Nieprzerwana dostawa energii

UPS typu tower z jednym wejściem IEC 60320 C14 i trzema wyjściami C13
Elektrycy instalują duży UPS na skalę centrum danych

Zasilacz awaryjny lub źródło zasilania awaryjnego ( UPS ) to urządzenie elektryczne, które zapewnia zasilanie awaryjne do obciążenia w przypadku awarii źródła zasilania wejściowego lub zasilania sieciowego . UPS różni się od pomocniczego lub awaryjnego systemu zasilania lub generatora rezerwowego tym, że zapewnia niemal natychmiastową ochronę przed przerwami w zasilaniu wejściowym, dostarczając energię zmagazynowaną w bateriach, superkondensatorach lub kołach zamachowych . Czas pracy na zasilaniu bateryjnym większości bezprzerwowych źródeł zasilania jest stosunkowo krótki (zaledwie kilka minut), ale wystarczający do uruchomienia rezerwowego źródła zasilania lub prawidłowego wyłączenia chronionego sprzętu. Jest to rodzaj ciągłego systemu zasilania .

Zasilacz UPS jest zwykle używany do ochrony sprzętu, takiego jak komputery , centra danych , sprzęt telekomunikacyjny lub inny sprzęt elektryczny, gdzie nieoczekiwane przerwy w zasilaniu mogą spowodować obrażenia, ofiary śmiertelne, poważne zakłócenia w działalności biznesowej lub utratę danych . Jednostki UPS mają różne rozmiary, od tych zaprojektowanych do ochrony pojedynczego komputera bez monitora wideo (napięcie znamionowe około 200 woltów ) do dużych jednostek zasilających całe centra danych lub budynki. Największy na świecie zasilacz UPS, 46-megawatowy akumulatorowy system magazynowania energii (BESS), w Fairbanks na Alasce , zasila całe miasto i pobliskie społeczności wiejskie podczas przerw w dostawie prądu.

Typowe problemy z zasilaniem

Podstawową rolą każdego zasilacza UPS jest zapewnienie krótkotrwałego zasilania w przypadku awarii wejściowego źródła zasilania. Jednak większość jednostek UPS jest również w stanie w różnym stopniu rozwiązać typowe problemy z zasilaniem sieciowym:

  1. Skok napięcia lub utrzymujące się przepięcie
  2. Chwilowy lub trwały spadek napięcia wejściowego
  3. Spadek napięcia
  4. Hałas, definiowany jako stan przejściowy lub oscylacja o wysokiej częstotliwości , zwykle wprowadzany do linii przez znajdujące się w pobliżu urządzenia
  5. Niestabilność częstotliwości sieciowej
  6. Zniekształcenia harmoniczne definiowane jako odejście od idealnego przebiegu sinusoidalnego oczekiwanego na linii

Niektórzy producenci zasilaczy UPS kategoryzują swoje produkty według liczby problemów związanych z zasilaniem, które rozwiązują.

Zasilacz UPS może również powodować problemy z jakością energii elektrycznej . Aby temu zapobiec, zasilacz UPS powinien być dobrany nie tylko pod względem mocy, ale także jakości zasilania wymaganego przez zasilany sprzęt.

Technologie

Trzy główne kategorie nowoczesnych systemów UPS to on-line , line-interactive i standby :

  • Zasilacz UPS działający w trybie on-line wykorzystuje metodę „podwójnej konwersji”, polegającą na przyjmowaniu prądu przemiennego, prostowaniu do prądu stałego w celu przejścia przez akumulator (lub łańcuchy akumulatorów), a następnie odwracaniu z powrotem do napięcia 120 V/230 V prądu przemiennego w celu zasilania chronionego sprzętu.
  • Line-interactive UPS utrzymuje falownik w linii i przekierowuje ścieżkę prądu stałego akumulatora z normalnego trybu ładowania do zasilania prądem w przypadku utraty zasilania.
  • W systemie rezerwowym („off-line”) obciążenie jest zasilane bezpośrednio z zasilania wejściowego, a obwód zasilania rezerwowego jest uruchamiany tylko w przypadku awarii zasilania sieciowego.

Większość zasilaczy UPS poniżej jednego kilowoltoampera ( 1 kVA) to zasilacze typu line-interactive lub rezerwowe, które są zwykle tańsze.

W przypadku dużych jednostek zasilających czasami stosuje się dynamiczne zasilacze bezprzerwowe (DUPS). Synchroniczny silnik/alternator jest podłączony do sieci za pomocą dławika . Energia jest magazynowana w kole zamachowym . W przypadku awarii zasilania sieciowego regulacja prądów wirowych utrzymuje moc obciążenia, dopóki energia koła zamachowego nie zostanie wyczerpana. DUPS są czasami łączone lub integrowane z generatorem diesla, który jest włączany po krótkim opóźnieniu, tworząc rotacyjny bezprzerwowy zasilacz diesla (DRUPS).

UPS z ogniwami paliwowymi został opracowany przez firmę Hydrogenics, wykorzystując wodór i ogniwo paliwowe jako źródło zasilania, potencjalnie zapewniając długi czas pracy na małej przestrzeni.

Offline/gotowość

Offline/standby UPS: Zielona linia ilustruje przepływ energii elektrycznej. Typowy czas ochrony: 5–20 minut. Rozszerzenie pojemności: Zwykle niedostępne.

