W artykule zdefiniowano kategorię zasilaczy UPS dużej mocy. Określono ich cechy charakterystyczne i wymagania środowiskowe. Przedstawiono podział na podgrupy i określono ich zastosowania. Omówiono ich wyposażenie, obsługę i serwis. Wskazano pojawiające się trendy rozwojowe w systemach centralnego zasilania awaryjnego.

Zasilacze UPS dużej mocy umieszczane są w większości przypadków w pomieszczeniach o ograniczonym dostępie. Wymagania ogólne i dotyczące bezpieczeństwa omawianej grupy zasilaczy zawarto w normie PN-EN 62040-1-2 [1]. Zadaniem tych zasilaczy poza zapewnieniem bezprzerwowości zasilania odbiorników prądu przemiennego jest często również polepszenie jakości źródła zasilania poprzez utrzymywanie wymaganych parametrów wyjściowych zasilacza oraz polepszenie parametrów obciążenia sieci zasilającej poprzez stosowanie na wejścia zasilacza układu korekcji współczynnika mocy (PFC). Zasilacze UPS dużej mocy produkowane są głównie w technologii z podwójnym przetwarzaniem (prostownik, falownik) powszechnie określanej jako „on-line”. Zgodnie z normą PN-EN 62040-3 [2] mogą być wykonane jako pojedyncze lub w postaci równolegle pracujących modułów, które jednocześnie mogą zapewniać redundancję. Grupa zasilaczy UPS dużych mocy obejmuje zasilacze od ok. 3,5 kVA do kilkuset kVA, czasami moce sięgają MVA.

Odrębną grupę zasilaczy UPS stanowią zasilacze mechaniczne, w których energia gromadzona jest w wirującym kole zamachowym. Są one wykorzystywane z powodzeniem w zastosowaniach przemysłowych. W tym artykule będziemy się jednak koncentrować na elektronicznych zasilaczach UPS, aktualnie znacznie bardziej rozpowszechnionych.

Cechy zasilaczy „on-line” i wymagania środowiskowe

Zasilacze „on-line” w podstawowym stanie pracy zapewniają chronionym odbiornikom pełną separację wyjścia od wejścia. Napięcie wyjściowe generowane jest przez wewnętrzny falownik. Falownik zasilany jest napięciem stałym dostarczanym przez prostownik w podstawowym stanie pracy, lub przez akumulatory w stanie autonomicznym. Ponieważ prostownik i falownik pracują w trybie ciągłym, a sprawność podwójnego przetwarzania we współczesnych zasilaczach wynosi ok. 80% ÷ 95 %, część mocy tracona jest na ciepło. Aby pozbyć się wydzielanego ciepła konieczne jest stosowanie wentylatorów, które niestety, dodatkowo są źródłem hałasu. Ciepło wydzielone wewnątrz zasilacza wyprowadzane jest do pomieszczenia, w którym umieszczono zasilacz. Konieczne jest więc instalowanie wymuszonej wentylacji pomieszczenia. Zasilacze UPS dużej mocy wykorzystują zespoły akumulatorów, których żywotność zależy m.in. od temperatury. Zapewnienie odpowiedniej temperatury możliwe jest przez stosowanie w pomieszczeniu klimatyzacji. Z powyższych rozważań wynika, że omawiane zasilacze wymagają wydzielonych klimatyzowanych pomieszczeń.

Zasilacze dużych mocy podłączane są do zasilania na trwałe lub przy pomocy złączy przemysłowych z jednoznacznie określonymi przewodami faz i zera oraz uziemienia ochronnego. Wymagają odpowiednich lokalizacji w pomieszczeniu ze względu na wentylację i serwis oraz wymagają odpowiedniej nośności stropów ze względu na swoją wagę. Zasilacze dużych mocy wyposaża się często w zewnętrze serwisowe przełączniki obejściowe umożliwiające całkowite bezprzerwowe odłączenie zasilacza w celu jego ewentualnej konserwacji, naprawy lub wymiany.

