Zasilacze bezprzerwowe - konfiguracje i właściwości

Współczesne systemy zasilaczy bezprzerwowych (UPS) są stosowane przede wszystkim w centrach obsługi danych, koncentratorach systemów łączności oraz w innych wrażliwych ośrodkach informacji i komunikacji. Ich nieprzerwana dyspozycyjność jest krytyczna, wręcz niezbędna. Najważniejszą zaletą UPS-ów jest elektryczna izolacja pomiędzy siecią energetyczną a wrażliwymi urządzeniami, które zasila. Wysoka jakość zasilania jest zapewniana przez szereg obwodów na kilku stopniach układu. Zatem bezprzerwowa dostawa niezakłócanego napięcia przemiennego o dostatecznej mocy staje się w takich warunkach wymaganiem podstawowym.

Naturalnym wyborem jest wtedy UPS online. System taki niezależnie od warunków dostarcza czystej przetworzonej mocy, czerpiąc zasilanie z sieci energetycznej, w razie awarii bezprzerwowo przechodząc na zasilanie akumulatorowe. Ale aplikacje o mniej krytycznych wymaganiach mogą korzystać z tańszych rozwiązań typu offline.

W niniejszym tekście porównuje się konfiguracje UPS-ów online i offline z trzecią konfiguracją, korzystającą z interaktywnej linii sieciowej. Wraz z rosnącymi kosztami energii rośnie potrzeba poprawy sprawności energetycznej zasilania - porównanie obejmuje również sprawniejszy ekologiczny tryb działania UPS. Urządzenia korzystające z UPS różnią się znacznie zarówno rozmiarami, jak i charakterem. Małemu komputerowi biurkowemu czy przyrządowi może wystarczyć przenośny zasilacz o mocy do 250 VA, a wielkie centrum obsługujące dużą firmę składa się czasem z licznych jednostek o mocy 5 MVA, a nawet większej.

Konfiguracja UPS online i jej zalety

Rys. 1. Działanie UPS-a online

W skład wszystkich UPS-ów, niezależnie od ich rozmiarów i rozwiązania, wchodzi szereg takich samych podzespołów. Są to akumulatory, układy do ich ładowania i przetwornice zamieniające napięcie stałe w zmienne, do zasilania obciążenia na czas zaniku napięcia w sieci (rys. 1).

Pierwszy z nich, prostownik z ładowarką, ładuje akumulator, gdy działa sieć energetyczna. Dostarcza on stabilnego napięcia stałego do drugiego podzespołu, przetwornicy, która napięciem przemiennym zasila obciążenie. W razie zaniku napięcia sieci akumulator gładko przejmuje pełne zasilanie obciążenia, z którym jest trwale połączony. Dzięki temu obciążenie do czasu rozładowania akumulatora nie odczuwa awarii.

Niezauważalność zmiany zasilania jest podstawową zaletą dla krytycznych urządzeń, dla których przerwa czy opóźnione przełączenie mogłoby być szkodliwe. Drugą ważną zaletą UPS online jest podwójna konwersja. W prostowniku na wejściu wszystkie impulsowe, przejściowe i szumowe zaburzenia "giną" przetwarzane w napięcie stałe.

Następnie przetwornica zasila obciążenie czystym, dokładnie przez UPS stabilizowanym, przebiegiem napięcia zmiennego. Oprócz tego w prostowniku jest dokonywana korekcja współczynnika mocy i redukcja zawartości harmonicznych wyższych częstotliwości. UPS online to swego rodzaju firewall, który chroni układy i urządzenia informacji i łączności przed zakłócającymi wpływami sieci energetycznej, optymalizując równocześnie obciążenie w stosunku do sieci.

Konfiguracja UPS offline

Rys. 2. Topologia UPS-a offline

W UPS-ie offline w trakcie normalnej pracy obciążenie jest zasilane wprost z sieci energetycznej przez linię obejściową i statyczny przełącznik - rysunek 2a. Napięcie na obciążeniu nie jest wtedy stabilizowane i docierają do niego zaburzenia z sieci. Gdy napięcie zasilania wykracza poza ustalone granice, statyczny przełącznik przełącza zasilanie obciążenia na przetwornicę i akumulator (rys. 2b).

Spowodowana tym przerwa może trwać od 2 ms do 10 ms. Według operatorów wrażliwych urządzeń UPS offline nie spełniają wymagań jakości zasilania. Nie kompensują one wahań napięcia, a na każde przekroczenie dopuszczalnych granic muszą reagować natychmiastowym przełączeniem. Jeżeli stabilność napięcia sieci jest niewysoka lub dopuszczalne granice ustalone wąsko, przełączenia mogą być częste.

Do wad systemu UPS offline, oprócz częstych, wywołanych przełączeniami przerw, zaliczyć trzeba możliwości niedoładowania i obniżenia żywotności akumulatora. Jednakże aplikacje mogące tolerować te wady korzystają z obniżenia kosztów zarówno inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych, gdyż ładowarka i przetwornica w czasie normalnego działania nie są wykorzystywane.

Konfiguracja z interaktywną linią sieciową

Tabela 1. Typowe wady i zaburzenia napięcia zasilającego

Istnieją jeszcze UPS-y offline, wyposażone w system stabilizacji napięcia zmiennego linii obejściowej (rys. 3). Rozwiązanie to zmniejsza częstość koniecznych przełączeń, pozwalając poszerzyć dopuszczalne granice zmienności napięcia zasilającego. Dzięki temu koszty eksploatacyjne i zużycie akumulatora są nieco mniejsze niż w zwykłych systemach offline.

W systemach z interaktywną linią zwykle używane są transformatory obniżająco-podwyższające lub ferrorezonansowe. Pierwsze z nich utrzymują napięcie wyjściowe w granicach od +20% do -30% napięcia wejściowego, ale przełączanie odczepów wymusza skokowe zmiany napięcia na obciążeniu. Systemy z transformatorem ferrorezonansowym utrzymują napięcie wyjściowe w granicach ±3% przy zmianach wejściowego od -40% do +20%, ograniczają też zaburzenia nadchodzące z sieci. Ale ich główną zaletą jest łagodzenie przełączeń zasilania dzięki zgromadzonej energii magnetycznej, co częściowo upodabnia skutki ich działanie do działania UPS-ów online.

Wzrost cen energii zwiększa nacisk na podnoszenie sprawności zasilania, a zatem na ekologiczny tryb pracy UPS. W tym trybie w normalnych warunkach obciążenie jest zasilane wprost z sieci energetycznej, dzięki czemu unika się strat w mało sprawnym układzie przetwarzania. Jednak powstałemu w ten sposób zyskowi około 3% przeciwstawia się wpływ zaburzeń z sieci i przerw przełączania, tak jak w UPS-ie offline. Niektórzy użytkownicy mogą godzić się z takim kompromisem, zwłaszcza gdy w okresach zwiększonego ryzyka mogą przerzucać działanie systemu z trybu UPS eko do trybu online.

Pełniejszy obraz

Rys. 3. Działanie UPS-a z interaktywną linią sieciową

Zazwyczaj operatorzy centrów danych i innych krytycznych i wrażliwych ośrodków wolą zasilanie bezprzerwowe, które jest zapewniane tylko przez UPS online. A dla pełnego wykorzystania tej techniki i jej ochronnego potencjału, UPS powinien być instalowany w ramach systemu, zapewniającego odporność na wszelkie zagrożenia. Nie można na przykład całkowicie wykluczyć przypadków awarii publicznej sieci energetycznej wraz z linią obejściową i to na okres przekraczający czas autonomicznego działania akumulatora UPS-a.

Takiej sytuacji UPS już nie sprosta i zasilanie krytycznych urządzeń zostanie przerwane. W niektórych aplikacjach jest to akceptowalne, ponieważ czas autonomicznej pracy akumulatora pozwala na systematyczne i bezpieczne wyłączenie obciążenia. Ale w niektórych jest to niedopuszczalne. Rozwiązaniem może być konfiguracja z tzw. oddzielną linią obejściową, w której UPS i linia obejściowa są zasilane z różnych sieci energetycznych. Wtedy w razie awarii zasilania UPS i wyczerpania akumulatora prostownik może zostać przełączony do czynnej linii obejściowej i nadal zasilać obciążenie, chociaż już bez zabezpieczenia.

Pewnym i często stosowanym rozwiązaniem jest użycie autonomicznego spalinowego generatora prądu, który w razie dłuższego niż chwilowy zaniku napięcia w sieci energetycznej otrzymuje sygnał do rozruchu i po wystartowaniu, ustabilizowaniu obrotów i napięcia wyjściowego, bez jakiejkolwiek przerwy przejmuje zasilanie od akumulatora przetwornicy i zapewnia jego ponowne naładowanie.

Oprócz ochrony obciążenia przed zagrożeniem zasilania, UPS musi również uporać się z problemami wywoływanymi przez obciążenie. W razie wystąpienia przeciążenia UPS może przełączyć obciążenie do linii obejściowej. Jeśli jednak i linia obejściowa temu nie podoła, obciążenie przestanie być zasilane. Lepszym rozwiązaniem jest ustalenie czasu przejściowego, pozwalającego na automatyczne odłączenie przez bezpiecznik lub odłącznik nadmiarowy. W tym czasie sam UPS może być chroniony w trybie ograniczenia prądu i obniżenia napięcia, co jest lepsze od gwałtownej przerwy zasilania.

Na zakończenie można stwierdzić, że do zastosowań krytycznych i wrażliwych urządzeń, konfiguracja UPS online jest jedynym praktycznym rozwiązaniem, ponieważ zapewnia niezakłócone zasilanie i bezprzerwowe przełączenie na zasilanie akumulatorowe. Do aplikacji mniej krytycznych może nadawać się konfiguracja UPS offline, atrakcyjna ze względu na niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Systemy z linią interaktywną są ulepszoną modyfikacją systemów offline, zapewniając mniej zakłócone zasilanie i mniejsze zużycie akumulatora. Linia interaktywna z transformatorem ferrorezonansowym także umożliwia bezprzerwowe przełączenie obciążenia. Presja na poprawę sprawności zwiększyła zainteresowanie trybem eko, ma on jednak większość wad konfiguracji offline.

W tabeli 1 przytoczono najczęściej występujące wady i zaburzenia przebiegu napięcia sieci zasilającej oraz możliwość ich przezwyciężenia. Należy przede wszystkim zwrócić uwagę na zdolność różnych typów zasilaczy awaryjnych do eliminacji poszczególnych wad zasilania.

KKP