UPS offline/standby oferuje tylko najbardziej podstawowe funkcje, zapewniając ochronę przed przepięciami i podtrzymanie bateryjne. Chroniony sprzęt jest zwykle podłączony bezpośrednio do sieci zasilającej. Kiedy napięcie wejściowe spada poniżej lub wzrasta powyżej określonego poziomu, UPS włącza wewnętrzny obwód inwertera DC-AC, który jest zasilany z wewnętrznego akumulatora. Następnie UPS mechanicznie przełącza podłączony sprzęt na wyjście falownika DC-AC. Czas przełączania może wynosić nawet 25 milisekund, w zależności od czasu potrzebnego zasilaczowi UPS w trybie gotowości na wykrycie utraty napięcia sieciowego. UPS będzie przeznaczony do zasilania niektórych urządzeń, takich jak komputer osobisty, bez niepożądanych spadków lub zanik napięcia w tym urządzeniu.

Line-interactive

Line-interactive UPS: Zielona linia ilustruje przepływ energii elektrycznej. Typowy czas ochrony: 5–30 minut. Rozszerzenie pojemności: kilka godzin.

Zasilacz UPS typu line-interactive jest podobny w działaniu do zasilacza UPS w trybie gotowości, ale zawiera dodatkowo autotransformator o zmiennym napięciu z wieloma odczepami . Jest to specjalny typ transformatora , który może dodawać lub odejmować zasilane cewki z drutu, zwiększając w ten sposób lub zmniejszając pole magnetyczne i napięcie wyjściowe transformatora. Można to również wykonać za pomocą transformatora buck-boost , który różni się od autotransformatora, ponieważ ten pierwszy może być okablowany w celu zapewnienia izolacji galwanicznej .

Ten typ zasilaczy UPS jest w stanie tolerować ciągłe spadki napięcia podnapięciowego i przepięcia bez zużywania ograniczonej rezerwy mocy baterii. Zamiast tego kompensuje to, automatycznie wybierając różne zaczepy zasilania na autotransformatorze. W zależności od konstrukcji, zmiana zaczepu autotransformatora może spowodować bardzo krótką przerwę w zasilaniu wyjściowym, co może spowodować chwilowe „ćwierkanie” zasilaczy UPS wyposażonych w alarm utraty zasilania.

Stało się to popularne nawet w najtańszych zasilaczach UPS, ponieważ wykorzystuje już zawarte komponenty. Główny transformator 50/60 Hz używany do konwersji między napięciem sieciowym a napięciem akumulatora musi zapewniać dwa nieco różne współczynniki zwojów: jeden do konwersji napięcia wyjściowego akumulatora (zwykle wielokrotność 12 V) na napięcie sieciowe, a drugi do konwersji napięcie sieciowe do nieco wyższego napięcia ładowania akumulatora (np. wielokrotności 14 V). Różnica między tymi dwoma napięciami polega na tym, że ładowanie akumulatora wymaga napięcia delta (do 13–14 V do ładowania akumulatora 12 V). Ponadto łatwiej jest wykonać przełączanie po stronie napięcia sieciowego transformatora ze względu na niższe prądy po tej stronie.

Aby uzyskać funkcję buck/boost , potrzebne są tylko dwa oddzielne przełączniki, tak aby wejście prądu zmiennego można było podłączyć do jednego z dwóch odczepów pierwotnych, podczas gdy obciążenie jest podłączone do drugiego, wykorzystując w ten sposób uzwojenia pierwotne transformatora głównego jako autotransformator. Akumulator można nadal ładować podczas „obniżania” przepięcia, ale podczas „podwyższania” niskiego napięcia moc wyjściowa transformatora jest zbyt niska, aby naładować akumulatory.

Autotransformatory można zaprojektować tak, aby pokrywały szeroki zakres różnych napięć wejściowych, ale wymaga to większej liczby odczepów i zwiększa złożoność, a także koszt zasilacza UPS. Często zdarza się, że autotransformator obejmuje tylko zakres od około 90 V do 140 V dla zasilania 120 V, a następnie przełącza się na akumulator, jeśli napięcie jest znacznie wyższe lub niższe niż ten zakres.

W warunkach niskiego napięcia zasilacz UPS będzie zużywał więcej prądu niż zwykle, więc może wymagać obwodu o wyższym natężeniu niż normalne urządzenie. Na przykład, aby zasilić urządzenie o mocy 1000 W przy napięciu 120 V, zasilacz UPS pobierze 8,33 A. Jeśli wystąpi spadek napięcia i napięcie spadnie do 100 V, zasilacz UPS pobierze 10 A w ramach kompensacji. Działa to również w odwrotną stronę, więc w warunkach przepięcia UPS będzie potrzebował mniej prądu.

Konwersja online/podwójna

W zasilaczach UPS online akumulatory są zawsze podłączone do falownika, dzięki czemu nie są potrzebne żadne przełączniki zasilania. Kiedy następuje utrata zasilania, prostownik po prostu wypada z obwodu, a akumulatory utrzymują stałe i niezmienione zasilanie. Po przywróceniu zasilania prostownik wznawia przenoszenie większości obciążenia i rozpoczyna ładowanie akumulatorów, chociaż prąd ładowania może być ograniczony, aby zapobiec uszkodzeniu akumulatorów przez prostownik dużej mocy. Główną zaletą zasilacza UPS online jest jego zdolność do zapewnienia „zapory elektrycznej” między przychodzącym zasilaniem z sieci a wrażliwym sprzętem elektronicznym.

