Google+

Zasilacz awaryjny, zasilacz bezprzerwowy, zasilacz UPS (ang. Uninterruptible Power Supply – Nieprzerwane Zasilanie Energią) to urządzenie lub system, którego funkcją jest utrzymanie zasilania innych urządzeń elektrycznych lub elektronicznych w przypadku zaniku lub nieprawidłowych parametrów zasilania sieciowego.

Fot. 1.
W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się na modułowość konstrukcji polegająca
na zastosowaniu modułów-kompletnych
UPSów w wykonaniu panelowym.Fot. 1. W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się na modułowość konstrukcji polegająca na zastosowaniu modułów-kompletnych UPSów w wykonaniu panelowym.

Przy wyborze zasilacza UPS bierze się pod uwagę przynajmniej kilka parametrów. Podstawę w tym zakresie stanowi moc zasilacza, przy czym, nie może być on przeciążony i niedociążony. Warto zadbać o możliwość równoległego połączenia urządzeń UPS, dzięki czemu zyskuje się możliwość dowolnej rozbudowy systemu zarówno pod względem mocy, jak i redundancji. Kluczowym parametrem UPS-ów jest czas podtrzymania, który dobiera się przy założeniu pełnego obciążania zasilacza. Parametr ten określa czas przez jaki UPS może podtrzymywać napięcie bez zasilania z sieci elektroenergetycznej. Na etapie wyboru zwraca się uwagę na sprawność, określającą ilość wydzielanego ciepła. To właśnie od sprawności zależy między innymi trwałość zasilacza, średni czas między awariami oraz wielkość strat energii elektrycznej.

Nie mniej ważnym parametrem jest wejściowy współczynnik mocy (input power factor) i poziom harmonicznych prądu zasilającego UPS określające charakter obciążenia wnoszonego do sieci przez zasilacz i wpływającego na wielkość współczynnika dopasowania mocy względem zastosowanego w systemie generatora prądotwórczego. W kompleksowym podejściu do wyboru zasilaczy awaryjnych zwraca się uwagę na parametry dynamiczne czyli czas i wielkość odkształcenia napięcia wyjściowego podawane w procentach w przypadku skokowej zmiany obciążenia od 0 do 100%.

Fot. 2.
Przy wyborze zasilacza UPS bierze się pod uwagę przynajmniej kilka parametrów. Podstawę w tym zakresie
stanowi moc zasilacza, przy czym, nie może być on przeciążony i niedociążony.Fot. 2. Przy wyborze zasilacza UPS bierze się pod uwagę przynajmniej kilka parametrów. Podstawę w tym zakresie stanowi moc zasilacza, przy czym, nie może być on przeciążony i niedociążony.

Kilka czynników należy uwzględnić przy wyborze elementów systemu zasilania awaryjnego, pracujących w serwerowniach. Tu najczęściej stosuje się systemy redundantne (nadmiarowe). Jakość UPS-ów pracujących w serwerowniach jest bardzo istotna dla bezpiecznej pracy serwerowni.

Typy zasilaczy UPS

Mówi się o trzech podstawowych typach (trybach pracy) zasilaczy awaryjnych. Stąd też tryb maksymalnej poprawy zasilania (IEC62040--3 VFI) obejmuje podwójną konwersję, która zapewnia najwyższy poziom kondycjonowania zasilania. W trybie tym obciążenie jest chronione przed wszystkimi typami zakłóceń sieci elektrycznej, przy nieco mniejszej sprawności. Sprawność z pełnym obciążeniem przy zastosowaniu najnowszej technologii beztransformatorowej wynosi ponad 95%.

Fot. 3.
Warto zadbać o możliwość równoległego
połączenia urządzeń UPS, dzięki czemu zyskuje się możliwość
dowolnej rozbudowy systemu zarówno pod względem mocy, jak i redundancji.Fot. 3. Warto zadbać o możliwość równoległego połączenia urządzeń UPS, dzięki czemu zyskuje się możliwość dowolnej rozbudowy systemu zarówno pod względem mocy, jak i redundancji.

