Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Krótko o UPS-ach

Printer Friendly and PDF

Codzienne funkcjonowanie człowieka we współczesnym świecie jest mocno uzależnione od poprawnego działania wielu skomplikowanych urządzeń elektronicznych, z których świadomie lub bezwiednie korzystamy niemal w każdym momencie naszego życia. Najważniejsze informacje dotyczące stanu naszego zdrowia, stanu konta bankowego czy przebiegu pracy zawodowej są przechowywane w postaci elektronicznej. Komputer, telefon komórkowy, urządzenia zapewniające nam dostęp do Internetu stanowią nieodłączne wyposażenie naszych domów, szkół, biur, zakładów produkcyjnych, banków i innych instytucji. Funkcjonowanie tych urządzeń jest zależne od poprawnego działania serwerów, jednostek pamięci oraz innych komponentów wchodzących w skład sieci teleinformatycznych. Wszystkie te elementy łączy jedna wspólna cecha – wymagają one ciągłego zasilania prądem elektrycznym.

Z problemem ciągłości zasilania urządzeń telekomunikacyjnych mamy do czynienia od końca XIX wieku, kiedy to powstawały pierwsze linie telegraficzne, a później telefoniczne. By takie linie mogły poprawnie funkcjonować, wszystkie pośrednie stacje pocztowe musiały mieć zapewnione ciągłe zasilanie. By spełnić to niełatwe wymaganie, posługiwano się bateriami akumulatorów elektrycznych, jednakże ta metoda pozwalała jedynie na całodobowe zasilanie urządzeń prądem stałym.

Wraz z rozwojem przemysłu i medycyny pojawiło się zapotrzebowanie na bezawaryjne zasilanie urządzeń elektrycznych prądem przemiennym. Masowe zastosowanie znalazły spalinowe agregaty prądotwórcze, jednak miały one poważna wadę – ich rozruch wymagał czasu, czyli nie zapewniały one zachowania ciągłości zasilania. Z pomocą przyszły urządzenia mechaniczne. Do gromadzenia energii umożliwiającej zachowanie ciągłości zasilania w okresie przejściowym, czyli od momentu wystąpienia awarii sieci energetycznej do momentu rozruchu agregatu spalinowego, posługiwano się kołami zamachowymi o dużych rozmiarach, napędzającymi generatory elektryczne. Ta koncepcja przetrwała do czasów współczesnych i jest nadal wykorzystywana w instalacjach o bardzo dużej mocy, zasilających najważniejsze wydziały zakładów przemysłowych, laboratoria naukowe czy duże kompleksy medyczne.

Najważniejszą branżą, której rozwój przyczynił się do masowego stosowania zasilaczy rezerwowych, jest rynek komputerowy i teleinformatyczny. Brak ciągłości zasilania stacji retransmisyjnych czy serwerowni realizujących usługi dostępu do Internetu jest nie do pomyślenia. Trudno sobie wyobrazić, że na skutek chwilowej przerwy w dostawie energii elektrycznej w jakimś regionie przestają działać telefony komórkowe czy łącza internetowe. Podobnie jest w przypadku gospodarstw domowych, w których masowo wykorzystywane są elektroniczne urządzenia sterujące pracą systemów centralnego ogrzewania i klimatyzacji oraz komputery. Awaria sieci energetycznej powoduje, że pomimo dużego zapasu paliwa pozostajemy bez ogrzewania, zaś nagły zanik zasilania podczas pracy domowego komputera w najlepszym przypadku prowadzi do utraty danych. Może też spowodować trwałe uszkodzenie systemu operacyjnego, co oznacza, że po przywróceniu zasilania komputer nie będzie poprawnie pracować.

Na rynku dostępne są zasilacze rezerwowe o małej i średniej mocy, zwane potocznie zasilaczami UPS, przeznaczone do zastosowań profesjonalnych lub domowych. Pomimo różnic konstrukcyjnych łączy je jedna wspólna cecha – źródłem energii zasilającej w sytuacjach awaryjnych są akumulatory elektryczne.

W większości zasilaczy UPS, zarówno tych większych, przeznaczonych do zasilania dużych serwerowni czy stacji retransmisyjnych w telefonii komórkowej, jak i małych, służących do zasilania komputerów czy domowych urządzeń elektronicznych, wykorzystywane są klasyczne akumulatory kwasowe, zbliżone konstrukcją do akumulatorów samochodowych. Mają one szczelną konstrukcję, nie wymagają uzupełniania elektrolitu i mogą pracować w dowolnej pozycji, co ułatwia ich montaż lub wymianę. Potocznie nazywane są akumulatorami żelowymi, gdyż stosowany w nich elektrolit nie jest płynem, lecz ma postać galaretowatego żelu wypełniającego porowatą masę oddzielającą okładziny elektrod ujemnych i dodatnich. Jedną z niewielu wad akumulatorów żelowych jest ich relatywnie duży ciężar, gdyż wspomniane elektrody są wykonane z ołowiu, jednakże w przypadku zasilaczy UPS nie ma to dużego znaczenia. Poza tym akumulatory żelowe mają wiele zalet, z których główną jest brak tak zwanego efektu pamięciowego. Ogólnie rzecz biorąc, polega on na zmniejszaniu się pojemności akumulatorów na skutek ich ustawicznego ładowania, a właśnie z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku zasilaczy UPS.

