Co dzieje się z serwerem, komputerem albo urządzeniem sieciowym, gdy napięcie w sieci nagle zanika? Jak działa UPS, który ma w takiej sytuacji utrzymać zasilanie odbiornika? Odpowiedź zależy od konstrukcji urządzenia. Inaczej pracuje UPS VFI online, inaczej VI line-interactive, a jeszcze inaczej VFD offline.
UPS nie jest więc po prostu „baterią podłączoną do gniazdka”. To urządzenie energoelektroniczne, które może obejmować prostownik, ładowarkę, magazyn energii, falownik, układ bypassu oraz system sterowania i komunikacji.
Właśnie sposób współpracy tych elementów decyduje o tym, jak UPS reaguje na zanik napięcia, spadki i wzrosty napięcia, zmiany częstotliwości, przeciążenie lub awarię własnych podzespołów.
UPS to skrót od Uninterruptible Power Supply, czyli bezprzerwowego źródła zasilania. Podstawowym zadaniem urządzenia jest utrzymanie zasilania odbiornika, gdy podstawowe źródło energii przestaje być dostępne lub jego parametry wychodzą poza zakres akceptowany przez UPS.
Norma IEC 62040-3 określa wymagania dotyczące parametrów i badań systemów UPS oraz wskazuje ciągłość zasilania odbiornika jako ich podstawową funkcję.
W praktyce UPS może wykonywać więcej zadań. Zależnie od zastosowanej technologii może między innymi stabilizować napięcie, przetwarzać częstotliwość, ograniczać wpływ części zakłóceń występujących w sieci oraz przekazywać informacje o swoim stanie do systemu monitoringu.
Zakres tych funkcji zależy jednak od konkretnego urządzenia. Nie każdy UPS zapewnia taki sam poziom separacji odbiornika od parametrów sieci.
Aby zrozumieć, jak działa UPS, warto prześledzić drogę energii od wejścia urządzenia do odbiornika.
W typowym UPS można wyróżnić kilka podstawowych bloków funkcjonalnych: tor wejściowy AC, prostownik i ładowarkę, obwód DC, baterię lub inny magazyn energii, falownik, układ bypassu oraz sterownik nadzorujący pracę urządzenia.
Sposób wykorzystania tych elementów zależy przede wszystkim od topologii UPS.
Prostownik przekształca napięcie przemienne AC na napięcie stałe DC. W UPS online energia ta zasila magistralę DC, z której następnie korzysta falownik.
Układ ładowania odpowiada jednocześnie za utrzymywanie baterii w odpowiednim stanie naładowania. Parametry ładowania muszą być dostosowane do konstrukcji UPS oraz zastosowanego magazynu energii.
Bateria przechowuje energię wykorzystywaną po zaniku lub nieprawidłowości zasilania wejściowego.
Sam fakt zastosowania większej liczby akumulatorów nie wystarcza jednak do określenia czasu podtrzymania. Autonomia zależy między innymi od obciążenia, pojemności i konfiguracji baterii, ich temperatury, stanu technicznego, charakterystyki rozładowania oraz sprawności całego toru przetwarzania.
Dlatego czasu podtrzymania nie powinno się określać wyłącznie na podstawie mocy znamionowej UPS.
Falownik wykonuje operację odwrotną do prostownika. Z napięcia stałego DC wytwarza napięcie przemienne AC przeznaczone dla odbiorników.
Jego rola jest szczególnie istotna w UPS online VFI. W tej technologii falownik zasila odbiornik również podczas prawidłowej pracy sieci, a nie dopiero po wystąpieniu awarii.
Bypass tworzy dodatkowy tor pomiędzy źródłem wejściowym a odbiornikiem.
W UPS online często występuje bypass statyczny, który może przejąć obciążenie na przykład w określonych stanach przeciążenia albo w przypadku problemu z falownikiem. Dokładne warunki przejścia na bypass zależą od konstrukcji i konfiguracji urządzenia.
Nie należy przy tym utożsamiać bypassu statycznego z bypassem serwisowym. Bypass serwisowy, jeżeli występuje w danym rozwiązaniu, służy przede wszystkim do umożliwienia prac przy UPS przy odpowiednio przygotowanym alternatywnym torze zasilania.