UPS online jest idealny do środowisk, w których konieczna jest izolacja elektryczna lub do urządzeń bardzo wrażliwych na wahania napięcia. Chociaż kiedyś był zarezerwowany dla bardzo dużych instalacji o mocy 10 kW lub większej, postęp technologiczny umożliwił teraz udostępnienie go jako powszechnego urządzenia konsumenckiego, dostarczającego 500 W lub mniej. UPS online może być niezbędny, gdy środowisko zasilania jest „hałaśliwe”, gdy często występują spadki napięcia sieciowego, przerwy w dostawie prądu i inne anomalie, gdy wymagana jest ochrona wrażliwych urządzeń IT lub gdy konieczna jest praca z generatora rezerwowego o przedłużonej pracy.

Podstawowa technologia zasilaczy UPS online jest taka sama jak w zasilaczach UPS typu standby lub line-interactive. Jednak zazwyczaj kosztuje znacznie więcej, ponieważ ma ładowarkę / prostownik AC-DC o znacznie większym natężeniu prądu, a prostownik i falownik są zaprojektowane do ciągłej pracy z ulepszonymi systemami chłodzenia. Nazywa się to zasilaczem z podwójną konwersją, ponieważ prostownik bezpośrednio napędza falownik, nawet przy zasilaniu z normalnego prądu przemiennego.

Online UPS zazwyczaj ma statyczny przełącznik zasilania (STS) w celu zwiększenia niezawodności.

Inne projekty

Topologia hybrydowa/podwójna konwersja na żądanie

Te hybrydowe obrotowe zasilacze UPS nie mają oficjalnych oznaczeń, chociaż jedna nazwa używana przez UTL to „podwójna konwersja na żądanie”. Ten styl zasilaczy UPS jest przeznaczony do zastosowań o wysokiej wydajności, przy jednoczesnym zachowaniu funkcji i poziomu ochrony oferowanego przez podwójną konwersję.

Hybrydowy (podwójna konwersja na żądanie) UPS działa jako UPS off-line/standby, gdy warunki zasilania mieszczą się w określonym przedziale czasowym. Dzięki temu zasilacz UPS może osiągać bardzo wysokie wskaźniki sprawności. Kiedy warunki zasilania zmieniają się poza predefiniowanymi przedziałami, UPS przełącza się w tryb online/podwójnej konwersji. W trybie podwójnej konwersji UPS może dostosowywać się do wahań napięcia bez konieczności korzystania z zasilania bateryjnego, może filtrować zakłócenia linii i kontrolować częstotliwość.

ferrorezonansowy

Jednostki ferrorezonansowe działają w taki sam sposób, jak rezerwowe jednostki UPS; są one jednak online, z wyjątkiem tego, że transformator ferrorezonansowy . Transformator ten jest przeznaczony do utrzymywania energii wystarczająco długo, aby pokryć czas między przełączeniem z zasilania sieciowego na zasilanie bateryjne i skutecznie eliminuje czas transferu. Wiele ferrorezonansowych zasilaczy UPS ma sprawność 82–88% (AC/DC-AC) i zapewnia doskonałą izolację.

Transformator ma trzy uzwojenia, jedno do zwykłego zasilania sieciowego, drugie do zasilania z wyprostowanej baterii, a trzecie do wyjściowego zasilania prądem zmiennym do obciążenia.

Kiedyś był to dominujący typ zasilaczy UPS i jest ograniczony do zakresu około 150 kVA . Jednostki te są nadal używane głównie w niektórych środowiskach przemysłowych (rynki naftowo-gazowe, petrochemiczne, chemiczne, użyteczności publicznej i przemysłu ciężkiego) ze względu na solidny charakter zasilaczy UPS. Wiele ferrorezonansowych zasilaczy UPS wykorzystujących technologię kontrolowanego ferro może wchodzić w interakcje z urządzeniami do korekcji współczynnika mocy. Spowoduje to wahania napięcia wyjściowego zasilacza UPS, ale można je skorygować, zmniejszając poziomy obciążenia lub dodając inne obciążenia typu liniowego. [ potrzebne dalsze wyjaśnienia ]

Zasilanie prądem stałym

Zasilacz UPS przeznaczony do zasilania urządzeń prądu stałego jest bardzo podobny do zasilacza UPS online, z wyjątkiem tego, że nie wymaga falownika wyjściowego. Ponadto, jeśli napięcie baterii zasilacza UPS jest dopasowane do napięcia potrzebnego urządzeniu, zasilanie urządzenia również nie będzie potrzebne. Ponieważ wyeliminowano jeden lub więcej etapów konwersji mocy, zwiększa to wydajność i czas pracy.

Wiele systemów stosowanych w telekomunikacji wykorzystuje bardzo niskonapięciową „ wspólną baterię ” 48 V DC, ponieważ ma mniej restrykcyjne przepisy bezpieczeństwa, takie jak instalowanie w kanałach kablowych i puszkach przyłączeniowych. Prąd stały był zazwyczaj dominującym źródłem zasilania dla telekomunikacji, a prąd przemienny był zazwyczaj dominującym źródłem dla komputerów i serwerów.

Przeprowadzono wiele eksperymentów z zasilaniem serwerów komputerowych 48 V DC w nadziei na zmniejszenie prawdopodobieństwa awarii i kosztów sprzętu. Jednak, aby dostarczyć taką samą ilość energii, prąd byłby wyższy niż równoważny obwód 115 V lub 230 V; większy prąd wymaga większych przewodników lub większej utraty energii w postaci ciepła.

