Apie UPS

UPS, koks tai daiktas ir kaip jis veikia

Nepertraukiamo maitinimo šaltinis UPS (Uninterruptable Power Source) – tai įrenginys jungiamas tarp maitinimo šaltinio (220V tinklo rozetės) ir elektros energijos vartotojo (kompiuteris, mini telefono stotis, buitinė technika ir t.t.), kuris net dingus pagrindinio maitinimo šaltinio įtampai toliau maitina energijos vartotoją. Tam tikslui UPS naudoja akumuliatorių baterijos energiją.

Jeigu pažiūrėti plačiąja prasme, prie nepertraukiamo maitinimo šaltinių galima priskirti daug ką, pradedant kompiuterio baterija, maitinančia CMOS mikroshemą, baigiant poros šimtų kilovatų dyzeliniu generatoriumi. Tačiau UPS priimta vadinti įrenginius, kurių išėjimo galingumas nuo 100VA iki 5-10kVA.

Tradiciškai UPS atlieka sekančias funkcijas:

  1. Absorbuoja salyginai nedidelius viršįtampius.
  2. Sušvelnina maitinimo tinklo pulsacijas.
  3. Trumpų bet didelių tinklo svyravimų metu pilnai aprūpina maitinama įrangą energija.
  4. Net visiškai dingus maitinimo tinklo įtampai, tam tikrą laiką maitina įrangą.

Papildomai dalis kurie UPS arba UPS su specialia programinė įranga atlieka sekančias funcijas:

  1. Automatiškai išjungia maitinamą įrangą, jei maitinimo tinklo įtampa dingsta ilgesniam laikui.
  2. Kontroliuoja ir registruoja maitinimo šaltinio būseną.
  3. Parodo maitinamos įrangos suvartojamą įtampą ir srovę.
  4. Perkrauna įrangą po ilgo tinklo įtampos nebuvimo.
  5. Parodo esamą tinklo įtampą.
  6. Reikiamu momentu skelbia aliarmą.
  7. Apsaugo nuo trumpo sujungimo.

UPS industrijoje naudojama daugybė scheminių sprendimų, tačiau taip jau susiklostė, kad egzistuoja kelios tipines topologijos. Pačios pagrindinės – tik dvi, tai On-line ir Off-line.

Paprastas Of-line (Standby) UPS

BACK UPS
BACK UPS veikimo schema

Tai paprasčiausia rezervinio maitinimo šaltinio topologija, turi 2 darbo rėžimus Standby ir On-line. Jeigu maitinimo tinklo įtampa yra normos ribose, UPS yra Standby rėžime ir veikia kaip paprasčiausias pasyvinis filtras.

Tinklo įtampa patenka į EMI/RFI (ElectroMagnetic Interference and Radio Frequency Interference) trukdžių slopintuva, kuris saugo UPS elektroniką ir maitinamą aparatūrą nuo žaibo bei trumpų bet galingų trukdžių ir dažniausiai daromas iš metalo oksido varistorių. Po impulsų slopintuvo tinklo srovė patenka į pasyvinį filtrą ir per rėžimų komutatorių patenka į apkrovą.

Šiame rėžime atliekamas akumuliatorių baterijos krovimas. Jeigu jie įkrauti – krautuvas pereina į palaikymo rėžimą, kurio metu kompensuojamas vidinis akumuliatorių nuotėkis. Labai dažnai taupymo sumetimais krautuvo funkciją atlieka įtampos keitiklio transformatorius, kuris neatjungiamas nuo tinklo ir papildomos apvijos, lygintuvo bei paprasčiausio įtampos stabilizatoriaus dėka atlieka akumuliatorių krovimą.

Tinklo įtampai patekus už leistinų ribų, komutatorius perjungia UPS apkrovą prie DC-AC keitiklio išėjimo. UPS pereina į On-line rėžimą, įjungiamas DC-AC keitiklis, kuris naudodamas akumuliatorių energiją, apkrovai generuoja kintamą 50Hz, 300V (220V efektinė) amplitudes sinuso arba stačiakampės formos įtampą. Krautuvas tuo metu atjungiamas.

