Zasilacze UPS - klasyczne

1. Co to jest zasilacz awaryjny?

Jest to urządzenie elektroniczne wyposażone w przetwornice napięcia i akumulator jako autonomiczne (zapasowe) źródło energii elektrycznej. W czasie obecności sieci UPS zasila podłączone odbiory korzystając z podstawowego źródła (sieć / agregat) lub w momencie awarii sieci z własnych baterii akumulatorów.

2. Po co i gdzie się je stosuje?

Systemy te stosuje się w celu bezprzerwowego dostarczania energii wysokiej jakości do urządzeń elektrycznych. Znajdują zastosowanie w aplikacjach domowych (sprzęt IT i RTV, systemy grzewcze, lodówki, systemy bezpieczeństwa, itp.) i profesjonalnych (systemy teleinformatyczne, centra przetwarzania danych, sprzęt medyczny, procesy technologiczne, automatyka przemysłowa i inne ważne odbiory).

3. Jak działa zasilacz awaryjny?

Składa się on z:
- wejściowej przetwornicy napięcia stałego AC/DC (prostownika), którego zadaniem jest utrzymywanie baterii w stanie naładowania i zasilanie falownika,
- baterii akumulatorów,
- wyjściowej przetwornicy napięcia przemiennego DC/AC (falownika) zasilającego odbiory,
- układu obejściowego „by-pass”.

UPS dysponuje dwoma źródłami energii: podstawowym (sieć / agregat prądotwórczy) oraz rezerwowym (akumulatory). Kiedy parametry sieci elektroenergetycznej znajdują się poza tolerancją, układ przechodzi w tryb awaryjny (DC – AC) i falownik pobiera energię z akumulatora. W momencie powrotu parametrów źródła do wartości dopuszczalnych zasilacz przełącza się na podstawowy tryb pracy (AC – DC – AC).

4. Jak wybrać model?

Decydując się na zakup UPS należy zastanowić się, gdzie i w jakim celu będzie on wykorzystany – na potrzeby domowe, firmowe, do ochrony serwerów lub też do zastosowań specjalistycznych. Trzeba przy tym wziąć pod uwagę jego główne parametry, takie jak napięcie wyjściowe, moc, czas podtrzymania bateryjnego a także obecność interfejsu komunikacyjnego.

5. Klasyfikacja

W normie PN-EN 62040, zastosowano przedstawiony poniżej podział UPS-ów według zasady działania.

UPS z podwójnym przetwarzaniem wyposażony w system obejścia elektronicznego, w normie określany symbolem VFI Voltage & Frequency Independent (niezależność napięcia i częstotliwości).
Modele VFI w sposób najbardziej pewny zabezpieczają zasilanie odbiorów, gdyż na wyjściu wytwarzają własną sinusoidę (wg modelu sinusoidy w sterowniku głównym), niezależną od zmian występujących w głównym źródle energii.

Zasilacz UPS VI (Voltage Independent - niezależność napięcia) dawnie nazywane line-interactive.
Istotą działania takich urządzeń jest korekta tylko napięcia źródła (częstotliwość nie jest stabilizowana). W modelach wykonanych w tej technologii falownik rzadko generuje czystą sinusoidę (w czasie pracy bateryjnej) a czas przełączenia na baterie (przerwy w zasilaniu odbiorów) wynosi 5 ÷ 15 ms.

Zasilacz UPS z bierną rezerwą, w normie określany symbolem VFD - Voltage & Frequency Dependent (zależność napięcia i częstotliwości wyjściowej od wejściowej). Dawniej używana nazwa off-line.
W urządzeniach wykonanych w tej technologii falownik w czasie pracy bateryjnej generuje tylko sinusoidę aproksymowaną a czas przełączenia na baterie (przerwy w zasilaniu odbiorów) wynosi >15ms.

6. Wady i zalety

Porównując parametry zasilaczy oferowanych przez różnych producentów można powiedzieć, że zasadniczym czynnikiem określającym wybór rozwiązania konstrukcyjnego jest wartość mocy wyjściowej urządzenia oraz oczekiwania dotyczące jakości napięcia i niezawodności pracy całego systemu. Ze względu na walory użytkowe, już dla mocy powyżej kilku kVA podstawową i powszechnie spotykaną konstrukcją jest rozwiązanie z podwójnym przetwarzaniem energii VFI i układem obejściowym bypass. Sprawność takiego urządzenia, zwykle na poziomie 90-96%, jest na ogół niższa od sprawności urządzeń o porównywalnych mocach wykorzystujących topologię VI, jest ona jednak stała w funkcji napięcia zasilającego. Przy zmianach napięcia wejściowego w zakresie +/- 15%, a takie wahania w sieci energetycznej wcale nie są rzadkością, sprawność zmienia się maksymalnie o 2-3%.

W układach VI, już ok. 5-proc. zmiany wartości napięcia wejściowego w stosunku do wartości nominalnej, powodują spadek sprawności poniżej wartości uzyskiwanych w układach podwójnego przetwarzania, a przy odchyleniach napięcia wejściowego o ok. 15%, sprawność obniża się nawet o 25%. Jeszcze mniej korzystnie wypada porównanie sprawności zasilaczy VFI i VI w kontekście zmian obciążeń. Dla urządzeń o podwójnym przetwarzaniu energii, pracujących z obciążeniem 50%, sprawność utrzymuje się w zakresie 90%, zaś przy obciążeniu 20% - utrzymuje się na poziomie ok. 80%. Natomiast dla modeli VI, przy tych samych obciążeniach, wartości te wynoszą odpowiednio ok. 70% i tylko ok. 45%

Pomiary urządzeń w technologii VI i VFD dla obciążeń nieliniowych, wskazują na znacznie gorsze parametry tych urządzeń w stosunku do UPSów wykonanych w technologii VFI. Dlatego też większość producentów na świecie stosuje uproszczone technologie jedynie dla mocy do 2 kVA w przypadku układów VFD i do 5 kVA w przypadku VI. Powyżej tych mocy stosowana jest prawie wyłącznie technologia podwójnego przetwarzania energii. Technologię VFI stosuje się do bardziej wymagających aplikacji także przy małych mocach.

Niekorzystna cecha VI i VFD to duży wpływ kształtu napięcia sieci energetycznej na kształt napięcia na odbiorach. W związku z tym są one zdecydowanie bardziej wrażliwe na odkształcenia napięcia sieci - mając na uwadze ochronę odbiorów, urządzenie przełącza się na gwarantujący odpowiednią jakość napięcia tryb bateryjny. W skrajnym przypadku może się okazać, ze współpraca zasilacza z VFD lub VI z siecią jest w ogóle niemożliwa. W bardziej korzystnej sytuacji skończy się na znacznym skróceniu żywotności baterii w związku z ich częstym rozładowywaniem. Jeśli napięcie w sieci będzie niestabilne lub odkształcone może się okazać, ze urządzenie go w ogóle nie akceptuje, alternatywą pozostaje wówczas wyłącznie praca bateryjna.

Kolejna niekorzystna cecha urządzeń o tych konfiguracjach jest duże uzależnienie kształtu prądu pobieranego z sieci od kształtu prądu na odbiorach (zdarza się czasem, ze producent publikuje bardzo korzystną, niską zawartość harmonicznych w prądzie wejściowym urządzenia nie podając, że dotyczy to wyłącznie odbiorów liniowych czyli takich, które z reguły nie są zasilane napięciem gwarantowanym).

Dlatego nie zaleca się topologii VFD / VI do współpracy z agregatami prądotwórczymi i nie zaleca się ich w przypadku bardzo odpowiedzialnych odbiorów. Są one stosowane raczej w stabilnych środowiskach do mniej odpowiedzialnych urządzeń.

7. Jakie cechy powinien posiadać dobry zasilacz?

  • Wysoka sprawność energetyczna min. 95% w rybie VFI przy częściowym obciążeniu
  • budowa modułowa kluczowych elementów mocy i sterowania, których wymiana jest możliwa „na gorąco” (hot- plug) bez potrzeby wyłączania odbiorów
  • Prostownik IGBT – sinusoidalny pobór prądu ze źródła (sieć / agregat prądotwórczy)
  • Zniekształcenia harmoniczne prądu wejściowego: THDi <3%
  • Wejściowy współczynnik mocy: PF=0,99.
  • Szeroka tolerancja napięcia wejściowego
  • Falownik IGBT sterowany cyfrowo
  • Regulacja napięcia wyjściowego: ± 1%.
  • Krótki czas regulacji napięcia wyjściowego (<10ms)
  • Współczynnik Crest Factor: CF > 3:1
  • Konfiguracja pracy równoległej redundancyjnej
  • Wejściowy układ przyłączeniowy systemu UPS powinien mieć możliwość dwustronnego zasilania: toru przetwarzania (prostowniki) + toru obejściowego (bypass)
  • Zdecentralizowany układ sterowania
  • Oprogramowanie monitorujące i sterujące
  • Inteligentny system zarządzania pracą baterii akumulatorów
  • Wysokiej jakości akumulatory
  • Zintegrowane bezprzerwowe systemy obejściowe – bypass statyczny i ręczny (serwisowy)
  • Opcja separacji galwanicznej (transformator)
  • Szerokie możliwości komunikacyjne (SNMP, modus, ...)
  • Funkcja trybu pracy ekonomicznej „eco-mode”
  • Dostęp serwisowy od przodu
  • Niski poziom głośności
  • Korzystny stosunek jakości do ceny

8. Rola UPS w systemie zasilania obiektu

Odbiory w obiekcie mogą zostać podzielone ogólnie na trzy kategorie. System zasilania gwarantowanego powinien brać pod uwagę potrzeby wszystkich grup. O zaszeregowaniu odbioru decyduje jego znaczenie dla obiektu oraz wrażliwość na nieprawidłowości występujące w napięciu zasilającym.
Kategoria III - należą do niej odbiory bez znaczenia strategicznego dla obiektu, nie wymagające specjalnych warunków pracy. Zalicza się do nich zwykle:
  • oświetlenie ogólne,
  • ogrzewanie,
  • systemy wentylacji podstawowej itp.

Kategoria II - należą do niej odbiory, dla których kilkunastosekundowy zanik napięcia nie stanowi zagrożenia, a których zasilanie musi być rezerwowane ze względu na ich znaczenie w systemie. Należą do nich:
  • oświetlenie awaryjne,
  • systemy wentylacji awaryjnej,
  • urządzenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego itp.

Są to odbiory niewrażliwe zwykle na zaniki napięcia, zakłócenia impulsowe czy szumy, dobrze znoszące odkształcenia napięcia, odporne na odchyłki częstotliwości i wahania wartości skutecznej oraz niepodatne na przepięcia. Od źródła rezerwowego wymaga się niezawodności i natychmiastowej gotowości do pracy po awarii napięcia w sieci energetycznej oraz zdolności długotrwałego podtrzymywania zasilania.

Kategoria I - należą do niej odbiory strategiczne nie tolerujące żadnych przerw w dostawie prądu. Zalicza się do nich miedzy innymi:
  • sieci komputerowe,
  • systemy przetwarzania i transmisji danych,
  • urządzenia telekomunikacyjne, itp.

Są to urządzenia wymagające zarówno ciągłości napięcia zasilającego (dopuszczalna przerwa to zwykle kilka milisekund), jak i bardzo dobrych parametrów kształtu napięcia, źle znoszące wszelkie zakłócenia. Zasilacze UPS są przeznaczone do odbiorów kategorii I.
UPSgeAEGLegrandinformDelta EnergyEuro-DieselAgregatygesandoosanjcbjohn_deereivecomitsubishiMTUvolvoperkinscumminsKlimatyzacjaAiredale
© 2015 EST Energy Sp. z o.o.   |   Wszelkie prawa zastrzeżone
Projekt & CMS: www.zstudio.pl