Zasilacze awaryjne UPS. Jak dobierać zasilacze awaryjne UPS?

Zasilacze awaryjne UPS (ang. Uninterruptible Power Supply) są urządzeniami energoelektronicznymi, które umożliwiają bezprzerwową pracę urządzeń wrażliwych na zaniki zasilania, wahania napięcia oraz zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Zasilacze awaryjne UPS podtrzymują działanie odbiornika lub grupy odbiorników podczas przerwy w zasilaniu (najczęściej 10–15 minut) i dodatkowo chronią je przy nagłym wzroście lub obniżeniu napięcia.

W artykule:

• Zasilacze awaryjne UPS
• Zasilacze awaryjne UPS - jak dobierać?
• Zasilacze awaryjne UPS - akumulatory
• Zasilacze awaryjne UPS - czas podtrzymania
• Zasilacze awaryjne UPS - współczynnik szczytu
• Funkcje zasilaczy awaryjnych UPS
• Ile kosztują zasilacze awaryjne UPS?
• Źle dobrany zasilacz awaryjny UPS - konsekwencje

Zasilacze awaryjne UPS

Zasilacze awaryjne UPS stanowią wtórne źródło energii elektrycznej – ich akumulatory ładują się w czasie, gdy napięcie w sieci jest prawidłowe. Przełączanie źródła odbywa się bezprzerwowo, a po przejęciu zasilania czas podtrzymania przez nie napięcia zależy od pojemności akumulatorów i poboru energii.Podstawowa klasyfikacja układów UPS określona w normie dotyczy wzajemnej zależności wartości napięcia wejściowego i jego częstotliwości od parametrów napięcia na wyjściu układu. Wyróżnia się następujące klasy układów:

• VFD (ang. output Voltage and Frequency Dependent from mains supply) – wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są zależne od parametrów napięcia zasilającego,
• VI (ang. output Voltage Independent from mains supply) – wartość napięcia wyjściowego jest niezależna od parametrów napięcia zasilającego,
• VFI (ang. output Voltage and Frequency Independent from mains supply) – wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są niezależne od parametrów napięcia zasilającego.

Topologia VFD, określana często jako off-line, charakteryzuje się tym, że zasilacz UPS pracuje normalnie z sieci, filtrując napięcie wejściowe, natomiast napięcie i częstotliwość wyjściowa nie są regulowane (mają takie parametry, jak sieć zasilająca). Po przekroczeniu wartości napięcia wejściowego lub częstotliwości następuje przełączenie na pracę bateryjną w ciągu kilku milisekund. UPS zasila odbiory do czasu rozładowania baterii lub powrotu napięcia zasilającego do akceptowalnych parametrów.

Topologia VI (tzw. line-interactive) charakter yzuje się tym, że zasilacz UPS pracuje z sieci o niezależnej częstotliwości i r egulowanej wartości napięcia w zadanym pr zedziale bez wykorzystania energii z baterii akumulatorów. Gdy napięcie i częstotliwość sieci znajdą się poza określoną tolerancją, następuje przełączenie na pracę z baterii, analogicznie jak w pr zypadku zasilaczy off-line. Różnica pomiędzy układami UPS wykonanymi w topologii VFD i VI polega na możliwości r egulacji wartości napięcia zasilającego w czasie pracy normalnej. Zaletą UPS-ów działających w technologii line-interactive jest stosunkowo niska cena jednostkowa za kVA.Topologia VFI, określana często jako on-line, charakteryzuje się tym, że zasilacz UPS w czasie pracy normalnej dwukrotnie konwertuje energię z prądu przemiennego na stały i odwrotnie, a na wyjściu dostarczane jest zasilanie o stabilnych parametrach napięcia i częstotliwości. Gdy zasilanie sieciowe nie spełnia warunków dopuszczalnych przez UPS następuje przełączenie na pracę z baterii. Przy czym na wyjściu UPS-a nie zachodzi przerwa w zasilaniu – zmiana trybu działania odbywa się w zerowym czasie.

Obok wspomnianej podstawowej klasyfikacji zasilaczy UPS powszechnie stosuje się podział uwzględniający ich strukturę wewnętrzną i obejmujący następujące układy:

• biernej gotowości (ang. passive standy),
• liniowo interaktywne (ang. line interactive),
• podwójnej konwersji (ang. double conversion).

