Zasilacze UPS w zastosowaniach domowych

W naszych domach bardzo często obserwujemy przygasanie lub chwilowe rozbłyskanie żarówek tradycyjnych w lampach. Ich przyczyną mogą być krótko- i długotrwałe zaniki zasilania, przepięcia, spadki napięcia oraz zakłócenia spowodowane wyższymi harmonicznymi. Jedne z nich są zauważalne bez zastosowania urządzeń pomiarowych, a z innych nie zdajemy sobie nawet sprawy. Jednak wszystkie te zjawiska mają duży wpływ na pracę na przykład komputera i mogą objawić się w różny sposób, od nieprawidłowej pracy (zawieszenie, restart) do jego uszkodzenia [1, 4].

Jak działają UPS-y?

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

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]. Należy również uwzględnić typ zasilacza ze względu na jego niezawodność oraz sposób podłączenia odbiorników oraz grup odbiorników. Ważne jest także, aby uwzględnić znaczenie tych urządzeń i wymagany czas podtrzymania zasilania. Praca niektórych urządzeń może być bowiem zakończona bezpośrednio po zaniku zasilania podstawowego. Wyłączenie części odbiorników powoduje oszczędność zgromadzonej w akumulatorach energii, która może być wykorzystana do wydłużenia czasu podtrzymania odbiorników wymagających zasilania gwarantowanego.

Rozwiązania zasilaczy UPS

Ze względu na technologię zasilacze UPS dzieli się na:

• VFD (Voltage Frequency Dependent) – określane jako Off-Line, Stand-By,
• VI (Voltage Independent) – nazywane Line-Interactive, On-Line-Single Conversion,
• VFI (Voltage Frequency Independent) – On-Line-Double Conversion, True On-Line.

Jeżeli mieści się ono w dopuszczalnych granicach tolerancji, to stycznik lub tranzystor IGBT załącza napięcie sieciowe na wyjście UPS-a. Równocześnie prostownik ładuje baterie. Natomiast w przypadku zaniku napięcia zasilacz przechodzi na zasilanie bateryjne i zostaje załączony falownik, z którego napięcie podawane jest na wyjście urządzenia. Czas załączenia na pracę bateryjną wynosi najczęściej od 2 do 10 ms.

Zasilacze UPS wykonane w technologii Off-Line nie mają układów automatycznej regulacji napięcia zasilającego, dlatego podawane jest ono bezpośrednio na wyjście wraz z wszelkimi zakłóceniami. Urządzenia te nie mają wewnętrznego bypassu (obejścia umożliwiającego podawanie napięcia sieciowego bezpośrednio na wyjście UPS-a) oraz charakteryzują się brakiem synchronizacji zasilania po przywróceniu napięcia w sieci [2, 4].

W zasilaczu UPS pracującym w trybie VI stosuje się dwie pętle regulacji.

• Pierwsza kontroluje napięcie wyjściowe i porównuje z sinusoidalnym napięciem odniesienia, a układ regulacji sprawia, że napięcie wyjściowe ma wartość praktycznie stałą, o częstotliwości zsynchronizowanej z napięciem sieci zasilającej urządzenie.
• Druga pętla kontroluje napięcie i proces ładowania baterii akumulatorów.

Przy braku napięcia w sieci prądu przemiennego lub gdy parametry napięcia zasilającego nie mieszczą się w przedziale dopuszczalnych wartości, następuje wyłączenie przełącznika statycznego oraz przejęcie zasilania odbiorników przez baterię akumulatorów oraz falownik. Przy powrocie napięcia w sieci zasilającej i jego ustabilizowaniu falownik synchronizuje się z napięciem sieci, a przełącznik statyczny zostaje ponownie włączony.

Przeczytaj więcej o zastosowaniach domowych zasilaczy UPS »

W czasie normalnej pracy falownik jest cały czas włączony – nadzoruje i stabilizuje napięcie wyjściowe oraz pełni funkcję prostownika ładowania baterii, chociaż większość energii przepływa bezpośrednio z sieci [3, 4]. Czas przełączania z sieci na baterie wynosi około 2–4 ms, natomiast przełączenie z pracy bateryjnej na sieciową odbywa się bezprzerwowo. Aktualnie dostępne są zasilacze UPS typu VI z czystą sinusoidą na wyjściu, co zapewnia dobrą współpracę z urządzeniami elektrycznymi czułymi na zakłócenia.

Urządzenia bezprzerwowego zasilania o podwójnej konwersji – typu VFI – składają się z prostownika, baterii akumulatorów oraz falownika. W czasie normalnej pracy prostownik zasila falownik oraz baterię akumulatorów. W czasie zaniku napięcia przemiennego w sieci zasilającej energia do odbiorników jest dostarczana z baterii. Przejście zasilania z sieciowego na bateryjne oraz odwrotnie dokonuje się bez przerw w zasilaniu odbiorników, gdyż cały czas w użyciu są falownik i bateria akumulatorów.