Samo określenie „zasilacz awaryjny” nie mówi jeszcze, jak urządzenie zachowuje się podczas normalnej pracy.
W klasyfikacji stosowanej dla UPS spotykamy oznaczenia VFI, VI oraz VFD. Skróty odnoszą się do zależności napięcia i częstotliwości wyjściowej od parametrów wejściowych. Nazewnictwo to jest związane z klasyfikacją stosowaną w IEC 62040-3.
W UPS online VFI najczęściej stosuje się architekturę podwójnej konwersji.
Energia z sieci przechodzi najpierw przez prostownik:
AC → DC
Następnie falownik ponownie wytwarza napięcie przemienne:
DC → AC
Odbiornik jest więc w normalnym trybie pracy zasilany z wyjścia falownika.
Gdy napięcie wejściowe zanika, źródłem energii dla obwodu DC staje się bateria. Falownik nadal zasila odbiornik. Dzięki temu w klasycznej pracy VFI nie jest potrzebne przełączanie odbiornika z sieci na osobny tor falownika w chwili zaniku napięcia, jak ma to miejsce w prostszych topologiach.
To jedna z najważniejszych różnic pomiędzy UPS online a konstrukcjami VI i VFD.
Technologia VFI jest szczególnie istotna tam, gdzie odbiornik wymaga wysokiej jakości napięcia wyjściowego i ograniczenia jego zależności od zmian parametrów sieci.
W konstrukcji VI line-interactive odbiornik podczas normalnej pracy jest zasilany z toru powiązanego bezpośrednio z siecią. UPS może jednocześnie regulować napięcie, często bez konieczności przechodzenia na baterię.
W wielu urządzeniach odpowiada za to układ automatycznej regulacji napięcia, określany jako AVR.
Jeżeli napięcie zasilające przestaje spełniać warunki pracy albo całkowicie zanika, UPS wykorzystuje falownik i energię zgromadzoną w baterii.
W przeciwieństwie do klasycznej podwójnej konwersji może pojawić się krótki czas przełączenia. Jego wartość należy sprawdzić w dokumentacji konkretnego modelu.
UPS VFD, często określany jako offline lub standby, podczas prawidłowej pracy przekazuje energię z sieci do odbiornika przy znacznie mniejszym udziale toru przetwarzania niż UPS online.
Dopiero gdy parametry zasilania przekroczą dopuszczalny zakres, urządzenie przechodzi na zasilanie z baterii i falownika.
W normalnym trybie pracy napięcie oraz częstotliwość na wyjściu są więc w większym stopniu zależne od sieci wejściowej niż w VFI lub VI.
Taka konstrukcja jest prostsza, jednak oferuje inny poziom kondycjonowania zasilania niż podwójna konwersja VFI.
Reakcja urządzenia zależy od jego topologii.
W UPS VFI falownik już zasila odbiornik. Po zaniku sieci źródłem energii dla obwodu DC staje się magazyn energii.
W UPS VI i VFD konieczna jest zmiana sposobu zasilania i wykorzystanie toru bateryjno-falownikowego. Dlatego jednym z parametrów takich konstrukcji może być czas przełączenia.
Nie oznacza to jednak, że określona topologia jest właściwa dla każdego zastosowania. Wymagania komputera biurowego, urządzenia sieciowego, serwera, systemu automatyki i infrastruktury o wysokiej dostępności mogą być różne.
Przy UPS często podawane są dwie wartości mocy: kVA oraz kW.
kVA określa moc pozorną, natomiast kW odnosi się do mocy czynnej. Nie można zakładać, że dowolny UPS 10 kVA zawsze dostarczy 10 kW.
Decyduje o tym między innymi znamionowy współczynnik mocy wyjściowej urządzenia.
Przykładowo, jeżeli producent określa UPS jako 10 kVA / 10 kW, urządzenie ma znamionowy współczynnik mocy wyjściowej równy 1. Jeżeli natomiast urządzenie ma 10 kVA i 9 kW, stosunek znamionowej mocy czynnej do pozornej wynosi 0,9.
Jednocześnie trzeba uwzględnić parametry rzeczywistego odbiornika. Zasilacza nie powinno się dobierać wyłącznie przez porównanie jednej wartości VA lub W.
Nie ma jednej wartości, którą można przypisać do UPS na podstawie samej jego mocy.