Przeznaczenie i podział zasilaczy UPS dużej mocy

Ogólnie zasilacze UPS dużych mocy zapewniają bezprzerwowość zasilania we wszelkich systemach zasilania rezerwowego. Mogą współpracować z wtórnymi źródłami energii np.: w postaci agregatów prądotwórczych lub same pełnić ich rolę, gdy są wyposażone w  bloki akumulatorów o dużej pojemności.

Zasilacze UPS dużej mocy pracują głównie w centralnych systemach zasilania awaryjnego, w szczególności te o mocach powyżej 10 kVA. Ponieważ stanowią one jedyne ogniwo bezprzerwowego zasilania istotna jest ich wysoka niezawodność. W celu zapewnienia dużej niezawodności korzysta się z systemów redundancyjnych w postaci zasilaczy modułowych lub łączy się równolegle zasilacze pojedyncze przystosowane do tego typu pracy. Aby zagwarantować redundancje należy pamiętać o odpowiednim obciążaniu. Redundancję można również zapewnić poprzez zastosowanie „czuwających” zasilaczy rezerwowych, na które przełączane jest obciążenie w przypadku awarii jednostki podstawowej.

Zasilacze UPS dużej mocy dzieli się ze względu na konfigurację wejścia i wyjścia na zasilacze z jedną fazą na wejściu i jedną fazą na wyjściu (1/1), z trzema fazami na wejściu i jedną na wyjściu (3/1) oraz z trzema fazami na wejściu i wyjściu (3/3). Znane są również rozwiązania z jedną fazą na wejściu i trzema fazami na wyjściu (1/3). Zasilacze w konfiguracji 1/1 produkowane są do mocy ok. 10 kVA ÷ 15 kVA, 3/1 do ok. 20 kVA ÷ 30 kVA a w konfiguracji 3/3 powyżej 10 kVA.

Zasilacze 1/1 do 10kVA stanowią aktualnie najpopularniejszą grupę zasilaczy dużych mocy. Umożliwiają one ochronę niedużych serwerowni oraz małych sieci komputerowych. W podstawowych wersjach (wykonane w technologii w.cz.) charakteryzują się niewielkimi gabarytami i niską ceną.

Zasilacze 3/1 stosuje się w miejscach, w których nie jest możliwe zapewnienie dostarczenia wymaganej mocy z jednej fazy. Może to mieć miejsce w remontowanych obiektach, w których wewnątrz wykonano dedykowaną instalację elektryczną do instalacji komputerowej a doprowadzenia i zabezpieczenia instalacji trójfazowej pozostały niezmienione. Oczywiście w tej sytuacji nie jest możliwe korzystanie z obwodów obejściowych w przypadku pełnego obciążenia zasilacza, gdyż wydzielona faza obejściowa ma prawdopodobnie nieodpowiednie parametry do zabezpieczenia pełnej mocy obciążenia. W przypadku, gdy konfigurację 3/1 stosujemy w celu równomiernego rozłożenia obciążenia na trzy fazy, a faza obejściowa zapewnia moc niezbędną do zasilania całej instalacji komputerowej, ten problem nie występuje. Zaletą stosowania konfiguracji 3/1 może być również fakt, że przy niepełnym obciążeniu wyjścia, zanik napięcia w jednej z faz wejściowych nie spowoduje jeszcze przejście zasilacza w tryb autonomiczny i zasilacz nie będzie pobierał energii z akumulatorów.

Zasilacze w konfiguracji 3/3 stosowane są do zapewnienia ciągłości zasilania dużych serwerowni i większych sieciach komputerowych. Oczywiście, służą one również do zabezpieczenia ciągłości procesów  technologicznych w przemyśle oraz, jak wszystkie wcześniej wymienione typy zasilaczy dużych mocy, znajdują zastosowanie we wszelkich innych dziedzinach aktywności człowieka.