Wysokie napięcie prądu stałego (380 V) znajduje zastosowanie w niektórych zastosowaniach w centrach danych i pozwala na stosowanie małych przewodów zasilających, ale podlega bardziej złożonym przepisom elektrycznym dotyczącym bezpiecznego ograniczania wysokiego napięcia.

W przypadku urządzeń o niższej mocy, które działają na napięciu 5 V, niektóre przenośne banki akumulatorów mogą działać jako UPS.

Obrotowy

Obrotowy zasilacz UPS wykorzystuje bezwładność wirującego koła zamachowego o dużej masie ( magazynowanie energii koła zamachowego ), aby zapewnić krótkotrwałą pracę w przypadku utraty zasilania. Koło zamachowe działa również jako bufor przed skokami mocy i spadkami mocy, ponieważ takie krótkotrwałe zdarzenia mocy nie są w stanie znacząco wpłynąć na prędkość obrotową koła zamachowego o dużej masie. Jest to również jeden z najstarszych projektów, wyprzedzający lampy próżniowe i układy scalone.

Można uznać, że jest w trybie online, ponieważ w normalnych warunkach obraca się w sposób ciągły. Jednak w przeciwieństwie do akumulatorowych zasilaczy UPS, systemy UPS z kołem zamachowym zazwyczaj zapewniają 10 do 20 sekund ochrony przed zwolnieniem koła zamachowego i zatrzymaniem mocy wyjściowej. Jest tradycyjnie używany w połączeniu z generatorami rezerwowymi, zapewniając zasilanie rezerwowe tylko przez krótki okres czasu potrzebny do uruchomienia silnika i ustabilizowania jego mocy wyjściowej.

Obrotowy zasilacz UPS jest zwykle zarezerwowany dla zastosowań wymagających ochrony o mocy większej niż 10 000 W, aby uzasadnić wydatki i skorzystać z zalet, jakie niosą ze sobą obrotowe zasilacze UPS. Większe koło zamachowe lub wiele kół zamachowych pracujących równolegle zwiększy rezerwowy czas pracy lub pojemność.

Ponieważ koła zamachowe są mechanicznym źródłem zasilania, nie jest konieczne stosowanie silnika elektrycznego lub generatora jako pośrednika między nim a silnikiem wysokoprężnym przeznaczonym do zasilania awaryjnego. Dzięki zastosowaniu skrzyni biegów, bezwładność obrotowa koła zamachowego może być wykorzystana do bezpośredniego uruchomienia silnika wysokoprężnego, a po uruchomieniu silnik wysokoprężny może być wykorzystany do bezpośredniego obracania kołem zamachowym. Wiele kół zamachowych można również łączyć równolegle za pomocą mechanicznych wałków pośrednich , bez potrzeby stosowania oddzielnych silników i generatorów dla każdego koła zamachowego.

Zwykle są zaprojektowane tak, aby zapewniały bardzo wysoki prąd wyjściowy w porównaniu z czysto elektronicznymi zasilaczami UPS i są w stanie lepiej zapewnić prąd rozruchowy dla obciążeń indukcyjnych, takich jak rozruch silnika lub obciążenie sprężarki, a także medyczny sprzęt do rezonansu magnetycznego i cewnikowania . Jest również w stanie tolerować warunki zwarciowe do 17 razy większe niż elektroniczny UPS, pozwalając jednemu urządzeniu na przepalenie bezpiecznika i awarię, podczas gdy inne urządzenia nadal będą zasilane z obrotowego UPS.

Jego cykl życia jest zwykle znacznie dłuższy niż czysto elektroniczny UPS, do 30 lat lub więcej. Wymagają jednak okresowych przestojów w celu konserwacji mechanicznej, takiej jak wymiana łożysk kulkowych . W większych systemach redundancja systemu zapewnia dostępność procesów podczas tego utrzymania. Konstrukcje oparte na bateriach nie wymagają przestojów, jeśli baterie można wymieniać na gorąco , co zwykle ma miejsce w przypadku większych jednostek. Nowsze jednostki obrotowe wykorzystują technologie, takie jak łożyska magnetyczne i obudowy z odpowietrzeniem, aby zwiększyć wydajność w trybie gotowości i ograniczyć konserwację do bardzo niskich poziomów.

Zazwyczaj koło zamachowe o dużej masie jest używane w połączeniu z układem silnik-generator . Jednostki te można skonfigurować jako:

  1. Silnik napędzający mechanicznie podłączony generator,
  2. Połączony silnik synchroniczny i generator uzwojony w naprzemiennych żłobkach pojedynczego wirnika i stojana,
  3. Hybrydowy obrotowy UPS, zaprojektowany podobnie do UPS online, z tą różnicą, że zamiast baterii wykorzystuje koło zamachowe. Prostownik napędza silnik do obracania koła zamachowego, podczas gdy generator wykorzystuje koło zamachowe do zasilania falownika.

