Rynek UPS ciągle się zmienia, nie tylko pod względem nowych producentów, ale także pod względem nowych modelów UPS i nowych technologii. Jeżeli trafisz na coś ciekawego, warto opisać to w tym temacie.
Trzy podstawowe rodzaje zasilaczy są dobrze znane, ale który wybrać?
Dlaczego stosujemy zasilacze UPS?
UPS (Uninterruptible Power Supply) pozwala na podtrzymanie zasilania urządzenia, gdy wystąpi przerwa w dostawie prądu. Czas podtrzymania jest ograniczony pojemnością baterii UPS. UPS możesz wykorzystać do zasilenia urządzeń, które zakłócą twoją pracę przy zaniku prądu. Przykładowo laptop z baterią przy zaniku napięcia będzie pracował nadal, jednak może utracić połączenie z siecią LAN lub Wlan, gdy urządzenia sieciowe utracą zasilanie. UPS pozwoli ograniczyć wpływ krótkich przerw w zasilaniu, jeżeli przerwa przedłuża się należy zapisać wyniki pracy i bezpiecznie wyłączyć systemy. UPS może także ograniczyć przenikanie części zakłóceń z sieci energetycznej. Na ograniczenie wpływu dłuższych zaników prądu pozwoli tandem agregat prądotwórczy + UPS jednak to temat na odrębny artykuł.
UPS offline.
Gdy zabraknie energii elektrycznej, UPS offline uruchamia przetwornicę (zwykle posiadającą na wyjściu transformator) i zaczyna wytwarzać energię dla podłączonych urządzeń. Przerwa pomiędzy zanikiem napięcia zasilającego a rozpoczęciem pracy nie jest zerowa, co może mieć wpływ na odbiornik. W zależności od wykonania UPS może generować napięcie wyjściowe zbliżone bardziej do prostokąta lub sinusoidy. UPS offline może także chronić odbiorniki przed przepięciami przez wbudowane elementy (najczęściej warystory) oraz w pewnym stopniu filtrować zakłócenia sieciowe (filtry oparte o indukcyjności i pojemności). UPS offline nadaje się głównie do urządzeń mniejszej mocy, których zasilacze pozwalają na utrzymanie ciągłej pracy mimo chwilowego zaniku zasilania.
Zaletą zasilacza jest niska cena oraz niskie straty energii (UPS nie przetwarza energii podczas obecności zasilania sieciowego). UPS offline sprawdzi się przy zasilaniu niewielkiego węzła LAN lub WAN (router+switch), ew. urządzenia WLAN, a także PC lub serwera niewielkiej mocy.
UPS offline line-interactive.
Poza cechami typowego zasilacza offline ten UPS potrafi stabilizować napięcie wyjściowe bez przechodzenia w stan pracy bateryjnej, oraz zachować synchronizację z fazą napięcia wejściowego. UPS pozwoli utrzymać nominalne napięcie sieciowe przy wahaniach napięcia wejściowego, przy przekroczeniu dopuszczalnego okna napięcia wejściowego UPS przejdzie w tryb wytwarzania napięcia. Zakres zastosowania podobny jak w przypadku UPS offline, line-interactive warto zastosować tam gdzie występują częste okresowe spadki lub przewyższenia nominalnego napięcia sieciowego.
UPS online.
Ten rodzaj UPS prostuje wejściowe napięcie, a następnie ponownie wytwarza napięcie zmienne (podwójne przetwarzanie). UPS online podejmuje pracę natychmiast. Napięcie wyjściowe jest niezależne od kształtu i częstotliwości napięcia wejściowego. UPS online cały czas przetwarza napięcie wejściowe, co niestety wywołuje straty. UPS polecany do wszelkiego wrażliwego i krytycznego sprzętu IT oraz mocy większych niż kilka kilowatów. UPS online może dostarczać mocy setek kilowatów, może także pracować równolegle z innymi jednostkami na jedną szynę dostarczając mocy liczonych w MW. Wadą UPS online jest wyższy koszt zakupu, eksploatacji, a także większe straty mocy podczas obecności napięcia wejściowego.