Z kolei tryb maksymalnej oszczędności energii (IEC 62040--3 VFD) rozpoznaje kiedy kondycjonowanie nie jest potrzebne a przepływ energii odbywa się przez linię obejściową. W takim rozwiązaniu sprawność sięga 99%. Jednak w tym trybie pracy UPS, odbiorniki nie są tak dobrze chronione jak w trybie VFI. Warto zwrócić uwagę na tryb wysokiej wydajności i kondycjonowania zasilania (IEC 62040--3 VI). W urządzeniach tego typu kompensowane są główne zakłócenia, takie jak THDi obciążenia, współczynnik mocy obciążenia oraz mniejsze spadki i wzrosty napięcia zasilającego. Używana energia pochodzi z falownika, który jako filtr aktywny zapewnia całą niezbędną moc bierną. W zależności od typu obciążenia i wartości wejściowych parametrów linii zasilającej ten tryb cechuje się sprawnością, która mieści się pomiędzy 97 a 98,5%,

Połączenie równoległe

W przypadku aplikacji, od których oczekuje się wysokiego poziomu bezpieczeństwa, zastosowanie znajdują układy redundantne (nadmiarowe) systemów UPS. Typowe rozwiązanie tego typu bazuje na połączeniu kilku zasilaczy. Standardowo, pracują wszystkie zasilacze dzieląc obciążenie równo między siebie. Jednak nie wszystkie z nich muszą pracować po to, aby zasilić odbiorniki. W praktyce najczęściej zastosowanie znajdują systemy redundantne „N+1” a więc określona ilość jednostek („N”) UPS musi pracować, żeby moc systemu była wystarczająca do zasilania odbiorników. Uszkodzenie lub wyłączenie jednego z UPS nie ma wpływu na ciągłość zasilania odbiorników.

Fot. 4.
Kluczowym parametrem UPS-ów jest czas podtrzymania, który dobiera
się przy założeniu pełnego obciążania zasilacza.Fot. 4. Kluczowym parametrem UPS-ów jest czas podtrzymania, który dobiera się przy założeniu pełnego obciążania zasilacza.

Takie połączenie UPS nazywane jest systemem pracy równoległej i w razie potrzeby zapewnia możliwość rozbudowy systemu o kolejne zasilacze. Systemy redundatne są dużo bardziej niezawodne niż pojedynczy UPS, ale nie należy budować systemów z dużą ilością UPS-ów. Najbardziej niezawodnym układem jest układ redundantny „1+1”, ale jednocześnie najdroższym (płaci się za 100% więcej niż potrzeba mocy).

Zasilacze modułowe

W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się na modułowość konstrukcji polegająca na zastosowaniu modułów-kompletnych UPS-ów w wykonaniu panelowym. Każdy moduł UPS powinien być wyposażony we własne układy: CPU (Central Processing Unit), prostownik, falownik, ładowarka baterii, bateria, by-pass serwisowy, panel kontroli i sterowania. Taki układ będziemy nazywali układem pozbawionym pojedynczych punktów awarii (ang. SPOF – Single Point of Failure). Podczas wymiany lub instalowania nowych modułów nie ma potrzeby stosowania połączeń kablowych, natomiast prace serwisowe mogą być wykonywane przy włączonym urządzeniu. System nie przewiduje modułów o charakterze nadrzędnym (Master) a wszystkie moduły mogą pełnić funkcję nadrzędnego, który steruje całym systemem. Jeżeli dojdzie do awarii jednego modułu kolejny z nich będzie pełnił jego rolę i w sposób automatyczny przechodzi w tryb pracy Master.

Fot. 5.
W kompleksowym podejściu do wyboru zasilaczy awaryjnych zwraca się uwagę na parametry dynamiczne czyli czas i wielkość odkształcenia napięcia wyjściowego podawane
w procentach w przypadku skokowej zmiany obciążenia od 0 do 100%.Fot. 5. W kompleksowym podejściu do wyboru zasilaczy awaryjnych zwraca się uwagę na parametry dynamiczne czyli czas i wielkość odkształcenia napięcia wyjściowego podawane w procentach w przypadku skokowej zmiany obciążenia od 0 do 100%.
Fot. 6.
W przypadku aplikacji, od których oczekuje się wysokiego poziomu bezpieczeństwa, zastosowanie znajdują układy redundantne (nadmiarowe) systemów UPS.Fot. 6. W przypadku aplikacji, od których oczekuje się wysokiego poziomu bezpieczeństwa, zastosowanie znajdują układy redundantne (nadmiarowe) systemów UPS.

Modułowe zasilacze awaryjne cechuje skalowalność, a co za tym idzie, moc może być zwiększona podczas pracy urządzenia w zależności od zapotrzebowania na energię elektryczną. W tradycyjnych rozwiązaniach konieczne jest zainstalowanie docelowej mocy na samym początku. Sprawność UPS-ów modułowych, dzięki zastosowaniu technologii beztransformatorowej, wynosi do 95,5%. Na uwagę zasługuje niski poziom zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym (25-100% obciążenia < 3,5%). Nie mniej ważny jest wejściowy współczynnik mocy bliski 1 w całym zakresie obciążenia (25-100% obciążenia < 0,92-0,99).

Czynności serwisowe w konstrukcjach modułowych wykonuje się w bardzo prosty sposób. Uszkodzony moduł zamienia się bowiem sprawnym urządzeniem.

Oprogramowanie nadzorujące

Aplikacje komputerowe, przeznaczone do nadzorowania pracy systemów UPS, pozwalają na wizualizowanie funkcji realizowanych przez zasilacze. Stąd też przede wszystkim rejestrowane są wszelkie zmiany statusu pracy UPS-ów przy jednoczesnym przesyłaniu komunikatów i ostrzeżeń do innych urządzeń podłączonych do sieci.

Fot. 7.
Tryb maksymalnej oszczędności energii (IEC 62040.3 VFD) rozpoznaje
kiedy kondycjonowanie nie jest potrzebne na przepływ energii odbywa się przez linię obejściową.Fot. 7. Tryb maksymalnej oszczędności energii (IEC 62040.3 VFD) rozpoznaje kiedy kondycjonowanie nie jest potrzebne na przepływ energii odbywa się przez linię obejściową.

Jest możliwa zmiana statusu pracy UPS-a za pomocą wiadomości e-mail wysyłanych automatycznie pod wskazane adresy. W niektórych aplikacjach przewidziano zdalne sterowanie zasilacza za pomocą modemu GPRS. Poprzez oprogramowanie przeprowadzana jest diagnostyka a wszystkie dane mogą być przedstawiane w formie graficznej.

Monitorowaniu można poddać wiele zasilaczy UPS z dowolnego urządzenia z przeglądarką internetową lub konsolą programu zarządzającego maszynami wirtualnymi. Pobierane są informacje o znaczeniu krytycznym takie jak chociażby stan baterii, poziomy obciążenia i czas podtrzymania bateryjnego. W niektórych systemach nadzorowania przewidziano możliwość uporządkowanego zamykania komputerów i serwerów zasilanych za pomocą zasilaczy w czasie kiedy przedłużają się awarie zasilania. Nadzorowaniu można poddać również układy konfiguracyjne zasilaczy redundancyjnych i układy równoległe UPS.

Fot. 8.
Zdalnemu monitorowaniu można poddać wiele zasilaczy UPS z dowolnego
urządzenia z przeglądarką
internetową lub konsolą programu
zarządzającego maszynami wirtualnymi.Fot. 8. Zdalnemu monitorowaniu można poddać wiele zasilaczy UPS z dowolnego urządzenia z przeglądarką internetową lub konsolą programu zarządzającego maszynami wirtualnymi.