W przypadku nr 3 zespół silnikowo-prądnicowy może być synchroniczny/synchroniczny lub indukcyjno/synchroniczny. Strona silnika jednostki w przypadkach nr 2 i 3 może być napędzana bezpośrednio przez źródło prądu przemiennego (zwykle w trybie obejścia falownika), 6-stopniowy napęd silnika z podwójną konwersją lub 6-pulsowy falownik. Przypadek nr 1 wykorzystuje zintegrowane koło zamachowe jako krótkoterminowe źródło energii zamiast akumulatorów, aby dać czas na uruchomienie i uruchomienie zewnętrznych, sprzężonych elektrycznie zespołów prądotwórczych. Przypadki nr 2 i 3 mogą wykorzystywać akumulatory lub wolnostojące, sprzężone elektrycznie koło zamachowe jako krótkoterminowe źródło energii.

Formy czynników

Mniejsze systemy UPS są dostępne w kilku różnych formach i rozmiarach. Jednak dwie najczęstsze formy to wieża i stojak.

Modele wieżowe stoją pionowo na ziemi, na biurku lub półce i są zwykle używane w sieciowych stacjach roboczych lub aplikacjach komputerowych. Modele do montażu w stojaku można montować w standardowych 19-calowych obudowach w stojaku i mogą wymagać od 1U do 12U ( jednostki stelażowe ). Są one zwykle używane w aplikacjach serwerowych i sieciowych. Niektóre urządzenia są wyposażone w interfejsy użytkownika, które obracają się o 90°, co pozwala na montaż urządzeń w pionie na ziemi lub w poziomie, tak jak w szafie typu rack.

Aplikacje

N + 1

W dużych środowiskach biznesowych, w których niezawodność ma ogromne znaczenie, pojedynczy ogromny zasilacz UPS może być pojedynczym punktem awarii, który może zakłócić działanie wielu innych systemów. Aby zapewnić większą niezawodność, wiele mniejszych modułów UPS i akumulatorów można zintegrować ze sobą, aby zapewnić redundantne zabezpieczenie zasilania równoważne jednemu bardzo dużemu zasilaczowi UPS. „ N + 1” oznacza, że ​​jeśli obciążenie może być zasilane przez N modułów, instalacja będzie zawierała N + 1 modułów. W ten sposób awaria jednego modułu nie wpłynie na działanie systemu.

Wielokrotna redundancja

Wiele serwerów komputerowych oferuje opcję zasilaczy redundantnych , dzięki czemu w przypadku awarii jednego zasilacza jeden lub więcej innych zasilaczy jest w stanie zasilić obciążenie. To krytyczny punkt – każdy zasilacz musi być w stanie samodzielnie zasilić cały serwer.

Nadmiarowość jest dodatkowo zwiększona przez podłączenie każdego zasilacza do innego obwodu (tj. do innego wyłącznika automatycznego ).

Nadmiarową ochronę można jeszcze rozszerzyć, podłączając każdy zasilacz do własnego zasilacza UPS. Zapewnia to podwójną ochronę zarówno przed awarią zasilania, jak i awarią UPS, dzięki czemu zapewniona jest ciągłość pracy. Ta konfiguracja jest również określana jako redundancja 1 + 1 lub 2 N. Jeśli budżet nie pozwala na dwa identyczne zasilacze UPS, powszechną praktyką jest podłączanie jednego zasilacza do zasilania sieciowego , a drugiego do zasilacza UPS.

Zastosowanie na zewnątrz

Kiedy system UPS jest umieszczony na zewnątrz, powinien mieć pewne szczególne cechy, które gwarantują, że może tolerować warunki pogodowe bez wpływu na wydajność. Podczas projektowania zewnętrznego systemu UPS producent powinien wziąć pod uwagę między innymi takie czynniki, jak temperatura, wilgotność , deszcz i śnieg. Zakres temperatur pracy zewnętrznych systemów UPS może wynosić od -40°C do +55 °C .

Zewnętrzne systemy UPS mogą być montowane na słupach, uziemieniach (cokołach) lub hostach. Środowisko na zewnątrz może oznaczać ekstremalne zimno, w którym to przypadku zewnętrzny system UPS powinien zawierać matę grzewczą baterii lub ekstremalne ciepło, w którym to przypadku zewnętrzny system UPS powinien zawierać system wentylatorów lub system klimatyzacji.

Widok wewnętrzny falownika słonecznego. Zwróć uwagę na wiele dużych kondensatorów (niebieskich cylindrów), używanych do krótkotrwałego magazynowania energii i poprawy kształtu fali wyjściowej.

Falownik fotowoltaiczny lub falownik fotowoltaiczny lub konwerter słoneczny przekształca zmienny prąd stały (DC) wyjściowy panelu fotowoltaicznego (PV) w prąd przemienny o częstotliwości użytkowej (AC), który może być wprowadzany do komercyjnej sieci elektrycznej lub używany przez lokalna sieć elektryczna poza siecią . Jest to krytyczny składnik BOS w systemie fotowoltaicznym , umożliwiając korzystanie ze zwykłego sprzętu zasilanego prądem zmiennym. Falowniki fotowoltaiczne posiadają specjalne funkcje przystosowane do pracy z panelami fotowoltaicznymi, w tym śledzenie punktu maksymalnej mocy i ochronę przed wyspami .

