Zasilacze UPS do zasilania sieci komputerowych i urządzeń domowych

Bezprzerwowe 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. Dodatkowo zapewniają one eliminację zakłóceń pochodzących z sieci elektroenergetycznej oraz mogą izolować galwanicznie odbiory od sieci energetycznej poprzez wbudowany transformator [2, 3].

Zasilacze UPS to urządzenia energoelektroniczne, zapewniające bezprzerwową pracę urządzeń wrażliwych na przerwy w zasilaniu, wahania napięcia oraz zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Przy doborze danego systemu zasilania należy uwzględnić typ zasilacza ze względu na jego niezawodność oraz sposób połączenia odbiorników i grup odbiorników. Przy doborze zasilaczy UPS należy koniecznie uwzględniać rzeczywiste wartości prądu obciążenia, a nie tylko moc odbiorników [1, 4].

Pobór mocy

W latach 90. do ubiegłego roku 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 [4, 6].

Czytaj też: UPS-y do zastosowań domowych

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 [4, 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 [4, 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.

Technologie zasilaczy UPS

Współczesne komputery stacjonarne ze względu na znaczną moc obliczeniową charakteryzują się zwiększonym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, dlatego do zapewnienia ciągłości zasilania wymagają zasilaczy UPS o minimalnej mocy ok. 700–1200 VA.

Ze względu na technologię zasilacze UPS dzieli się najczęściej na [2, 3]:

• 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.

W trybie VFD zespół kontrolujący zasilacza UPS nadzoruje napięcie sieci. Jeżeli mieści się ono w dopuszczalnych granicach tolerancji, to stycznik 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 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. 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.

Zastosowane technologie

Współczesne urządzenia RTV i audio wymagają zasilania bezprzerwowego z czystą sinusoidą na wyjściu. Z tego względu są one często wyposażone w układ sterowania DSP odpowiedzialny za kształt i parametry napięcia na wyjściu zasilacza UPS. Dodatkowo zastosowane transformator niskonapięciowy oraz filtr EMI i ogranicznik przepięć na wejściu zabezpieczają tranzystory falownika przed uszkodzeniem spowodowany zakłóceniami z sieci zasilającej.

Przy przeglądaniu katalogów firmowych możemy 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 i niektórych trybach zasilaczy On-Line umożliwia on podwyższenie lub obniżenie wartości napięcia bez konieczności czerpania energii z akumulatora [4, 5]. Możemy również spotkać wiele różnych systemów ładowania baterii, zapewniających możliwie długą ich eksploatację. Mają one na celu zapewnienie odpowiedniego prądu ładowania oraz temperatury, w której się ono odbywa.

Zasilanie stanowisk komputerowych

W zasilaczach UPS małej mocy (do 3 kVA) jako ochronę uzupełniającą można zastosować urządzenie różnicowoprądowe, ponieważ wymagana niezawodność zasilania zwykle nie jest wysoka oraz istnieją uzasadnione obawy, że może dojść do niezachowania ciągłości przewodu ochronnego spowodowanego przez nieostrożność użytkowników, niemających kwalifikacji i świadomości zagrożeń.

Zasilacze UPS małych mocy posiadają najczęściej topologię Off-Line lub Line-Interactive, czyli w trybie pracy normalnej pracują na torze obejściowym [7]. Do jednego obwodu zwykle przyłącza się gniazda kilku stanowisk komputerowych. Praktyka pokazuje, że najczęściej do zabezpieczenia przeciwporażeniowego gniazd wtyczkowych stanowisk komputerowych stosuje się wyłączniki różnicowoprądowe typu A lub B. Zaleca się, aby z jednego obwodu nie było zasilanych więcej niż cztery stanowiska komputerowe. Jeśli z obwodu zasilanych będzie więcej komputerów lub zostaną zastosowane inne wyłączniki różnicowoprądowe, mogą następować nieuzasadnione wyłączenia spowodowane zadziałaniem wyłącznika różnicowoprądowego [3].

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. T. Sutkowski, „Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – urządzenia i układy”, COSiW SEP, Warszawa 2007.
4. K. Kuczyński „Zasilacze UPS w zastosowaniach domowych”, „Ekspert budowlany” nr 1/2020.
5. Materiały firmy Ever.
6. Materiały firmy APC by Schneider Electric.
7. Materiały firmy Eaton.