ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ UPS ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΙΑΣ UPS ΣΤΑ ΦΟΡΤΙΑ ΜΑΣ Οι συσσωρευτές είναι η εναλλακτική πηγή ενέργειας για τα Συστήματα Αδιάλειπτης Λειτουργίας, δηλαδή τα UPS. Είναι η καρδιά τους. Ένα από τα πλέον συνηθισμένα προβλήματα που αντιμετωπίζουν πολλοί μηχανικοί αλλά και αρκετοί συνεργάτες που χρησιμοποιούν UPS είναι η επιλογή των κατάλληλων συσσωρευτών για την δική τους εφαρμογή. Προκειμένου να γίνει σωστά η επιλογή των συσσωρευτών πρέπει να μελετηθούν κυρίως τρεις λεπτομέρειες: 1. Η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών που θα χρησιμοποιήσουμε. Η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών παγκοσμίως καλύπτει τρεις κατηγορίες: 3 5 χρόνια, 5 7 χρόνια, 7-10 χρόνια, >10 χρόνια. Πως όμως θα βρούμε ποια από αυτές τις κατηγορίες θα επιλέξουμε; Η απόφαση για τους συσσωρευτές που θα χρησιμοποιηθούν μπορεί να ληφθεί μόνο αφού μελετηθούν και αναλυθούν όλες οι περιβαλλοντικές συνθήκες εγκατάστασης (θερμοκρασία, υγρασία) του εξοπλισμού μας και κατ επέκταση των συσσωρευτών μας. Έτσι, αν ο χώρος εγκατάστασης δεν πληροί τις κατάλληλες προϋποθέσεις και ο εξοπλισμός μας είναι εκτεθειμένος στις θερμοκρασίες περιβάλλοντος (από πολύ χαμηλές, ακόμη και 0 C το χειμώνα έως πολύ υψηλές ακόμη και +40 C το καλοκαίρι) τότε η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών θα πρέπει να επιλεγεί με βάση αυτό το δεδομένο. Επομένως σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να επιλεγούν συσσωρευτές με διάρκεια ζωής 8 με 10 έτη ή εφόσον αυτό δεν είναι θεμιτό να μελετηθεί κατάλληλα ο χώρος εγκατάστασης του εξοπλισμού μας ώστε να βελτιωθούν οι συνθήκες εγκατάστασης. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε με τεχνικές παρεμβάσεις δηλαδή τοποθέτηση εξαερισμού ή air condition σε συνεργασία πάντοτε με την τεχνική υπηρεσία του προμηθευτή μας, ώστε να είναι δυνατή η χρήση συσσωρευτών ακόμη και με διάρκεια ζωής 3 5 ετών. Μην ξεχνάτε πως όταν ο κατασκευαστής των μπαταριών αναφέρεται σε διάρκεια ζωής των συσσωρευτών, αυτό σημαίνει τον αναμενόμενο χρόνο ζωής και καλής λειτουργίας των συσσωρευτών και πάντα εφόσον τηρούνται οι κατάλληλες προϋποθέσεις χρήσης και λειτουργίας τους. Δεν σημαίνει σε καμία περίπτωση ότι ο προμηθευτής σας θα σας παρέχει εγγύηση ίση με τον αναμενόμενο χρόνο ζωής των συσσωρευτών που σας προσφέρει.