Zniekształcenia harmoniczne

Przebieg wyjściowy zasilacza UPS (żółty) w porównaniu do normalnego przebiegu zasilania 120 VAC 60 Hz (fioletowy)

Wyjście niektórych elektronicznych zasilaczy UPS może znacznie odbiegać od idealnego przebiegu sinusoidalnego. Dotyczy to zwłaszcza niedrogich jednostek jednofazowych klasy konsumenckiej przeznaczonych do użytku domowego i biurowego. Często wykorzystują one proste zasilacze impulsowe AC, a wyjście przypomina falę prostokątną bogatą w harmoniczne. Harmoniczne te mogą powodować zakłócenia innych urządzeń elektronicznych, w tym komunikacji radiowej, a niektóre urządzenia (np. obciążenia indukcyjne, takie jak silniki AC) mogą działać ze zmniejszoną wydajnością lub wcale. Bardziej wyrafinowane (i droższe) jednostki UPS mogą wytwarzać niemal czystą sinusoidalną moc prądu przemiennego.

Współczynnik mocy

Zobacz też: Współczynnik mocy

Problemem w połączeniu zasilacza UPS z podwójną konwersją i generatora jest zniekształcenie napięcia wytwarzane przez zasilacz UPS. Wejście UPS z podwójną konwersją jest zasadniczo dużym prostownikiem. Prąd pobierany przez UPS jest niesinusoidalny. Może to spowodować, że napięcie z sieci prądu przemiennego lub generatora również stanie się niesinusoidalne. Zniekształcenie napięcia może wówczas powodować problemy we wszystkich urządzeniach elektrycznych podłączonych do tego źródła zasilania, w tym w samym zasilaczu UPS. Spowoduje to również utratę większej mocy w okablowaniu zasilającym UPS z powodu skoków w przepływie prądu. Ten poziom „hałasu” jest mierzony jako procent „ całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu (THD I ). Klasyczne prostowniki UPS mają poziom THD I około 25–30%. Aby zmniejszyć zniekształcenia napięcia, wymaga to cięższego okablowania sieciowego lub generatorów ponad dwukrotnie większych niż UPS.

Istnieje kilka rozwiązań zmniejszających THD I w zasilaczach UPS z podwójną konwersją:

Klasyczne rozwiązania, takie jak filtry pasywne, redukują THD I do 5%–10% przy pełnym obciążeniu. Są niezawodne, ale duże i działają tylko przy pełnym obciążeniu, aw połączeniu z generatorami stwarzają własne problemy.

Alternatywnym rozwiązaniem jest filtr aktywny. Dzięki zastosowaniu takiego urządzenia THD mogę spaść do 5% w całym zakresie mocy. Najnowszą technologią w zasilaczach UPS z podwójną konwersją jest prostownik, który nie wykorzystuje klasycznych elementów prostownika (tyrystory i diody), ale wykorzystuje elementy o wysokiej częstotliwości. UPS z podwójną konwersją z z tranzystorem bipolarnym z izolowaną bramką i cewką indukcyjną może mieć współczynnik THD I na poziomie zaledwie 2%. To całkowicie eliminuje potrzebę przewymiarowania generatora (i transformatorów), bez dodatkowych filtrów, kosztów inwestycji, strat lub przestrzeni.

Komunikacja

Zarządzanie energią (PM) wymaga:

  1. UPS zgłasza swój stan do komputera, który zasila za pośrednictwem łącza komunikacyjnego, takiego jak port szeregowy , Ethernet i Simple Network Management Protocol , GSM/ GPRS lub USB
  2. Podsystem w systemie operacyjnym , który przetwarza raporty i generuje powiadomienia, zdarzenia PM lub nakazuje zamknięcie. Niektórzy producenci zasilaczy UPS publikują swoje protokoły komunikacyjne, ale inni producenci (tacy jak APC ) używają protokołów zastrzeżonych .

Podstawowe metody sterowania komputer-UPS są przeznaczone do sygnalizacji jeden-do-jednego z jednego źródła do pojedynczego celu. Na przykład pojedynczy zasilacz UPS może być podłączony do pojedynczego komputera w celu dostarczania informacji o stanie zasilacza UPS i umożliwiania komputerowi sterowania zasilaczem UPS. Podobnie protokół USB jest również przeznaczony do łączenia jednego komputera z wieloma urządzeniami peryferyjnymi.

W niektórych sytuacjach przydatna jest możliwość komunikacji jednego dużego zasilacza UPS z kilkoma chronionymi urządzeniami. W przypadku tradycyjnego sterowania szeregowego lub USB można zastosować urządzenie do replikacji sygnału , które na przykład umożliwia podłączenie jednego zasilacza UPS do pięciu komputerów za pomocą połączeń szeregowych lub USB. Jednak podział jest zwykle tylko w jednym kierunku od zasilacza UPS do urządzeń w celu dostarczenia informacji o stanie. Zwrotne sygnały sterujące mogą być dozwolone tylko z jednego z chronionych systemów do UPS.

Ponieważ od lat 90. XX wieku w powszechnym użyciu Ethernet wzrosło, sygnały sterujące są obecnie powszechnie przesyłane między pojedynczym zasilaczem UPS a wieloma komputerami przy użyciu standardowych metod komunikacji danych Ethernet, takich jak TCP/IP . Informacje o statusie i kontroli są zwykle szyfrowane, aby na przykład zewnętrzny haker nie mógł uzyskać kontroli nad zasilaczem UPS i wydać mu polecenia wyłączenia.