Ten sam UPS może pracować na baterii znacznie dłużej przy mniejszym obciążeniu i krócej przy obciążeniu zbliżonym do mocy znamionowej.
Na czas podtrzymania wpływają między innymi:
Dlatego wiarygodny czas autonomii powinien wynikać z charakterystyki danego UPS, konfiguracji baterii i rzeczywistego obciążenia.
Każde przetwarzanie energii powoduje straty. Część energii pobieranej z wejścia UPS jest zamieniana na ciepło w prostowniku, falowniku, układach sterujących i pozostałych elementach.
Sprawność określa, jaka część energii wejściowej jest przekazywana do odbiornika.
Nie należy jednak porównywać urządzeń na podstawie pojedynczej wartości procentowej bez sprawdzenia warunków pomiaru. Sprawność może zmieniać się wraz z obciążeniem i trybem pracy.
IEC 62040-3 obejmuje również wymagania oraz metody związane z oceną parametrów eksploatacyjnych UPS, w tym sprawności.
Nowoczesny UPS może być elementem systemu monitoringu, a nie tylko autonomicznym urządzeniem zasilającym.
Przez USB lub RS-232 możliwa jest lokalna komunikacja z komputerem lub serwerem. Z kolei karta SNMP umożliwia podłączenie UPS do sieci IP i zdalny odczyt jego stanu.
W zależności od urządzenia można monitorować między innymi stan wejścia i wyjścia, obciążenie, pracę bateryjną, alarmy czy stan magazynu energii.
Modbus jest natomiast często wykorzystywany do integracji z systemami automatyki lub BMS.
Dostępność interfejsów i zakres obsługiwanych danych zawsze należy sprawdzić w dokumentacji konkretnego modelu UPS.
Określenia rack i tower odnoszą się przede wszystkim do sposobu montażu urządzenia, a nie do jego topologii elektrycznej.
UPS tower jest przeznaczony do ustawienia w pozycji wolnostojącej. UPS rack instaluje się w szafie RACK, najczęściej razem z serwerami, switchami, urządzeniami pamięci masowej lub innymi elementami infrastruktury IT.
Istnieją również konstrukcje rack/tower, które można instalować w obu konfiguracjach.
Dlatego obudowa nie odpowiada na pytanie, czy urządzenie jest VFI, VI lub VFD. Są to dwa różne kryteria.
Przy większych mocach można spotkać również UPS o konstrukcji modułowej.
Zamiast jednego bloku mocy system składa się z kilku współpracujących modułów. Pozwala to, zależnie od konstrukcji urządzenia, zwiększać dostępną moc przez instalowanie kolejnych modułów.
Modułowość może również umożliwiać konfigurację redundancji.
Przykładowo w układzie N+1 do liczby modułów wymaganych do obsługi obciążenia dodaje się jeden dodatkowy moduł. Jego zadaniem jest zwiększenie dostępności systemu, jeżeli jeden z wymaganych modułów nie może pracować.
Nie oznacza to jednak automatycznie redundancji wszystkich elementów systemu. Przy ocenie architektury trzeba sprawdzić również pozostałe wspólne elementy UPS, tor bypassu, baterie oraz sposób wykonania instalacji.
Nie.
Zakres ochrony zależy od technologii, konstrukcji i parametrów konkretnego urządzenia. UPS może ograniczać skutki wielu problemów z zasilaniem, ale nie powinno się traktować go jako uniwersalnego zabezpieczenia przed każdym możliwym zdarzeniem w instalacji elektrycznej.
Znaczenie mają między innymi topologia UPS, zakres napięcia wejściowego, przeciążalność, sposób wykonania bypassu, zabezpieczenia instalacji oraz wymagania podłączonych odbiorników.
Właśnie dlatego dwa UPS o podobnej wartości kVA mogą zachowywać się zupełnie inaczej.
Po poznaniu zasady działania urządzenia warto przejść do jego parametrów technicznych.
Najważniejsze są przede wszystkim moc czynna w kW, moc pozorna w kVA, technologia VFI/VI/VFD, współczynnik mocy, sprawność, parametry wejściowe i wyjściowe, konfiguracja baterii, możliwości zwiększenia czasu podtrzymania, bypass oraz interfejsy komunikacyjne.
W środowisku IT ważne mogą być również format rack/tower, karta SNMP i możliwość współpracy z oprogramowaniem monitorującym. W większych systemach dodatkowe znaczenie mają praca równoległa, redundancja i konstrukcja modułowa.
Po określeniu wymaganej technologii można przejść do wyboru odpowiedniej grupy urządzeń.
Oferta BLACKTEC obejmuje między innymi zasilacze UPS online jednofazowe, UPS line-interactive oraz UPS online trójfazowe. Dostępne są także rozwiązania przeznaczone do różnych sposobów instalacji i poziomów mocy.
Wybierając urządzenie, warto najpierw ustalić wymagania dotyczące topologii, mocy, czasu podtrzymania i komunikacji, a dopiero później porównywać konkretne modele.
Dzięki temu nie porównujemy UPS wyłącznie na podstawie liczby VA na obudowie, ale na podstawie rzeczywistych parametrów pracy.
UPS jest urządzeniem energoelektronicznym, którego podstawowym zadaniem jest utrzymanie zasilania odbiornika w przypadku problemów z podstawowym źródłem energii.
To, jak działa UPS, zależy jednak przede wszystkim od jego technologii.
UPS VFI online wykorzystuje ciągły tor podwójnej konwersji i zasila odbiornik z falownika. UPS VI line-interactive reguluje napięcie i w razie potrzeby przechodzi na pracę z baterii. UPS VFD offline podczas normalnej pracy pozostaje w największym stopniu zależny od napięcia i częstotliwości sieci.
Przy porównaniu urządzeń trzeba również uwzględnić kW i kVA, współczynnik mocy, baterie, czas podtrzymania, sprawność, bypass i komunikację.
Dopiero zestaw tych parametrów pokazuje rzeczywiste możliwości zasilacza awaryjnego.
UPS oznacza Uninterruptible Power Supply, czyli bezprzerwowe źródło zasilania. Urządzenie utrzymuje zasilanie odbiornika po zaniku lub niedopuszczalnej zmianie parametrów podstawowego źródła energii.
VFI oznacza Voltage and Frequency Independent. W tej klasie napięcie oraz częstotliwość wyjściowa są niezależne od zmian tych parametrów na wejściu w określonych warunkach pracy UPS. Typowym rozwiązaniem jest UPS online z podwójną konwersją.
UPS online VFI zasila odbiornik przez falownik również podczas normalnej pracy. W UPS line-interactive VI odbiornik korzysta w normalnych warunkach z toru powiązanego z siecią, a urządzenie może regulować napięcie i przejść na zasilanie bateryjne, gdy jest to konieczne.
kW określa moc czynną, natomiast kVA moc pozorną. Oba parametry trzeba sprawdzać przy ocenie możliwości UPS, ponieważ urządzenie ma ograniczenie zarówno mocy czynnej, jak i pozornej.
Bypass jest alternatywną drogą doprowadzenia energii do odbiornika. W UPS online bypass statyczny może zostać wykorzystany w określonych warunkach, na przykład przy przeciążeniu lub problemie z falownikiem. Konkretne zasady pracy zależą od modelu.
Przede wszystkim od obciążenia, pojemności i konfiguracji baterii, ich stanu, temperatury oraz sprawności systemu. Sama wartość mocy UPS nie pozwala określić czasu podtrzymania.
Karta SNMP pozwala podłączyć kompatybilny UPS do sieci i zdalnie monitorować jego stan. Zakres dostępnych parametrów i alarmów zależy od urządzenia i zastosowanej karty komunikacyjnej.
Głównie sposobem montażu. Tower jest konstrukcją wolnostojącą, natomiast rack montuje się w szafie RACK. Niektóre urządzenia mogą pracować w obu pozycjach jako rack/tower.
Sprawdź dostępne zasilacze UPS online, urządzenia line-interactive oraz rozwiązania do instalacji RACK. Porównaj technologię, moc w kW i kVA, konfigurację baterii oraz dostępne opcje komunikacji przed wyborem konkretnego urządzenia.Jeżeli natomiast potrzebujesz projektu całego systemu zasilania, integracji UPS z agregatem lub SZR, audytu, uruchomienia albo serwisu, przejdź do rozwiązań AL Projekt.