Kadangi akimirksniu keitiklis pasileisti, o komutatoriaus kontaktai persijungti negali, apkrovos maitinimas trumpam laikui („transfer time“) bus nutrauktas. Daugumos šio tipo šaltinių persijungimo laikas maždaug lygus 4-8 ms.

Šio tipo UPS ypatybės:

  1. Tinklo įtampai peržengus leistinas ribas, perjungimas į rėžimą On-line atliekamas iš karto, o sugrįžimas atgal į rėžimą Standby – su keletos sekundžių būtinu užlaikymu. Tai leidžia išvengti bereikalingų rėžimo perjungimų, kai tinkle vienas po kito seka eilė įtampos šuolių.
  2. Ši schema neturi stabilizacijos galimybės Standby rėžime ir atitinkamai bet kokio tinklo įtampos šuolio metu ji persijungia į On-line rėžimą. Todėl prastos maitinimo tinklo kokybės atvėju ši topologija neefektyvi, nes:
    1. dažnai persijunginėjant į On-line rėžimą – akumuliatorių baterija greitai išsikrauna, o nedidelio galingumo krautuvas negali greitai atstatyti įkrovos, UPS praranda avarinio maitinimo galimybę.
    2. dažnas krovimo/iškrovimo ciklų pasikartojimas mažina akumuliatorių baterijos tarnavimo laiką.
  3. Daugumos šio tipo UPS išėjimo įtampos forma – stačiakampė aproksimacija, o ne sinusas, todėl tokie šaltiniai ir On-line rėžime neturi išėjimo įtampos stabilizacijos. Del neharmoninės įtampos išėjimo formos jie nelabai tinka maitinti induktyvinę apkrovą (didesni nuostoliai transformatorių ir variklių šerdyse). Beto, tokių keitiklių darbo metu išspinduliuojamas didesnis elektromagnetinių trukdžių lygis.
  4. Ši topologija pasižymi geru naudingo veiksmo koeficientu, nes Standby rėžime, kai akumuliatoriai pakrauti, UPS vidinės schemos suvartoja labai nedaug energijos.
  5. Dauguma šio tipo UPS neturi mikroprocesorinės valdymo ir monitoringo sistemos.

Pagal šią topologiją gaminami dauguma žemiausios kainų kategorijos UPS, tame tarpe APC Back-UPS, tipinis galios diapazonas 100VA – 2kVA.

Line-Interactive UPS

 Tai irgi Of-line principu veikianti topologija, bet šioje schemoje AC/DC keitiklis visada prijungtas prie UPS išėjimo ir jo veikimo principas gana sudėtingas. Jis atlieka ne tik akumuliatorių energijos keitimą į 220V ir 50Hz kintamą įtampą, bet ir krauna akumuliatorių baterijas bei atlieka 3 pakopų stabilizatoriaus funkciją (taip vadinama AVR).

Pagal šią topologiją gaminami dauguma vidutinės kainų kategorijos UPS, tame tarpe APC Smart-UPS ir Back-UPS Pro, tipinis galios diapazonas 250VA – 3kVA.

Žiemiau pateikta detalesnė struktūrinė Line-Interactive topologijos shema, kuri dažniausiai naudojama APS Smart-UPS’uose.

Tinklo įtampa patenka į impulsų slopintuvą ir trukdžių filtrą. Jeigu įtampa normos ribose, komutatoriaus K1 kontaktai perduoda ją įtampos „stabilizatoriaus“ (AVR) komutatoriams K2 bei K3 ir per išėjimo rėlę K4 įtampa patenka į apkrovą. Keitiklio išėjimo transformatorius nuolat prijungtas prie apkrovos.

Tinklo įtampos reikšmei esant normos ribose, AC/DC keitiklis atlieka krautuvo funkciją. Tai atliekama perjungiant jį į ypatingą „reversinį“ rėžimą, kurio metu jis veikia kaip aktyvinis lygintuvas.

