L elemekkel es parhuzamos kapacitassal egeszitendo ki, ahol a soros elemeket a hal6zat zarlati teljesitmenye hatarozza meg, a parhuzamos kapacitast pedig a vezetekezes kapacitasai es esetleges meddokom penzal6 kondenzatorok adjak. Ezert a hal6zat kapocsfeszult sege a terheles fuggvenyeben valtozik. Nemlinearis terhele seknel (pi. di6das, tirisztoros egyeniranyit6k), a terhel6aram felhar monikusai altai letrehozott jarulekos feszultsegeses befolyasolja a kapocsfeszultseg alakjat. - Nagy (meddo) teljesitmeny alland6sult ingadozasa, (pl. iv kemence mukbdese) alland6sult feszultsegingadozast okoz. Nagy terhelesek ki - es bekapcsolasa (a zarlati lekapcsolas is) feszultsegvaltozast eredmenyez. KUlbn csoportba soroljuk a nagyfrekvenc ias kapcsolasi tulfeszultsegeket, amelyek a hal6zat R,L,C jellege miatt jbnnek letre, a megszakit6k m u kbdese nyo man. A tranziens tulfeszultsegek specialis cso portjaba tartoznak a villamcsapas okozta tulfeszultsegek (a szabvanyo s villamcsapas idofuggvenye 1us/ 50 us alaku, a nbvekedesi ida 1 us, a csbkkenesi ida a csucsertek feleig 50 us). A villamcsapas okozta csucsfeszultseg kisfeszultsegu, legvezetekes hal6zaton elerheti a 6,5 kv-ot is. - SS, a kimeneti hullamforma szinuszos (S inusoi dal), a teljes torzitasi tenyezo 0<0.08, es a harmonikusok IEC ben megadott hatarokon bellii vannak, minden linearis/ nemlineari s refere nciaterhelesre. XX, nemszinuszos, 0>0.08, es a harmonikusok IEC ben megadott hatarokon bellii vannak nemlinearis refe renci aterhelesre. YY, nemszin uszos, 0 >0.08, es a harmonikusok IEC ben megadott hatarokon bellii vanna k minden linear is/ nemlinearis referenciaterhelesre Megjegyzes: Az SS, XX, YY k6dnal 1. betu normal Lizemre, a 2. betu akkumulatoros Lizemre vonatkozi k. -r-----' ' _ 40.~~ 20 ' --~ - _., ;- - 1,2,3, a kimenet dinamikus jellemzoi lehetnek, Z=l, 1. osztaly, Z=2, 2. osztaly, Z=3, 3.osztaly Megjegyzes: A ZZZ k6dnal 1. betu Lizemm6dvaltaskor; 2. betu a linearis terheles ugrasszeru valtozasakor normal/ akkumulatoros Lizemben; 3. betu a nemlinearis terheles ugrasszeru va ltozasakor nor mal /akkumulatoros Lizemben ertendo. Pelddk VFI - SS - 111, UPS kimenete fliggetlen a taphal6zat feszliltsegenek es frekvenciajanak valtozasait61. A kimeneti hullamforma szinuszos, a teljes torzitasi tenyezo 0<0,08, es a harmonikusok IEC ben megadott hatarokon be ILiI vannak, minden linearis/nem linearis referenciaterhelesre, mind normal, mind pedig akkumulatoros Lizemben. A kimenet dinamikus viselkedese mind Lizemm6dvaltaskor, mind linea ris terheles ugrasszeru valtozasakor (normal es akkumulatoros = :..~ _._ 0,1 '.J "_ -.:... '- ' - _. _.. L %.10% ';'---2-'O'/'~ r ~.-. ' Unc1 F1rvoltage transisn limi! = Lizemben), mind pedig nemlinearis terheles ugrasszeru valto zasakor (normal es akkumulatoros Lizemben), 1. osztalynak felel meg. Hasonl6keppen:VI - SX -122, VFD - SY - 333, stb. Az igenyes szunetmente s aramellat6 rendszerek a VFI-SS-lll osztalyba sorolasnak felelnek meg. Az alapelrendezesek mindegyikenel feltetelezzlik, hogy UPS energiatarol6 egyseghez (akkumulator), valamint a hal6zat hoz megfelelo zavarszuro egysegen keresztlii csatlakozik. A hal6zati zavarszuro egyseg egyfelol invertertol a hal6zat fele megfelelo radi6fekvencias (RF) szurest biztosit, masfelol beme neti tulfeszliltsegvedo egyseget is tartalmhat. A hagyomanyos terminol6gia szerint a legmagasabb szintu VFI feltetelnek online (melegtartalekolt ~ inverter allan d6an mukiidik) szunetmentes berendezesek (4. es 5. abrak) felelnek meg. A hal6zat zavarszuro egysegen keresztlil taplalja 1000 egyen!ranyito I tollo 1. dbra 1. oszr6ly est? ebe a kimenerijel/emz" a gorben megodotr rure5en beli.il m(](od 4. dbra Hagy monyo; reh:?pliesu onlin e 5zunermentes berendezes biokkvdzlcjra (m elegrartaleko lr rendszer) Voltage (%) Overvo:tzge tfanslenllimll 40 Az osztalyozas jelzete egy harmas betu-/ szamkombinaci6, XXX-YY-ZZZ, ahol: XXX - VFI, VI, VFD; YY - SS, XX, YY; ZZZ --+ 1,2,3. Az elsa betiikombincicio (XXX) lehet - VFI, UPS kimenete fuggetlen (Independent) a taphal6zat feszultsegenek (Voltage) es frekvenciajanak (Frequency) val tozasait61. - VI, a kimenet fugg a taphal6zat frekvenciavaltozasait61. - VFD, a kimenet fugg (Dependent) a taphal6zat frekvencia- es feszultsegva Itozasait61. 14% 12% 11% 10.% _ +10% 20 Nom inal Value ~- 0 ~_~ _.10% Undel \'ol!a~e lr an sienl limi! Transient duration (m s) megogoi[ [l,(ber, oehil rnorad Elektrotechnika dbra 3. osztdly eseteben a kimene ij ellemzo a gorben megao'orr [(:iresen belul morao' Tiriszt oros 100 -t-10% 20% -48% 60 ~ 10 Transient duration (ms) ~ijmi---t-!! _~==:::::::-==--:~:-+I ~ll overv'oilj e uan-s-ien- t f 1 Value 40 " - -.r:n ~i r t-'-----i _ - - Nominal ~ I '-'It I!. I _ ~ Transient dura tion (ms) A harmadik betukombindci6 (ZZZ) lehet -100 ~- Az osztcilyozcis szempontjai - A kimeneti feszultseg jelalakjanak fuggese a bemeneti fe szultseg jelalakjat61. - A kimeneti feszultseg frevenciajanak fuggese a bemeneti fe szultseg frekvenciajat61. - A kimeneti dinamikus viselkedese. Vollage (% ) oerendezes ljiokkvdzlara (melegrarw lekolt ren'jc,zer) 1000

19 Berendezések Villamos Villamos berendezések és és védelmek a hagyomanyos 6 vagy 12 utemu tirisztoros egyeniranyit6 egyseget vagy a korszeru berendezeseknel a hal6zatbarat teljesitmenytenyeza korrekci6s (szinuszos bemeneti aram) bemeneti egyeniranyit6t1akkumulatortoltat. A kimenetet egyeniranyit6 vagy akkumulator altai taplalt DC/ AC atalakit6 (inverter) taplalja. Tehat energiaatalakitas ket egymas utan kavetkezo fokozaton keresztul tortenik, ezert gyakran a kettos konverzi6s online UPS elnevezest hasznaljuk ezekre a berendezesekre. A hal6zat valamint a fogyaszt6i kimenet katt elektronikus atkapcsol6 (bypass) talalhat6, a zavarszu rt hal6zat inverter tartaleka. A VI felteteleknek a line-interaktiv (javitott hidegtartalekolt) (6. abra) es a regi delta konverzi6s (7. abra) szunetmentes berendezesek felelnek meg. KIsutes "I ~ 6. cibra Line-interaktiv Clavi 0 hidegrarralekolr re OSZ (I szunetmen es berendezes blokkvqzlcfa A line-interaktiv rendszernel akkumulatortalta, inverter es tapfomisvalaszt6 funkci6kat inverter/konverter egyseg IMja el, amely talti akkumulatort normal Uzemben, es inverterkent mukodik a hal6zatkimaradas alatt. A fa elonye a kialakitasnak, hogy a fogyaszt6 minden uzemallapotban inverter/konverter egysegre kapcsol6dik, igy on ravidebb a hal6zatkimaradast kaveto feszultsegletores, es normal Uzemben - a szura es feszultsegszabalyoz6 funkci6 eredmenyekeppen - a fogyaszt6i feszultseg stabil, leta res- es tullavesmentes. A delta konverzi6s rendszernel a fogyaszt6 szinten folyamatosan inverterre kapcsol6dik. A hal6zat es a DC sin ke katott un. delta konverter normal uzemben tolti akkumulatort, teljesitmenytenyezo korrekci6t hajt vegre (szinuszos aramfelvetel), es egyidejuleg a kimenet es bemenet kozott leva delta transzformatoron keresztui stabilizalja (noveli vagy csokkenti) a kimeneti feszultseget. A fa inverter pedig hal6zatkimaradas eseten eloallitja a teljes kimeneti feszultseget. Elonyos tulajdonsaga a (csak) nevleges hal6zati feszultsegen es linearis terhelesen j6 hatasfok, ami abb61 ered, hogy normal Uzemben csak reszleges energiaatalakitas tartenik. A galvanikus elvalasztas hianya hal6zatoldali zarlat eseten szelsoseges esetekben fogyaszt6i oldali zavart is okozhat. A legalacsonyabb kovetelmeny szinto VFD felteteleknek offline, (hidegtartalekolt) szunetmentes berendezesek felelnek meg (8. abra). Az offline rendszernel a hal6zat kvetlenul taplalja a terhelest, legfeljebb zavarszuro egyseget beiktatva. Az inverter itt is csak hal6zati hiba eseten, egy atkapcsol6 egysegen keresztlil avatkozik be. Az atka pcsolas ideje alatt nehany ms taplal.3skimaradas jelentkezik. Az ismertetett rendszerek zavarelharit6 kepesseget IEC alapjan 1. tablatban foglaltuk ossze, ahol a Class1, 2, 3 megjegyzes a kimenet dinamikus viselkedesere vonatkozik. Kieses > 10 ms x x 2 FeszU Itsegcsakkenes < 16 ms x x 3 Tranziens tulfeszultseg < 16 ms x x 4 FeszUltsegcsokkenes folyamatos x 5 TulfeszUltseg folyamatos x 6 Kapcsolasi tranziens idaszakos 7 Tulfeszu Itseg laket < 4 ms 8 Frekvenciava Itozas idoszakos 9 TulfeszUltseg periodikus 10 Felharmonikus torzitas folyamatos 7. tciblcizat Irodalomjegyzek [1 J lee , (1999, modified): Uninterru ptible power system s (UPS), Part 3: Method of specifying the performance and test requirements [2J EN : Specification for uninterruptible power systems (UPS). Perfor ma nce requirements and test methods. Dr. Karpati Attila docens Budapest I...Iuszoki Egyerem karpati@aut.bme.hu Mosonyi Karoly!n\e roo~vet KfT. office@interpower.hu Voros Miklos... Inrerpo'ller ~fr. office@interpower.hu x x x x x x x x x x Dr. Kárpáti Attila, Mosonyi Károly, Vörös Miklós Szünetmentes áramellátó rendszerek* II. rész Meghatározások A cikk első részben UPS-ek telepítésének indoklásával foglalkozik.a hálózati kiesések hatására keletkező anyagi károk elemzésével. A második részben UPS-ek megbízhatósági jellemzőinek megfogalmását adja. A harmadik részben pedig irodalmi adatok alapján különböző áramellátási feladatok megoldására rendszermegbízhatóságot javasol. The first part of the paper deals with the motivation of the application of UPS systems, on the basis of the financial losses because of the network outages. The second part contains a short summary and interpretation of the reliability parameters used for the UPS systems. In the third part suitable system reliability will be proposed for various power supply poblems. 1. Bevezetés A szünetmentes áramellátó rendszerek (UPS-ek) drága berendezések. Telepítésük mégis sokszor indokolt, mert a közhasznú elosztóhálózat ellátási biztonsága sok fogyasztó számára már nem megfelelő. Indokolt a telepítés, ha áramellátás kiesése által okozott anyagi veszteségek a telepítési és üzemeltetési költségeket jóval meghaladják, ill. a közvetlen károkon túlmenően a létrejövő veszélyhelyzet sem elhanyagolható. Az első csoportba tartozik erősen számítógépesített üzleti szféra. A második csoportba a nagy energiaellátó/ipari/közlekedési rendszerek irányítása sorolható. Először irodalmi adatok alapján néhány általánosabb adatot ismertetünk: A tápláló hálózat meghibásodása miatt fellépő közvetlen költségek ~ 150 milliárd USD/év. (Business week 1999) Az üzleti életben alkalmott számítógéprendszereknél