Ekspert radzi

Jakie UPS-y polecane są do użytku domowego?

Najbardziej popularną serią UPS-ów do użytku domowego jest Easy UPS BV. W wariancie z gniazdem IEC sprawdzi się do zabezpieczenia małego komputera. Z kolei, jeśli UPS ma podtrzymywać zasilanie w innych urządzeniach, jak np. router, dekoder telewizyjny czy terrarium, warto wybrać klasyczne gniazdo schuko. Wzrost sprzedaży UPS-ów do użytku domowego, który obserwowaliśmy w ciągu ostatniego roku, łączy się także z popularnością produktów Smart Home. Klienci widzą, że UPS staje się koniecznością przy wyborze inteligentnych rozwiązań do domu. W przypadku, gdy w domu pojawiają się elementy Smart Home, warto wybrać UPS z serii SMV, który ma lepszą topologię. W przypadku prostszych UPS-ów, jeśli mamy do czynienia z dłuższym brakiem zasilania, akumulator wyłącza się i po powrocie zasilania należy go samodzielnie ponownie uruchomić. Seria SMV nie wymaga takich działań, ponieważ ma funkcję autostartu – kluczową właśnie przy rozwiązaniach Smart Home, takich jak na przykład automatycznie otwierana i zamykana brama wjazdowa.

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 chipset, 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 między producentami i rodzinami procesorów, niemniej jednak te najczęściej spotykane 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.

Zaawansowane technologie – co oferują producenci?

Przy przeglądaniu katalogów firmowych można spotkać wiele różnych zastosowanych technologii, mających zapewnić niezawodne zasilanie odbiorników. Istnieje m.in. możliwość uruchomienia zasilacza bez podłączonej sieci – tak zwany zimny start – i zasilenia podłączonych do niego urządzeń do czasu pojawienia się napięcia sieciowego lub do wyczerpania się baterii.

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

Można również spotkać wiele różnych systemów kontrolowanego ładowania baterii. Mają one na celu zapewnienie odpowiedniego prądu ładowania oraz temperatury, w której się ono odbywa.

Wykonania specjalne

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.

Przeznaczone do pieców c.o. UPS-y dają możliwość wydłużenia czasu pracy urządzenia poprzez dodanie dodatkowych modułów bateryjnych lub akumulatorów samochodowych [4, 5]. W takim przypadku czas podtrzymania napięcia może dochodzić do kilkunastu godzin.

Ekspert radzi

Michał Przybylski, Inżynier Wsparcia Technicznego EVER Sp. z o.o.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze UPS-ów do kotłów c.o. oraz do kominków z płaszczem wodnym?

W celu zapewnienia bezawaryjnej i bezprzerwowej pracy kotłów centralnego ogrzewania, jak również kominków z płaszczem wodnym warto zastosować zasilacze, które są do tego rodzaju urządzeń przeznaczone. Przy wyborze UPS-a należy zwrócić uwagę na to, czy zasilacz zapewnia ciągłość przewodu neutralnego N – wymaganą do prawidłowej pracy sterowników kotłów (kontrola prądu jonizacji).

Kolejną kwestią jest kształt napięcia generowany na wyjściu zasilacza – czy przebieg jest sinusoidalny. Większość urządzeń z silnikami, w tym pompy obiegowe w instalacjach c.o., nie tolerują napięcia o kształcie prostokątnym. Zastosowanie zasilacza UPS z prostokątnym przebiegiem może doprowadzić do przegrzewania silnika, a w konsekwencji do jego uszkodzenia.

Dodatkowym atutem jest posiadanie przez zasilacz układu automatycznej regulacji napięcia sieciowego AVR, dzięki któremu zasilacz dopasowuje napięcie do wartości akceptowalnej przez odbiorniki, bez konieczności przechodzenia do trybu pracy bateryjnej (przekłada się to na wydłużenie czasu podtrzymania zasilania).

Istotnym parametrem jest również odporność na przeciążenia, rzędu 30 sekund, dzięki czemu mamy pewność, że zasilacz UPS nie wyłączy się z powodu zwiększonego poboru mocy (np. w momencie załączania silników pomp obiegowych).

Wszystkie przytoczone tutaj cechy, jakie powinien posiadać UPS znajdziemy na przykład w zasilaczach z serii SPECLINE AVR 700/SPECLINE AVR PRO 700. UPS-y EVER ECO PRO AVR CDS posiadają system Clear Digital Sinus umożliwiający generację na wyjściu zasilacza UPS napięcia o sinusoidalnym kształcie (przy pracy bateryjnej).

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 2009.
3. H. Markiewicz, Urządzenia i układy rezerwowego zasilania odbiorców energii elektrycznej, PCPM, Wrocław 2001.
4. K. Kuczyński „Zasilacze UPS – przykłady rozwiązań, „Ekspert Budowlany” 2008.
5. Materiały firmy Ever.
6. Materiały firmy APC by Schneider.

Napisz w komentarzu z jakich, i czy, korzystasz z zasilaczy UPS i który polecasz!