Zasilacze bezprzerwowe, buforowe i awaryjne oraz specjalistyczne

W przemyśle, a zwłaszcza w procesach realizowanych ciągle, utrata zasilania lub nawet chwilowa niestabilność to wymierne straty wywołane niekontrolowanym przestojem, dlatego gwarancja tego, że będzie ono dostępne, jest warunkiem koniecznym do zapewnienia jakości i potencjału przedsiębiorstwa. Obojętnie, o jaki typ zasilacza chodzi: UPS, buforowy czy specjalistyczny model dla medycyny lub przemysłu, wybór konkretnego modelu nie jest łatwy, bo na rynku jest wiele tandety, wiele produktów nie spełnia podstawowych parametrów, nie mówiąc już o zapewnieniu długoterminowej jakości.

Aby dobrze wybrać zasilacz do danej aplikacji i docenić walory techniczne kryjące się w zaawansowanych specjalistycznych rozwiązaniach zasilających, trzeba cokolwiek wiedzieć na temat ich funkcjonalności i parametrów. Wiedza ta pozwala na formułowanie pytań kierowanych potem do dostawców, a także na poszerzenie horyzontów na temat tego, co można osiągnąć w tworzonej aplikacji. Inaczej dyskusja sprowadzana jest do podstawowych danych takich, jak napięcie wyjściowe, moc, obudowa, złącze DC i cena, co nikomu nie daje wiele przestrzeni do manewru.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie zasilaczy bezprzerwowych i specjalistycznych

 

Sektor zasilania specjalistycznego i bezprzerwowego to kolejny obszar techniki, gdzie cena nie jest najważniejszym kryterium wyboru produktu. Minimalnie ustąpiła ona miejsca parametrom technicznym i jak widać, te dwa czynniki górują nad całą resztą wykresu. Normy i certyfikaty mają w omawianej tematyce dużą wagę, a termin dostawy to trochę efekt panującej pandemii i problemów ze sprawną logistyką towarów. Z wykresu wynika ponadto, że czasy zasilaczy wykonywanych na zamówienie w zasadzie już odeszły, a jakość wykonania jest kojarzona z marką producenta. Relacje między klientami i dostawcami w zakresie zasilania też mają, w porównaniu do innych grup produktowych, większe znaczenie.

Kupujący zasilacze często nie mają wystarczających kompetencji i doświadczenia, aby umieć ocenić produkt, więc nietrudno o nadużycia. Nie każdy zna się na zasilaczach, a im aplikacja lub wytwarzane urządzenie bardziej odbiega od elektroniki, tym tej wiedzy jest w naturalny sposób mniej. Klienci z branż odległych od elektroniki z reguły nie chcą płacić więcej za produkty renomowane i o gwarantowanej jakości, raczej kupują jednostki najtańsze i nawet jak później urządzenie nie działa prawidłowo, nie są w stanie powiązać anomalii z kiepskim zasilaniem i nietrafionym wyborem. Część z nich uczy się na błędach i takie ryzyko jest dla nich nauczką na przyszłość niemniej, ponieważ temat psucia rynku przez tanie zasilacze azjatyckie od lat jest dyżurnym tematem branży, zapewne takie wpadki nie są powodem do chwały i firmy skrzętnie je ukrywają.

Warto zatem poświęcić chwilę na omówienie funkcji, które tworzą wartość dodaną do podstawowego zestawu związanego z konwersją energii elektrycznej (moc, napięcia).

W przypadku zasilaczy bezprzerwowych takim istotnym dodatkiem są możliwości diagnostyczne zasilaczy: monitorowanie stanu akumulatorów, kontrola sprawności zasilacza, parametrów sieci zasilającej, możliwość szybkiego ładowania oraz korekta napięcia ładowania w zależności od temperatury, która przedłuża żywotność akumulatorów. Zdolność do chwilowego przeciążania to z kolei cecha, która przydaje się w zastosowaniach przemysłowych i najlepiej, aby poziom dopuszczalnego przeciążenia oraz podstawowe parametry, takie jak napięcie, progi aktywacji zabezpieczeń można było programować samodzielnie z komputera (takie możliwości daje zasilacz konfigurowalny).

Wiele osób ocenia jakość zasilacza na wagę i nie jest to pozbawione sensu, bo tani produkt z małymi radiatorami, odchudzonymi filtrami i minimalnej wielkości transformatorem zawsze będzie lżejszy od tego porządnie wykonanego. Warto przyjrzeć się, ile ważą zasilacze renomowanych firm po to, aby porównać je z innymi.

Najważniejsze trendy techniczne rynku zasilania bezprzerwowego

 

Najważniejszym trendem technicznym w zasilaczach bezprzerwowych jest coraz większa sprawność jednostek, przekładająca się na większą miniaturyzację, lepszą jakość, mniejsze rachunki za energię itp. W dalszej kolejności liczy się zaawansowanie techniczne jednostek, a więc wykorzystanie nowoczesnych materiałów, półprzewodników i topologii konwersji energii. Zaawansowanie to większa odporność na stany nieustalone, lepsze zabezpieczenia, możliwość dopasowania produktu do wymagań użytkownika, zdalna kontrola stanu i wiele innych funkcji, które są dzisiaj częściej brane pod uwagę i nie zaspokajają wyimaginowanych potrzeb.

Użyteczna funkcjonalność, jaka pojawia się dzisiaj często w zaawansowanych jednostkach zasilających, obejmuje ponadto takie dodatki jak np. możliwość regulacji wyjściowego napięcia w niewielkim zakresie trymerem, po to, aby skompensować spadek napięcia na przewodach wyjściowych. Do tego samego celu służą zwielokrotnione zaciski wyjściowe lub też możliwość podłączenia dwóch dodatkowych przewodów pomiarowych bezpośrednio do zacisków obciążenia (tzw. czteroprzewodowe połączenie kelwinowskie). Taki sposób zapewnia znakomite parametry napięcia wyjściowego (statyczne i dynamiczne) w zasilaczach dużej mocy i o niskim napięciu wyjściowym.

Od strony układowej zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody ochronne na tyle skuteczne, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłe zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa.

Szeroki zakres napięcia wejściowego to kolejny parametr, który wiele mówi o nowoczesności. Standard tanich jednostek to 100‒240 V AC, lepsze działają w zakresie 85‒265 V AC, najlepsze w jeszcze szerszych widełkach.

Nawet jeśli nie korzystamy z sieci innej niż 230 VAC, to gdy zakres dopuszczalnych napięć jest szeroki, korzystnie przekłada się to na odporność zasilacza na krótkotrwałe zaniki napięcia i przepięcia o dużej wartości.

Główne zjawiska techniczne w zasilaczach specjalistycznych

 

Najbardziej istotne zjawiska techniczne w zasilaczach specjalistycznych są mniej więcej zbieżne z tymi dla zasilaczy bezprzerwowych. Tutaj także najważniejsza jest duża sprawność konwersji energii elektrycznej i znaczenie tego parametru wybija się znacznie nad całą resztą. Być może dzieje się tak dlatego, że duża sprawność determinuje w kolejności wiele ważnych parametrów użytkowych i technicznych zasilaczy, które dostaje się automatycznie, gdy jest ona duża (czyli ponad 90% wg współczesnych kryteriów, im większa moc wyjściowa, tym zwykle więcej).

Asortyment dostępnych na rynku zasilaczy poszerza się także o wersje ze wzmocnioną izolacją, czyli o niskiej upływności. Do niedawna były one rzadkością i wykorzystywane tylko w aplikacjach medycznych, niemniej poszerzająca się oferta wskazuje, że takie jednostki trafiają także do urządzeń przemysłowych, do precyzyjnej aparatury pomiarowej oraz rozbudowanych systemów, gdzie łączone są obwody na różnych potencjałach. W takich przypadkach zasilacz o wzmocnionej izolacji jest w stanie zapewnić stabilność i jakość działania układów pomiarowych.

Jeszcze inne rozwiązania to zasilacze czteroćwiartkowe, czyli takie, które mogą płynnie zmieniać funkcję z dostarczania energii do obciążenia na jej odbieranie (jak obciążenie elektroniczne) bez konieczności przełączania obwodów przekaźnikami.

Na koniec warto wymienić korzyści z obecności cyfrowego łącza komunikacyjnego w zasilaczach. Pozwala ono łączyć kilka jednostek równolegle, zapewniając równomierny podział mocy oraz tworzyć w ten sposób konfiguracje nadmiarowe (z redundancją), w których jest możliwość wymiany jednego zasilacza z zestawu bez wyłączania reszty.

