Zastosowanie zasilaczy UPS w instalacjach domowych – co jest ważne przy wyborze urządzenia?

Do czego przydadzą się UPS-y w domu?

Zasilacze UPS to urządzenia przeznaczone do zapewnienia bezprzerwowej pracy urządzeń komputerowych, łączności oraz innych odbiorników elektrycznych o znaczeniu krytycznym w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej.

Systemy bezpieczeństwa w inteligentnym budynku również wymagają zasilania awaryjnego. O takiej konieczności przekonał się właściciel nowoczesnego domu, z którego nie mógł wyjść. System zadziałał prawidłowo, gdyż w przypadku braku zasilania miał zablokować wszystkie drzwi i okna, uniemożliwiając wejście złodziejom do środka. Niestety również właściciel został praktycznie uwięziony w swoim domu, a okna z szybami P8 nie ułatwiały opuszczenia budynku. Po tym przypadku w domu zainstalowany został cały układ zasilania awaryjnego podtrzymujący system zabezpieczeń oraz układ zapewniający zasilanie obiektu nawet przez wiele godzin.

Zasilacze UPS (Uninterruptable Power Supply) należą obecnie do najbardziej rozpowszechnionych urządzeń podtrzymujących napięcie zasilania na wyjściu. Dodatkowo zapewniają one eliminację zakłóceń pochodzących z sieci elektroenergetycznej oraz mogą izolować galwanicznie odbiory od sieci energetycznej poprzez wbudowany transformator separujący. Przy doborze zasilaczy UPS należy koniecznie uwzględniać rzeczywiste wartości prądu obciążenia, a nie tylko moc odbiorników [1, 4].

Dobór mocy UPS-a

Moc znamionowa UPS-a jest mocą na wyjściu zasilacza, czyli jest to moc, jaką UPS jest w stanie dostarczyć do odbiorników. Moc pobierana przez UPS jest większa o wartość strat oraz moc potrzebną na doładowanie baterii akumulatorów w zasilaczu UPS.

Posiadając koncepcję układu zasilania gwarantowanego, można przystąpić do dobrania mocy poszczególnych zasilaczy UPS. Po wyliczeniu mocy zapotrzebowanej przez odbiory należy dobrać moc UPS-a. Ponieważ współczynnik mocy wyjściowej UPS-a jest różny dla różnych konstrukcji, należy uwzględnić zarówno moc pozorną, w [VA], jak i moc czynną, w [W]. Przy doborze mocy zaleca się uwzględnienie potrzeb na przyszłą rozbudowę odbiorników. Zwykle przewymiarowanie wynosi 20% mocy odbiorników.

Niektóre zasilacze UPS mają możliwość zwiększenia mocy poprzez aktualizację oprogramowania UPS-a, bez konieczności dokładania dodatkowych elementów systemu. Taka możliwość zapewnia rozbudowę systemu w przyszłości. Należy jednak dobrać kable i inne elementy obwodu zasilania na moc docelową [2, 3].

Dla UPS-ów średniej i dużej mocy moc odbiorników może być zapewniona przez sumę mocy UPS-ów pracujących równolegle (sumacyjnie).

Topologia wykonania

Topologia Off-Line (VFD) charakteryzuje się tym, że UPS pracuje normalnie z sieci, filtrując napięcie wejściowe. Napięcie i częstotliwość wyjściowa nie są regulowane, tzn. ich parametry są takie, jak sieci zasilającej. Po przekroczeniu parametrów zakresu napięcia wejściowego lub częstotliwości następuje przełączenie na pracę bateryjną w czasie kilku milisekund. UPS zasila odbiory do czasu rozładowania baterii lub powrotu napięcia zasilającego do akceptowalnych parametrów [1, 2].

O topologii Line-Interactive (VI) mówimy wówczas, gdy UPS pracuje normalnie z sieci o niezależnej częstotliwości (jak częstotliwość sieci) i regulowanej wartości napięcia w zadanym przedziale bez wykorzystania energii z baterii akumulatorów. Gdy napięcie i częstotliwość sieci znajdą się poza zadaną tolerancją, następuje przełączenie na pracę z baterii, tak jak ma to miejsce w zasilaczach Off-Line.

Generalnie różnica pomiędzy VFD a VI polega na możliwości regulacji wartości napięcia zasilającego w czasie pracy normalnej [1, 2].

W zasilaczach typu Line-Interactive układ automatycznej regulacji napięcia (AVR – Automatic Voltage Regulation) umożliwia podwyższenie lub obniżenie wartości napięcia, bez konieczności czerpania energii z akumulatora [4, 5].

Topologia On-Line (FVI) – UPS w czasie pracy normalnej dwukrotnie konwertuje energię ac/dc i dc/ac, a na wyjściu UPS-a dostarczane jest zasilanie o stabilnych parametrach napięcia i częstotliwości. Gdy zasilanie sieciowe nie spełnia warunków dopuszczalnych przez UPS (napięcie, częstotliwość), następuje przełączenie na pracę z baterii, przy czym na wyjściu zasilacza UPS nie występuje przerwa w zasilaniu. Zmiana trybu pracy odbywa się w zerowym czasie [1, 2].

Topologie Off-Line (VFD) i Line-Inter­ac­tive (VI) mają najczęściej zastosowanie dla jednofazowych UPS-ów małych mocy, do 3 kVA, podłączanych do gniazd sieciowych lub podłączonych na stałe, do 10 kVA i wszędzie tam, gdzie jakość zasilania jest na poziomie tolerowanym przez odbiory. Zasilacze UPS mogą być wyposażone w tradycyjne gniazda wtyczkowe na wyjściu, IEC C13 lub IEC C19. Zasilacze UPS większych mocy mają stałe przyłącza śrubowe.