Dystrybucja danych stanu i sterowania UPS wymaga, aby wszystkie urządzenia pośredniczące, takie jak przełączniki Ethernet lub multipleksery szeregowe, były zasilane przez jeden lub więcej systemów UPS, aby alerty UPS docierały do ​​systemów docelowych podczas przerwy w dostawie prądu . Aby uniknąć uzależnienia od infrastruktury Ethernet, zasilacze UPS mogą być podłączone bezpośrednio do głównego serwera sterującego również za pomocą kanału GSM/GPRS. Pakiety danych SMS lub GPRS wysyłane z zasilaczy UPS powodują, że oprogramowanie wyłącza komputery w celu zmniejszenia obciążenia.

Baterie

Szafka na baterie

Istnieją trzy główne typy akumulatorów UPS: kwasowo-ołowiowe regulowane zaworami (VRLA), akumulatory typu Flooded Cell lub VLA oraz akumulatory litowo-jonowe. Czas pracy zasilacza UPS zasilanego bateryjnie zależy od typu i rozmiaru akumulatorów, szybkości ich rozładowywania oraz sprawności falownika. Całkowita pojemność akumulatora kwasowo-ołowiowego jest funkcją szybkości jego rozładowywania, co jest opisane jako prawo Peukerta .

Producenci podają ocenę czasu pracy w minutach dla zapakowanych systemów UPS. Większe systemy (takie jak centra danych) wymagają szczegółowego obliczenia obciążenia, wydajności falownika i charakterystyki baterii, aby zapewnić osiągnięcie wymaganej wytrzymałości.

Typowe charakterystyki akumulatorów i testy obciążenia

Kiedy akumulator kwasowo-ołowiowy jest ładowany lub rozładowywany, początkowo wpływa to tylko na reagujące chemikalia, które znajdują się na granicy między elektrodami a elektrolitem. Z czasem ładunek zgromadzony w chemikaliach na granicy faz, często nazywany „ładunkiem międzyfazowym”, rozprzestrzenia się poprzez dyfuzję tych chemikaliów w całej objętości materiału aktywnego.

Jeśli akumulator został całkowicie rozładowany (np. pozostawiono włączone światła samochodu na noc), a następnie jest poddawany szybkiemu ładowaniu tylko przez kilka minut, to podczas krótkiego czasu ładowania rozwija się tylko ładunek w pobliżu interfejsu. Napięcie akumulatora może wzrosnąć i zbliżyć się do napięcia ładowarki, co spowoduje znaczny spadek prądu ładowania. Po kilku godzinach ten ładunek międzyfazowy nie rozprzestrzeni się na objętość elektrody i elektrolitu, co prowadzi do tak niskiego ładunku międzyfazowego, że może być niewystarczający do uruchomienia samochodu.

Ze względu na obciążenie interfejsu, krótkie funkcje autotestu zasilacza UPS trwające zaledwie kilka sekund mogą niedokładnie odzwierciedlać rzeczywistą pojemność zasilacza UPS w czasie podtrzymania i zamiast tego konieczna jest rozszerzona ponowna kalibracja lub test wybiegu , który głęboko rozładowuje akumulator.

Sam test głębokiego rozładowania jest szkodliwy dla akumulatorów, ponieważ chemikalia w rozładowanym akumulatorze zaczynają krystalizować w wysoce stabilne kształty cząsteczkowe, które nie rozpuszczają się ponownie po naładowaniu akumulatora, trwale zmniejszając jego pojemność. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych nazywa się to zasiarczeniem , ale uszkodzenia spowodowane głębokim rozładowaniem dotyczą również innych typów, takich jak akumulatory niklowo-kadmowe i akumulatory litowe . Dlatego powszechnie zaleca się rzadkie wykonywanie testów wybiegu, na przykład co sześć miesięcy do roku.

Testowanie ciągów akumulatorów/ogniw

Wielokilowatowe komercyjne systemy UPS z dużymi i łatwo dostępnymi bateriami akumulatorów są w stanie izolować i testować pojedyncze ogniwa w łańcuchu akumulatorów , który składa się z połączonych ogniw akumulatorowych (takich jak akumulatory kwasowo-ołowiowe 12 V) lub pojedynczych ogniw chemicznych połączonych przewodowo w serii. Odizolowanie pojedynczego ogniwa i zainstalowanie w jego miejsce zworki umożliwia przetestowanie rozładowania jednego akumulatora, podczas gdy reszta łańcucha akumulatorów pozostaje naładowana i dostępna w celu zapewnienia ochrony.

Możliwe jest również zmierzenie charakterystyki elektrycznej poszczególnych ogniw w łańcuchu akumulatorów za pomocą pośrednich przewodów czujników, które są instalowane na każdym połączeniu ogniwa i monitorowane zarówno pojedynczo, jak i zbiorowo. Łańcuchy baterii mogą być również połączone szeregowo-równolegle, na przykład dwa zestawy po 20 ogniw. W takiej sytuacji konieczne jest również monitorowanie przepływu prądu między łańcuchami równoległymi, ponieważ prąd może krążyć między łańcuchami, aby zrównoważyć wpływ ogniw słabych, ogniw martwych o dużej rezystancji lub ogniw zwartych. Na przykład mocniejsze łańcuchy mogą rozładowywać się przez słabsze łańcuchy, dopóki nierównowaga napięcia zostanie wyrównana, co należy uwzględnić w indywidualnych pomiarach między ogniwami w każdym łańcuchu.

