Systemy zasilania gwarantowanego. Konfiguracje i właściwości

Gdy bezprzerwowa dostawa energii o odpowiednich parametrach staje się wymaganiem podstawowym, naturalnym wyborem jest UPS online. System taki, niezależnie od pracy sieci zasilającej, dostarcza energię o wysokiej jakości (pozbawioną zaburzeń sieciowych), a w razie awarii bezprzerwowo przełącza się na pracę z baterii.

Aplikacje o mniej krytycznych wymaganiach mogą z kolei korzystać z tańszych rozwiązań typu offline. W artykule porównujemy konfiguracje UPS-ów online i offline z trzecią z konfiguracji, w przypadku której korzysta się z interaktywnej linii sieciowej. Wraz z rosnącymi kosztami energii rośnie również potrzeba poprawy sprawności energetycznej zasilania, co obejmuje również "ekologiczny" tryb działania.

UPS ONLINE I JEGO ZALETY

Rys. 1. Działanie UPS-a online

W skład większości UPS-ów, niezależnie od ich wielkości i topologii, wchodzi szereg analogicznych podzespołów. Są to akumulatory (baterie), układy do ich ładowania i przetwornice zamieniające napięcie stałe w przemienne (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 przejmuje pełne zasilanie obciążenia - zazwyczaj w sposób niewidoczny dla użytkownika. Niezauważalność zmiany zasilania jest podstawową zaletą dla urządzeń, dla których przerwa, czy opóźnione przełączenie mogłoby być szkodliwe.

Drugą ważną cechą 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 przemiennego.

Oprócz tego w prostowniku jest dokonywana korekcja współczynnika mocy i redukcja zawartości harmonicznych wyższych częstotliwości. UPS online jest więc w istocie też filtrem, który chroni urządzenia przed zakłócającymi wpływami sieci energetycznej, optymalizując równocześnie obciążenie w stosunku do sieci.

KONFIGURACJA UPS-ÓW 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 - rys. 2. 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. Spowodowana tym przerwa może trwać typowo kilka milisekund.

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

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

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

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 powinno być instalowane 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.

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 porać 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 dla 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.

KKP