Topologie UPS – wprowadzenie i porównanie

Obecnie systemy UPS są zwykle wykorzystywane do obsługi centrów danych, centrów łączności i innych aplikacji wykorzystujących wrażliwy sprzęt ICT. Ciągła praca tych urządzeń ma zazwyczaj kluczowe znaczenie dla przetrwania ich właścicieli, więc czyste i nieprzerwane źródło zasilania staje się wymaganiem o znaczeniu krytycznym. W tych okolicznościach zasilacze UPS są zrozumiałym i najbardziej popularnym wyborem. Dostarczają przetworzoną, czystą energię w każdych warunkach i zapewniają ciągłą pracę urządzeń w przypadku zaniku zasilania. Jednak wciąż istnieje wiele aplikacji o mniej krytycznych wymaganiach, które mogą korzystać z tańszych rozwiązań jakimi są UPS offline.

Mając to na uwadze, Mike Elms, Kierownik Sprzedaży Technial dla Uninterruptible Power Supplies, firma Kohler, porównuje topologie UPS „on-line” i „off-line” wraz z trzecią wersją – line-topologią interaktywną – umożliwia czytelnikom Electrical Review świadomy wybór w zakresie ochrony zasilania dla siebie lub swoich klientów. Ponieważ rosnące koszty energii podtrzymują zapotrzebowanie na lepszą efektywność energetyczną, w artykule dokonano także przeglądu działania UPS w trybie Eco i jego wkładu w poprawę PUE.

Aplikacje korzystające z zasilaczy UPS różnią się znacznie zarówno wielkością, jak i naturą. Małe urządzenia biurkowe lub urządzenia pomiarowe mogą być uruchamiane z przenośnego urządzenia o mocy do 250 VA, podczas gdy duże Data Center obsługujące znaczące przedsiębiorstwo może wymagać wielu jednostek dostarczających do 5 MVA lub więcej.

Topologia UPS on-line i zalety

Niezależnie od ich wielkości i topologii, wszystkie UPS-y zależą od baterii, sposobu jej ładowania i sposobu konwersji jej prądu stałego na prąd przemienny dla krytycznego obciążenia podczas awarii sieci. UPS zasilany on-line wykonuje te funkcje za pomocą szeregu bloków energetycznych między zasilaniem sieciowym i odbiornikiem krytycznym. Rys. 1. Pierwszą z nich jest prostownik, który ładuje akumulator, gdy sieć jest obecna. Dostarcza również stabilne napięcie prądu stałego do drugiego bloku – falownika zasilającego obciążenie krytyczne. Podczas awarii sieci bateria płynnie dostarcza prąd stały do falownika, dlatego też zanik zasilania pozostaje niezauważalny dla urządzenia końcowego, chyba że akumulatory ulegną rozładowaniu. Ta topologia jest wskazana dla urządzeń końcowych, które nie są w stanie pokonać opóźnienia przełączania.

Rys 1: On-line UPS operation

Kolejna ważna zaleta wynika z topologii podwójnej konwersji on-line UPS-a. Prostownik wejściowy usuwa wszystkie przychodzące impulsy sieciowe, stany przejściowe i szumy, przekształcając je w DC. Falownik zasila obciążenie nowym, czystym sygnałem AC, który jest ściśle regulowany przez UPS. Prostownik zapewnia również korekcję współczynnika mocy, która redukuje harmoniczne wysokie częstotliwości i prąd pobierany z sieci. UPS on-line działa jak prawdziwy firewall, chroniąc wrażliwe oprzyrządowanie i sprzęt ICT przed problemami z sieci.

Topologia off-line

UPS te, podczas normalnej pracy, podają bezpośrednio napięcie z sieci do urządzeń końcowych poprzez przewód obejściowy i przełącznik statyczny – patrz rys. 2. Obciążenie jest zatem narażone na niską regulację napięcia i ewentualnie szum i zakłócenia z sieci. Jeśli sieć przekroczy ustawione wartości graniczne, przełącznik statyczny przenosi obciążenie do falownika UPS i akumulatora – przerwa w przełączaniu może trwać od 2 ms do 10 ms. Wielu operatorów centrów danych i innych wrażliwych urządzeń uważa, że ​​systemy UPS off-line nie nadają się do zastosowań ICT ze względu na parametry jakości energii i przerwy w przełączaniu.

Rys 2: Off-line UPS topology

Inną wadą podstawowego systemu off-line jest to, że w przeciwieństwie do on-line nie może kompensować przekroczeń napięcia sieci zasilającej. Zamiast tego musi natychmiast zareagować, przełączając się między obejściem a falownikiem dla każdego zdarzenia. Może to występować często, jeśli zasilanie sieciowe jest niestabilne lub urządzenie końcowe  ma wąską tolerancję napięcia. Skutkiem częstych przełączeń jest skrócenie żywotności akumulatorów bądź ich nie doładowywanie. Ze względu na dużo niższe koszty zakupu i utrzymania UPS-ów on-online warto je zastosować w przypadku urządzeń, które nie są wrażliwe na zaniki i jakości zasileń.