SPRAWNOŚĆ I MINIATURYZACJA

Duża sprawność konwersji energii elektrycznej to temat zawsze istotny w obszarze zasilania, gdyż z kolejnymi procentami sprawności poprawia się wiele innych parametrów aplikacyjnych. Są to wielkość zasilacza, zakres temperatur pracy, warunki chłodzenia, żywotność, a w jakiejś części także odporność środowiskowa. Im większa sprawność, tym mniej ciepła jest tracone podczas konwersji energii, a jak mówi luźna interpretacja prawa Arrheniusa "podniesienie temperatury reakcji chemicznej o 10 stopni przyspiesza ją dwukrotnie". Taką reakcją może być proces degradacji izolacji, wysychanie elektrolitu w kondensatorach, starzenie się tworzyw sztucznych itp. 10 stopni różnicy temperatury w obudowie to inaczej mówiąc, dwukrotnie dłuższa żywotność komponentów zasilacza i taką różnicę mogą zapewnić 2‒3 punkty procentowe sprawności konwersji energii więcej.

Miniaturyzacja to kolejny po sprawności parametr zasilaczy, który zawsze jest aktualny, bo mała, ale wydajna jednostka zasilająca ułatwia instalację, pozwala na lepszą integrację z konstrukcją urządzenia lub maszyny oraz z dużym prawdopodobieństwem jest nowocześniejsza od większych (starszych) rozwiązań.

Wysoka sprawność to oszczędność energii zasilającej, a więc mniejsze rachunki, a w zasilaczach buforowych dłuższy czas pracy z danej pojemności akumulatora.

Najważniejsze czynniki o charakterze negatywnym dla rynku zasilania

 

Za czynniki najbardziej przeszkadzające w rozwoju rynku zasilania gwarantowanego uznano konkurencję ze strony tanich zasilaczy wytwarzanych przez firmy azjatyckie. Produkty te zaostrzają i tak już dużą konkurencję na rynku, a ta w połączeniu z niekoniecznie dogłębnym rozumieniem zagadnień związanych z zasilaniem przez klientów prowadzi do nieoptymalnych decyzji. Na wykresie za przeszkody uznano także długie terminy dostaw, które są po części skutkiem pandemii, a po części tego, że asortyment jednostek katalogowych jest bardzo szeroki i w lokalnych magazynach trzymane są zwykle tylko najpopularniejsze i typowe jednostki.

ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z ENERGIĄ ODNAWIALNĄ

Od lat mówiło się, że w przyszłości instalacje elektryczne nie będą już tak bardzo scentralizowane, a więc z widocznym podziałem na elektrownie, linie przesyłowe oraz odbiorców końcowych. Energia odnawialna stworzyła na rynku kategorię prosumenta, czyli specyficznego odbiorcę końcowego, który kupuje energię elektryczną oraz także produkuje ją na własne potrzeby, a nadwyżki sprzedaje do sieci. Wraz z prosumentami energetyka zaczęła się zmieniać w system rozproszony. Jako konsekwencja tego procesu rozwój i popularność instalacji PV przyspieszyły rozwój technologii zasilania dwukierunkowego, a więc takich jednostek, które są w stanie konwertować energię w dwie strony, np. zasilając silnik napędzający urządzenie i odbierając od niego energię hamowania po to, aby ładować akumulator. Są to skomplikowane rozwiązania zasilaczy, ale powoli znajdują swoje miejsce na rynku.

Bezsprzecznie w przyszłości będziemy mieć coraz więcej instalacji lokalnych generujących prąd ze słońca lub wiatru. Dużo się też mówi o lokalnych magazynach akumulatorowych do gromadzenia nadwyżek z instalacji odnawialnych lub odzysku energii z układów mechanicznych w transporcie. Oznacza to, że falowniki dwukierunkowe i zasilacze będą trafiać także pod strzechy.

ZASILANIE GWARANTOWANE CORAZ BARDZIEJ ROZPROSZONE

Zasilanie gwarantowane zawsze było ważną częścią współczesnej techniki i można nawet wysnuć tezę, że z roku na rok funkcja, jaką pełnią te urządzenia, jeszcze bardziej się zwiększa. Powodem jest to, że liczba systemów elektronicznych, które muszą pracować non stop stale rośnie. Jednocześnie znaczenie, jaką ma taki sprzęt, staje się coraz ważniejsze, a nierzadko nawet może decydować o zdrowiu i życiu. Wymagania działania bez przerwy stawia się m.in. przed sprzętem infrastruktury telekomunikacyjnej, monitoringu, sterowania ruchem, w zakresie usług elektronicznych, e-handlu i wielu innych technologii z przedrostkiem "e". Ważnym obszarem jest także medycyna i IT.