Obsługa i wymiana danych

Infrastruktura przemysłowa zazwyczaj jest znacznie rozproszona. Konieczna zatem okazuje się odpowiednia wymiana danych pomiędzy poszczególnymi urządzeniami systemu łącznie z elementami zasilania awaryjnego. Za komunikowanie w przemysłowych zasilaczach UPS odpowiedzialne są panele sterowania oraz oprogramowanie komputerowe. Lokalne sterowanie zapewnia użytkownikowi wyświetlacz ciekłokrystaliczny pozwalający na odczytywanie informacji dotyczących stanów pracy i alarmów, parametrów zasilania wejścia i wyjścia, parametrów baterii (natężenia prądu, napięcia, częstotliwości, temperatury), a także wartości dokonanych nastaw (np. test baterii, język, alarm dźwiękowy itp.).

Większość przemysłowych zasilaczy wyposaża się w liczne interfejsy wymiany danych oraz zaawansowane oprogramowanie komunikacyjne. Z pewnością przydatna okaże się możliwość współpracy urządzenia ze zdalnymi panelami kontrolno-sygnalizacyjnymi. Funkcjonalność komunikacyjną zapewniają porty szeregowe RS-232, RS-422 oraz RS-485 (zgodny z protokołem JBUS/MODBUS lub PROFIBUS). Niektóre modele UPS-ów podłączane są do sieci Ethernet z użyciem własnego adresu IP. Istnieje więc możliwość logowania do interfejsu i zarządzania urządzeniem poprzez http, https, telnet lub ssh. Interesujące rozwiązanie stanowi oprogramowanie do automatycznego zamykania serwerów. Technologie niektórych systemów nadzorujących bazują na GPRS i protokole SNMP.

Fot. 9.
W zasilaczach modułowych każdy moduł UPS powinien być wyposażony
we własne układy: CPU (Central
Processing Unit), prostownik, falownik, ładowarka baterii, bateria,
by-pass serwisowy, panel kontroli
i sterowania.Fot. 9. W zasilaczach modułowych każdy moduł UPS powinien być wyposażony we własne układy: CPU (Central Processing Unit), prostownik, falownik, ładowarka baterii, bateria, by-pass serwisowy, panel kontroli i sterowania.

Podsumowanie

W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się mniejsze wymiary urządzeń, a więc na mniejszą ilość powierzchni zabudowy (niższe koszty). Zwraca się uwagę na zwiększoną dyspozycyjność, decentralizację, skuteczny monitoring oraz standaryzację. Stąd też kierunek rozwoju UPS-ów to rozwiązania o charakterze modułowym, redundantne przy wysokim poziomie skalowalności. Najlepiej zabezpieczają zasilanie systemy UPS bez pojedynczych punktów awarii.

Należy ponadto pamiętać, że zasilacze UPS stosowane w warunkach przemysłowych powinny być odpowiednio wykonane łącznie z mechaniczną odpornością na pracę w środowiskach produkcyjnych. Chodzi przede wszystkim o wzmocnione konstrukcje pozwalające zabezpieczyć je przed fizycznym uszkodzeniem, brudem czy cieczami (podwyższone stopnie ochrony IP). Istotne są też wewnętrzne układy nadmiarowe (np. wentylatory, sterowniki) umożliwiające kontynuację pracy zasilacza UPS w przypadku awarii jednego z jego elementów. Jeśli nie można zainstalować zasilaczy w wydzielonym pomieszczeniu to warto pomyśleć o dodatkowych filtrach powietrza, chroniących przed kurzem i innymi drobnymi zanieczyszczeniami, negatywnie wpływającymi na efektywność pracy sprzętu.

Fot. 10.
Modułowe zasilacze awaryjne cechuje skalowalność, a co za tym idzie, moc może być zwiększona podczas pracy urządzenia w zależności od zapotrzebowania na energię elektryczną.Fot. 10. Modułowe zasilacze awaryjne cechuje skalowalność, a co za tym idzie, moc może być zwiększona podczas pracy urządzenia w zależności od zapotrzebowania na energię elektryczną.

Damian Żabicki

Materiały informacyjne firm: Fast Group, C&T Elmech, CES, Socomec, Camco.