2. Ο κατάλληλος τύπος μπαταριών για την εφαρμογή σας. Στην ελληνική αλλά και διεθνή αγορά είναι εύκολο να βρείτε κάθε τύπο μπαταριών. Είναι όμως ο κατάλληλος για τις ανάγκες της δικής σας εφαρμογής; Ένας απλός αλλά αποτελεσματικός τρόπος είναι να γνωρίσετε ποιες είναι οι κυριότερες κατηγορίες συσσωρευτών, ποια είναι εκείνα τα χαρακτηριστικά που τις διαφοροποιούν και για τι είδους εφαρμογές προτείνονται. Έτσι, τα κυριότερα είδη συσσωρευτών είναι α) οι συσσωρευτές Μολύβδου, κλειστού τύπου & β) Νικελίου Καδμίου (ανοικτού και κλειστού τύπου) χωρίς ή με ελάχιστη ανάγκη συντήρησης τους. Οι συσσωρευτές Μολύβδου κλειστού τύπου χρησιμοποιούνται στο 95% των απλών εφαρμογών UPS δηλαδή σε κτιριακές εγκαταστάσεις, τηλεπικοινωνίες, ιατρικές εγκαταστάσεις ενώ οι συσσωρευτές Νικελίου Καδμίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπου συνήθως οι συνθήκες είναι πιο απαιτητικές και δύσκολες. Θα πρέπει ακόμη να σημειώσουμε ότι οι συσσωρευτές επηρεάζονται δραματικά από την θερμοκρασία λειτουργίας τους (βλ. σχήμα 1). Χαρακτηριστικό είναι ότι όλοι οι κατασκευαστές συσσωρευτών προτείνουν η λειτουργία των συσσωρευτών να γίνεται σε θερμοκρασίες 20 C με 25 C, ώστε οι συσσωρευτές να έχουν την αναμενόμενη διάρκεια ζωής και την βέλτιστη απόδοση. Άλλωστε κάθε απόκλιση της τάξης των 10 C από τα παραπάνω καθορισμένα όρια σημαίνει υποδιπλασιασμό του χρόνου ζωής των συσσωρευτών (κατά IEC EN60896, IEC EN50091-1). Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση θα σας φανεί χρήσιμο να ζητήσετε τα τεχνικά χαρακτηριστικά των συσσωρευτών που σας προτείνονται με τις ανάλογες επεξηγήσεις από την πλευρά του προμηθευτή σας. Temperature Compensation Achieved % of Design Life 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Compensated Rectifier Uncompensated Rectifier 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Battery Ambient Temperature C ΣΧΗΜΑ 1 Η επιρροή της θερμοκρασίας στις μπαταρίες
Τέλος, σημαντικός παράγοντας που πρέπει να μελετηθεί είναι τα χαρακτηριστικά του μηχανήματος ή των μηχανημάτων UPS που σκέφτεστε να προμηθευτείτε και ο χρόνος που θέλετε αυτά τα UPS να υποστηρίξουν τα φορτία σας. Επιπλέον ένα από τα βασικότερα σημεία, για το οποίο πρέπει να φροντίσετε να ενημερωθείτε είναι τα όρια ανοχής στην είσοδο του UPS που σας προτείνει ο προμηθευτής σας. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες καταρχήν γιατί θα βοηθήσουν τον προμηθευτή σας να σας προτείνει το καταλληλότερο σύστημα UPS και συσσωρευτών για την εφαρμογή σας. Τα όρια ανοχής της εισόδου του UPS είναι σημαντικά διότι κάθε σύστημα UPS έχει συγκεκριμένες ανοχές τάσης εισόδου (Input Voltage Tolerance). Τι σημαίνει όμως αυτό για εσάς και την εφαρμογή σας; Αυτό σημαίνει ότι σε κάποια πιθανά «βυθίσματα» της τάσης κάποια UPS έχουν την δυνατότητα να την «ανεχτούν» και τελικά να τη σταθεροποιήσουν και άλλα UPS να μην μπορούν να την ανεχτούν αναγκάζοντας τον μετατροπέα DC/AC του UPS να «γυρίσει» την έξοδο του UPS στις μπαταρίες, με αποτέλεσμα να τις εξαντλεί ακόμη και σε περιπτώσεις που δεν θα ήταν αναγκαίο. Εκτός αυτού όμως, μια τέτοια λειτουργία, όταν δεν είναι απαραίτητη, σημαίνει όχι μόνο την φθορά των ηλεκτρονικών μερών του UPS λόγω των συχνών εμφανίσεων ή απωλειών ρεύματος στα κυκλώματα αλλά και την δραματική αύξηση του κόστους συντήρησης του UPS λόγω της καταπόνησης των συσσωρευτών του και των πολλών κύκλων φόρτισης και εκφόρτισής τους (βλ. σχήμα 2) Τα ζητούμενα επίπεδα των ορίων ανοχής της τάσης εισόδου των UPS για κάθε εφαρμογή σας αλλά κυρίως για τις πιο κρίσιμες πρέπει να είναι υψηλά (σε κάποια μηχανήματα μάλιστα τα όρια ανοχής της τάσης στην είσοδο φτάνουν και στο ± 25%). Ο γενικός κανόνας που ισχύει σε αυτήν την περίπτωση είναι πως όσο μεγαλύτερο είναι το επίπεδο των ορίων ανοχής στην είσοδο τόσο καλύτερα! Άρα με ένα UPS με χαμηλή ανοχή τάσης εισόδου ή εάν το UPS βρίσκεται σε ένα πολύ κακό δίκτυο (συχνές απώλειες ρεύματος, black outs) καλό θα είναι να επιλέγονται συσσωρευτές με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Σε διαφορετική περίπτωση θα πρέπει να έχουμε κατά νου ότι το κόστος συντήρησης των UPS θα αυξηθεί έως και 30%.