 

APC Smart-UPS AVR (įtampos korekcijos) veikimo ypatybes:

Komutatoriai K2 bei K3 naudojami išėjimo įtampos korekcijos rėžimams BOOST ir TRIM. Jeigu, pavyzdžiui, maitinimo įtampa padidėjo ir peržengė leistiną ribą, komutatoriai K2 ir K3 nuosekliai pagrindinei apvijai W1 prijungia papildomą apviją W3. Gauname autotransformatorių, kurio transformacijos koeficientas:

K=W1/(W1+W3)

mažesnis už vienetą, o išėjimo įtampa sumažinama 10-20% (rėžimas Smart TRIM).

Jeigu tinklo įtampa dėl kažkokių priežasčių sumažėjo, komutatoriai K2 ir K3 papildoma apviją W3 prijungia atvirkščiai. Transformacijos koeficientas:

K=W1/(W1-W3)

didesnis už vienetą, o išėjimo įtampa padidinama 10-20% (rėžimas Smart BOOST). Perjungimo histerėzes slenksčius galima nustatyti su APC programa PowerChute. Tokiu būdu tam tikrose ribose išėjimo įtampa koreguojama iki saugios reikšmės neįjungiant AC/DC keitiklio ir nenaudojant akumuliatorių baterijos energijos.

Šio tip UPS esanti stabilizacijos galimybė negalima vadinti pilnaverte, nes realizuojama paprasčiausiai komutuojant papildomą keitiklio transformatoriaus apviją ir jos 3 žingsnių diapazonas sudaro tik apie 10-20% į kiekvieną pusę. Perjungimas yra šuolinis, tačiau daugeliu atvėjų to pilnai pakanka ir schema sugeba dirbti normaliame rėžime, kai kiti Of-line principu veikiantys UPS jau būtų persijungę į darbo iš baterijų rėžimą.

Ši ypatybė leidžia Line-Interactive UPS naudoti gerokai sunkesnėmis sąlygomis, esant blogos kokybės maitinimo tinklui.

Tinklo įtampai nukrypus dar daugiau arba dingus visiškai, atsijungia komutatoriai K1, K2, K3, įsijungia galingas AC/DC keitiklis kuris maitinamas iš akumuliatorių baterijos ir veikia impulso pločio moduliacijos principu. Perjungimo metu keitiklis pratesia tinklo įtampos svyravimo fazę taip sumažinama pereinamojo proceso amplitudė ir trukmė. Per išėjimo filtrą į apkrovą patenka sinuso formos ir jau stabilios amplitudės įtampa.

Line-Interactive UPS ypatybės:

  1. Ši schema turi 3 pakopų įtampos korekcijos galimybę Standby rėžime ir atitinkamai nedidelių tinklo įtampos šuolio metu ji nepersijungia į On-line rėžimą ir nenaudoja akumuliatorių energijos. Ši topologija gerai veikia esant blogesnės kokybės maitinimo tinklui.
  2. Beveik visi šio tipo UPS turi gerą išėjimo įtampos formą – sinusą, todėl tokie šaltiniai puikiai tinka maitinti bet kokio tipo apkrovą.
  3. Šaltiniai On-line rėžime turi pilnavertę išėjimo įtampos stabilizaciją ir palaiko ją 5% tikslumu.
  4. Ši topologija pasižymi geru naudingo veiksmo koeficientu Standby rėžime nes UPS vidinės schemos suvartoja labai nedaug energijos, o On-line rėžime atliekamas tik vieno laipsnio energijos keitimas.
  5. Rėžimų perjungimo metu išėjimo įtampoje atsirandantys pereinamieji procesai yra mažos amplitudės ir paprastai netrunka daugiau kaip 5ms.
  6. Beveik visi šio tipo UPS turi mikroprocesorinę valdymo ir monitoringo sistemą.