Wymienione branże i aplikacje to przykłady, gdzie zasilanie gwarantowane charakteryzowane jest przez dużą moc jednostek, co wynika z centralizacji sprzętu o znaczeniu krytycznym w jednym obiekcie do np. serwerowni. To taki specyficzny obszar, gdzie podtrzymanie zasilania podczas awarii jest realizowane przez jeden lub kilka zasilaczy UPS pracujących razem jako system. W tym zakresie niewiele się zmienia, jeśli chodzi o koncepcję systemu zasilania. Różnice pomiędzy kolejnymi generacjami zasilaczy dotyczą głównie ich parametrów: sprawności, mocy uzyskiwanej z jednostki objętości, możliwości zarządzania zdalnego, zapewnienia redundancji poprzez łączenie wielu zasilaczy w równoległe bloki, możliwości wymiany modułów podczas pracy i podobnych.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku zasilaczy specjalistycznych

 

Listę najbardziej istotnych zjawisk z punktu widzenia rozwoju rynku otwiera kryterium powiązane z szybko rosnącym rynkiem elektroniki. Urządzeń elektronicznych w naszym otoczeniu jest coraz więcej i większość wchodzących na rynek nowości opiera się na elektronizacji, przejściu na sterowanie elektryczne, komputerowe. Więcej aplikacji oznacza większy popyt na zasilacze, w tym także jednostki specjalizowane o większej funkcjonalności, lepszych parametrach, które zostały dostosowane do wymagań aplikacyjnych. Przykładem może być zdolność do chwilowego przeciążania w jednostkach przemysłowych.

ZASILACZE BUFOROWE

Drugi obszar, gdzie realizowane jest zasilanie gwarantowane, nie jest taki widowiskowy, ale też zyskuje na znaczeniu. Chodzi o podtrzymanie zasilania dla lokalnych instalacji małych mocy, gdzie odbiorniki są zasilane napięciem stałym o wartości 9‒24 V. Są to systemy monitoringu wizyjnego, składające się z kamer i pamięci masowej NAS do przechowywania danych wideo, routery i punkty dostępowe do Internetu, systemy alarmowe, aplikacje pomiarowe wysyłające dane do chmury, systemy oświetlenia awaryjnego i automatyki budynkowej.

takich rozwiązaniach gwarancja zasilania wymaga znacznie mniejszej mocy i stąd realizowana jest lokalnie poprzez dołączenie akumulatora lub użycie zasilacza buforowego z magazynem energii (jest to akumulator, rzadziej są to superkondensatory z uwagi na wysoki koszt). Niektóre urządzenia tego typu pozwalają na podłączenie akumulatora buforującego, ale z reguły wykorzystuje się zasilacz buforowy, a więc z akumulatorem. Są to rozwiązania o różnym poziomie zaawansowania technicznego. Od najprostszych, gdzie napięcie akumulatora jest dostarczane bezpośrednio na wyjście, po zaawansowane jednostki o napięciu wyjściowym stabilizowanym i niekoniecznie takim samym, jakie ma akumulator.

Zasilacze buforowe mogą zawierać akumulator wewnątrz obudowy i takie wersje najczęściej pojawiają się w instalacjach budynkowych. Coraz częściej jest też możliwość dołączenia akumulatora zewnętrznego o dużej pojemności w razie potrzeb. To jest bardzo elastyczne rozwiązanie, bo daje szansę ustalenia czasu podtrzymania zasilania stosownie do potrzeb.

Popularności zasilaczy buforowych sprzyja ponadto to, że od strony technicznej są to urządzenia stosunkowo proste. Wiele takich urządzeń składa się z prostszego zasilacza sieciowego, do którego dodany został akumulator na wejściu wraz z układem jego ładowania. Przy obecności zasilania sieciowego ogniwa są ładowane i utrzymywane w stanie gotowości, po zaniku sieci, zgromadzona energia kierowania jest na wyjście. Konstrukcja bardziej złożonych jednostek opiera się na przetwornicy o dużej sprawności. Mają one dodane obwody sygnalizacyjno-kontrolne i zabezpieczające oraz port USB. Dzięki niemu urządzenie zasilane może np. w kontrolowany sposób wyłączyć się przed całkowitym wyczerpaniem akumulatora.