Zasilacze UPS mogą mieć strukturę klasyczną lub modułową. Przykładem tych ostatnich jest – charakteryzujący się wysoką niezawodnością – UPS redundantny on-line, zbudowany z modułów pracujących równolegle. Uszkodzenie jednego z nich nie powoduje przerwy w zasilaniu chronionego odbioru, pod warunkiem, że obciążenie jest mniejsze o wartość mocy co najmniej jednego modułu.

Patrz też: Kompensacja mocy biernej

Zasilacze awaryjne UPS - jak dobierać?

Obecnie na rynku krajowym jest dostępnych wiele różnorodnych rozwiązań zasilaczy UPS, które umożliwiają projektantowi dobór właściwej konfiguracji układu zasilania rezerwowego do określonych warunków technicznych, eksploatacyjnych i środowiskowych z jednoczesnym uwzględnieniem możliwości finansowych i życzeń inwestora (użytkownika). Zróżnicowane parametry techniczne pozwalają na dostosowanie urządzeń do potrzeb i wymagań jednostkowego projektu. Ponadto zasilacze UPS mogą być instalowane samodzielnie lub wspólnie z agregatem prądotwórczym, który stanowi alternatywne źródło zasilania, podczas awarii głównego.

Ekspert radzi

Urszula Fijałkowska, Distribution Sales Manager w Schneider Electric

Przerwy w dostawach energii wynoszą w Polsce w sumie 300 minut w ciągu roku. Dla porównania w Japonii to tylko 17 minut. Mając do czynienia z tak wysoko niestabilnymi warunkami zasilana sieciowego, warto zainwestować w urządzenia, które zapewnią pełną ochronę urządzeń i nieprzerwane działanie zasilacza.

Dla małych firm i domów doskonałym rozwiązaniem będzie jednofazowy zasilacz Easy UPS z serii BV w technologii line interactive. Jego elastyczna konstrukcja pozwala na jednoczesne zasilanie urządzeń o niskim zapotrzebowaniu na energię (modemy, routery, sprzęt VOIP), ale także tych o dużej konsumpcji (komputery stacjonarne, konsole do gier). Co więcej, zasilacz Easy UPS serii BV zapewnia długi czas zasilania routera, czy modemu, co umożliwia utrzymanie wielogodzinnego dostępu do internetu. Szczególnie istotna w warunkach niskiej jakości zasilania jest funkcja AVR – automatycznej regulacji napięcia, która pozwala na korektę skoków napięć i przepięć do bezpiecznych poziomów. Z kolei dzięki systemowi przeciwprzepięciowemu, zasilacz ochroni cenny sprzęt elektroniczny przed niszczącymi wyładowaniami, przepięciami i udarami. Z praktycznego punktu widzenia zaletą zasilacza Easy UPS z serii BV jest także jego niewielki rozmiar, który umożliwia instalację w wielu środowiskach.

Dobór układu zasilania rezerwowego gwarantowanego (bezprzerwowego) wiąże się z wymaganym poziomem niezawodności chronionych odbiorów. W zależności od rozmieszczenia odbiorników, którym należy zagwarantować bezprzerwowe zasilanie w obiekcie, wykorzystuje się instalacje: centralne, rozproszone lub mieszane. Przy czym wybór optymalnego rozwiązania wynika z wymagań niezawodności układu zasilania, dokonanego podziału odbiorników na grupy, ich lokalizacji, kalkulacji kosztów systemu UPS i instalacji zasilającej, możliwości monitoringu i zarządzania. Centralny system, nazywany też konfiguracją centralną, składa się z jednego lub kilku UPS-ów, które zasilają wszystkie odbiory. Umieszcza się je pomiędzy pierwotnym źródłem zasilania (siecią elektroenergetyczną) a grupą tych odbiorników.W systemie rozproszonym UPS-y o niższej mocy pracują z mniejszymi grupami odbiorników lub pojedynczymi urządzeniami. Przy tych ostatnich UPS lokowany jest pomiędzy pierwotnym źródłem zasilania a odbiornikiem. Takie rozwiązanie określa się często mianem konfiguracji szeregowej. Zasilanie mieszane stanowi pośrednie rozwiązanie pomiędzy ww. układami. Polega na tym, że urządzenia o kluczowym znaczeniu (np. serwery czy systemy monitoringu obiektu) zabezpiecza się zasilaczem redundantnym on-line małej mocy, zaś do ochrony urządzeń o mniejszym priorytecie stosuje się tańsze zasilacze awaryjne line-interactive.

