Google+

W nowoczesnych zasilaczach UPS stawia się na trwałe i pojemne akumulatory, które najczęś- ciej wykonuje się w technologii AGM lub żelowej. Ponadto dzięki odpowiednim technologiom zastosowanym w zasilaczach eliminowane są zakłócenia z sieci elektroenergetycznej. Proces przełączania pomiędzy źródłami energii jest przeprowadzany bezprzerwowo.

Fot. 1. Zasilacze awaryjne o różnych mocach Fot. 1. Zasilacze awaryjne o różnych mocach; FOT. COMEX

W praktyce mówi się o trzech podstawowych typach (trybach pracy) zasilaczy awaryjnych. Stąd też tryb maksymalnej kontroli 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 większym zużyciu energii. Sprawność z pełnym obciążeniem przy zastosowaniu najnowszej technologii beztransformatorowej wynosi ponad 95 proc.
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 proc. 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, współ- czynnik mocy obciążenia oraz większe 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 proc.

Konstrukcja modułowa

Fot. 2. Zasilacz awaryjny o budowie modułowej Fot. 2. Zasilacz awaryjny o budowie modułowej; FOT. FAST GROUP

Nowoczesne zasilacze UPS bazują na budowie modułowej, stąd też uwzględnia się moduły kompletnych zasilaczy w wykonaniu panelowym. W każdym module zasilacza przewidziane są własne układy w postaci CPU, prostownika, falownika, ładowarki baterii, baterii, a także bypassa serwisowego oraz panelu kontroli i sterowania. Takie rozwiązanie cechuje brak pojedynczych punktów awarii (SPOF – Single Point of Failure). Czynności serwisowe w konstrukcjach modułowych sprowadzają się do wymiany uszkodzonego modułu na sprawne urządzenie.
Ponadto w zasilaczach modułowych zwraca się uwagę na niski poziom zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym (25-100% obciążenia <3,5%). Z kolei wejściowy współczynnik mocy jest bliski 1 w całym zakresie obciążenia (25-100% obciążenia <0,92-0,99). W przypadku wymiany lub instalowania nowych modułów nie są konieczne połączenia kablowe. W dodatku prace serwisowe mogą być prowadzone przy włączonym urządzeniu. W konstrukcji typowego systemu nie przewiduje się modułów pełniących funkcje urządzenia nadrzędnego (Master). Wszystkie moduły są w stanie spełniać zadania nadrzędnego modułu, automatycznie przechodząc w razie awarii w tryb pracy Master.

Fot. 3. Dzięki budowie modułowej naprawie lub rozbudowa zasilacza przebiega bardzo szybko Fot. 3. Dzięki budowie modułowej naprawie lub rozbudowa zasilacza przebiega bardzo szybko; FOT. FAST GROUP

Interfejsy komunikacyjne

Nowoczesne zasilacze bazują na interfejsach komunikacyjnych zapewniających szerokie możliwości w zakresie wymiany danych z różnymi urządzeniami. Np. port USB-TTL umożliwia podłączenie zasilacza z komputerem PC. Zasilacz jest wtedy widoczny w komputerze jako wirtualny port szeregowy (COM). Z kolei dzięki interfejsowi RS-485-TTL zasilacz można podłączyć do magistrali komunikacyjnej RS-485 przy zachowaniu separacji galwanicznej. Jak wiadomo magistrala RS-485 wykorzystuje różnicowy tor dwuprzewodowy i pracę w trybie pół-dupleks, zatem nadawanie i odbiór danych odbywa się naprzemiennie.
W nowoczesnych zasilaczach nie obejdzie się bez interfejsów Ethernet. Takie rozwiązanie umożliwia np. współpracę z oprogramowaniem pozwalającym na zdalny monitoring zasilacza z dowolnej przeglądarki internetowej. Zdalnie można również odczytywać historię zdarzeń, a także sprawdzać wartości prądów i napięć oraz zdalnie wykonywać test akumulatora. Do dyspozycji jest również bezprzewodowy interfejs Wi-Fi. Z racji tego, że nie wszystkie zasilacze mają bezpośredni port Ethernet, konieczne może być zastosowanie konwertera RS-485-Ethernet odpowiednio przetwarzającego sygnał. Oprócz tego zastosowanie mogą znaleźć konwertery przetwarzające RS-485-Wifi i USB-RS-485.

Wyświetlacze LCD

Wyświetlacze LCD nie tylko informują o realizowanych funkcjach i parametrach zasilacza ale również ułatwiają lokalne konfigurowanie urządzenia. Dostęp do ustawień wykorzystuje 3 poziomy oraz zabezpieczenia hasłami. Z poziomu lokalnego zapewniony jest również dostęp do historii zdarzeń. Zegar czasu rzeczywistego ma podtrzymanie bateryjne.