Gdy sieć energetyczna pracuje poprawnie, układy elektroniczne kontrolujące stan naładowania akumulatorów dążą do jak najszybszego uzupełnienia ładunku i permanentnego utrzymywania akumulatorów w stanie całkowitego naładowania. W przypadku akumulatorów niklowo-kadmowych, a także, aczkolwiek w mniejszym stopniu, akumulatorów litowo-jonowych jest to sytuacja niekorzystna, gdyż źle znoszą one stan permanentnego naładowania. Tego typu akumulatory należy przechowywać w stanie rozładowania. W przeciwnym razie następuje powolna i nieodwracalna utrata wodoru stanowiącego istotny składnik elektrolitu. Innymi słowy – utrzymywanie akumulatorów niklowo-kadmowych czy litowo-jonowych w stanie pełnego naładowania, a także ich doładowywanie po częściowym rozładowaniu przyczynia się do ich szybszego zużycia. Od tej wady wolne są akumulatory kwasowe, które należy przechowywać w stanie całkowitego naładowania, zaś ładowanie mające na celu uzupełnienie brakującej części ładunku nie powoduje jakichkolwiek negatywnych skutków.

Zagadnienie poprawnej eksploatacji akumulatorów żelowych było wielokrotnie omawiane na łamach Zabezpieczeń. Warto jedynie przypomnieć, że jest to skomplikowany proces, który wymaga ścisłego przestrzegania pewnych zasad. Podczas ładowania akumulatora napięcie na jego zaciskach powinno mieścić się w pewnych wąskich granicach, zależnych od temperatury i od wartości prądu ładowania, zaś podczas rozładowywania nie powinno spadać poniżej dolnej granicy, także zależnej od wielu czynników, gdyż powoduje to jego nieodwracalne zniszczenie. W przypadku zasilaczy UPS za prawidłowy przebieg tego procesu odpowiada specjalny układ elektroniczny, którego opis wykraczałby poza ramy niniejszego artykułu. Z punktu widzenia użytkowników ten proces przebiega automatycznie, bez konieczności jakichkolwiek ingerencji.

Nie mniej ważnymi składnikami zasilaczy UPS są falowniki. Są to układy elektroniczne przekształcające prąd stały w prąd przemienny. Początkowo były to układy o niskiej sprawności i małej mocy. Poprawa ich parametrów była możliwa dzięki postępom technologicznym w dziedzinie produkcji tranzystorów i diod impulsowych dużej mocy. Dlatego w początkowym okresie rozwoju telekomunikacji zasilacze rezerwowe miały postać maszyn stanowiących połączenie silników elektrycznych, generatorów prądu przemiennego i kół zamachowych. Tego typu konstrukcje wymagały częstej konserwacji i odznaczały się niską sprawnością energetyczną, a ich niezawodność pozostawiała wiele do życzenia. Dopiero zastosowanie nowoczesnych elementów półprzewodnikowych pozwoliło na skonstruowanie falowników o dużej mocy, odznaczających się wysoką sprawnością energetyczną.

Współczesne falowniki można podzielić na dwie grupy – na relatywnie doskonalsze urządzenia o złożonej konstrukcji, wytwarzające napięcie przemienne o przebiegu sinusoidalnym, i na urządzenia prostsze, wytwarzające napięcie przemienne o przebiegu prostokątnym.

W przypadku zasilania urządzeń elektronicznych mających wbudowane zasilacze impulsowe, takich jak komputery, monitory, drukarki, zastosowanie jednego lub drugiego rodzaju falownika nie stanowi większej różnicy, jednakże w przypadku zasilania urządzeń lub instalacji, w których wykorzystywane są elementy indukcyjne, takie jak silniki lub transformatory, konieczne jest stosowanie falowników dostarczających napięcie przemienne o przebiegu sinusoidalnym. Konstrukcja falowników wytwarzających napięcie sinusoidalne jest bardziej złożona od konstrukcji prostych falowników dających na wyjściu napięcie o przebiegu prostokątnym, dlatego są one droższe w produkcji, jednakże w pewnych przypadkach nie da się uniknąć ich stosowania.

