Kvalita proudu z agregátu: frekvence, THD a citlivá elektronika

Elektrocentrála se prodává v kilovoltampérech a podle nich se taky vybírá — číslo na štítku bývá jediný údaj, který zákazník dostane. Jenže u zátěže se servery, UPS, frekvenčními měniči nebo zdravotnickou technikou rozhoduje druhá sada parametrů: jak přesně stroj drží frekvenci a napětí a jak čistou sinusovku udrží, když si na ni vaše elektronika sáhne.

Síť je tvrdý zdroj, agregát měkký

Když v kanceláři zapnete laserovou tiskárnu, napětí v síti se nezmění. Distribuční soustava má proti vašemu odběru obrovský zkratový výkon — je to zdroj natolik „tvrdý“, že ho jednotlivý spotřebič prakticky neovlivní. Kvalitu toho, co teče ze zásuvky, navíc popisuje norma EN 50160: celkové harmonické zkreslení napětí má zůstat do 8 % a měří se statisticky — 95 % desetiminutových průměrů za týden musí limit splnit.

Agregát je proti tomu zdroj měkký. Jeho vnitřní impedance je řádově vyšší, takže se zátěž zdroji „ozývá zpátky“ — co si připojíte, tvaruje napětí, které dostanete. A frekvence nevzniká ze setrvačnosti tisíců strojů propojených přes půl Evropy, ale z otáček jednoho motoru: čtyřpólový alternátor musí běžet přesně 1 500 otáček za minutu, aby dodával 50 Hz. Když skokem přidáte zátěž, motor na okamžik zpomalí a frekvence klesne s ním.

Třídy G1 až G4, na které se nikdo neptá

Přesně tohle popisuje norma ISO 8528-5, která soustrojí dělí do výkonnostních tříd. Rozdíly nejsou kosmetické. Pásmo ustálené frekvence se u třídy G1 vejde do 2,5 %, u G2 do 1,5 %, u G3 do 0,5 %. Ustálená odchylka napětí smí být u G1 až ±5 %, u G2 ±2,5 %, u G3 jen ±1 %. A při skokovém přidání zátěže smí napětí u G1 propadnout o čtvrtinu — na čtyřstovkové síti tedy na 300 V — a vrátit se do pásma až za deset sekund. U G3 je povolený propad 15 % a návrat do čtyř sekund.

Pro reflektor na stavbě je G1 naprosto v pořádku. Pro rack se servery je desetisekundový propad na 300 V konec směny. Třída G3 se proto specifikuje tam, kde na kvalitě záleží — datové sály, zdravotnictví, přesná výroba. Čtvrtá třída G4 žádné pevné hodnoty nemá; norma u ní počítá s tím, že se limity dohodnou mezi výrobcem a zákazníkem.

Třída je přitom parametr, který si můžete v poptávce vyžádat. Pokud ho neuvedete, nikdo ho za vás neřeší.

THD: zkreslení, které si vyrobíte sami

Jednu věc v ISO 8528-5 nenajdete — limit na harmonické zkreslení. Zkreslení si totiž z velké části vyrábí sama zátěž.

Lineární spotřebič, jako topné těleso nebo asynchronní motor, odebírá proud ve tvaru sinusovky. Nelineární zátěž ne. Usměrňovač v UPS, frekvenční měnič, spínaný zdroj v serveru nebo LED driver si berou proud v krátkých špičkách kolem vrcholu napětí. Ty špičky jsou matematicky vzato součtem vyšších harmonických, a když protečou vnitřní impedancí alternátoru, zdeformují napětí všem ostatním na téže přípojnici.

Orientační hodnoty proudového zkreslení podle typu měniče: šestipulzní usměrňovač kolem 30 %, dvanáctipulzní nebo moderní IGBT kolem 14 %, jednofázová elektronika až 45 %. Tolerance na straně napětí bývá zhruba 10 % u UPS, 15 % u frekvenčních měničů a kolem 20 % u usměrňovačů a softstartérů.

A tady je pointa, která překvapí: při vysokém zkreslení nezhavaruje agregát. Ozve se nejcitlivější elektronika v systému — tedy zpravidla přesně to zařízení, kvůli kterému jste zálohu pořizovali.

Proč se předimenzovává alternátor, a ne motor

Rozhodujícím parametrem alternátoru je rázová reaktance X″d, zjednodušeně jeho vnitřní impedance. Čím nižší, tím menší zkreslení napětí při stejném harmonickém proudu. Běžný průmyslový alternátor se pohybuje kolem 12 %.

Vezměme typický případ: zátěž 450 kVA, v ní UPS s příkonem 300 kVA, šestipulzní, s 30% proudovým zkreslením, a požadavek udržet zkreslení napětí do 10 %. Z toho vychází potřeba alternátoru s X″d nejvýš 3,3 % vztaženo k příkonu UPS. Odpovídající stroj s výkonem 475 kVA a X″d 12 % dá po přepočtu 8 %, takže nevyhoví. Vyhoví až alternátor dimenzovaný na 850 kVA s X″d 9 %, který se dostane na 3,2 %.

Výsledek zní absurdně, ale je správný: na zátěž 450 kVA vychází alternátor velikosti 850 kVA. Motor přitom zůstává na 450 kVA — nafty se nespálí víc, roste jen elektrická část stroje. Tohle je důvod, proč „nějaká pětistovka“ z první nabídky citlivou zátěž neuveze, i když má na papíře kVA dost. Právě proto se u téhle kategorie vyplatí stroj spíš půjčit než koupit — velkokapacitní agregát k pronájmu si vyberete z flotily 15 až 1 600 kVA podle profilu zátěže, ne podle jednoho čísla v poptávce, a sestavu jde před ostrým nasazením ověřit zátěžovým testem.

Podobně zrádné jsou levné filtry složené jen z kondenzátorů. Většina alternátorů snese kapacitní jalový výkon jen zhruba do 25 % jmenovitého výkonu a při rozběhu UPS, kdy je činný výkon skoro nulový, se do téhle oblasti dostanete snadno — a regulace buzení se rozkmitá.

Závěr

Kilovoltampéry říkají, kolik toho stroj uveze. Neříkají nic o tom, jak se bude chovat sinusovka, až se na ni pověsí usměrňovač vaší UPS. Do poptávky proto u citlivé zátěže patří tři věci navíc: výkonnostní třída podle ISO 8528-5, příkon a typ usměrňovače a úroveň zkreslení, kterou technologie ještě snese. Dodavatel, který se na ně zeptá sám, je obvykle ten správný — a zátěžová zkouška stojí zlomek jedné neplánované odstávky.