Wyposażenie oraz wymagania obsługowe i serwisowe

Wadą systemów zasilania bezprzerwowego z centralnym zasilaczem UPS jest zależność całej chronionej sieci lub serwerowni od niezawodności zastosowanego zasilacza UPS. Aby zapobiec niekontrolowanym awariom zasilania, zasilacze takie powinny podlegać ciągłemu monitorowaniu. W celu monitorowania pracy, zasilacze „on-line” wyposaża się standardowo w złącza komunikacyjne szeregowe lub coraz częściej w adaptery SNMP ze złączami sieciowymi. Przyłączenie zasilacza do sieci komputerowej ma tę zaletę, że komputer nadzorczy nie musi znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie zasilacza UPS. Możliwe jest monitorowanie jego pracy z dowolnego komputera sieci lokalnej lub z dowolnego miejsca na ziemi w przypadku połączenia sieci lokalnej z Internetem. Adapter SNMP generuje stronę internetową, przy pomocy której możliwe jest nie tylko monitorowanie, ale nawet sterowanie pracą zasilacza. Na zabezpieczanych komputerach instaluje się oprogramowanie, które umożliwia zamknięcie systemu po otrzymaniu z zasilacza UPS odpowiedniego komunikatu.

Zasilacze wyposaża się opcjonalnie w interfejsy stykowe umożliwiające podłączenie zewnętrznych układów wykonawczych sterowanych sygnałami z zasilacza UPS np.: załączanie agregatu prądotwórczego w przypadku detekcji awarii zasilania przez zasilacz (oczywiście agregat musi być wyposażony w odpowiednią automatykę załączającą).

W celu natychmiastowego dostarczenia informacji do miejsc nadzoru instaluje się wysunięte panele sygnalizacyjne. Przyłącza się je przewodowo lub drogą radiową, gdy wyposażone są w autonomiczne źródło zasilania. Nadzorca ma ciągłą informację o stanie zasilacza UPS bez konieczności posiadania komputera.

Zasilacze UPS dużej mocy wyposaża się w wyłączniki przeciwpożarowe lub w złączą umożliwiające podłączenie wyłączników zewnętrznych.

Wewnątrz zasilaczy znajdują się automatyczne elektroniczne przełączniki obejściowe, wykorzystywane podczas chwilowych przeciążeń lub w stanach awarii zasilacza. Warunkiem ich zadziałania są odpowiednie parametry napięcia na wejściu. W zasilaczach większej mocy montuje się wewnątrz manualne obwody obejściowe załączane przez obsługę np.: w celu przeprowadzenia konserwacji zasilacza UPS. Aby umożliwić całkowite odłączenie zasilacza od instalacji zasilającej montuje się na zewnątrz zasilacza manualne serwisowe obwody obejściowe.

Ze względu na oszczędność energii część współczesnych zasilaczy UPS dużych mocy może pracować w tzw. „green mode” wykorzystując elektroniczny przełącznik obejściowy. Chronione odbiorniki zasilane są bezpośrednio z sieci elektrycznej przez obwód obejściowy, prostownik i falownik pracują bez obciążenia a akumulatory wewnętrzne zasilacza UPS są doładowywane. Gdy parametry napięcia wejściowego wyjdą poza dopuszczalny zakres następuje przełączenia obciążenia na falownik.

Zasilacze dużej mocy poza monitorowaniem wymagają okresowej obsługi, której koszty należy przewidywać już na etapie zakupu zasilacza. W ramach okresowej obsługi należy kontrolować akumulatory oraz system wentylacyjny zasilacza UPS tj. wentylatory i kanały wentylacyjne. Nie można również zapominać o systemie klimatyzacji pomieszczenia.

Akumulatory w zasilaczach dużej mocy łączy się z reguły szeregowo w zespoły dostarczające wysokich napięć dodatnich lub/i ujemnych do falownika. Takie zespoły mogą być uzupełnione dodatkowymi podłączonymi równolegle blokami akumulatorów w celu wydłużenia pracy zasilacza w stanie autonomicznym. Uszkodzenie jednego akumulatora w całej instalacji powoduje nieprawidłowy rozkład napięć i prądów na pozostałych akumulatorach i w konsekwencji prowadzi do uszkodzenia pozostałych. Ważne jest więc prowadzenie okresowych specjalistycznych pomiarów akumulatorów, aby w porę dokonać ich wymiany przed awarią systemu. W przypadku uszkodzenia jednego akumulatora należy wymienić wszystkie akumulatory połączone szeregowo w danym zespole lub w dwóch analogicznych, gdy pracują w łańcuchach dostarczających dodatniego i ujemnego napięcia. Wynika to z zaleceń producentów akumulatorów, wg których w jednym zespole szeregowym nie powinny pracować akumulatory, które wyprodukowano w odstępie większym niż trzy miesiące (oczywiście tego samego typu i od tego samego producenta).

Kolejnym elementem podlegającym okresowej obsłudze jest system wymuszonej wentylacji zasilacza. W trakcie przeglądu wykonuje się czyszczenie kanałów wentylacyjnych oraz w miarę potrzeb wymienia się wentylatory.

Na częstotliwość przeglądów wpływa lokalizacja zasilacza UPS. Przeglądów należy dokonywać tym częściej im większe jest zapylenie i temperatura pomieszczenia. Przeglądy wykonuje się również, po przerwach eksploatacyjnych zasilacza spowodowanych np.: remontem pomieszczeń, zmianą lokalizacji UPS lub planowym wyłączeniem na dłuższy czas. Tylko systematyczne przeglądy podnoszą niezawodność systemów z centralnym zasilaniem awaryjnym w szczególności w systemach bez redundancji.

Trendy rozwojowe w systemach centralnego zasilania awaryjnego

Celem konstruktorów współczesnych zasilaczy UPS dużej mocy jest zwiększenie ich sprawności, obniżanie zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym zasilacza oraz obniżanie zniekształceń napięcia wyjściowego. Aby to osiągnąć, w stopniach mocy prostowników i falowników współczesnych elektronicznych zasilaczy UPS wykorzystuje się powszechnie nowoczesne elementy mocy, jakimi są tranzystory IGBT, a do ich sterowania - procesory sygnałowe charakteryzujące się dużą wydajnością przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Stosuje się technologię w. cz. pozwalającą na zmniejszenie wagi i gabarytów omawianych zasilaczy poprzez eliminacje elementów indukcyjnych zbudowanych na ciężkich rdzeniach stalowych. W konsekwencji prowadzi to do obniżenia kosztów produkcji takich zasilaczy przy jednoczesnej poprawie ich parametrów.

W systemach zasilania bezprzerwowego o mocach na poziomie MVA, chętnie korzysta się z zasilaczy pojedynczych o mocach setek kVA połączonych równolegle w bloki o wymaganej mocy. Trend ten przenosi się na zasilacze o mocach ok. 5 kVA ÷ 40 kVA, a wynika on z optymalizacji kosztów na etapie inwestycji. Możliwe jest ograniczenie wydatków jednorazowych i rozłożenie inwestycji w czasie w zależności od przyszłych potrzeb. Wraz ze wzrostem obciążenia dołączane są równolegle kolejne, takie same zasilacze. Takie podejście użytkowników wymusza na producentach zasilaczy UPS konieczność dostarczania na rynek zasilaczy „on-line” o stosunkowo małych mocach przystosowanych do pracy równoległej.

Innym podobnym rozwiązaniem są systemy modułowe. Rozbudowa zasilacza UPS polega na dołączaniu np.: przez wsunięcie kolejnych modułów o określonej mocy do wcześniej zainstalowanej konstrukcji nośnej zasilacza. Zdarza się, że rozbudowy lub naprawy można dokonać na „gorąco” bez wyłączania zasilania systemu. W niektórych rozwiązaniach zasilaczy modułowych możliwa jest również dowolna konfiguracja wejścia i wyjścia w zależności od aktualnych wymagań środowiskowych i potrzeb użytkownika.

 

STRONA GŁÓWNA