True Double-Conversion On-line UPS

Iš pimo žvilgsnio On-line UPS topologija labai nesudėtinga ir niekuo nesiskiria nuo paprastos Of-line topologijos. Tačiau keitiklis šioje shemoje veikia pastoviai, ir dingus maitinimo tinklo įtampai jo darbo rėžimas nesikeičia. Maitinimo tinklo įtampai esant normos ribose, keitiklio suvartojama energija pilnai kompensuojama galingo baterijų krautuvo srove.

Energijos keitimas atliekamas dviem etapais. Galingas krautuvas iš kintamos 220V įtampos gamina žemesnę, nuolatinę, stabilizuotą, akumuliatorių krovimui tinkamą įtampą. Didžioji energijos dalis keliauja toliau į keitiklį ir vel paverčiama į 220V kintamą įtampą. Likusi energijos dalis krauna akumuliatorių bateriją, o jei ji pakrauta, ir jos įtampa lygi krautuvo išėjimo įtampai, tada visa krautuvo srovė atitenka keitikliui, o akumuliatoriams atitenka tik nedidelė krūvio palaikymo srovė.

Tinklo įtampai peržengus leistinas ribas, krautuvas išjungiamas ir visą reikiamą energiją keitikliui suteikia akumuliatoriai. Tarp keitiklio ir apkrovos neatliekiamos jokios komutacijos, vienintelis pereinamasis procesas išėjimo įtampoje – keitiklio darbino dažnio susvyravimas atliekant sinchronizaciją su tinklo įtampos periodu (sinchronizacija leidžia išvengti papildomų interferencinių trukdžių).

Baterijų krautuvas turi būti pakankamai galingas, kad išmaitintu maksimaliai apkrautą keitiklį ir galėtu greitai pakrauti išsikrovusias akumuliatorių baterijas. Dėl dvigubo energijos keitimo, šios topologijos UPS pasižymi neaukštu naudingo veiksmo koeficientu, o dėl sudėtingo ir galingo baterijų krautuvo bei keitikio pritaikyto nuolatiniam darbui – gana aukšta kaina.

Komutatorius, angliškai vadinamas Bypass switch, perduoda maitinimo tinklo įtampą tiesiogiai į išėjimą ir naudojamas tik keitiklio gedimo atvėju arba norint neišjungiant maitinamos įrangos pakeisti baterijas.

True Double-Conversion On-line UPS ypatybės:

  1. Šioje schemoje keitiklis veikia visą laiką ir atlieka nuolatinę išėjimo įtampos stabilizaciją, todėl ši topologija gerai veikia esant ypač blogos kokybės maitinimo tinklui.
  2. Beveik visi šio tipo UPS turi gerą išėjimo įtampos formą – sinusą, todėl tokie šaltiniai puikiai tinka maitinti bet kokio tipo apkrovą.
  3. Šaltiniai turi pilnavertę išėjimo įtampos stabilizaciją.
  4. Topologija pasižymi neaukštu naudingo veiksmo koeficientu nes UPS keitiklis veikia pastoviai, beto energijos keitimas atliekamas dviem etapais.
  5. Kadangi nėra rėžimų perjungimo, tinklo avarijos metu, išėjimo įtampoje beveik nėra pereinamųjų procesų.
  6. Dauguma senesnių ir visi šiuolaikiniai šio tipo UPS turi mikroprocesorines valdymo ir monitoringo sistemas.

Ši topologija naudojama tais atvėjais kai maitinama įranga labai kritiška maitinimo įtampos kokybei. Ji garantuoja aukščiausią maitinamos įrangos apsaugos lygį. Dauguma šio tipo UPS keitiklis dirba impulso pločio moduliacijos principu ir formuoja stabilizuotą ir geros sinusinės formos išėjimo įtampą.

On-line hybrid UPS

Tai pati sudėtingiausia topologija, naudojama aukščiausios klasės nepertraukiamo maitinimo šaltiniuose. Nors topologija nepanaši į True Double-Conversion On-line UPS, ji pasižymi panašiomis charakteristikomis ir labai geru išėjimo įtampos stabilumu.