Adam Kusz, specjalista ds. serwisu, AFRISO Sp. z o.o. Michał Redlich,
Wiceprezes Zarządu, FAST Group sp. z o.o.

Zdaniem EKSPERTA
Jakie rozwiązania stosowane w nowoczesnych zasilaczach UPS wpływają na poprawę ekonomicznego gospodarowania energią?

Zgodnie z normą PN-EN 62040-3 konstrukcje UPSów zostały podzielone na trzy typy:

  • VFD (Voltage Frequency Dependent), w których parametry napięcia wyjściowego (napięcie, częstotliwość) zależą od parametrów napięcia w sieci zasilającej UPSa (wartość napięcia, częstotliwość);
  • VI (Voltage Independent), które są stabilizatorami napięcia nato miast częstotliwość na wyjściu UPSa już zależy od częstotliwości napięcia go zasilającego;
  • klasa najwyższa, tzw. VF (Voltage Frequency Independent), które są stabilizatorami napięcia i częstotliwości.

Coraz więcej producentów proponuje systemy UPS w systemie hybrydowym VFD wraz z dodatkowym kondycjonowaniem napięcia i częstotliwości, co poprawia ogólną sprawność systemu o ok. 1-2 proc. Ja zawsze w takim momencie zadaję pytanie – po co stosujemy zasilacze UPS, co najważniejsze jest w zasilania gwarantowanym? I jeśli odpowiedź brzmi „niezawodność”, to musimy mieć świadomość, że jedynym w pełni przebadanym, przewidywalnym i najbezpieczniejszym trybem zasilacza UPS jest tzw. tryb podwójnego przetwarzania, czyli tzw. tryb VFI zgodny z normą PN-EN 62040-3.
Nie lubię analogii motoryzacyjnych, z drugiej strony one są najbardziej obrazowe w takich przypadkach. Jeśli kupujemy nowiutki (drogi) i diabelnie szybki samochód sportowy, to nie po to aby jeździć nim z prędkością 30 km/h i do tego na drugim biegu, ponieważ tracimy prawdziwy potencjał. Podobnie sprawa ma się z zasilaczami UPS – po to są wyposażone w tryb pracy VFI aby właśnie z niego korzystać w przypadku odbiorów wymagających najwyższej niezawodności i parametrów zasilania.
Ponieważ technologia z każdym rokiem idzie do przodu w tej chwili nowoczesne zasilacze UPS posiadają trzypoziomowe układy inwerterowe osiągając między 96 a 97 proc. sprawności w trybie VFI. Dodatkowo systemy modułowe dzięki zaawansowanej opcji usypiania modułów mogą utrzymywać ten poziom sprawności nawet przy niewielkim obciążeniu początkowym.
FAST Group już od wielu lat proponuje swoim klientom właśnie takie zasilacze UPS, które oferują ponadprzeciętną sprawność przy najwyższej niezawodności w trybie podwójnego przetwarzania.

Kompensacja mocy biernej w zasilaczach awaryjnych

W praktyce pobór mocy biernej może być wyeliminowany poprzez załączenie do układu urządzenia obciążającego mocą bierną o przeciwnym charakterze niż pierwotnie pobierana. Tym sposobem dochodzi do zjawiska kompensacji mocy biernej, któ- rą uzyskuje się na kilka sposobów. Chodzi tutaj o załączanie układów kondensatorów (w celu kompensacji mocy biernej indukcyjnej) bądź cewek (dla skompensowania mocy biernej pojemnościowej), wykorzystanie regulatorów elektromaszynowych, załączanie układów elektronicznych przesuwników fazowych oraz wyłączanie urzą- dzeń będących w stanie jałowym, lecz pobierających moc bierną.

Fot. 4.W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się więc na rozwiązania, które odpowiadają za kompensowanie mocy biernej Fot. 4.W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się więc na rozwiązania, które odpowiadają za kompensowanie mocy biernej; FOT. FAST GROUP Fot. 5. Kompletny zestaw zasilacza UPS Fot. 5. Kompletny zestaw zasilacza UPS; FOT. COMEX

W nowoczesnych zasilaczach awaryjnych stawia się więc na rozwiązania, które odpowiadają za kompensowanie mocy biernej. Niejednokrotnie obwód zasilacza jest w stanie pracować jako elektroniczny przesuwnik fazowy, co pozwala na sprowadzenie do zera wejściowej mocy biernej pojemnościowej. Interesującą metodą jest kompensowanie mocy biernej własnej i częściowo urządzeń równolegle z nim podłączonych do sieci elektroenergetycznej, dzięki odpowiedniemu zarządzaniu prądem wejściowym, bez stosowania dodatkowych elementów i urządzeń kompensacyjnych. Zasilacz realizuje funkcję kompensatora mocy biernej dla urządzeń zasilanych z tej samej sieci, co obwód wejściowy zasilacza. Oprócz tego ważne jest zwiększenie poziomu ochrony urządzeń o znaczeniu priorytetowym.
Kompensacja mocy biernej w zasilaczach nowej generacji odbywa się przez wewnętrzne bloki urządzenia, dynamiczny algorytm sterowania chłodzeniem oraz tryb pracy hybrydowej. Ten ostatni tryb zapewnia wydłużenie czasu pracy autonomicznej, czyli działania w trybie rezerwowym. Uzyskiwana jest więc pełna kompensacja mocy biernej pojemnościowej UPS-a, przez co współczynnik mocy takiego układu (cos φ) sprowadza się do 1. Jest to niezależne od wartości pobieranej mocy czynnej. Użytkownicy zyskują przy tym pełne eliminowanie opłat wynikających z wyższego niż zawarty w umowie poboru mocy przez zasilacz
Dynamiczny algorytm sterowania chłodzeniem pozwala na dopasowanie wydajności układu chłodzenia do aktualnego stanu urządzenia. W efekcie minimalizowane są straty mocy i koszty, które wynikają z zapotrzebowania na chłodzenie. Warto zwrócić uwagę na pracę w trybie online z rzeczywistym podwójnym przetwarzaniem z sinusoidalnym napięciem wyjściowym. Wysoki prąd zwarcia umożliwia dużą selektywność zabezpieczeń na liniach odpowiedzialnych za dystrybucję zasilania.

Oprogramowanie komputerowe do zarządzania zasilaczami UPS

Aplikacje komputerowe przeznaczone do nadzorowania pracy systemów UPS pozwalają na wizualizowanie funkcji realizowanych przez zasilacze. Rejestrowane są przede wszystkim wszelkie zmiany statusu pracy UPS-ów przy jednoczesnym przesyłaniu komunikatów i ostrzeżeń do innych urządzeń podłączonych do sieci. Możliwa jest zmiana statusu pracy UPS-a przy użyciu wiadomości e-mail wysyłanych automatycznie pod wskazane adresy. W niektórych aplikacjach przewidziano zdalne sterowanie zasilaczem 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 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. Nadzorować można również układy konfiguracyjne zasilaczy redundancyjnych i układy równoległe UPS.

Fot. 6. Zewnętrzny panel obsługi zasilacza Fot. 6. Zewnętrzny panel obsługi zasilacza; FOT. FAST GROUP

Za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego nadzorowane mogą być również automatyczne przełączniki źródła zasilania ATS (Automatic Transfer Switch). Dzięki nim zyskuje się bezpieczeństwo dystrybucji energii elektrycznej, która jest dostarczana do odbiorników. Przełączniki są w stanie alarmować poprzez wysyłanie wiadomości e-mail, natomiast dziennik jest odpowiedzialny za przechowywanie wszystkich zdarzeń. Dostęp do urządzenia, oprócz portu RS-232, zapewniono przez serwer HTTP oraz protokoły: SNMP (V1/V2/V3), Telnet oraz SSH. Istnieje również możliwość ustawienia zegara, zablokowania przycisku na urządzeniu oraz zaprogramowania czasu powrotu zasilania z zapasowego na główne. Warto również wspomnieć o aplikacjach typu NPM (Network Power Manager), któ- re pozwalają na zarządzanie pracą listwy dystrybucji energii. W programie tego typu również przewiduje się interfejs webowy dla wielu użytkowników. Kontrolowane są parametry pracy urządzenia takie jak bieżą- ce obciążenie całkowite, bieżące obciążenie każdego wyjścia z ustawianiem poziomu alarmowego, stan (włączone/wyłączone) każdej linii wejściowej oraz stan i zmiana stanu (włączone/wyłączone) każdego wyjścia z pamięcią ostatniego stanu w przypadku resetu urządzenia. Program pozwala na sekwencyjne załączanie i wyłączanie całej listwy z możliwością programowania czasowego każdego wyjścia. Przydatne są też wskazania i status podpiętych czujników oraz stan alarmów, a także wartości alarmowe. Przez sieć dostępne są jeszcze działania takie jak: definiowanie sposobu alarmowania, określanie alarmu wewnętrznego, określanie zdarzeń SNMP, definiowanie treści e-maila do administratorów, log zdarzeń, dodawanie, usuwanie i edytowanie użytkowników.
Na etapie wyboru zasilacza UPS należy uwzględnić kilka czynników. Stąd też wybór odpowiedniego urządzenia powinien przeprowadzić specjalista. W zależności od preferencji użytkownika dobiera się odpowiedni sposób nadzorowania pracy zasilacza

Damian Żabicki