Interaktywne line-interactive UPS

Niektórzy producenci zasilaczy UPS oferują także interaktywne systemy UPS. Wykorzystują one topologię off-line, ale rozwiązują problemy jakości napięcia w systemach off-line wspomnianych wcześniej. Robią to regulując napięcia bezpośrednio w linii zasilającej urządzenie podczas normalnej pracy – patrz rys. 3. Ta regulacja napięcia, poprzez zmniejszenie liczby napięć na wyjściu z obciążenia, obniża częstotliwość sieci zasilającej. Rozwiązanie to zmniejsza ilość przerw w zasilaniu dzięki czemu zwiększa się żywotność akumulatorów.

Rys. 3: Line interactive UPS with buck/boost transformer

Systemy liniowo-interaktywne są zwykle realizowane z transformatorami typu buck / boost lub transformatorami ferrorezonansowymi. Transformatory buck / boost zachowują swoje napięcie obciążenia w zakresie napięcia wejściowego od + 20% do -30%, jednak ich przełączanie odbywa się za pomocą przełączników statycznych. Transformatory ferrorezonansowe zazwyczaj dostarczają napięcie obciążenia w granicach 3% wartości nominalnej w surowym zakresie zasilania od + 20% do -40%. Zapewniają także kondycjonowanie i ochronę przed zakłóceniami, takimi jak zakłócenia linii elektrycznych. Jednak ich główną zaletą jest to, że przechowują one wystarczająco dużo energii elektrycznej, aby obsłużyć urządzenia podczas załączania się falownika. Jest to podobne rozwiązanie co w UPS-ach on-line.

Wraz z rosnącymi cenami energii, presją nad poprawą efektywności energetycznej w centrum danych, PUE ponownie zainteresowało się trybem ekologicznym zasilaczy UPS pracujących w sieci. Ten tryb umożliwia użytkownikom korzystanie bezpośrednio z sieci elektrycznej podczas normalnej pracy, dzięki czemu oszczędzają energię, która zostałaby utracona przez nieefektywność UPS-a. Użytkownik może sam zdecydować, czy pracuje w trybie eco czy też przejść na tryb on-line w momencie powstania zakłóceń.

Ogólnie rzecz biorąc, operatorzy odpowiedzialni za Data Center i inne krytyczne lub wrażliwe obciążenia preferują przetworzoną moc „bez przerw”, którą mogą zapewnić tylko zasilacze UPS. Jednak aby w pełni wykorzystać topologię i jej potencjał w zakresie ochrony, UPS-y powinny być instalowane jako część schematu zasilania, który uwzględnia wszystkie ewentualności. Na przykład przypuśćmy, że prostownik UPS i linia obejściowa są zasilane ze wspólnego źródła zasilania, które w pewnym momencie cierpi z powodu awarii zasilania przekraczającej autonomię baterii UPS. Zasilacz UPS nie ma dalszych opcji, więc zasilanie krytycznego obciążenia zostanie utracone. W niektórych zastosowaniach może to być dopuszczalne, ponieważ autonomia akumulatora UPS zapewnia wystarczającą ilość czasu na bezpieczne wyłączenie urządzeń. W innych to nie wystarcza, ponieważ jakakolwiek utrata usługi jest niedopuszczalna.

Jednym z rozwiązań jest zastosowanie konfiguracji znanej jako split bypass, w której linia obejściowa i prostownik UPS są podłączone do różnych sieci zasilających. Oznacza to, że jeśli zasilacz UPS ulegnie awarii, a jego bateria zostanie wyczerpana, UPS może przełączyć się na drugą linię zasilającą zapewniając ciągłość zasilania (choć nie pozbawioną zakłóceń i szumów).

Innym szeroko stosowanym rozwiązaniem jest podłączenie rezerwowego generatora jako alternatywnego zasilania do UPS. Jeśli UPS wykryje awarię sieci, która jest czymś więcej niż przejściowym problemem, może wysłać sygnał startowy do generatora.

Oprócz ochrony obciążenia przed problemami z zasilaniem, UPS musi również zarządzać problemami spowodowanymi przez sam ładunek. Odpowiedź UPS-a na przeciążenie może polegać na przeniesieniu go na bypass – ale jeśli zasilanie obejścia nie będzie dostępne, to po prostu pozbędzie się obciążenia. Lepszą alternatywą może być umożliwienie zasilaczowi UPS zasilania przeciążenia przez określony czas wystarczający do automatycznego odłączenia przez bezpiecznik lub wyłącznik automatyczny. W tym czasie sam UPS może być chroniony przez pracę w trybie ograniczonego prądu i obniżonego napięcia, co jest lepsze niż całkowita utrata mocy.

Podsumowując, możemy powiedzieć, że w przypadku aplikacji krytycznych lub wymagających delikatnego sprzętu, topologia on-line UPS jest jedynym rzeczywistym rozwiązaniem, ze względu na dostarczanie kondycjonowanej energii i bezproblemowe przesyłanie do baterii. W przypadku mniej krytycznych zastosowań topologia off line może być odpowiednia i atrakcyjna ze względu na zredukowany kapitał i koszty operacyjne. Interakcyjne systemy liniowe oferują udoskonaloną topologię off-line, zapewniającą lepsze kondycjonowanie i regulację mocy oraz mniejsze zużycie baterii. Dzięki PUE zwiększyło się zainteresowanie trybem eco, ale ma on większość cech i wad z topologii off-line. Najlepsze możliwe wyniki w zakresie jakości i dostępności zasilania dają systemy UPS pracujące w trybie on-line zaprojektowane w ramach ogólnej strategii ochrony zasilania.