W przypadku, gdy jakość zasilania sieciowego jest niska (występują częste zapady napięcia), UPS-y Line-Interactive będą często korzystały z baterii, powodując szybsze ich zużycie i częstsze wymiany. Topologia ­On-Line stanowi najlepsze rozwiązanie zarówno dla odbiorników IT, przemysłowych, jak i najprostszych zastosowań [1, 2]

Dynamiczny pobór mocy

W latach dziewięćdziesiątych prawie wszystkie komputery charakteryzowały się niemal stałym poborem mocy. Główne przyczyny wahań mocy w komputerach były związane z rozpędzaniem się napędów dyskowych oraz zmianami prędkości obrotowej wentylatorów wynikającymi z regulacji temperatury.

Obciążenie obliczeniowe procesorów oraz systemów pamięci powodowało pomijalne wahania całkowitego poboru mocy. W przypadku typowych komputerów przeznaczonych dla małych firm lub przedsiębiorstw całkowite wahania mocy miały wartość rzędu 5% i były całkowicie niezależne od obciążenia obliczeniowego [6].

Znaczące obniżenie poboru mocy wymaga współpracy systemu BIOS, układu chipsetu, procesora i systemu operacyjnego. W takim systemie z funkcją zarządzania zasilaniem za każdym razem, gdy wykorzystanie procesorów spada poniżej 100%, system operacyjny wprowadza tryb bezczynności, co powoduje przejście procesorów w stan niskiego poboru mocy.

Ilość czasu spędzonego w trybie niskiego poboru mocy jest odwrotnie proporcjonalna do obciążenia obliczeniowego systemu, tj. procesor pracujący przy wykorzystaniu 20% mocy obliczeniowej będzie przez 80% czasu znajdował się w stanie niskiego poboru mocy [6].

Rozwiązania stosowane w celu osiągania stanów niskiego poboru mocy różnią się pomiędzy producentami i rodzinami procesorów, niemniej jednak te najczęściej spotykanie polegają na obniżaniu częstotliwości lub ograniczeniu taktowania zegara oraz wyłączaniu lub obniżaniu napięcia zasilającego różne elementy procesora, układów chipset i pamięci.

Inna jeszcze metoda polega na dostosowywaniu częstotliwości taktowania oraz poziomu napięcia zasilającego procesor do jego obciążenia w trybie innym niż bezczynność [6].

Warto zaznaczyć, że każde rozwiązanie, które warunkowo obniża moc procesora, redukuje jedynie średnią moc pobieraną przez system, podczas gdy moc maksymalna pozostaje na niezmienionym poziomie.

Należy również zdawać sobie sprawę, że w przypadku, gdy udział mocy procesora w całkowitym poborze mocy komputera wzrasta, wahania całkowitego poboru mocy przez zasilacz komputerowy powodowane obciążeniem obliczeniowym stają się procentowo odpowiednio większe. Jeszcze kilka lat temu zasilacze do komputerów stosowanych do obróbki zaawansowanej grafiki lub gier miały 400–600 W mocy.

Obecnie producenci, stosując energooszczędne procesory i karty graficzne, ograniczyli moc zasilacza komputerowego nawet do 180 W. W takim przypadku zasilacz UPS 500 VA powinien zapewnić kilka minut podtrzymania bateryjnego, aby można było zapisać wyniki swojej pracy. W zależności od podłączonych odbiorników zmienia się cos φ zasilacza i przeliczenie między mocą pozorną a mocą czynną.

W najgorszym przypadku spotkałem się z zasilaczami UPS, których cos φ wynosiło 0,5, co oznaczało, że S = 800 VA dawało moc P = 400 W. Najczęściej cos φ jest jednak w zakresie 0,8–0,99.

UPS-y do zastosowań specjalnych

Coraz częściej użytkownicy poszukują zasilaczy awaryjnych przeznaczonych do zabezpieczenia pracy kotłów centralnego ogrzewania, pomp, kominków z płaszczem wodnym itp. Dostępne na rynku urządzenia mają moc od 100 do 300 W mocy ciągłej. Często ­UPS-y mogą być uruchamiane bez podłączonej sieci dzięki funkcji tzw. zimny start. UPS-y przeznaczone do pieców c.o. dają możliwość wydłużenia czasu pracy poprzez dodanie dodatkowych modułów bateryjnych lub akumulatorów samochodowych [4, 5]. W takim przypadku czas podtrzymania napięcia może dochodzić do kilkunastu godzin.

Literatura

1. A. Baranecki, „Jakość zasilania – niezawodność systemów zasilania gwarantowanego – uwagi dla projektantów”, t. 3, Poradnik Inżyniera Elektryka, WNT, Warszawa 2005.
2. J. Wiatr, M. Orzechowski, „Poradnik projektanta elektryka”, Dom Wydawniczy MEDIUM, Warszawa 2012.
3. H. Markiewicz, „Urządzenia i układy rezerwowego zasilania odbiorców energii elektrycznej”, PCPM, Wrocław 2001.
4. K. Kuczyński, „Zasilacze UPS”, „Ekspert Budowlany” nr 6/2020.
5. Materiały firmy Ever.
6. Materiały firmy APC by Schneider Electric.