Zasilacze UPS – charakterystyka, budowa, rodzaje

Budowa zasilaczy UPS

Budowa zasilaczy UPS w przypadku prostych rozwiązań nie jest skomplikowana. Zasilacze UPS składają się z następujących podstawowych elementów:

• filtra przeciwzakłóceniowego zamontowanego w obwodzie wejściowym,
• prostownika,
• obwodów prądu stałego,
• magazynu energii (najczęściej akumulatory do UPS, choć dostępne są rozwiązania z kinetycznym magazynem energii w postaci wirującego koła zamachowego),
• kontrolera ładowania magazynu energii,
• falownika.

Elementy składowe zasilaczy UPS zamontowane są w obudowie metalowej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Dostępne na rynku zasilacze UPS małej mocy konstruowane są zarówno jako jednostki wolnostojące z obudowami typu Tower, jak i urządzenia przeznaczone do montażu w szafach RACK. Zasilacze UPS dużej mocy, ze względu na znaczne rozmiary, umieszczane są w specjalnie przygotowanych pomieszczeniach o ograniczonym dostępie dla osób postronnych.

Rodzaje zasilaczy UPS

Można wyróżnić następujące rodzaje zasilaczy UPS:

• zasilacze UPS off-line, pracujące w trybie VFD,
• zasilacze UPS line-interactive, działające w trybie VI,
• zasilacze UPS on-line z podwójnym przetwarzaniem, pracujące w trybie VFI.

Zasilacze UPS off-line

Zasilacze UPS, które pracują w trybie VFD (ang. Voltage Frequency Dependent) wyposażone są w układ automatyki, który monitoruje parametry napięcia sieciowego. Jeżeli mieści się ono w określonych granicach, to jest podawane bezpośrednio na wyjście zasilacza UPS, a wbudowany prostownik ładuje baterię akumulatorów. Cecha ta jest traktowana jako wada zasilaczy UPS typu off-line, gdyż urządzenia te nie są w stanie eliminować zakłóceń występujących w sieci zasilającej.

W przypadku zaniku napięcia sieciowego, układ automatyki przełącza zasilacze UPS na zasilanie bateryjne. Uruchomiony zostaje falownik, z którego napięcie przemienne podawane jest na wyjście urządzenia. W zależności od klasy zastosowanego falownika, napięcie wyjściowe może mieć przebieg idealnie sinusoidalny lub tzw. sinusoidy aproksymowanej z odpowiednio modulowanego przebiegu prostokątnego. Czas przełączenia, w którym odbiorniki zostają pozbawione napięcia zasilającego wynosi od 2 do 10 ms, co w większości przypadków nie powinno powodować nieprawidłowości w pracy przyłączonych do zasilacza urządzeń.

Zasilacze UPS line-interactive

Zasilacze UPS pracujące w trybie VI (ang. Voltage Independent) działają podobnie jak urządzenia VFD, ale wyposażone są dodatkowo w skokowy regulator poziomu napięcia wyjściowego. Pozwala on na uniezależnienie wartości napięcia wyjściowego od sieciowego, natomiast częstotliwość napięcia wyjściowego jest zależna od częstotliwości napięcia sieciowego. Czas przełączenia zasilacza UPS typu VI z pracy sieciowej na bateryjną zawiera się w granicach od 2 od 4 ms, natomiast przełączenie z pracy bateryjnej na sieciową realizowane jest bezprzerwowo.

Zasilacze UPS on-line

Zasilacze UPS pracujące w trybie VFI (ang. Voltage Frequency Independent) charakteryzują się zerowymi czasami przełączeń pomiędzy każdym z trybów pracy. Ze względu na rozbudowany układ automatyki kontrolującej ich pracę umożliwiają eliminację zakłóceń występujących w napięciu sieciowym (obwody wejściowe i wyjściowe zasilacza są od siebie odseparowane za pomocą przekształtników energoelektronicznych) oraz bezprzerwową pracę odbiorników wrażliwych na zmiany parametrów napięcia zasilającego.

Znajdujący się na wejściu urządzenia prostownik przekształca napięcie sieciowe na stałe, które następnie wykorzystywane jest do ładowania baterii akumulatorów. Włączony pomiędzy prostownik a falownik przetwornik prądu stałego ma za zadanie optymalizować poziom napięcia stałego zasilającego falownik. Tak skonstruowany układ przekształtników energoelektronicznych zapewnia uzyskanie na wyjściu zasilacza UPS,stabilnego napięcia przemiennego, pozbawionego jakichkolwiek zakłóceń. Wartość napięcia wyjściowego oraz jego częstotliwość są uniezależnione od parametrów napięcia sieciowego.

Zasilacze UPS on-line wyposażone są również w dwa obwody obejściowe. Bocznik statyczny zapewnia automatyczne połączenie wyjścia zasilacza UPS z siecią elektroenergetyczną, w przypadku przeciążenia lub uszkodzenia któregoś z przekształtników. Z kolei zadaniem bocznika serwisowego jest umożliwienie zasilania urządzeń, podczas gdy zasilacz UPS jest odłączony od napięcia, w celu przeprowadzenia przeglądów lub prac konserwacyjnych.

Zasilacze awaryjne UPS – rodzaje układów

Zasilacze awaryjne UPS mogą stanowić pojedyncze jednostki lub być wykonywane jako układy – częściowo równoległe, równoległe i nadmiarowe.

• zasilacze awaryjne UPS częściowo równoległe – wyposaża się je w pojedynczy prostownik, dostarczający napięcie stałe do baterii akumulatorów oraz do co najmniej dwóch falowników przyłączonych do wspólnego wyjścia AC;
• zasilacze awaryjne UPS równoległe – stanowią połączenie kilku jednostek pojedynczych. W tego typu zasilaczach UPS każde urządzenie wyposaża się prostownik, baterię akumulatorów oraz falownik. Obwody wejściowe prostowników połączone są ze sobą równolegle do wspólnego wejścia zasilacza, podobnie jak obwody wyjściowe falowników, dostarczające napięcie do wspólnego wyjścia zasilacza UPS;
• zasilacze awaryjne UPS nadmiarowe – ich budowa jest podobna do urządzeń równoległych. Różnica konstrukcyjna polega na tym, że w obwodzie wyjściowym instaluje się łączniki, umożliwiające podłączanie dodatkowych urządzeń w miarę wzrostu obciążenia.

Jaki zasilacz UPS wybrać?

Zasilacze UPS charakteryzują się szerokim spektrum zastosowań. W gospodarstwach domowych oraz w małych i średnich przedsiębiorstwach najczęściej wykorzystywane są pojedyncze urządzenia, pracujące w trybie VI (line-interactive), o mocy znamionowej od 500 VA do ok. 3,5 kVA i czasie pracy na baterii od kilku do kilkunastu minut. Ich zadaniem jest przede wszystkim ochrona wrażliwego sprzętu elektronicznego (komputery PC, urządzenia sieciowe, magazyny danych, wysokiej klasy sprzęt RTV) przed uszkodzeniem w wyniku przepięć, bądź utratą cennych dla użytkownika danych, spowodowaną awarią zasilania.

Zasilacze UPS dużej mocy (powyżej 3,5 kVA) instalowane są w systemach zasilania gwarantowanego m.in. w serwerowniach czy zakładach przemysłowych, w których przerwa w zasilaniu może przyczynić się do powstania strat finansowych lub zagrożenia życia ludzkiego. Tego typu rozwiązania stosuje się również w szpitalach, do zasilania aparatury medycznej podtrzymującej funkcje życiowe. Urządzenia zapewniają bezprzerwowe zasilanie podłączonych do nich urządzeń elektrycznych, poprawę jakości energii elektrycznej dostarczanej do odbiorników, a także parametrów jakościowych energii elektrycznej w sieci zasilającej, poprzez zintegrowany z zasilaczem UPS układ korekcji współczynnika mocy.

Ze względu na wspomniane cechy, zasilacze UPS dużej mocy, wykonywane są w technologii on-line. Zasilacze UPS przeznaczone do pracy w systemach zasilania gwarantowanego pozwalają na integrację z innymi źródłami energii elektrycznej, np. agregatami prądotwórczymi (układ UPS-agregat). W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu niezawodności zasilacze UPS dużej mocy zazwyczaj mają budowę modułową, umożliwiającą pracę równoległą kilku jednostek tworzących układ redundantny lub dołączenie dodatkowych akumulatorów, zwiększających czas pracy na zasilaniu bateryjnym.