ΣΧΗΜΑ 2 (Τυπικό διάγραμμα μείωσης ζωής συσσωρευτών - κλειστού τύπου μολύβδου, χωρίς συντήρηση 3 5 χρόνια). 3. Ο τρόπος φόρτισής τους ή αυτόματης συντήρησής τους. Ένα επίσης σημαντικό τεχνικό χαρακτηριστικό των UPS που επηρεάζει την επιλογή των συσσωρευτών είναι και ο τρόπος φόρτισής τους ή αυτόματης συντήρησής τους. Ο ιδανικός χρόνος επαναφόρτισης (ώστε να μην καταπονούνται οι συσσωρευτές) είναι 8 12 ώρες. Οι πολύ σύντομες επαναφορτίσεις συστοιχιών (boost charging), της τάξεως 2 4 ώρες, που προτείνουν πολλοί κατασκευαστές μπορεί να αποβούν καταστροφικές για τους συσσωρευτές (φαινόμενο υπερκορεσμού, δημιουργία μεγάλου ποσοστού αερίων). Για συσσωρευτές SLA (Sealed Lead Acid) και NiCd (Nicelium, Cadmium) το ρεύμα κυμάτωσης (Ripple Current) κατά την φόρτιση δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να είναι πάνω από 0,1% C10 της χωρητικότητας του συσσωρευτή (βλ. σχήμα 3). Intelligent Charging - Float Battery Voltage Battery Charge Current 12 Hrs 2 Weeks 12 Hrs Charger ON Charger OFF Charger ON ΣΧΗΜΑ 3
Πρέπει να σημειωθεί επίσης ότι πολλά UPS διαθέτουν και συστήματα συντήρησης/ φροντίδας συσσωρευτών. Έχει παρατηρηθεί ότι οι συσσωρευτές όταν παραμείνουν φορτισμένοι για μεγάλο χρονικό διάστημα τότε παρατηρούνται φαινόμενα ιζήματος ή κρυστάλλωσης των υγρών με αποτέλεσμα ενώ η τάση των συσσωρευτών είναι σωστή, η χωρητικότητά τους να είναι ελάχιστη. Έτσι πολλά UPS φροντίζουν και ρυθμίζονται αυτόματα να διενεργούν ανά τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. ανά τρίμηνο) «πλασματικές απώλειες δικτύου» για μερικά δευτερόλεπτα (έως το 80% της χωρητικότητας) με σκοπό να «κρατιέται ζωντανός» ο συσσωρευτής για όλη τη διάρκεια ζωής του. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να προτιμούνται UPS που διαθέτουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά. (βλ σχήμα 4). Automatic Battery Test - Battery OK 2.27 Float Voltage Battery Volts Per Cell 1.90 1.80 1.65 Monitor Voltage Minimum Rectifier Voltage Low DC Shutdown 1 Min ΣΧΗΜΑ 4 Αυτονομία Συστοιχίας Συσσωρευτών Εάν θεωρήσουμε ότι θέλουμε να υπολογίσουμε τι αυτονομία δίνει μια συστοιχία από 33 συσσωρευτές των 12V (6 cells), 120Ah χωρητικότητας κλειστού τύπου μολύβδου, έκαστη σε ένα UPS, για παράδειγμα, ισχύος 80KVA. Σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να ανατρέξουμε να βρούμε από τα τεχνικά φυλλάδια του κατασκευαστή του UPS: - Την ισχύ του UPS = P (Power σε VA), στο 100%, δηλαδή 80.000VA - Τον συντελεστή ισχύος εξόδου (Power factor) = cosφ (0,8) - Τον συντελεστή απόδοσης εξόδου του UPS (DC/AC efficiency): n (0,92) - Τον αριθμό στοιχείων (cells) που χρησιμοποιείται από τον κατασκευαστή UPS: N (198) - Τον αριθμό στοιχείων κάθε συσσωρευτή: Nbatt (6)