Najczęściej stosowane rozwiązania zasilaczy awaryjnych UPS

UPS-y dla odbiorów indywidualnych wykonuje się z reguły w technologii VI, a ich moc nie przekracza 10 kVA. Natomiast dla odbiorów grupowych stosuje się urządzenia średniej – od 10 do 100 kVA – i dużej mocy – ponad 100 kVA, które realizowane są w technologii on-line z podwójnym przetwarzaniem (konwersją) i ze stabilizowanym napięciem sinusoidalnym na wyjściu zasilacza UPS. Charakteryzują się znacznie większą niezawodnością niż urządzenia małej mocy, bowiem mają wiele funkcji dodatkowych i wykorzystywane są w nich zaawansowane rozwiązania technologiczne.Zasilacze UPS dużych mocy wymagają jednak wydzielonych, klimatyzowanych pomieszczeń (m.in. ze względu na wpływ temperatury na trwałość baterii) oraz wykonania specjalnej instalacji elektrycznej gwarantującej bezprzerwowe zasilanie. Gniazda zasilające takiej instalacji powinny być chronione przed podłączeniem do nich innych urządzeń (grzejniki, czajniki, odkurzacze itp.) niewymagających zabezpieczenia. Pełna separacja chronionego sprzętu od sieci zasilającej oraz stabilność napięcia wyjściowego UPS on-line dużej mocy podnosi koszty inwestycji.Centralne zasilacze awaryjne wykonane w technologii on-line zwykle są przystosowane do pracy równoległej. Pozwala to na rozbudowę systemu dla chronionych odbiorników i zapewnia nadmiarowość (redundancję), co zwiększa niezawodność zasilania. Uszkodzenie jednego z UPS-ów pracujących równolegle nie powoduje awarii, ponieważ obciążenie przejmują na siebie pozostałe urządzenia.

Patrz też: Jakość dostawy energii elektrycznej. Od czego zależy jakość energii elektrycznej?Zastosowanie rozproszonego systemu zasilania awaryjnego nie wymaga dodatkowych inwestycji w pomieszczenia i instalację elektryczną. Koszt jest wprost proporcjonalny do liczby urządzeń, które potrzebują ochrony (na każde przypada jeden zoptymalizowany pod względem mocy zasilacz awaryjny UPS). Uszkodzenie jednego UPS-a pozbawia zabezpieczenia jedno urządzenie i nie zaburza pracy całego systemu. Wadą tego typu zasilania awaryjnego jest słaba separacja chronionych urządzeń od sieci zasilającej, podczas pracy normalnej oraz konieczność kontrolowania dużej liczby małych urządzeń.Standardowe parametry techniczne zasilacza UPS obejmują takie elementy, jak:

• technologia,
• znamionowa moc wyjściowa, w [kVA],
• znamionowe napięcie wyjściowe, w [V] (± regulacja napięcia, w [%]),
• częstotliwość napięcia wyjściowego, w [Hz] (± tolerancja, w [%]),
• znamionowe napięcie wejściowe, w [V] (± tolerancja, w [%]),
• czas podtrzymania przy 80% obciążenia znamionowego, w [min],
• współczynnik zawartości harmonicznych (THDu na wyjściu/THDi na wejściu), w [%],
• współczynnik mocy wejściowej/wyjściowej, cos ϕ,
• współczynnik szczytu (ang. crest factor),
• dopuszczalne przeciążenie, w [%/min],
• miękki (soft) start/obejście (by-pass) automatyczne/ręczne,
• praca równoległa,
• zabezpieczenie: zwarciowe/przeciążeniowe/termiczne akumulatorów,
• stopień ochrony IP obudowy,
• wbudowane porty komunikacyjne,
• wymiary zewnętrzne (wys./szer./gł.), w [mm],
• masa całkowita, w [kg],
• temperatura pracy (otoczenia), w [°C].

Prawidłowy dobór i eksploatacja zasilacz UPS ma kluczowe znaczenie dla jego poprawnej pracy. Najważniejsze elementy to: wybór konfiguracji, dobór mocy oraz baterii akumulatorów. Ponadto, należy zwrócić uwagę na ładowarkę baterii akumulatorów, możliwość monitorowania pracy zasilacza i stanu baterii oraz współczynnik szczytu czy zawartości harmonicznych THDi na wejściu.

Podczas konfiguracji UPS-a i doborze baterii należy uwzględnić znaczenie odbiorników, a także ich wymagany czas podtrzymania. Niektóre z nich mogą być wyłączone po zaniku zasilania, inne powinny działać jak najdłużej, a jeszcze inne pracować bez przerwy. Wyłączenie części urządzeń oszczędza energię zgromadzoną w bateriach, która może być użyta przez odbiory wymagające znacznie dłuższego czasu podtrzymania.Moc znamionowa wyjściowa zasilacza UPS określa poziom mocy, jaką jest on w stanie dostarczyć do odbiorników. Natomiast moc pobierana jest większa od niej o wartość strat oraz potrzeby związane z doładowaniem baterii akumulatorów. Moc znamionową jednego lub kilku UPS-ów określa się po przyjęciu koncepcji układu zasilania rezerwowego gwarantowanego, dostosowanego do wymagań odbiorników, i określeniu mocy, której potrzebują odbiory. Do obliczeń można wykorzystać np. metodę współczynnika zapotrzebowania (kz). Współczynnik mocy wyjściowej UPS-a różni się w zależności od konstrukcji i dlatego trzeba uwzględnić zarówno moc pozorną, jak i czynną. Przy doborze mocy dla silników lub odbiorników nieliniowych bardzo ważne dla jego poprawnego funkcjonowania jest uwzględnienie prądów rozruchowych i odkształconych, Nie mogą one przekraczać wartości prądu znamionowego UPS-a z uwzględnieniem jego chwilowego przeciążenia określonego w karcie katalogowej. Przy czym, w przypadku gdy urządzenie zasila odbiorniki nieliniowe, powstają zniekształcenia prądu pobieranego ze źródła, które powodują pojawianie się w sieci zasilającej oraz instalacji odbiorczej harmonicznych i interharmonicznych.

Zasilacz UPS o zbyt małej mocy, przeznaczony do zasilania wspomnianych odbiorników, przy wzroście obciążenia automatycznie przejdzie na by-pass zewnętrzny, co będzie skutkowało pozbawieniem układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego. Przy doborze UPS-a zaleca się przewymiarowanie mocy odbiorników (zwykle na poziomie 20%), które umożliwia uwzględnienie okresowego wzrostu ich mocy, błędów w szacowaniu mocy odbiorników oraz ewentualnych modyfikacji, związanych np. z rozbudową obiektu czy zmianami liczby i rodzaju urządzeń. Dla zasilaczy awaryjnych średniej i dużej mocy zapotrzebowanie odbiorników może być pokryte przez sumę mocy zasilaczy UPS pracujących równolegle.

Zasilacze awaryjne UPS - akumulatory

Bardzo istotnym elementem jest dobór baterii akumulatorów do wymaganego czasu podtrzymania. Informacje w tym zakresie można znaleźć w specyfikacjach technicznych producenta lub wyliczyć na podstawie parametrów elektrycznych zasilacza.UPS-y wyposażone są w wewnętrzne baterie akumulatorów (zlokalizowane we wspólnej obudowie zasilacza) lub zewnętrzne w postaci modułów bateryjnych umieszczanych w obudowach dopasowanych do zasilaczy, w zamkniętych szafach fabrycznych bądź na otwartych lub zamkniętych stojakach bateryjnych. Przy czym liczba zewnętrznych modułów bateryjnych jest ograniczona wydajnością ładowarki w zasilaczu UPS. Ponadto, aby zapewnić ich niezawodną pracę, zaleca się stosowanie co najmniej dwóch gałęzi baterii akumulatorów (eliminacja pojedynczego punktu awarii). Mają one określoną trwałość i należy je okresowo wymieniać, korzystając z usług wyspecjalizowanych firm.

Zasilacze awaryjne UPS - czas podtrzymania

Jest zróżnicowany i zależny od liczby oraz pojemności zastosowanych baterii akumulatorów, a także obciążenia. Standardowo dla zasilaczy UPS jednofazowych o małej mocy wynosi 5–10 minut przy pełnym obciążeniu. Dłuższy czas podtrzymania uzyskuje się poprzez: przewymiarowanie zasilacza UPS (większa pojemność baterii akumulatorów), zastosowanie modelu o dłuższym czasie podtrzymania i dobór dodatkowych zewnętrznych modułów bateryjnych.

Zasilacze awaryjne UPS - współczynnik szczytu

Współczynnik szczytu (crest-factor) określa dopuszczalne przekroczenie rzeczywistej wartości skutecznej prądu przez jego chwilową wartość szczytową. W sytuacji jej przekroczenia przez prąd pobierany z zasilacza UPS mogą wystąpić zakłócenia w pracy urządzenia, a nawet jego wyłączenie.

Funkcje zasilaczy awaryjnych UPS

Zasilacze UPS małej mocy mogą być wyposażone w szereg układów podnoszących ich funkcjonalność, poprawiających komfort użytkowania i zwiększających zakres zastosowań. Należą do nnich m.in. układy: zimnego startu (RST), stabilizacji napięcia wyjściowego (AVR), współpracy zasilacza z agregatem prądotwórczym (AG), zabezpieczenia zasilania urządzeń biurowych innych niż komputery (KF), złącza szeregowego (COM), filtru linii telefonicznej (TEL), ciągłego pomiaru mocy pobieranej przez chronione urządzenia (CPM), wymiany akumulatorów przez użytkownika (GWA), wyjścia bez podtrzymania zasilania podczas pracy awaryjnej (WBP), sekwencyjnego odłączania wyjść (SOW), kalibracji czasu podtrzymania (KCP), automatycznego startu zasilacza (AS).Układ zimnego startu umożliwia uruchomienie zasilacza UPS przy braku napięcia w sieci, zaś AVR pozwala na stopniową stabilizację napięcia wyjściowego przy pracy z sieci zasilającej. Układ AG umożliwia współpracę zasilacza z agregatem prądotwórczym i zapewnia podtrzymanie pracy urządzeń podczas awarii zasilania, do czasu uruchomienia agregatu prądotwórczego. Układ KF zabezpiecza zasilanie różnych ważnych urządzeń biurowych (kas fiskalnych, centralek telefonicznych, telefaksów itp.), zaś układ złącza szeregowego służy do komputerowego monitorowania pracy UPS-a za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Dzięki niemu istnieje możliwość zdalnego wyłączenia zasilacza podczas pracy awaryjnej. Filtr linii telefonicznej służy do zabezpieczania urządzeń telekomunikacyjnych przed przepięciami w sieci telefonicznej. Układ GWA sygnalizuje zużycie akumulatorów i umożliwia ich wymianę przez użytkownika. SOW pozwala na sekwencyjne odłączanie wyjść w celu maksymalnego wydłużenia czasu pracy urządzeń podłączonych do wybranych wyjść UPS-a podczas awarii zasilania. Umożliwia on oszacowanie czasu podtrzymania zasilania podczas awarii sieci przy znanym obciążeniu na wyjściu UPS-a. Układ AS pozwala na automatyczny start zasilacza UPS po podłączeniu do sieci zasilającej. W przypadku awarii zasilania urządzenie przechodzi na pracę z akumulatorów pod warunkiem występowania obciążenia na wyjściu UPS-a.

Ile kosztują zasilacze awaryjne UPS?

