- UPS -
• Různé typy systému UPS a jejich vlastnosti vyvolávají často nejasnosti v
oblasti datových středisek.
• Velmi rozšířený je například názor, že existují
pouze dva typy systémů UPS, a to off-line a online. Tyto dva běžně používané
termíny však nepopisují mnoho z dostupných systémů UPS správně.
• Topologie
UPS určuje základní vlastnosti návrhu UPS.
Typy UPS
• Při implementaci
systému UPS jsou používány různé konstrukční návrhy s různými výkonnostními
charakteristikami. Mezi nejčastěji používané konstrukční návrhy patří
následující:
o Offline
o Line interaktivní
o Offline s izolačním
transformátorem
o Online s dvojí konverzí
o Online s delta konverzí
Offline UPS
• Pasivní systémy UPS představují nejrozšířenější typ systému UPS
používaný pro osobní počítače.
• Přepínač znázorněný v blokovém schématu na
obrázku určuje jako primární napájecí zdroj filtrované střídavé vstupní napětí
(plná čára) a v případě jeho výpadku přepne na baterii/invertor sloužící jako
záložní zdroj.
• Dojde-li k výpadku primárního zdroje, musí přepínač přepnout
zatížení na záložní zdroj, kterým je baterie/invertor (přerušovaná čára).
Invertor je spuštěn pouze v případě výpadku napájení.
• Mezi hlavní výhody
tohoto uspořádání patří vysoká účinnost, malé rozměry a nízká cena. Pokud jsou
tyto systémy vybaveny správnými filtračními obvody a obvody pro potlačení rázů,
mohou poskytovat také přiměřenou filtraci šumu a ochranu proti přepětí.
Line Interactive UPS
• Představuje nejčastější návrh používaný pro malé
podniky a webové a střediskové servery.
• Převodník stejnosměrného napětí
baterie na střídavé napětí (invertor) je v tomto návrhu stále připojen k výstupu
UPS. V době, kdy je normálně k dispozici vstupní střídavé napětí, funguje
invertor opačně a dobíjí baterii.
• Dojde-li k výpadku vstupního napájení,
přepínač se otevře a energie bude proudit z baterie do výstupu UPS.
• Díky
tomu, že je invertor stálé zapnutý a připojený k výstupu, poskytuje toto
uspořádání vyšší možnosti filtrace a redukce spínacích proudových rázů v
porovnání s topologií offline systému UPS.
• Někdy transformátor s odbočkami
• Regulace napětí nastavením odbočky
transformátoru podle měnícího se vstupního napětí
• Regulace napětí
představuje důležitou funkci v podmínkách nízkého napětí, jinak by mohl systém
UPS přejít na napájení z baterie a nakonec by se mohl vypnout. Takové časté
použití baterie by mohlo vést k jejímu předčasnému znehodnocení.
• Invertor
však může být také navržen tak, aby byl v případě svého selhání stále otevřen
tok energie ze vstupního střídavého napětí do výstupu. Tím je odstraněno
potenciální místo selhání a jsou efektivně poskytnuty dvě nezávislé trasy
napájení.
• Díky vysoké účinnosti, malým rozměrům, nízké ceně, vysoké
spolehlivosti a možnostem korekce podmínek nízkého či vysokého napětí v síti,
představuje tento typ nejčastěji používaný systém UPS v oblasti výkonu 0,5 - 5
kVA.
Offline systém UPS s izolačním transformátorem
• Offline systém UPS s
izolačním transformátorem býval dominantním typem UPS v oblasti 3 - 15 kVA.
•
Speciální sycený transformátor se třemi vinutími (připojení napájení). Primární
trasa napájení vede z vstupního střídavého napětí přes přepínač a transformátor
do výstupu. V případě výpadku napájení se přepínač otevře a výstupní zatížení
převezme invertor.
• Přednostmi tohoto uspořádání jsou vysoká spolehlivost a znamenitá filtrace.
Velmi nízká účinnost tohoto typu však spolu s nestabilitou při použití s
některými generátory a novějšími počítači s korekcí účiníku vedly k výraznému
poklesu jeho obliby.
• Hlavním důvodem, proč již nejsou offline systémy UPS s
izolačním transformátorem běžně používány, je jejich základní nestabilita při
provozování k napájení moderních počítačů. Všechny velké servery a síťové prvky
používají napájecí zdroje s korekcí účiníku, které z elektrického vedení
odebírají pouze sinusový proud, podobně jako žárovka. (Tohoto hladkého odběru
proudu je dosaženo pomocí kondenzátorů, což jsou zařízení, která „vedou“
svorkové napětí).