Główne problemy rynku zasilania bezprzerwowego

 

Główne problemy rynku zasilania bezprzerwowego to lekceważące podejście klientów do tego zagadnienia wynikające z niedostatecznej wiedzy, braku wyobraźni co do możliwych skutków oraz silna konkurencja na rynku sprowadzająca wiele zagadnień do ceny widniejącej na fakturze. Z ostatnim czynnikiem wiążą się też koszty utrzymania akumulatorów w dobrej kondycji.

Na rynku jest wiele dostępnych typów takich urządzeń, także jeśli chodzi o wersję wykonania mechanicznego. Obudowy zasilaczy buforowych przeznaczone są zwykle do montażu na szynie lub w skrzynce instalacyjnej. Są też wersje całkowicie open frame, a więc bez obudowy, czyli jako sama płytka drukowana. Wiele modeli ma wydzielone w obudowie zatoki pozwalające na montaż akumulatorów, przez co całość tworzy gotową do pracy jednostkę buforową skalowalną z możliwością serwisowania podczas pracy. Ogólnie liczba wariantów funkcjonujących na rynku jest spora, dzięki czemu bez problemu daje się dobrać najbardziej pasujące rozwiązanie do każdych zastosowań.

Typowy zasilacz buforowy ma jedno napięcie wyjściowe o wartości powiązanej z napięciem znamionowym akumulatora, a więc z reguły 12 lub 24 V. Na dodatek nierzadko jest to napięcie niestabilizowane, bowiem akumulator dołącza się wprost do zacisków wyjściowych.

ZASILACZE BEZPRZERWOWE UPS

Zasilacze bezprzerwowe UPS są stosowane przede wszystkim w centrach danych, systemach komunikacyjnych, w energetyce i przemyśle. Na rynku dostępne są urządzenia różnych typów, niemniej ich cechą wspólną jest to, że na wyjściu dostarczają przemiennego napięcia takiego samego, jakie jest w sieci energetycznej.

W skład większości UPS-ów, niezależnie od ich wielkości i topologii, wchodzą akumulatory, ładowarka i przetwornica (inwerter) zamieniająca napięcie stałe na przemienne. Różnice między topologiami dotyczą tego, czy przetwornica pracuje cały czas (online), czy jest załączana dopiero podczas awarii (offline). Cechą UPS-a online jest podwójna konwersja energii, z sieci do napięcia akumulatora i dalej z powrotem na sieć. Dzięki temu przetwornica zasila obciążenie czystym i dokładnie stabilizowanym przez UPS napięciem przemiennym. Oprócz tego prostownik zasilający falownik z sieci zapewnia korekcję współczynnika mocy, przez co UPS online jest w istocie też skutecznym filtrem, który chroni urządzenia przed zakłócającymi wpływami sieci energetycznej, optymalizując równocześnie obciążenie w stosunku do sieci.

W UPS-ie off line w trakcie normalnej pracy obciążenie jest zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej. Gdy napięcie zasilania spadnie poza ustaloną granicę, zasilanie obciążenia jest przełączane przekaźnikiem na przetwornicę i akumulator. Spowodowana tym przerwa może trwać typowo kilka milisekund. Zaletą UPS- a offline jest to, że gdy zasilanie z sieci jest, falownik nie pracuje, a więc nie pobiera energii.

Najważniejsze czynniki pozytywne dla rynku zasilania gwarantowanego

 

Rosnący rynek oraz powiększające się wymagania klientów w zakresie jakości produktów zostały uznane przez ankietowanych specjalistów za najbardziej istotne czynniki napędzające rozwój rynku zasilania bezprzerwowego. Komputery i sprzęt infrastruktury komunikacyjnej w zakresie Internetu, sieci komórkowych, serwerownie lokalne w firmach oraz duże obiekty powiązane z chmurami obliczeniowymi to najbardziej typowe przykłady spośród wielu miejsc, gdzie zasilanie musi być dostępne non stop. Im więcej komputerów, sieci, e-usług, funkcjonalności typu smart, tym istota zasilania gwarantowanego jest większa.