Szeregowo-równoległe interakcje akumulatorów

Ciągi akumulatorów połączone szeregowo-równolegle mogą powodować nietypowe tryby awarii z powodu interakcji między wieloma równoległymi ciągami. Wadliwe akumulatory w jednym łańcuchu mogą niekorzystnie wpływać na działanie i żywotność dobrych lub nowych akumulatorów w innych łańcuchach. Problemy te dotyczą również innych sytuacji, w których stosowane są ciągi szeregowo-równoległe, nie tylko w systemach UPS, ale także w pojazdach elektrycznych .

Rozważ szeregowo-równoległy układ baterii ze wszystkimi dobrymi ogniwami, a jedno zostanie zwarte lub martwe:

  • Uszkodzone ogniwo zmniejszy maksymalne rozwinięte napięcie dla całego ciągu szeregowego, w którym się znajduje.
  • Inne ciągi szeregowe połączone równolegle z uszkodzonym łańcuchem będą teraz rozładowywać się przez zdegradowany łańcuch, dopóki ich napięcie nie będzie zgodne z napięciem zdegradowanego łańcucha, potencjalnie przeładowując i prowadząc do wrzenia elektrolitu i odgazowania z pozostałych dobrych ogniw w zdegradowanym łańcuchu. Tych równoległych ciągów nie można teraz nigdy w pełni naładować, ponieważ zwiększone napięcie będzie wyciekać przez ciąg zawierający uszkodzony akumulator.
  • Systemy ładowania mogą próbować zmierzyć pojemność łańcucha akumulatorów, mierząc całkowite napięcie. Ze względu na ogólny spadek napięcia łańcucha z powodu martwych ogniw, system ładowania może wykryć to jako stan rozładowania i będzie stale próbował naładować łańcuchy szeregowo-równoległe, co prowadzi do ciągłego przeładowania i uszkodzenia wszystkich ogniw w ciąg zdegradowanej serii zawierający uszkodzoną baterię.
  • Jeśli używane są akumulatory ołowiowo-kwasowe , wszystkie ogniwa w poprzednio sprawnych równoległych łańcuchach zaczną zasiarczać z powodu niemożności ich pełnego naładowania, co spowoduje trwałe uszkodzenie pojemności tych ogniw, nawet jeśli uszkodzone ogniwo w jedna zdegradowana struna zostaje ostatecznie odkryta i zastąpiona nową.

Jedynym sposobem na uniknięcie tych subtelnych interakcji szeregowo-równoległych łańcuchów jest całkowite zrezygnowanie z równoległych łańcuchów i użycie oddzielnych kontrolerów ładowania i inwerterów dla poszczególnych ciągów szeregowych.

Seria nowych/starych interakcji baterii

Nawet pojedynczy ciąg baterii połączonych szeregowo może mieć niekorzystne interakcje, jeśli nowe baterie zostaną zmieszane ze starymi. Starsze akumulatory mają zwykle mniejszą pojemność, więc rozładowują się szybciej niż nowe akumulatory, a także ładują się do maksymalnej pojemności szybciej niż nowe akumulatory.

Gdy mieszany ciąg nowych i starych akumulatorów zostanie wyczerpany, napięcie łańcucha spadnie, a gdy stare akumulatory się wyczerpią, nowe akumulatory nadal będą się ładować. Nowsze ogniwa mogą nadal rozładowywać się przez resztę łańcucha, ale ze względu na niskie napięcie ten przepływ energii może nie być użyteczny i może zostać zmarnowany w starych ogniwach jako ogrzewanie oporowe.

W przypadku ogniw, które mają działać w określonym oknie rozładowania, nowe ogniwa o większej pojemności mogą spowodować, że stare ogniwa w serii będą nadal rozładowywać poza bezpieczną dolną granicę okna rozładowania, uszkadzając stare ogniwa.

Po ponownym naładowaniu stare ogniwa ładują się szybciej, co prowadzi do gwałtownego wzrostu napięcia prawie do stanu pełnego naładowania, ale zanim nowe ogniwa o większej pojemności zostaną w pełni naładowane. Kontroler ładowania wykrywa wysokie napięcie prawie w pełni naładowanego łańcucha i zmniejsza przepływ prądu. Nowe ogniwa o większej pojemności ładują się teraz bardzo wolno, tak wolno, że chemikalia mogą zacząć krystalizować przed osiągnięciem stanu pełnego naładowania, zmniejszając pojemność nowych ogniw w ciągu kilku cykli ładowania/rozładowania, aż ich pojemność bardziej zbliży się do starych ogniw w ciągu szeregowym .

Z tych powodów niektóre przemysłowe systemy zarządzania zasilaczami UPS zalecają okresową wymianę całych zestawów akumulatorów, potencjalnie wykorzystujących setki drogich akumulatorów, ze względu na szkodliwe interakcje między nowymi akumulatorami i starymi akumulatorami, w szeregach szeregowych i równoległych.

Normy

  • IEC 62040-1:2017 Bezprzerwowe systemy zasilania (UPS) – Część 1: Wymagania ogólne i bezpieczeństwa dotyczące UPS
  • IEC 62040-2:2016 Systemy zasilania bezprzerwowego (UPS) – Część 2: Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
  • IEC 62040-3:2021 Bezprzerwowe systemy zasilania (UPS) – Część 3: Metoda określania wymagań dotyczących wydajności i badań
  • IEC 62040-4:2013 Bezprzerwowe systemy zasilania (UPS) – Część 4: Aspekty środowiskowe – Wymagania i raportowanie

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Uninterruptible_power_supply&oldid=1144467202 ”