Online systém UPS s dvojí konverzí
• Jedná se o
nejčastěji používaný typ systému UPS v oblasti nad 10 kVA. Blokové schéma online
systému UPS s dvojí konverzí, které je znázorněno na obrázku, je stejné jako pro
offline systém UPS, s tím rozdílem, že primární trasou napájení je invertor
namísto střídavého napětí v síti.
• U typu online s dvojí konverzí se neaktivuje přepínač při výpadku střídavého
vstupního napájení, protože střídavý vstup nabíjí záložní baterii, která napájí
výstupní invertor. Při výpadku vstupního střídavého napájení bude proto okamžitě
zahájen provoz online.
• Dobíječka baterie i invertor u tohoto typu systému
převádějí celý tok energie zátěže, což vede k nižší účinnosti a souvisejícímu
vytváření tepla.
• Tento typ systému UPS poskytuje téměř ideální elektrické
výstupní parametry. Neustálá zátěž výkonových součástí však snižuje spolehlivost
oproti jiným typům a energie spotřebovaná kvůli nízké elektrické účinnosti tvoří
významnou součást nákladů na provoz tohoto systému UPS během doby jeho
životnosti. Vstupní energie odebíraná velkou dobíječkou baterie je také často
nelineární a může mít nepříznivý vliv na elektrické rozvody v budově nebo
způsobovat problémy se záložními generátory.
Online systém UPS s delta
konverzí
• Tento typ systému UPS, znázorněný na obrázku, je založen na 10 let
staré technologii vyvinuté tak, aby byly odstraněny nedostatky typu online s
dvojí konverzí.
• Tento systém je k dispozici pro oblast výkonu od 5 kVA do
1,6 MW.
• Podobně jako u typu online s dvojí konverzí i v online systému UPS
s delta konverzí invertor stále dodává napětí pro zatížení.
• Energii do
výstupu invertoru však dodává také přídavný delta převodník.
• Při výpadku
nebo poruchách střídavého napájení vykazuje tento typ stejné chování jako typ
online s dvojí konverzí.
• Jednoduchý způsob, jak porozumět energetické účinnosti topologie s delta
konverzí, je představit si energii potřebnou na vynesení balíku ze 4. do 5.
patra budovy, jak znázorňuje obrázek. Technologie delta konverze šetří energii
tím, že přenáší pomyslný balík pouze v rozdílu výšek (delta) mezi počátečním a
koncovým bodem. Online systém UPS s dvojí konverzí převádí energii do baterie a
zpět, zatímco delta převodník přenáší části energie ze vstupu na výstup.
• U online systému s delta konverzí plní delta převodník dvě funkce.
• První
je řídit charakteristiky vstupního napájení. Tato aktivní přední součást odebírá
energii sinusově, čímž minimalizuje harmonické kmity odrážené do elektrického
vedení. Tím je zajištěna optimální kompatibilita mezi vedením a systémem
generátoru a omezeno vytváření tepla a opotřebení rozvodného systému.
•
Druhou funkcí delta převodníku je řídit vstupní proud a regulovat tak dobíjení
systému baterie.
• Online systém UPS s delta konverzí má stejné výstupní
charakteristiky jako online systém s dvojí konverzí.
• Vstupní
charakteristiky se však často liší. Typ online s delta konverzí poskytuje
dynamicky řízený vstup s korekcí účiníku bez neefektivního použití filtračních
bloků, které jsou obvyklé u klasických řešení.
• Nejvýznamnějším přínosem je
značné snížení energetických ztrát. Díky řízení vstupního výkonu je tento systém
UPS také kompatibilní se všemi typy generátorů a omezuje nutnost použití
elektroinstalace a generátorů s nadměrnou kapacitou. Technologie online s delta
konverzí je v současnosti jedinou základní technologií systémů UPS chráněnou
patenty a není proto k dispozici u velkého počtu dodavatelů systémů UPS.
• Za
stabilních podmínek umožňuje delta převodník systému UPS dodávat na výstup
energii s mnohem vyšší účinností než u typu s dvojí konverzí.
Souhrn typů
systému UPS
Praktické použití jednotlivých typů UPS