Zasilacze UPS

Bezprzerwowa praca urządzeń elektrycznych w wielu przedsiębiorstwach i instytucjach to dzisiaj podstawowy punkt na liście elementów niezbędnych do tzw. utrzymania ruchu. Również w mniejszych biurach czy nawet w domach rodzinnych znajduje się coraz więcej wyposażenia wymagającego bezpiecznego i nieprzerywanego gwałtownie zasilania energią elektryczną, są to np.: serwery i komputery. Są różne metody na rozwiązanie tego problemu. Jedną z popularniejszych jest zastosowanie bezprzerwowych systemów zasilania awaryjnego - UPS (uninterruptible power supply).

System UPS to układ zapewniający stabilność zasilania urządzeń do niego podłączonych w momencie zaniku lub znacznego zakłócenia napięcia w sieci zewnętrznej. Źródłem energii w UPS-ach jest zazwyczaj bateria akumulatorów kwasowo-ołowiowych w szczelnych obudowach z regulowanymi zaworami. Systemy tego typu mają na celu nie tylko zapewnienie zastępczego zasilania, ale również dostarczenie wysokiej jakości energii do urządzeń tego wymagających. Moc UPS-ów podaje się najczęściej w VA. Obecnie na rynku najczęściej dostępne są egzemplarze o mocach od około 1 kVA do nawet kilku MVA.

UPS-y można podzielić na systemy do zastosowań przemysłowych oraz do użytku biurowo-domowego. Pierwsze z nich cechuje przede wszystkim duży stopień skomplikowania konstrukcji, większa moc oraz odpowiednio powiększone gabaryty. Systemy UPS różnią się też od siebie zasadą działania wynikającą z zastosowanych w urządzeniu elementów elektrycznych. Pod tym względem podzielone są na trzy grupy:

• zasilanie typu „on-line”,
• zasilenie typu „off-line”,
• zasilanie typu „line-interactive”.

UPS On-line

Energia w tego typu konstrukcjach przechodzi podwójną konwersję. Na wejściu (od strony sieci zasilającej) zainstalowany jest prostownik, który zamienia przemienne napięcie z sieci na stałe. W ten sposób prądem DC po drodze ładowane są akumulatory. Następnie stałe napięcie ponownie zamieniane jest na przemienne w falowniku i w takiej formie zasila sieć na wyjściu. Takie rozwiązanie zapewnia separację urządzeń zasilanych od sieci zewnętrznej.

Ponadto w nowoczesnych urządzeniach UPS jest dostępna niemal całkowita kontrola nad napięciem wyjścia. W związku z tym jakość energii elektrycznej na wejściu nie ma wpływu na jakość energii wyjściowej. Układ zabezpieczony jest najczęściej wysokiej jakości filtrami przed wszelkiego rodzaju prądami udarowymi i innymi zaburzeniami z sieci zewnętrznej. Takie rozwiązanie daje możliwość bezpiecznego zasilania bezprzerwowego wysokiej jakości, ponieważ zapewniony jest tutaj zerowy czas przełączania w przypadku awarii sieci zasilającej. UPS-y online dzięki tym zaletom najczęściej znajdują zastosowanie w przemyśle, i są to najczęściej jednostki o mocy powyżej 5 kVA.

Do wad takiego układu należy przede wszystkim wysoka cena ze względu skomplikowany stopień konstrukcji. Każda kolejna konwersja energii wiąże się ze stratami, a więc im więcej elementów, w których zachodzi konwersja, tym gorsza sprawność całego układu. Ponadto podczas pracy urządzenia wydzielana jest duża ilość ciepła, które odprowadza się przy użyciu wentylatorów lub klimatyzatorów. To z kolei generuje dodatkowy hałas i pochłania dodatkowe kilowatogodziny energii elektrycznej.

UPS Off-line

W tego typu urządzeniach obwód podłączony do wyjścia zasilany jest bezpośrednio z sieci zewnętrznej przez tak zwane obejście. Akumulatory doładowywane są tylko co jakiś czas w razie potrzeby. W trybie normalnej pracy energia na potrzeby własne zużywana jest tylko do układu sterowania. W kilka lub kilkanaście sekund po wystąpieniu awarii sieci zewnętrznej układ sterujący przełącza się na zasilanie z akumulatorów. Energia pobierana z akumulatorów przechodzi przez falownik, aby na wyjściu otrzymać napięcie przemienne.

Zazwyczaj nie są to duże jednostki, a to ze względu na prostą konstrukcję. W parze z powyższym idzie oczywiście odpowiednio niższa cena. Dodatkowo w trybie normalnej pracy energia praktycznie nie przechodzi żadnej konwersji, a więc straty są minimalne i ogranicza się do zasilania elektroniki urządzenia UPS. Przy urządzeniach o mocy w granicach 1-2 kVA są to straty rzędu 15-40W.

Dochodzą do tego niskie koszty eksploatacji oraz wysoka niezawodność związana z niewielką ilością zastosowanych elementów. W trybie normalnym urządzenie pracuje bezgłośnie natomiast praca falownika i wentylatorów słyszalna jest dopiero w trybie pracy awaryjnej (zasilanie z akumulatorów) lub w trakcie ładowania baterii po awarii lub przeprowadzanych rutynowo testach pojemnościowych. UPS-y off-line są proste i tanie w obsłudze. Nie posiadają zwykle skomplikowanych paneli i nie ma tam możliwości zmiany zaawansowanych ustawień. Bardzo często małe urządzenia UPS mają jedynie przycisk ON/OFF oraz diodę LED sygnalizującą stan pracy: normalny, ładownaie, zasilanie bateryjne.

W kwestii poziomu zabezpieczenia i jakości energii, w trybie pracy sieciowej, UPS Offline pozostawia wiele do życzenia. Urządzenia podłączone do takiego UPS-a zasilane są bezpośrednio z zewnętrznej sieci. Wszelkie wahania napięcia czy też prądy udarowe z sieci zewnętrznej docierają do odbiorników, nie ma w tym przypadku kontroli nad jakością energii wyjściowej. Ponadto czas przełączania w momencie awarii sieci zewnętrznej wynosi około 10 ms, a więc jest mała przerwa pomiędzy zasilaniem sieciowym a autonomicznym.

Z powyższych powodów zastosowanie tego typu zasilaczy awaryjnych znajduje się najczęściej przy domowych komputerach. Zazwyczaj są to jednostki o mocy zdecydowanie poniżej 5 kVA.

UPS line-interactive

UPS-y wykonane w technologii line-interactive zasadą działania przypominają zasilacze typu off-line. Na wejściu od strony sieci zewnętrznej zastosowany jest filtr przeciwudarowy oraz autotransformator z przełączanymi zaczepami. Dzięki temu rozwiązaniu zmiany napięcia w sieci zasilającej mogą być kompensowane i na wyjściu z UPS-a zostanie zachowana stała, zadana wartość napięcia.

Układ wyposażony jest w system ładowania akumulatorów, który działa podczas normalnej pracy. Układ ten połączony jest z falownikiem, który podczas normalnej pracy używany jest do ładowania akumulatorów, a podczas pracy awaryjnej służy do przetwarzania stałego napięcia z baterii na napięcie przemienne.

Bezpieczeństwo zasilania w takim układzie jest większe niż w przypadku technologii off-line, ale mniejsze niż w przypadku odseparowanego systemu on-line. Ponadto podczas przełączania zaczepów autotransformatora następuje krótka przerwa w zasilaniu. To samo ma miejsce podczas przełączania zasilacza z trybu normalnej pracy w tryb autonomiczny. Jest to bez wątpienia wadą i przez to urządzenie nie jest przeznaczone do systemów, gdzie wymagane jest gwarantowane bezprzerwowe zasilanie. Ceny UPS-ów line-interactive są dość wysokie, ponieważ zastosowano w nich skomplikowany system zarządzania energią (autotransformator, falownik dwustronnego działania).

UPS-y w przemyśle

UPS-y przemysłowe można zaliczyć niemal do odrębnego działu ze względu na rolę jaką pełnią. Oprócz rezerwy zasilania w energię elektryczną pełnią one często funkcję filtrów, które zapobiegają wahaniom napięcia w sieci wewnętrznej, czy też chronią przed niebezpiecznymi dla urządzeń prądami udarowymi. W związku z tym przemysłowe jednostki zasilania awaryjnego są najczęściej wykonane w technologii on-line.

UPS-y dużej mocy (powyżej 10kVA) podłączane są najczęściej do sieci na stałe i pełnią funkcję centralnych jednostek zasilania wyposażonych w rozdzielnice mocy. Często budowa takich układów jest modułowa, a więc w zależności od potrzeb można dodawać lub ewentualnie odłączać poszczególne człony zasilające. Bardzo często układy tego typu wyposażone są w obwód obejściowy, tzw. bypass, aby była możliwość ewentualnego przełączenia się na zasilanie z sieci zewnętrznej. Rozwiązanie te pozwala np. na bezpieczne serwisowanie urządzenia.

Istotnym czynnikiem na jaki należy zwrócić uwagę przy UPS-ach przemysłowych jest ich chłodzenie. Układy on-line, jak już wcześniej wspomniano szybko się nagrzewają a wydzielone ciepło należy jak najszybciej odprowadzić aby nie dopuścić do pogorszenia warunków pracy urządzeń oraz nie skracać drastycznie żywotności akumulatorów. Należy pamiętać, że sam układ wentylatorowy wewnątrz obudowy może nie wystarczyć, ponieważ temperatura w pomieszczeniu będzie ciągle wzrastała. Obecnie ten problem rozwiązuje się poprzez wyznaczenie wydzielonego, klimatyzowanego pomieszczenia dla UPS-ów.

Odpowiednia temperatura pracy zasilacza jest bardzo ważna ze względu na zastosowane akumulatory wewnątrz konstrukcji, których parametry wyliczone są zazwyczaj dla temperatur pokojowych, tj. 20-25°C. W temperaturach powyżej 40 st. C baterie tracą swoje właściwości i znacznie skraca się ich żywotność. Na skuteczność chłodzenia wpływ mają również pyły znajdujące się w powietrzu. Dlatego co jakiś czas należy udrażniać zakurzone kanały wentylacyjne w jednostkach zasilających.

Dużą uwagę przy doborze UPS-ów zwraca się na ich niezawodność. Ponieważ w niektórych przedsiębiorstwach nawet krótkotrwała przerwa w zasilaniu może przynieść katastrofalne skutki nieraz stosuje się systemy redundancyjne, czyli równolegle połączone jednostki zasilające, wśród których znajduje się kilka rezerwowych (nadmiarowych) na wypadek awarii aktywnego UPS-a.

Nowoczesne systemy UPS wyposażone są w pełne sterowanie automatyczne, a dzięki zastosowanym portom możliwe jest bieżące odczytywanie wielu danych o napięciu i innych przebiegach z monitora komputera podłączonego do jednej sieci internetowej z UPS-em. Dzięki temu można znacznie wcześniej przewidzieć i przeciwdziałać skutkom awarii.

Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów zasilaczy UPS. W zależności od potrzeb każdy może dobrać odpowiedni dla siebie. Przemysłowe, duże UPS-y często robione są na zmówienie ze względu na bardzo zróżnicowane zapotrzebowania klienta. UPS-y do zastosowań biurowych czy domowych są dostępne niemal „od ręki” i cieszą się coraz większym zainteresowaniem, a to ze względu na zwiększające się wymagania dotyczące zasilania instalowanych tam urządzeń. Każdy kto martwi się o utratę danych z dysku, bądź nie chce ponosić większych strat ze względu na zniszczony sprzęt elektryczny powinien zaopatrzyć się w zasilacz UPS.