Zasilacze buforowe.
Przy zasilaniu stałym (DC), możliwe jest zastosowanie zasilaczy buforowych. Zasilacz buforowy zasilany jest napięciem stałym lub zmiennym oraz wytwarza stałe napięcie wyjściowe. Zasilacz buforowy charakteryzuje się niskimi stratami oraz natychmiastowym podjęciem pracy podczas zaniku zasilania. Nadaje się głównie do zasilania urządzeń typu sprzęt CCTV, centrali alarmowych itp.
Systemy zasilania DC.
W niektórych rozwiązaniach możesz spotkać zasilanie urządzeń napięciem stałym <60V. Takie rozwiązanie sprawdza się przy jednolitej i rozbudowanej infrastrukturze. Wszystkie urządzenia mogą być zasilane z pojedynczego systemu DC z wydajnym i ekonomicznym modułowym zasilaczem dużej mocy oraz bateryjnym podtrzymaniem zasilania. Ciekawostką, jaką możesz spotkać w takim systemie jest częste uziemienie dodatniej szyny zasilania systemu. System można skalować w zakresie mocy (poprzez dodawanie modułów zasilających) oraz podtrzymania (ilość akumulatorów). Niektóre siłownie DC mogą nadal pracować w trybie sieciowym przy zaniku jednej z faz docierających do modułów zasilających.
Jakie są źródła energii dla UPS?
UPS podczas zaniku napięcia wytwarza napięcie sieciowe wykorzystując lokalne zasobniki energii, jak można składować energię?
Akumulatory kwasowe.
Tradycyjnym źródłem energii dla UPS są akumulatory kwasowe. Ich prosty sposób ładowania oraz oferowana gęstość energii jest bardzo korzystna w stosunku do ceny. Wadą akumulatorów kwasowych jest ich waga oraz stopniowe zużycie wynikające z cykli ładowania i rozładowania, a także upływającego czasu. Ważnym parametrem dla akumulatorów kwasowych jest temperatura otoczenia, im wyższa, tym starzenie szybsze. Prąd ładowania akumulatorów przekłada się na czas ładowania. Prąd ładowania nie powinien przekraczać 0.1C gdzie C oznacza pojemność akumulatora. W zależności od konstrukcji ładowarki i UPS przywrócenie 100% naładowania może trwać godziny. Akumulatory łatwo łączyć w zespoły bateryjne, które pozwalają na skalowanie czasu podtrzymania UPS. Akumulatory kwasowo-ołowiowe do UPS zwykle dostępne są w wersji standardowej oraz o przedłużonej żywotności. Obecnie różnica cenowa jest na tyle atrakcyjna, że warto wybierać akumulatory o przedłużonej żywotności. Warto wybierać UPS, który zarządza ładowaniem baterii w taki sposób, aby wydłużać żywotność akumulatorów. Obecnie większość UPS korzysta z akumulatorów kwasowych.
Czy w UPS stosowane są akumulatory Ni-Cd, Ni-MH, Li-Po?
Są prowadzone próby zastosowania akumulatorów innych niż kwasowo-ołowiowe. Rozwiązania oparte o alternatywne akumulatory są droższe, mniejsze, lżejsze oraz mają bardziej skomplikowany układ ładowarki. Rozwiązania są zarówno w fazie testów, jak i dostępne w sprzedaży. Przykładowo UPS MASTERYS IP+ firmy Socomec posiada ładowarkę umożliwiającą użycie akumulatorów niklowo-kadmowych. Jeżeli rynek będzie poszukiwał rozwiązań lżejszych i mniejszych akumulatory Ni-Cd, Ni-MH, Li-Po mogą upowszechnić się w UPS.
Superkondensatory?