Εφαρμόζοντας αυτά τα δεδομένα στον παρακάτω τύπο βρίσκουμε τα WATT των συσσωρευτών που απαιτούνται από το πλήρες φορτίο: PC = P Cosφ n PC = 80.000 0,8 0,92 = 351 WATT N 198 Άρα εφόσον έχουμε 12V (6 cells) συσσωρευτές τότε: P per battery = 351 6 = 2.108WATT Ανατρέχοντας στους πίνακες εκφόρτισης του συσσωρευτή που χρησιμοποιούμε (με ρυθμιζόμενη εκφόρτιση ανά κελί στο 1,65V) τότε π.χ. Power Batteries) βλέπουμε ότι τα 2108 WATT θα δοθούν από τον συσσωρευτή PRC12120x και θα έχουμε 15min αυτονομία σε πλήρες φορτίο. BATTERY TYPE VOLT AGE 12110X 12 12120X 12 12150X 12 FINAL V.C.P. 1 5 10 15 20 30 60 90 2 4 6 8 10 20 48 72 1.67 4263 3183 2417 1956 1648 1269 781 572 - - - - - - - - 1.75 3740 2891 2204 1855 1589 1227 764 561 447 254 181 143 118 66.1 31.2 21.7 1.80 3283 2665 2098 1734 1483 1172 737 546 435 245 175 138 114 64.0 29.7 20.5 1.85 2854 2348 1896 1505 1373 1087 702 523 417 237 169 133 111 61.5 29.2 19.0 1.67 5485 3800 2863 2227 1825 1355 799 584 - - - - - - - - 1.75 4810 3548 2675 2152 1780 1337 791 579 477 275 198 154 126 66.0 30.9 21.5 1.80 4482 3327 2500 2019 1715 1314 782 571 460 268 191 148 121 64.0 29.7 20.5 1.85 3786 3046 2300 1849 1587 1262 756 552 443 256 183 142 16 62.0 27.8 18.9 1.67 6688 4633 3491 2714 2225 1652 974 712 - - - - - - - - 1.75 5863 4326 3261 2599 2170 1631 965 706 581 335 241 188 154 80.5 37.7 26.2 1.80 5465 4056 3048 2461 2091 1602 953 697 561 326 233 180 147 78.0 36.2 24.9 1.85 4616 3714 2804 2254 1935 1539 922 673 540 312 223 173 141 75.6 33.9 23 ΣΧΗΜΑ 5 Τρόπος υπολογισμού αυτονομίας μπαταριών Υπάρχουν βέβαια και άλλοι τρόποι υπολογισμού αυτονομίας για μεγάλες αυτονομίες (βλ. σχήμα 5) (π.χ. υπολογισμός των Ampere που απαιτεί κάθε κελί) αλλά αυτός που παρακολουθούμε είναι ο πιο γρήγορος εφόσον δοθούν όλα τα παραπάνω στοιχεία από τον προμηθευτή του UPS. Νομικός Δημήτρης NIGICO A.E.B.E
Βιβλιογραφία 1. F.J. Vaccaro and P. Casson, INTELEC 87, Stockholm, Sweden, p. 128 2. W. Jones et al, INTELEC 98, San Francisco CA, p. 461 3. VRLA Batteries, ANSI T1-330-1997 4. F.J. Vaccaro, J. Rhoades, et al, INTELEC 97, Melbourne, Australia, p. 230 5. D.O. Feder, et al, INTELEC 90, Orlando, Fl., p. 226 6. F.J. Vaccaro, J. Rhoades, et al, INTELEC 95, The Hague, Netherlands, p.70 7. W. Cantor, et al, INTELEC 98, San Francisco CA., p.369 8. R. Jones, J. Mc Andrews, F. Vaccaro, INTELEC 98, San Francisco CA., p. 526 9. D. Berndt, INTELEC 98, San Francisco, CA., p. 443 10. F.J. Vaccaro, R.E. Landwehrle, Private communiqué, AT & T Bell laboratories, 1976