Kaip ir ankstesnėje topologijoje – pagrindinis Keitiklis #1 dirba pastoviai, o dingus tinklo įtampai jo darbo rėžimas nekinta. Jis maitinamas gana aukšta įtampa, nes Lygintuvas dirba dvigubinimo rėžime, o jo išėjimo įtampa siekia apie 650V. Jei Šaltinyje realizuota maitinimo įtampos formos faktoriaus korekcija, tada įtampa siekia net 800V. Tokia didelė įtampa leidžia pasiekti aukščiausią pagrindinio Keitiklio naudingo veiksmo koeficientą, bei sukaupti didelę energiją kaupiančiuose ir filtruojančiuose Lygintuvo kondensatoriuose, kuri leidžia iki minimumo sumažinti maitinančio tinklo įtampos svyravimų įtaką pagrindiniui keitikliui.

Antras galingas Keitiklis #2 įsijungia tinklo avarijos atvėju ir paaukština baterijų įtampą / 25V – 120V – priklausomai nuo UPS galingumo / iki pagrindinio keitiklio normaliam darbui reikalingos įtampos / 650V – 800V/. Šio keitiklio galia paprastai kiek didesnė, nei pagrindinio keitiklio galia, nes jis turi transformuoti ne tik apkrovai reikalingą galią, bet ir kompensuoti energijos nuostolius pagrindiniame keitiklyje.

Krautuvas jokiomis ypatingomis savybėmis nepasižymi. Normaliame rėžime jis krauna baterijas, joms įsikrovus dirba palaikymo rėžime, o tinklo avarijos metu išjungiamas.

Kaip ir ankstesnėje topologijoje, komutatorius Bypass switch, perduoda maitinimo tinklo įtampą tiesiogiai į išėjimą ir naudojamas tik keitiklio gedimo atvėju arba norint neišjungiant maitinamos įrangos pakeisti bateriją.

On-line hybrid UPS ypatybės:

  1. Šioje schemoje keitiklis veikia visą laiką ir atlieka nuolatinę išėjimo įtampos stabilizaciją, todėl ši topologija puikiai veikia esant ypač blogos kokybės maitinimo tinklui.
  2. Beveik visi šio tipo UPS turi gerą išėjimo įtampos formą – sinusą, todėl tokie šaltiniai puikiai tinka maitinti bet kokio tipo apkrovą.
  3. Šaltiniai turi pilnavertę išėjimo įtampos stabilizaciją. Dauguma jų gali dirbti be baterijų – atlikti galingo įtampos stabilizatoriaus funkciją.
  4. Topologija pasižymi gana aukštu naudingo veiksmo koeficientu. Nors UPS keitiklis veikia pastoviai, bet energijos keitimas atliekamas vienu etapu ir naudojant didelę darbinę įtampą. Naudingo veiksmo koeficientas dirbant iš baterijų – kiek žemesnis nei True On-line, nes tada energijos keitime dalyvauja abu keitikliai.
  5. Kadangi nėra rėžimų perjungimo, tinklo avarijos metu, išėjimo įtampoje praktiškai nėra pereinamųjų procesų.
  6. Dauguma senesnių ir visi šiuolaikiniai šio tipo UPS turi mikroprocesorines valdymo ir monitoringo sistemas.
  7. Šios topologijos UPS patys brangiausi, nes jų shemotechnika labai sudėtinga, naudojama daug didelės galios brangių puslaidininkinių elementų – MOS ir IGBT tranzistorių.

Kaip ir True On-line topologija ji naudojama tais atvėjais, kai maitinama įranga labai kritiška maitinimo įtampos kokybei. Ji garantuoja aukščiausią maitinamos įrangos apsaugos lygį. Visuose šio tipo UPS keitikliai dirba impulso pločio moduliacijos principu ir formuoja stabilizuotą ir geros sinusinės formos išėjimo tampą. Šaltiniui dirbant iš tinklo, jo naudingo veiksmo koeficientas gana aukštas, žymiai aukštesnis nei True On-line topologijos.