Ze względu na sposób reagowania na zanik napięcia w sieci energetycznej zasilacze UPS można podzielić na dwie grupy – zasilacze pracujące w trybie on-line i zasilacze pracujące w trybie off-line. Pierwsze z nich zapewniają zachowanie ciągłości przebiegu wyjściowego napięcia przemiennego, zaś czas przełączania z zasilania sieciowego na akumulatorowe jest zerowy. Z reguły są to zasilacze UPS wytwarzające sinusoidalne napięcie przemienne, w których falowniki pracują przez cały czas i są zasilane z wyprostowanego napięcia sieciowego zredukowanego do poziomu 12 V, niczym nie różniącego się od napięcia dostarczanego przez akumulatory. W momencie awarii sieci energetycznej urządzenia zasilane za pomocą takich zasilaczy UPS nie odczuwają nawet najmniejszego zawahania w dopływie energii. Mogłoby się wydawać, że tego typu zasilacze UPS mogą mieć niską sprawność energetyczną, a więc być kosztowne w eksploatacji, jednakże w przypadku współczesnych urządzeń tak nie jest. Sumaryczna sprawność energetyczna urządzenia składającego się z prostownika sieciowego, przetwornicy wytwarzającej napięcie stałe równe 12 V oraz falownika wytwarzającego sinusoidalne napięcie wyjściowe jest wysoka i w praktyce przekracza 90%. Przyczynia się do tego wysoka jakość materiałów magnetycznych używanych do budowy rdzeni elementów indukcyjnych falowników oraz bardzo niskie straty podczas przetwarzania energii, wynikające z krótkich czasów przełączania i bardzo niskich rezystancji przewodzenia współczesnych impulsowych elementów półprzewodnikowych.

Ogromną zaletą zasilaczy UPS pracujących w trybie on-line jest ich działanie filtrujące. Jeśli nawet w sieci energetycznej występują jakieś zakłócenia czy drobne przepięcia, nie wpływa to na kształt przebiegu napięcia wyjściowego z falownika. Tak więc urządzenia zasilane za pomocą tego typu zasilaczy UPS mają lepsze warunki pracy niż w przypadku zasilania bezpośrednio z sieci energetycznej. W krańcowych przypadkach, w których powstające na skutek wyładowań atmosferycznych przepięcia w sieci energetycznej przyjmują niebezpiecznie duże wartości, na zniszczenie narażone są jedynie elementy wejściowe zasilaczy UPS, a nie zasilane za ich pomocą urządzenia.

Trójfazowe zasilacze UPS pracujące w trybie on-line także wykazują pewne istotne zalety. Przykładowo, w przypadku częściowej awarii sieci energetycznej, objawiającej się zanikiem napięcia w jednym lub nawet w dwóch przewodach liniowych, zasilacz UPS nadal dostarcza napięcie trójfazowe na wszystkich wyjściowych przewodach liniowych. Ograniczeniu może ulegać jedynie maksymalna moc wyjściowa, jednakże zachowana zostaje ciągłość zasilania.

Drugie ze wspomnianych zasilaczy UPS, czyli urządzenia pracujące w trybie off-line, mają prostszą konstrukcję i wykazują pewne niedoskonałości w działaniu. W takich zasilaczach falowniki są włączane dopiero po zaniku napięcia w sieci energetycznej, zaś w momencie awarii następuje nieznaczne opóźnienie w przejściu z zasilania sieciowego na zasilanie akumulatorowe, czyli przebieg wyjściowego napięcia przemiennego nie zachowuje pełnej ciągłości. Gdy sieć energetyczna pracuje poprawnie, wejście takiego zasilacza UPS jest połączone z wyjściem za pomocą styków przekaźnika, zaś falownik jest wyłączony. W momencie awarii sieci energetycznej dochodzi do krótkotrwałego zaniku napięcia, gdyż zarówno uruchomienie falownika, jak i przełączenie styków przekaźnika wymaga pewnego czasu. W zależności od konstrukcji zasilacza przebieg napięcia wyjściowego może zmieniać kształt z sinusoidalnego na prostokątny, jednakże te oczywiste wady nie muszą powodować żadnych zakłóceń w pracy urządzeń zasilanych przez tego typu zasilacze.

Większość komputerów czy innych urządzeń wchodzących w skład systemów teleinformatycznych ma wbudowane zasilacze impulsowe, które zawierają kondensatory o dużej pojemności. Energia zgromadzona w tych kondensatorach wystarcza do podtrzymania zasilania na czas krótkotrwałego zaniku napięcia na wyjściu zasilacza UPS, jednakże nie wszystkie odbiorniki energii elektrycznej są odporne na tego typu przerwy w zasilaniu. Stany nieustalone, powstające w momencie przełączania z zasilania sieciowego na akumulatorowe i odwrotnie – z akumulatorowego na sieciowe, mogą być na tyle duże, że mogą prowadzić do niekontrolowanego zawieszania się lub restartu zasilanych urządzeń. Dlatego rodzaj zasilacza UPS pracującego w trybie off-line powinien być dobrany z uwzględnieniem wymagań stawianych przez zasilane urządzenia.

Jak widać, zasilacze UPS znajdują wiele zastosowań i mogą mieć różne konstrukcje i różne parametry, zależnie od wymagań. Na rynku dostępnych jest wiele tego typu urządzeń. Informacje na ten temat znajdziecie Państwo w bieżącym numerze Zabezpieczeń.

Andrzej Walczyk

 

Zabezpieczenia 4/2015

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony