Ważnym podzespołem każdego zasilacza UPS są akumulatory. Swoją pojemność i trwałość zawdzięczają zastosowaniu technologii AGM lub żelowej. Ponadto istotną rolę odgrywają rozwiązania znajdujące zastosowanie już w samych zasilaczach.

zasilacze ups w systemach bmsFot. 1. Nowoczesne zasilacze mają konstrukcję modułową. Każdy moduł zasilacza bazuje na własnych układach CPU, falownikach, prostownikach,bateriach i ładowarkach baterii.

Współczesny zasilacz jest w stanie nie tylko podtrzymywać zasilanie ale również eliminować zakłócenia jakie pochodzą z sieci elektroenergetycznej. Trzeba mieć przy tym na uwadze bezprzerwowe przełączanie pomiędzy źródłami energii. Nowoczesne zasilacze mają konstrukcję modułową. W efekcie poszczególne podzespoły zasilacza są wykonane panelowo. Każdy moduł zasilacza bazuje na własnych układach CPU, falownikach, prostownikach, bateriach i ładowarkach baterii. Odrębnym modułem jest również bypass serwisowy, a także panel sterowania i kontroli. Należy podkreślić, że w takim rozwiązaniu eliminowane są tzw. pojedyncze punkty awarii. Tym sposobem, dzięki konstrukcjom modułowym, podczas czynności serwisowych uszkodzone moduły zastępuje się nowymi. W zasilaczach modułowych nie ma urządzeń (modułów), które mają funkcję nadrzędną – Master. Stąd też jeżeli dojdzie do awarii to praktycznie każdy moduł jest w stanie przejść do pracy w trybie master. Ważne jest przy tym, że wymieniając lub instalując nowe moduły nie trzeba wykonywać połączeń kablowych, a czynności serwisowe mogą być przeprowadzane również wtedy gdy urządzenie jest wyłączone. Nowoczesne zasilacze o konstrukcji modułowej cechują się niskim poziomem zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym – 25-100% obciążenia <3,5%. Oprócz tego wejściowy współczynnik mocy jest bliski 1 w całym zakresie obciążenia 25-100% obciążenia <0,92-0,99.

zasilacze ups w systemach bms2Fot.2.Nowoczesne zasilacze bazują na interfejsach komunikacyjnych zapewniających szerokie możliwości w zakresie wymiany danych z różnymi urządzeniami.

Wyświetlanie informacji i wymiana danych

Obsługę nowoczesnych zasilaczy wspomagają wyświetlacze LCD. To właśnie z nich użytkownik odczytuje funkcje jakie realizuje urządzenie oraz parametry pracy zasilacza. Można również lokalnie konfi gurować urządzenie. Z poziomu lokalnego można również przejrzeć historię zdarzeń. Dla zapewnienia najwyższego poziomu bezpieczeństwa zastosowanie znajduje nie tylko kilka poziomów dostępu ale również zabezpieczenie za pomocą haseł. W niektórych urządzeniach zegar czasu rzeczywistego jest zasilany z baterii. W nowoczesnych zasilaczach stawia się na szerokie możliwości w zakresie wymiany danych z urządzeniami zewnętrznymi. Bardzo często przy wymianie danych uwzględnia się port USB. W takim przypadku zasilacz jest widoczny na komputerze w postaci wirtualnego portu szeregowego. W przemysłowych systemach transmisji danych zastosowanie znajduje standard RS-485. Ważną rolę odgrywa przy tym separacja galwaniczna. Magistrala RS-485 bazuje na różnicowym torze dwuprzewodowym oraz pracy w trybie pół-dupleks. W efekcie odbiór i nadawanie danych jest naprzemienne. Wiele zasilaczy ma interfejs Ethernet pozwalający na wpięcie urządzenia do sieci komputerowej. W sposób zdalny można odczytywać historię zdarzeń, przeprowadzać test akumulatora czy odczytywać wartości napięć i prądów. Oferowane są również wersje zasilaczy z interfejsem Wi-Fi.

zasilacze ups w systemach bms3Fot.3.Wyświetlacze LCD informują o realizowanych funkcjach i parametrach zasilacza oraz ułatwiają lokalne konfi gurowanie urządzenia.

Tryby pracy zasilaczy

Oferowane na rynku zasilacze pracują w kilku trybach. Stąd też mając na uwadze maksymalną kontrolę zasilania (IEC62040-3 VFI)zastosowanie znajduje podwójna konwersja, która jest gwarancją najwyższego poziomu kondycjonowania zasilania. Należy podkreślić, że sprawność przy pełnym obciążeniu z uwzględnieniem technologii beztransformatorowej przekracza 95%. Warto mieć również na uwadze tryb maksymalnej oszczędności energii. Ten tryb pracy rozpoznaje kiedy kondycjonowanie nie jest wymagane, natomiast do przepływu energii wykorzystywana jest linia obejściowa. W tym trybie pracy sprawność wynosi do 99%. Nie mniej ważny jest tryb wysokiej wydajności oraz kondycjonowania zasilania. Istotną rolę odgrywa przy tym kompensacja głównych zakłóceń w postaci THDi obciążenia, wzrostów napięcia zasilającego oraz współczynnika mocy obciążenia. Energia powstaje w falowniku pełniącym również funkcję fi ltra aktywnego. Tym sposobem zapewniona jest cała niezbędna moc bierna. Biorąc pod uwagę typ obciążenia oraz wartości wejściowych parametrów linii zasilającej w tym trybie sprawność wynosi 97-98,5% Prostowniki bazują na mostkach, które są zbudowane z półprzewodników IGBT. Prostownik przy użyciu autotransformatora lub izolowanego transformatora, przekształca napięcie, a następnie podaje je do inwertera oraz do układu ładowania baterii. Jest ona ładowana albo pracuje w trybie utrzymania optymalnej pojemności. Interesująca jest także możliwość pracy w oparciu o charakterystykę ładowania IU, która uwzględnia indywidualne parametry akumulatorów, łącznie z ich kompensacją temperaturową.

zasilacze ups w systemach bms4Fot.4. Obsługę nowoczesnych zasilaczy wspomagają wyświetlacze LCD. To właśnie z nich użytkownik odczytuje funkcje jakie realizuje urządzenie oraz parametry pracy zasilacza.

Pracą prostowników steruje oprogramowanie. Odpowiada ono również za tzw. łagodny start prostownika w momencie, gdy pojawi się napięcie zasilające. Niektóre modele wyposażono w funkcję, dzięki której w przypadku systemu równoległego, ponowny start odbywa się stopniowo. Nowatorskie technologie stosuje się także w inwerterach. Odpowiedzialne są one za przetwarzanie napięcia stałego na przemienne, które w zależności od modelu UPS-a, może być jedno lub trójfazowe. W systemach zasilania awaryjnego istotną rolę odgrywa ochrona napięcia wyjściowego przed zniekształceniami liniowymi. Inwertery również bazują na technologii IGBT. Istotne cechy inwerterów to przede wszystkim wysoka sprawność przy częściowym obciążeniu. Nie bez znaczenia pozostaje niewielki współczynnik zniekształcenia nawet przy nieliniowym obciążeniu. W momencie gdy zanika napięcie zasilania, akumulatory stają się źródłem energii. Użytkownik jest informowany o rozładowaniu baterii. W urządzeniach typu UPS istotną rolę odgrywają tzw. obejścia. Funkcjonalność w tym zakresie bardzo często nazywana jest także bypass-ami. Pozwalają one na przejście do zasilania z sieci elektroenergetycznej. Przełączenie odbywa się ręcznie lub automatycznie za pomocą odpowiedniego sygnału sterującego. W przypadku ręcznego sterowania, urządzenie kontroluje pracę i ingeruje w przypadku zarówno nieprawidłowej pracy UPS-a jak i uruchomienia przez operatora niewłaściwych funkcji. Pamiętać należy, aby w zaplanowanych odstępach czasu sprawdzać przełączanie za pomocą przycisku testowego.

Kompensacja mocy biernej w zasilaczach awaryjnych

Kompensacja mocy biernej wykorzystuje kilka technologii. Na przykład bardzo często załącza się układy kondensatorów po to aby kompensować indukcyjną moc bierną. Oprócz tego mogą być załączane cewki, co pozwala na kompensowanie mocy biernej pojemnościowej. Warto również wspomnieć o regulatorach elektromaszynowych oraz wyłączaniu urządzeń, będących w stanie jałowym, a które pobierają moc bierną. Niejednokrotnie zastosowanie znajdują również elektroniczne przesuwniki fazowe. Ogólnie można powiedzieć, że pobór mocy biernej można wyeliminować załączając do układu urządzenia obciążającego mocą bierną o charakterze przeciwnym niż pierwotnie pobierana.

zasilacze ups w systemach bms5Fot.5. Nowoczesne zasilacze o konstrukcji modułowej cechują się niskim poziomem zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym.

Nowoczesne zasilacze bazują na szeregu rozwiązań zapewniających kompensowanie mocy biernej. Warto mieć na uwadze fakt, że obwód zasilacza może pracować jako elektroniczny przesuwnik fazowy. W efekcie moc bierna pojemnościowa jest sprowadzona do zera. Są również rozwiązania bazujące na kompensowaniu mocy biernej własnej oraz częściowo urządzeń równolegle z nim podłączonych do sieci elektroenergetycznej. Zyskuje się to poprzez odpowiednie zarządzanie prądem wejściowych bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń i elementów kompensacyjnych. Ponadto zasilacz może realizować funkcję kompensatora mocy biernej dla urządzeń, które są zasilane z tej samej sieci co obwód wejściowy zasilacza. Warto przy tym wspomnieć o zwiększeniu poziomu ochrony urządzeń priorytetowych. Nowoczesne zasilacze nie obejdą się bez rozwiązań w postaci wewnętrznych bloków urządzenia, trybów pracy hybrydowej czy dynamicznych algorytmów sterowania chłodzeniem. Tryb pracy hybrydowej pozwala wydłużyć czas pracy autonomicznej – działanie w trybie rezerwowym. W efekcie zapewnia to pełną kompensację mocy biernej pojemnościowej UPS-a zatem współczynnik mocy takiego układu (cos φ) sprowadza się do 1 bez względu na wartość pobieranej mocy czynnej. Dla użytkowników korzyścią jest wtedy pełne eliminowanie opłat, jakie wynikają poboru mocy wyższego niż ten, który zawarto w umowie. Warto wspomnieć o dynamicznym algorytmie sterowania chłodzeniem pozwalającym dopasować wydajność układu chłodzenia do aktualnego stanu urządzenia. Pozwala to zminimalizować straty mocy oraz koszty wynikające z zapotrzebowania na chłodzenie. Ponadto przydatnym rozwiązaniem jest tryb pracy online z rzeczywistym podwójnym przetwarzaniem z sinusoidalnym napięciem wyjściowym. Dzięki wysokiej wartości prądu zwarcia jest możliwa duża selektywność zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania.

zasilacze ups w systemach bms6Fot.6. Współczesny zasilacz jest w stanie nie tylko podtrzymywać zasilanie ale również eliminować zakłócenia jakie pochodzą z sieci elektroenergetycznej.

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 grafi cznej. 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 konfi guracyjne zasilaczy redundancyjnych i układy równoległe UPS. 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), które 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 bieżące 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: defi niowanie sposobu alarmowania, określanie alarmu wewnętrznego, określanie zdarzeń SNMP, defi niowanie treści e-maila do administratorów, log zdarzeń, dodawanie, usuwanie i edytowanie użytkowników.

Damian Żabicki
Artykuł powstał na podstawie materiałówmpublikowanych przez Ever Sp. z o.o.,
Fast Group,
Poltel,
Centrum Elektroniki Stosowanej CES sp. z o.o.,
Grupa RomiEVER