Aspekty finansowe odgrywają zawsze istotną rolę przy wyborze konkretnego rozwiązania zasilacza UPS dla zadanych warunków. W procesie selekcji i ostatecznej decyzji należy kierować się całkowitym kosztem zasilacza UPS, obejmującym zarówno jego zakup, jak i eksploatację. Przy czym koszty eksploatacyjne dotyczą: obsługi serwisowej, materiałów eksploatacyjnych, wymiany akumulatorów, różnego rodzaju napraw oraz energii elektrycznej. Średni czas eksploatacji zasilacza UPS wynosi 10–15 lat. Uwzględnienie obu typów kosztów jest istotne, bowiem często rozwiązanie najtańsze na etapie inwestycji generuje znaczne wydatki w okresie użytkowania urządzenia.Eksploatacja prawidłowo dobranego zasilacza UPS, pracującego samodzielnie, przeważnie nie stwarza większych problemów. Gdyby jednak wystąpiły, to stosunkowo łatwo można je rozpoznać, zdiagnozować i rozwiązać. Wiążą się one głównie z przeciążeniem, zakłóceniami albo awarią urządzeń zasilających. Jeśli będą dotyczyły zasilacza awaryjnego, pracującego w układzie agregat prądotwórczy–UPS, to może pojawić wiele problemów wynikających z procesów zachodzących pomiędzy oddziałującymi na siebie agregatem prądotwórczym, zasilaczem UPS i odbiornikami oraz funkcjonowania ich automatyki sterującej. Nieprawidłowości przyczyniają się m.in. do: udaru prądowego i prądów harmonicznych, skokowego ładowania, wzrostu napięcia, wahań częstotliwości, synchronizacji z obejściem oraz układu automatycznego przełączania. Czasami trudno je zidentyfikować i rozwiązać, a ponadto mogą wymagać znacznych nakładów finansowych i specjalistycznej wiedzy.Koszty eksploatacyjne redukuje się, podejmując różnorodne działania. Obejmują one: dokonywanie cyklicznych przeglądów, stosowanie akumulatorów o dłuższej projektowanej żywotności, podpisanie odpowiedniej umowy serwisowej itp. Wydatki związane z zakupem energii elektrycznej wiążą się bezpośrednio z wartością mocy wejściowej zasilacza UPS pobieranej z sieci elektroenergetycznej. Na jej wielkość ma wpływ sprawność UPS-a, współczynnik mocy wejściowej oraz zniekształceń nieliniowych.Przedstawione zalecenia pozwalają na prawidłowy dobór zasilaczy UPS dla zadanych określonych warunków technicznych, eksploatacyjnych i środowiskowych oraz gwarantują poprawną pracę urządzeń, pozbawioną zakłóceń.

Źle dobrany zasilacz awaryjny UPS - konsekwencje

Konsekwencje niewłaściwego doboru zasilacza UPS mogą być zróżnicowane i prowadzić do pozbawienia układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego. W przypadku zasilacza UPS pracującego samodzielnie wiąże się to z jego niewłaściwym działaniem lub poważnymi zakłóceniami, także z wyłączeniem. W przypadku zasilacza UPS pracującego w układzie agregat prądotwórczy – UPS zdarza się, że zasilacz UPS po przyłączeniu do niego napięcia z zespołu prądotwórczego nie chce z nim współpracować albo zespół prądotwórczy zatrzymuje się z bliżej nieokreślonych przyczyn.Szczególnie niekorzystne dla użytkowników są takie zjawiska, jak: udary prądowe, prądy harmoniczne, wahania napięcia i częstotliwości. Wynikają z faktu, że większość zasilaczy UPS zawiera układy bateryjne z kontrolą ładowania (prostownik), które powodują gwałtowny pobór mocy z sieci zasilającej (sieć elektroenergetyczna, agregat prądotwórczy). Udary tego typu mogą wywoływać różnego rodzaju zakłócenia w pracy odbiorników. Ponadto urządzenia ładujące stosowane w zasilaczach UPS zwykle przyczyniają się do odkształcenia prądu pobieranego z sieci zasilającej. Jest to zjawisko bardzo niepożądane. Dodatkowo, w układzie agregat prądotwórczy – UPS w sytuacji, gdy agregat jest uruchamiany i następuje przyłączenie zasilacza UPS, wówczas wzrost obciążenia może spowodować nagłe wahania częstotliwości i napięcia. Natomiast, jeśli moc agregatu jest zbytnio zbliżona do mocy zasilacza UPS i kiedy inne obciążenie agregatu jest zbyt małe lub nie występuje, to może pojawić się nagły niekontrolowany wzrost napięcia. Właściwy dobór rozwiązań i parametrów zasilaczy UPS pozwala na zabezpieczenie się przed tymi niekorzystnymi zjawiskami.

Patron artykułu: