Záložní zdroje elektrické energie - 2.díl: Statické zdroje

13. říjen 2015, 17:05
DomůElektřinaZáložní zdroje elektrické energie - 2.díl: Statické zdroje

UPS – Uninterruptible Power Supply neboli zdroj nepřerušitelného napájení se využívá pro zajištění dodávky elektrické energie pro zařízení, u kterých nemůže dojít k přerušení provozu. Využívá se nejenom při přerušení dodávky ze sítě, ale například i pro zajištění požadované kvality dodávané energie při kolísání napětí v síti, napěťových špičkách nebo podpětí. Schopnost zajištění dodávky energie při kompletním výpadku je u UPS ve většině případů poměrně krátká (v řádech jednotek až desítek minut), ale stačí pro zajištění nepřetržité dodávky energie, dokud není spuštěn záložní zdroj.

Existuje několik druhů UPS, které se liší principem činnosti a s tím spojenou kvalitou výstupního napětí.

Topologie UPS

Klasifikace UPS vychází z harmonizované české normy ČSN EN 62040, která byla převzata z normy Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) IEC 62040-3.

Klasifikace UPS dle ČSN EN 62040. Zdroj: Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi

Základní části UPS obvodů

Usměrňovač

Hlavní funkcí usměrňovače je nabíjení baterie a napájení střídače (v případě online UPS). Zatímco při napájení střídače nejsou kladeny velké požadavky na kvalitu napájecího napětí, nabíjení a udržování napětí akumulátorů musí splňovat podmínky kladené výrobcem použitého akumulátoru. Důležitými parametry, které se musí dodržovat vzhledem k použitému akumulátoru, jsou:

  • Maximální velikost nabíjecího napětí
  • Velikost a toleranci udržovacího napětí
  • Limitování nabíjecího proudu

Usměrňovače by měly být dimenzovány na opětovné nabití akumulátoru v reálném čase, tj. doba potřebná k úplnému nabití akumulátoru, který pokryje celý zálohovací cyklus. Reálný čas se pohybuje mezi 4 až 8 hodinami.

Nejčastěji se používají usměrňovače v šestipulzním nebo dvanáctipulzním zapojení.

Střídač

Střídač je měnič, který slouží k přeměně stejnosměrného napětí na střídavé napětí. V praxi se nejčastěji používají střídače tyristorové nebo tranzistorové. Pro UPS jednotky malého a středního výkonu se používají střídače tranzistorové, které vytvářejí výstupní napětí obdélníkového nebo sinusového typu. Filtrační obvody, které jsou zařazeny na výstup střídače, nám sice odfiltrují veliké množství vyšších harmonických, které tranzistorový střídač vyprodukuje, i tak se tranzistorový střídač používá pouze pro levnější aplikace, a to pro offline UPS. Pro UPS jednotky velkého výkonu se používají střídače tyristorové. Výstup ze střídače může být jednofázový nebo třífázový nezávisle na počtu vstupních fází u usměrňovače.

Střídač spolu s usměrňovačem určují kvalitu celého UPS obvodu. Určují nám základní elektrické parametry celého obvodu, kterými jsou výkon, napětí, frekvence, účinnost a obsah vyšších harmonických.

Akumulátor

V případě ztráty napájení z distribuční sítě přechází UPS jednotky na tzv. bateriový provoz, tj. energie potřebná pro napájení zátěže se odebírá přes střídač z akumulátorových baterií (dále už pouze akumulátory). Všeobecně lze použít libovolný akumulátor, jak z hlediska elektrochemického systému, tak typu a provedení. Z provozních důvodů se používají pouze dva druhy akumulátorů – olověné a niklkadmiové. Většinou jsou ve staničním provedení sestaveném z jednotlivých článků nebo vícečlánkových monobloků (2, 4 nebo 6 článků ve společné nádobě).

Z ekonomického hlediska se nejčastěji používají olověné akumulátory, kdežto niklkadmiové akumulátory se používají pro speciální účely (jaderná bezpečnost, klimatické podmínky, atd.).

V praxi se používají pouze dva druhy provedení olověných akumulátorů a to z důvodů požadavků na umístění a vyráběnými velikostmi:

  • Otevřené
  • Hermetizované

Otevřené konstrukce se používají pro UPS jednotky o vysokých výkonech a to z důvodu umístění v akumulátorovnách.

Hermetizované (ventilem řízené) konstrukce se používají u většiny UPS jednotek. Jedná se o speciálně konstruované elektrochemické systémy, u kterých bylo dosaženo vysoké účinnosti slučování kyslíku a vodíku uvnitř článku. Tím bylo možné uzavřít nádoby článku a jejich provozování v libovolné poloze. Elektrolyt je znehybněn formou gelovité konzistence, nebo absorbováním separátory. Protože účinnost slučování uvnitř nádoby není stoprocentní, jsou nádoby opatřeny přetlakovými ventily, které umožňují při nabíjení nebo při přebíjení únik vzniklého plynu.

Dalším důležitým parametrem pro akumulátory je doba zálohování. Dobou zálohování rozumíme dobu, po kterou nám bude UPS do zátěže dodávat jmenovitý výkon požadované kvality. Důležitým předpokladem je, že akumulátory jsou plně nabité. V praxi se udává zálohovací doba, která odpovídá pouze 80 % kapacitě použitých akumulátorů. U akumulátorů se velice rychle snižuje životnost a kapacita, pokud dochází k jejich úplnému vybití. Akumulátory jsou z celého obvodu UPS nejchoulostivější a nejdražší, dodávají se většinou s touto životností:

  • 3-5 let: standardní akumulátory, používají se ve většině aplikací, převážně pro výkony do 60 kVA
  • 5-8 let: používají se převážně pro výkony nad 60 kVA
  • 10 let: pro velice náročné aplikace
  • více než 10 let: speciální aplikace, provozy jaderných elektráren, objekty a budovy důležité pro obranu státu

Doba zálohování je přímo závislá na životnosti akumulátorů. Životnost akumulátorů je zásadně ovlivňována třemi vlivy:

  • způsob dobíjení
  • provozní teplota
  • přítomnost vyšších harmonických v nabíjecím proudu

Pro zvýšení životnosti akumulátorů bylo vyvinuto několik způsobů jak je šetrně dobíjet. Tyto metody jsou založeny na časově definovaném dobíjení, díky tomu není na akumulátorech trvalé napětí, které způsobuje korozi kladné elektrody a sulfitaci obou elektrod.

U všech použitých akumulátorů musí nabíjecí napětí obsahovat co možná nejmenší počet vyšších harmonických. Vyšší počet harmonických v nabíjecím proudu snižuje životnost akumulátoru.

Veliký vliv na životnost a kapacitu akumulátorů má také okolní provozní teplota. Z toho důvodu se musí akumulátorovna neustále větrat a udržovat konstantní teplotu.

Vliv teploty na kapacitu akumulátorů. Zdroj: Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi

Na akumulátory jsou kladeny zvýšené bezpečnostní požadavky a to z toho důvodu, že jsou ve většině případů instalovány do obytných prostor. Na akumulátory se vztahuje zvýšená zkratová odolnost.

Offline UPS

Offline UPS spadá do kategorie VD UPS, tedy do napěťově závislých zdrojů záložního napájení. V normálním síťovém režimu napájí přímo zátěž a průběžně dobíjí akumulátory přes usměrňovač. Střídač nepracuje. Při výpadku síťového napájení se během několika ms (cca 5 ms) aktivuje střídač a zátěž je napájena z akumulátorů skrze něj.

Principielní zapojení offline UPS. Zdroj: UPS zdroje pro systémy střídavého zajištěného napájení

Offline UPS odstraňuje pouze dva problémy v síti:

  • Výpadek síťového napájení
  • Částečné rušení v síti

Jedná se o nejpoužívanější typ UPS pro ochranu zařízení a pracovních počítačových stanic.

Vlastnosti:

  • Struktura (celý obvod složen pouze ze střídače a usměrňovače)
  • Cena (nejnižší cena oproti všem ostatním druhům UPS)
  • Velikost (nejmenší rozměry vzhledem k jednoduchosti a použití)
  • Regulace (regulace výstupního napětí a frekvence není přítomna)
  • Odezva (odezva je závislá na přepnutí výstupního relé a tudíž je dlouhá)
  • Zátěž (zátěž není oddělená od napájecí sítě)

Line-interactive UPS

Line-interactive UPS spadá do kategorie VI UPS, tedy do napěťově nezávislých zdrojů záložního napájení, ale pouze v bateriovém režimu. V normálním síťovém režimu napájí přímo zátěž a průběžně dobíjí akumulátory přes usměrňovač. UPS obsahuje odbočkový transformátor, který dokáže pomocí indukce vyrovnat podpětí nebo přepětí na definovanou hodnotu a to bez nutností napájení zátěže z akumulátorů přes střídač. Při výpadku síťového napájení se během několika ms aktivuje střídač a zátěž je napájena z akumulátorů.

Principielní zapojení line-interactive UPS. Zdroj: UPS zdroje pro systémy střídavého zajištěného napájení

Line-interactive UPS odstraňuje tyto problémy v síti:

  • Výpadek síťového napájení
  • Napěťové špičky
  • Přepětí
  • Podpětí

Line-interactive UPS mají své největší využití pro zálohování serverů a počítačových stanic.

Vlastnosti:

  • Cena (nižší cena při stejném výkonu oproti použití online UPS)
  • Regulace (regulace výstupního frekvence není přítomna)
  • Zátěž (zátěž není oddělená od napájecí sítě)
  • Efektivita (špatné provozní účinnost při provozu na nelineární zátěži)

Online UPS s dvojí konverzí

Online UPS s dvojí konverzí spadá do kategorie VFI UPS, tedy do napěťově a frekvenčně nezávislých zdrojů záložního napájení. V normálním síťovém režimu je vstupní elektrická energie usměrněna přes usměrňovač. Část této energie nabijí akumulátory. Zbytek energie dále prochází přes střídač a napájí zátěž. Při výpadku síťového napájení dochází k okamžitému přechodu na bateriový režim bez přerušení dodávek elektrické energie. Zátěž je napájena z akumulátorů přes střídač.

Principielní zapojení online UPS s dvojí konverzí. Zdroj: UPS zdroje pro systémy střídavého zajištěného napájení

Online UPS s dvojí konverzí odstraňuje tyto problémy v síti:

  • Výpadek síťového napájení
  • Napěťové špičky
  • Přepětí
  • Podpětí
  • Rušení v síti (šumy)
  • Frekvenční kolísání
  • Harmonické zkreslení

Online UPS s dvojí konverzí jsou převážně využívány pro napájení serverů, ale i IT zařízení v serverových místnostech a datových centrech.

Vlastnosti:

  • Regulace (přesná regulace výstupního napětí)
  • Zátěž (zátěž je oddělena od napájecí sítě a ochrana před vlivy napájecí sítě)
  • Účinnost (konstantní účinnost při různých zátěžích)
  • Cena (při vyšších výkonech vyšší náklady vlivem obvodu pro potlačení poruch v síti)
  • Ztráty (vyšší ztráty vlivem dvojí konverze elektrické energie)

Online UPS s delta konverzí

Jedná se speciální typ Online UPS s dvojí konverzí, ze které přímo vychází. Rozdíl je v tom, že zde nedochází ke konverzi celé elektrické energie, ale pouze ke konverzi energie rozdílu mezi vstupní hodnotou a potřebnou výstupní hodnotou elektrické energie. Tento rozdíl je vyrovnáván pomocí delta invertoru, který dále řídí vstupní účiník, vstupní proud a dobíjení akumulátorů. Delta invertor je navržen na přibližně čtvrtinu celkového výkonu UPS. Hlavní invertor je navržen již na celý výkon UPS. Při výpadku síťového napájení je zátěž napájena akumulátorem přes hlavní invertor.

Principielní zapojení online UPS s delta konverzí. Zdroj: UPS zdroje pro systémy střídavého zajištěného napájení

Online UPS s delta konverzí odstraňuje tyto problémy v síti:

  • Výpadek síťového napájení
  • Napěťové špičky
  • Přepětí
  • Podpětí
  • Rušení v síti (šumy)
  • Frekvenční kolísání
  • Harmonické zkreslení

Online UPS s delta konverzí se nejčastěji používají k zálohování datových center, budov a průmyslových aplikací.

Vlastnosti:

  • Účinnost (vysoká účinnost delta invertoru, který přeměňuje jenom část energie)
  • Kompatibilita (vhodné pro kombinaci s ostatními náhradními zdroji)
  • Ztráty (vlivem průchodu pouze části energie jsou ztráty malé)

Zdroj: Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi, UPS zdroje pro systémy střídavého zajištěného napájení, ČVUT FEL, ČSN

Úvodní fotografie: Progress Group