a tapasztalt havi hálózati zavarok száma ~120. (IBM) Tipikus üzemi tapasztalat: 9 hálózati kimaradás évente. Ennek eredő költségkihatása majdnem 3 millió USD, a munkavállalók termelékenységcsökkenésének figyelembevétele nélkül. (Find/SVP) Érdekességképpen a hálózati feszültségkiesések okainak [2] sokféleségét mutatja 1. táblázat. Közvetlenül a számítógépesített üzleti szféra veszteségeire (irodalmi, (USA)) adatok alapján) 2. táblázat tartalm összefoglaló adatokat. Nagyipari rendszerekben a veszteségek jóval nagyobbak lehetnek, nem beszélve a keletkező veszélyhelyzetekről. Érzékeltetésképpen néhány példa: Energiatermelő és -elosztó rendszerek irányítása (atomerőművek, összefüggő/országos energiaelosztó rendszerek). Veszélyes technológiákat alkalmó, vegyipari nagyvállalatok (pl. olajfinomítók). Nagy közlekedési rendszerek irányítása (vasút, repülőtér). Jelenleg már sokféle típusú UPS létezik. Ezek között a zavarelhárító képességük és a megbízhatóságuk alapján lehet * A cikk I. része Elektrotechnika 2012/04 szám 10. oldalától olvasható 1 táblázat A hibatípusok megoszlása kisfeszültségű hálózaton. (A rendelkezésre állás 99,9%-os) Megnevezés választani. A zavarelhárító képességek szerinti osztályozást a megelőző cikkben (Szünetmentes áramellátó rendszerek, I. rész) ismertettük. Jelenleg a megbízhatóság szerinti csoportosítással foglalkozunk. Az UPS-ek megbízhatósági jellemzői statisztikus jellemzők. A 2. pontban ezekkel kapcsolatos legfontosabb alapfogalmakat foglaljuk össze, ok rövid magyarázatával együtt. A 3. pontban a különböző alkalmásokhoz javasolt megbízhatósági kategóriákat ismertetjük irodalmi adatok, szabványok, és vezető gyártók ajánlásai alapján. Az "összefoglalás" rövid összefoglaló elemzést tartalm. 2. Az UPS-ek jellemzésére használt legfontosabb megbízhatósági adatok Megbízhatósági szempontból minden rendszernek két alapállapota van, ezek: 0 hibátlan állapot, H hibás állapot. Tartalékolt rendszereknél a két alapállapot között köztes állapotok is fellépnek, amikor a rendszer bizonyos részei már hibásak, de a rendszer eredeti feladatát még el tudja látni. %-os érték Központi betáplálás kiesése (power outage) 26 Vízszálltó csővezeték törése (burst water pipe) 1 Bombázás, robbanás (bombing) 7 Alkalmott szabotázsakciója (employee sabotage) 3 Tranziens feszültségváltozás (power surge) 3 Hurrikán (hurricane) 6 Tűz (fire) 6 Földrengés (earthquake) 6 Viharkárok (storm damage) 12 Közvetlen hálózati kiesés (network outage) 2 Árvíz (flood) 10 Emberi hiba (human error) 2 Hardver hiba (hardware error) 8 Kezelési hiba (service failure) 1 Szoftver hiba (software error) 5 Egyéb (other) 2 2 táblázat Alkalmás Tőzsdei brókercég Hitelkártya-üzletág Költség USD (1 óra kiesési időre) (5-7) millió (2-3) millió Call center 800# üzletág Repülőjegy-biztosítási üzletág Mobiltelefon-szolgáltatás ATM szolgáltatás Elektrotechnika Elektrotechnika 2012/

20 A közbülső állapotokból 3. táblázat Az RÁ, MTBF és MTTR közötti kapcsolat MTTR, h 5. táblázat A 3.2. táblázatban megadott RÁ tényezőkhöz λ(av) = 10-5 /év, egy évre közelítésképpen 10 4 lehetséges elmozdulás tartozó MTBF értékek 1 év = 8760 óra órát véve 10 MTBF,h 0,25 0, /h MTBF = 10 9 h év. a H (további meghibásodás), ill. 0 állapot (javítás) , , , , , , , t véve alapul 10-5 /h MTBF = 105h 10 év. A másik véglet szerint, 1. szint, λ(av) = 10-1 /h- RÁ Javasolt alkalmási terület μ, h MTBF,év μ, h MTBF,év felé. Számításokkal minden állapotban való tar- 0,99 Háztartás (egyszerű) 24 0, ,13562 Ebben esetben λ értéke a ciklusidő alatt , , , , , , , (a példában egyszerűség kedvéért 1 évet tózkodás valószínűsége 0,999 Háztartás (gépesített) 24 2, , , , , , , , , tételeztünk fel, de ez változó is lehet) nincs meghatározható, mint 0,9999 Gyárak 24 27, ,6973 megkötve, csak átlagérték, λ(av). idő függvénye, ahol , , , , , , , Nagy igényű, folyamatos üzemben λ [1/h] n-ik állapotban való tartózkodás 0,99999 Kórház,repülőtér , , , , , , , , , a besorolás alapja, l. 7. táblázat. Példaképpen: valószínűsége 0, Bankok , ,86 ha a berendezés folyamatosan működik és a P n (t) , , , , , , , megbízhatósága a 4. szintnek felel meg, akkor Az egyes állapotok közöt- 0, On-line üzletág , , , , , , , , , λ min = 10-9 /h MTBF = 10 9 h év. λ max ti átmeneteket egyes = 10-8 /h MTBF = 10 8 h év. átmenetekhez tartozó , , , , , , , Megjegyzések meghibásodási ráták (λ) A 3.3 táblázat adataiból megállapíthatóan 4 9-es (0,9999) Összefoglalás , , , , , , , és átlagos javítási idők RÁ értékhez már ~ éves MTBF érték tartozik, feltételezve (μ, MTTR, mean time to repair) határozzák meg , , , , , , , a órás javítási időt. Ez MTBF érték a jelenlegi technológiai szint mellett még A cikkben irodalmi adatok alapján UPS-ek telepítését meghatározó, megbízhatósági kédéssekkel foglalkoztunk, λ(t + Δt) = ΔNH/(N0-NH)/ ΔT = (ΔNH/N0)/ ΔT/(1 (NH/N0)), egy vizsgált 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; 0, es; viszonylag egyszerűen megoldható. Az ennél nagyobb RÁ étékek megvalósításához már speciális elrendezések tartoznak. ezek: Becslésszerű adatokat adtunk meg energiaellátás zavarainak anyagi kihatásaira. mintából kieső elemszám relatív értékének időegységre vonatkozó része, [1/h], ahol ΔNH a ΔT idő alatt kieső, N0 a kiindulási, NH pedig a t időpontig kiesett darabszám. ΔT 0; N0 ; esetben lim(nh/n0) = Q, ill. λ(t) = (dq/dt)/ (1 Q(t)) = - (dr/dt)/r(t), ahol R = P(t >t), életben maradási, Q = P(t <t), pedig a meghibásodási valószínűség, t a meghibásodás időpillanata, R(t) + Q(t) = 1, R (t) = - Q (t) és f(t) = dq/dt = - dr/dt eloszlásfüggvény. Egy rendszer leginkább ismert megbízhatósági jellemzője MTBF (mean time between failure) érték, ami a meghibásodások 3. A különböző megbízhatósági kategóriák és alkalmások összehangolása Jóllehet, MTBF a leginkább használt fogalom egy berendezés megbízhatóságának jellemzésére, de a korrekt megítéléshez ez önmagában nem elegendő, mert: Pl. MTBF = órás érték ~ 10 éves átlagos meghibásodási időnek felel meg, ami első látásra kedvezőnek tűnhet. Nem veszi viszont figyelembe a kiesett berendezés javítási A 6 9-es meghibásodáshoz tartozó év is egyszerűen indokolható. Tételezzük fel pl., hogy a világban csak 100 atomerőmű működik. Ekkor független meghibásodásokat feltételezve 13,5-27 évenként kell egy balesettel számolni. (Itt nem vettük figyelembe, hogy ilyen meghibásodásoknál a 24 órás javítási idő nagy valószínűséggel illuzórikus.) Az [1] szabványban a rendszer megbízhatóság minősítésére 4 megbízhatósági szintet (SIL Safety Integrated Level, SIL 1,2,3,4) alkalmnak.a definíciók két esetre vonatkoznak. Röviden ismertettük alkalmott megbízhatósági számítások alapelveit, és megadtuk alkalmott legfontosabb jellemzőket. Ajánlásokat adtunk a különböző feladatokat ellátó UPS-ek MTBF és RÁ tényezőinek értékeire Végezetül röviden ismertettük a bonyolultabb rendszerek szabvány [1] szerinti megbízhatósági osztályba sorolását, (SIL) között eltelt idők középértéke. idejét, ami okozott pénzügyi károk becslése szempont- Alacsony igényű üzemben adott ciklusra adják meg a meg- Irodalomjegyzék [1] en (2001. december): Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety- related systems. Part 1: General requirements. Az MTBF érték a H állapotban való tartózkodás valószínűsé- jából fontos. bízhatóság értékét (kiesési valószínűség átlagértéke), l. 6. gével arányos, MTBF = t.f(t).dt, (t = 0 ), - t.dr/dt.dt R(t).dt, (t = 0 ) (.R( ) Nem mond semmit arról, hogy mekkora a meghibásodás valószínűsége pl. üzembe helyezés utáni 1 év alatt. Az RÁ rendelkezésre állási tényező már jobban használható táblázat. Példaképpen: feltételezve, hogy a berendezés egy évig működik és a 4. szintnek megfelelően: (SIL definícó). [2] Newave UPS Systems: Availability in UPS Systems [3] Kárpáti, A., Vörös, M., Novák, M.: Szünetmentes áramellátó rendszerek, I. (Meghatározások), Elektrotechnika 0.R(0)) 0, minden gyakorlati esetre. fogalom, mert átlagos javítási időt is figyelembe veszi. Alacsony igényű üzem Gyakorlati esetekben a készülék hasznos élettartama alatt Az RÁ, MTBF és MTTR közötti kapcsolatot a 3. táblázatban Megbízhatósági λ = állandó értéket tételezünk fel. foglaltuk össze. (Átlagos valószínűsége szint λ erős növekedése a hasznos élettartam végét jelzi. A szünetmentes rendszerek telepítésekor egyik fő probléma,. a meghibásodásnak) Folytatjuk! hogy milyen RÁ tényezőjű megoldást válasszunk. Alapesetben: λ(t) = λ, állandó, λ = - dr/dt/r R / λ + R = 0, R = exp(-t. λ), R0 = 1, A tájékozódást elősegítendő a 4. táblázatban irodalmi adatokban <10-4 javasolt értékeket foglaltunk össze Dr. Kárpáti Attila <10-3 MTBF = 1/ λ. A másik, gyakran használt definíció a rendelkezésre állás, A 5. táblázatban 12 és 24 órás javítási időket feltételezve docens (RÁ), annak valószínűsége, hogy a teljes, javítható rendszer adtuk meg a 3.2 táblázat szerinti RÁ étékeket biztosító MTBF <10-2 Budapest Műszaki Egyetem MEE-tag adott időpillanatban működőképes állapotban van. értékeket <10-1 karpati@aut.bme.hu A rendelkezésre állás valószínűsége a kezdeti tranziensek lejátszódása után, 4. táblázat Az áramellátó rendszerek javasolt rendelkezésre állási tényezője különböző szakterületeken 6. táblázat A megbízhatósági szintek (SIL) értékei alacsony igényű, szakaszos üzemben állandósult állapotban, Javasolt alkalmási Nagyságrend %-os értk Relatív érték T*max, h Megjgyzés (t ) állandó értékhez terület Nagy megbízhatóságú, vagy Mosonyi Károly tart. A gyakorlatban ezt Interpower Kft. 1 9-es 90 0, ,5 nap Megbízhatósági folyamatos üzem értéket használják. office@interpower.hu szint (A rendszer meghibásodás Számítása: RÁ = MTBF/(μ 2 9-es 99 0,99 87,6 3,65 nap Háztartás (egyszerű) +MTBF). valószínűsége óránként) 3 9-es 99,9 0,999 8,76 0,365 nap Háztartás (gépesített) Kritikus esetekben a <10-8 minősítésre időegységre 4 9-es 99,99 0,9999 0,876 0,876 óra Gyárak vonatkozó kiesési <10-7 valószínűséget (SIL 5 9-es 99,999 0, ,0876 5,256 perc Kórház,repülőtér Vörös Miklós 2 10 Interpower Kft. Safety Integrated Level) < es 99,9999 0, , ,536mp Bankok MEE-tag használják, (pl. nagyipari, <10-5 office@interpower.hu atomerőművi alkalmások). 7 9-es 99, , , ,1536mp On-line üzletág 7. táblázat A megbízhatósági szintek (SIL) osztályba sorolása Megjegyzések: T*max Max. kiesési idő 1 év alatt folyamatos üzemben Lektor: Dr. Gájász Zoltán, BME Elektrotechnika 2012/ Elektrotechnika 2012/