Zastosowanie superkondensatorów w UPS również jest w fazie testów producentów. Superkondensatory pozwalają na bardzo szybkie ładowanie dużym prądem oraz mogą wytrzymać wiele cykli ładowania bez utraty pojemności. Na rynku dostępne są UPSy z superkondensatorami np. UPS SINLINE EVOLUTION 2000 firmy Ever lub firmy Marathon Power. Wysoka trwałość oraz możliwość szybkiego ładowania może wpłynąć na upowszechnienie się superkondensatorów w UPS pod warunkiem zachowania przystępnej ceny.
Koło zamachowe?
W sprzedaży dostępne są UPSy, które gromadzą energię kinetyczną w wirującej w próżni masie (flywheel). Zaletą jest szybki czas "ładowania" oraz możliwość pracy w podwyższonej temperaturze i miejscach, gdzie stosowanie akumulatorów jest zabronione. Urządzenia flywheel posiadają wysoką sprawność i długi czas eksploatacji oraz są zwykle lżejsze niż tradycyjne UPS-y. Wadą jest zwykle krótszy czas podtrzymania niż w przypadku akumulatorów. Rozwiązanie mniej popularne, o mocach setek kW, mające ciekawe zastosowania praktyczne.
Tak wygląda UPS oparty o koło zamachowe:
Przykładowe wykorzystanie urządzenia opartego o flywheel na lotnisku w Katowicach
Mimo ciągłego rozwoju technologii akumulatory kwasowo-ołowiowe nadal pozostają najbardziej popularnym źródłem energii dla stacjonarnych UPS. Stan ten prawdopodobnie będzie utrzymywał się do momentu, gdy nie powstaną wyraźne potrzeby rynku odbiorców UPS.
Czy UPS to ochrona przeciwprzepięciowa ?
Tak, najczęściej można uznać go jako ochronnik klasy D. To oznacza, że aby był skuteczny musi być w instalacji poprzedzony ochronnikami typu C (najczęściej w rozdzielnicach) i B (najczęściej w okolicach złącza głównego) oraz A (w sieci dystrybucyjnej). Czym są ochronniki? Zwykle to układy warystorowe lub odgromniki gazowe, które pozwalają na odprowadzanie przepięcia i zapobiegają przenikaniu fali przepięciowej do wrażliwych odbiorników. Przepięcia mogą pochodzić od wyładowań atmosferycznych (zarówno bezpośrednie trafienia, jak i indukowane), a także od operacji łączeniowych (szczególnie odbiorników indukcyjnych). Budynek poza wielostopniową ochroną przeciwprzepięciową powinien posiadać także instalacje odgromowe. Najbardziej rozbudowane centra danych posiadają często konstrukcje metalowe tworzące klatkę Faradaya, która pozwala na skuteczne odprowadzanie wyładowań piorunowych. W krytycznych centrach danych obwody elektryczne projektuje się tak, aby nie tworzyły zamkniętych pętli, co zmniejsza ryzyko zaindukowania się niebezpiecznych napięć przy wyładowaniu piorunowym. Niebezpieczne przepięcia mogą wnikać także poza siecią energetyczną liniami transmisyjnymi.
Bypass.
Bypass może być zarówno wewnętrzny elektroniczny (STS), jak i mechaniczny wewnętrzny lub zewnętrzny. Bypass pozwala na zasilanie odbiorów z pominięciem UPS. Wewnętrzny bypass może zostać uruchomiony automatycznie, aby ochronić wewnętrzne układy przed przeciążeniem. Bypass może zostać uruchomiony ręcznie w celach serwisowych, pozwalając na wyłączenie lub nawet odłączenie UPS bez przerywania zasilania odbiorów.
Falownik zasilacza online.
Zwykle im bardziej zaawansowany falownik zasilacza online tym mniejsze straty na UPS. Falownik charakteryzuje się także możliwościami przeciążania, które zwykle opisane są jako % wartości znamionowej (np. 150%) przez określony czas (np. 30s). Odporność falownika na chwilowe przeciążenia pozwala na ciągłość zasilania nawet przy przeciążeniach na wyjściu spowodowanych np. operacjami łączeniowymi. Przy przeciążeniu przekraczającym możliwości falownika UPS załączy bypass wewnętrzny pozbawiając ochrony podłączone urządzenia.
UPS jedno- i trójfazowe.
UPSy mogą posiadać jednofazowe wejście i wyjście (1f/1f), a także trójfazowe wejście i trójfazowe wyjście (3f/3f) oraz trzy fazowe wejście i jednofazowe wyjście (3f/1f). W przypadku zasilacza 3f/3f otrzymujemy symetryczne obciążenie faz niezależnie od niesymetrii obciążenia wyjściowego. W przypadku zasilacza 3f należy pamiętać, że moc każdej fazy wynosi 1/3 mocy UPS, przekroczenie dopuszczalnej mocy na dowolnej fazie wyjściowej pozbawi ochrony odbiory na pozostałych fazach (zostanie załączony bypass wewnętrzny). W przypadku UPS 3f/1f dysponujemy całą mocą UPS na jednej fazie wyjściowej oraz równomierne obciążenie faz wejściowych. W przypadku UPS 3f/1f przy przejściu na bypass jedna z faz wejściowych zostanie obciążona całym prądem wyjściowym, jest to cecha, która w praktyce ogranicza moc maksymalną UPS 3f/1f.
Zwiększanie czasu podtrzymania UPS.
Zwiększenie czasu podtrzymania można uzyskać przez podłączenie kilku zespołów bateryjnych, zostanie wykorzystana suma ich pojemności. Innym sposobem jest stosowanie segmentów obciążeń, które są stopniowo odłączane przedłużając czas podtrzymania tych krytycznych. Programowym sposobem zwiększenia czasu podtrzymania jest bezpieczne zamykanie poszczególnych systemów przy pomocy zainstalowanych agentów.
Komunikacja ze światem.
UPS informuje o swoim stanie oraz czasie podtrzymania podłączone systemy, dzięki temu można bezpiecznie zapisać dane, gdy czas pracy bateryjnej zbliża się do końca. UPS może przekazywać informacje przy pomocy lokalnych interfejsów takich jak RS-232, USB, styki bezpotencjałowe, a także komunikować się w sieci Ethernet oraz sieciach przemysłowych. Komunikacja z UPS pozwala na jego monitorowanie, sterowanie oraz odbieranie sygnałów alarmowych.
UPS centralny i systemy rozproszone.
W zależności od skali rozwiązania można zastosować UPS dedykowany do każdego urządzenia lub grupy urządzeń, lub zastosować jeden lub więcej UPS centralnych zasilających grupy odbiorów (szafy / grupy szaf / piętra / budynki itp.).
Jakie są koszty eksploatacji UPS dużej mocy ?
Poza kosztem zakupu, należy pamiętać o kosztach eksploatacji UPS.
UPS dużej mocy jest urządzeniem online z podwójnym przetwarzaniem. Przetwarzanie energii wiąże się ze stratami. Im wyższa sprawność tym mniejsze straty. Straty energii powodują powstawanie ciepła, które należy odprowadzić. Odprowadzanie ciepła odbywa się kosztem energii elektrycznej. Przykładowo UPS pobierający moc 100KW i sprawności 96% będzie tracił w postaci ciepła około 4KW oddając do odbiorów <96KW.
Ograniczanie strat mocy.
Zawsze warto wybierać UPS o jak największej sprawności (jak najbardziej zbliżonej do niemożliwego do uzyskania 100%) w trybie podwójnego przetwarzania oraz współczynniku mocy PF jak najbardziej zbliżonym do 1 (>0.99). Innym rozwiązaniem może być praca UPS w trybie eco / wysoka sprawność, co pozwoli na minimalne straty mocy, lecz obniżoną ochronę odbiorów. Praca w trybie eco opiera się najczęściej na uruchomieniu wewnętrznego bypassu elektronicznego (STS) i zasilaniu odbiorów z sieci. W tym trybie UPS posiada zsynchronizowany, lecz nieobciążony falownik oczekując na zanik napięcia sieciowego.
Optymalne warunki pracy.
Dla UPS niekorzystna jest zarówno praca przy 100% obciążenia (ryzyko przełączenia na bypass), jak również przy bardzo małym obciążeniu <20-30% (niska sprawność, często generowanie mocy biernej pojemnościowej). Powinno się dobierać UPS tak, aby pracował w okolicach 70% procent obciążenia, wartość ta może być różna u różnych producentów.
Problemy pracy równoległej.
Gdy UPS-y pracują równolegle na wspólne obciążenie dzielą się mocą i zapewniają redundancję zasilania. Podzielenie się mocą powoduje spadek obciążenia pojedynczej jednostki i często prowadzi do strat energetycznych. Rozwiązaniem jest konfiguracja w której jeden UPS z równoległego zespołu nie jest obciążony mocą i czeka na awarię. Pozostałe urządzenia lub urządzenie obciążone jest większą mocą, w razie awarii UPS zapasowy przejmuje całość obciążenia. Aby zapewnić równomierne zużywanie się urządzeń, UPS-y stopniowo wymieniają się funkcją UPS-a nieobciążonego zapasowego.
Zwykle UPS-y pracujące równolegle komunikują się ze sobą przy pomocy redundantnej magistrali, istnieją także rozwiązania w których UPS-y synchronizują się bezpośrednio na szynie prądowej (np. Hot Sync w UPS-ach Eaton).
Innym pomysłem na modułowość i skalowalność mocy i czasu podtrzymania są uniwersalne stelaże UPS-ów MODULYS GP firmy Socomec, które można w dość swobodnie obsadzać w różnych konfiguracjach zarówno modułami mocy, jak również modułami bateryjnymi.
Więcej ogólnych informacji o oszczędzaniu energii elektrycznej w firmie znajdziesz tutaj.
Przeglądy i akumulatory.
UPSy należy okresowo poddawać przeglądom i konserwacji. Akumulatory w UPS starzeją się i należy je cyklicznie wymieniać. Aby zapewnić długą eksploatację akumulatorów, należy utrzymywać ich niską temperaturę.
Przestrzeń.
UPSy zajmują miejsce oraz obciążają konstrukcję swoją masą, w przypadku obiektów adaptowanych mogą to być cenne zasoby.
Czy UPS może kompensować moc bierną innych urządzeń pracujących w sieci?
Ciekawe rozwiązanie zastosował producent UPS-ów Ever http://ever.eu/. Urządzenia UPS Ever serii POWERLINE 33 zostały wyposażone w układy zintegrowane z wejściowym układem prostownika pozwalającym na dynamiczną kompensację mocy biernej. Wejściowy współczynnik cos fi UPS jest stabilizowany tak, aby był zbliżony do 1. Dodatkowo można ingerować w ustawienia kompensacji tak, aby kompensować w sposób statyczny moc bierną urządzeń równolegle połączonych z wejściem UPS.
Jest to bardzo ciekawe rozwiązanie, w którym UPS poza zapewnieniem podtrzymania napięcia pozwala także na kompensowanie mocy biernej innych urządzeń połączonych równolegle do wejścia UPS.
Oczywiście ten krótki materiał nie wyczerpał wszystkich zagadnień związanych z UPS-ami.
Może potrafisz dodać ciekawe informacje, które nie zostały poruszone?
Warto napisać o tym w tym temacie.
Materiał wideo prezentujący konstrukcję przykładowego UPS offline.
Porównanie konstrukcji UPS online i UPS offline line-interactive
Cool? Ranking DIY
