Jakie są rodzaje zasilaczy UPS, i który z nich powinieneś wybrać do swoich zastosowań? Na pytanie pierwsze znajdziesz odpowiedź w niniejszym artykule, a o tym, który zasilacz UPS wybrać do konkretnego zastosowania omówiliśmy w artykule Jaki zasilacz UPS wybrać (link chwilowo nieaktywny).
Zacznijmy zatem od podstaw, czyli od fundamentalnych różnic w konstrukcji samych zasilaczy awaryjnych. W tym momencie warto się zorientować jak sklasyfikowano poszczególne typy zasilaczy UPS pod kątem technologii ich wykonania w kontekście europejskich norm dotyczących zasilaczy UPS.
Typy zasilaczy UPS według norm europejskich PN-EN IEC
Aktualnie istnieją 3 podstawowe normy europejskie dotyczące zasilaczy UPS. Zostały one wprowadzone w życie również w Polsce:
- PN-EN IEC 62040-1 dotyczące wymagań bezpieczeństwa
- PN-EN IEC 62040-2 dotyczące wymagań kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
- PN-EN IEC 62040-3 dotyczące wymagań wydajności i badań kompletnego UPS
Konstrukcje zasilaczy UPS, zgodnie z normą PN-EN IEC 62040-3, posiadają oznaczenie według formuły AAA-BB-CCC, gdzie pierwsze trzy znaki AAA-BB-CCC definiują jeden z trzech głównych typów:
- VFD (Voltage Frequency Dependent), jak sama nazwa wskazuje jest to rodzaj zasilaczy UPS, w których parametry napięcia wyjściowego (napięcie, częstotliwość) zależą od parametrów napięcia w sieci zasilającej UPSa (wartość napięcia, częstotliwość).
- VI (Voltage Independent), gdzie wartość napięcia na wyjściu UPSa nie zależy od wartości napięcia zasilającego, jednak warunek ten nie dotyczy jedynie napięcia, a nie częstotliwości.
- VFI (Voltage Frequency Independent), w których zarówno napięcie jak i częstotliwość prądu jest niezależna od parametrów sieci zasilającej UPS.
Osoby, które już spotkały się z tematyką dotyczącą zasilaczy UPS z pewnością dostrzegą, że oznaczenia te praktycznie pokrywają się z obecną od lat w obiegu formą nazewnictwa, gdzie konstrukcje VFD (Voltage Frequency Dependent), VI (Voltage Independent) czy VFI (Voltage Frequency Independent), odpowiadają typom zasilaczy UPS offline, line interactive oraz online.
Do każdej z wymienionych topologii UPS, udostępniony został rysunek ze schematem blokowym. Grafiki są poglądowe, a szczegółowa zawartość schematu zależeć będzie od konstrukcji konkretnego modelu. Zostały one przygotowane w celu uwidocznienia podstawowych różnić technologicznych i zobrazowania działania przy poprawnie działającej sieci zasilającej (linia czerwona), jak i w przypadku pracy bateryjnej (linia szara, przerywana).
Zasilacz UPS offline (VFD)
Konstrukcja Offline (VFD, voltage frequency dependent, off-line, z bierną rezerwą). Jak sama nazwa wskazuje UPS tego typu jest off-line czyli nieaktywny. Oznacza to, że do odbiorów podłączonych do wyjścia takiego zasilacza awaryjnego trafia prąd zmienny zasadniczo niezmieniony w stosunku do jego wejścia. W zależności od konkretnego modelu, zasilacz UPS offline może być wyposażony w ochronę antyprzepięciową czy mniej lub bardziej zaawansowane filtry. Największymi zaletami takiego zasilacza są jego duża sprawność (typowo największa w porównaniu do pozostałych konstrukcji), niska emisja ciepła, praktycznie bezgłośność w przypadku pracy sieciowej, zazwyczaj niewielkie rozmiary oraz niska cena. Jest to zasługa prostoty konstrukcji i praktycznie pasywnej pracy (w przypadku braku awarii zasilania pracuje w zasadzie jedynie system analizujący parametry sieci zasilającej). W związku z tym stosowanie zasilaczy UPS offline, powinno być rozwiązaniem stosunkowo bezawaryjnym i cechującym się niskim zużyciem eksploatacyjnym.
Zasilacze UPS Offline nie są jednak wolne od wad i uwidaczniają się one zwłaszcza przy słabej jakości zasilaniu, gdzie zużycie eksploatacyjne (czy degradacja akumulatorów) może okazać się dużo wyższe niż w przypadku pozostałych typów. Jak widać na zamieszczonym schemacie (rys.1) zasilacz ten posiada w torze zasilającym (zazwyczaj) prosty pasywny filtr oraz ochronnik przepięć, dzięki czemu może on zapewnić ochronę od ewentualnych udarów prądowych czy odfiltrować niewielkie szumy z sieci zasilającej (oraz zakłóceń z samego urządzenia energoelektronicznego do sieci). Jednak w przypadku wystąpienia jakichkolwiek większych nieprawidłowość w sieci zasilającej (np. wahanie napięcia, częstotliwości, wystąpienie zniekształceń harmonicznych) będzie wiązała się z przejściem zasilacza na pracę akumulatorową. Proszę sobie wyobrazić jak taki zasilacz będzie pracował gdzieś w sieci z dala od transformatora, gdzie regularnie występują np. duże spadki napięć, lub podpięty do agregatu prądotwórczego ze słabym (lub w ogóle nie obecnym) układem AVR. Do tego należy pamiętać, że czas przełączenia się na zasilanie akumulatorowe jest (typowo) większy niż w przypadku zasilacza line-interactive jednak tu już należy odnieść się do dokumentacji konkretnego producenta, bo dostępne są modele z czasami przełączania rzędu kilku jak i kilkunastu milisekund, a to już może wpłynąć na ewentualne wyłączenie bądź zresetowanie urządzenia odbiorczego.
Zasilacz UPS line interactive (VI)
Zasilacz UPS line interactive (VI, voltage independent, line-interactive). W tej konstrukcji zasilacza (rys. 2), inwerter (a właściwie jego układ AVR) jest stale podłączony z wyjściem zmiennoprądowym zasilacza UPS. Układ AVR (Automatic Voltage Regulation), jak sama nazwa wskazuje służy do automatycznej regulacji napięcia. Dzięki takiemu rozwiązaniu transformator (zazwyczaj jest to autotransformator) zasilacza line interactive potrafi “w locie” skorygować zbyt niskie lub zbyt wysokie napięcie na wejściu do napięcia znamionowego na wyjściu. Dewiacja napięcia w zasilaczach UPS line interactive wynosi (typowo) nie więcej niż 8%. Podobnie do zasilaczy UPS offline, zasilacze skonstruowane w tej topologii posiadają ochronnik przepięć i (mniej lub bardziej rozbudowane) filtry. Sprawia to, że zasilacz UPS line interactive rzadziej przełącza się na tryb akumulatorowy. Dzięki temu odbiory znajdujące się za zasilaczem awaryjnym są rzadziej narażone na (milisekundowe) przerwy w zasilania, a same akumulatory ulegają mniejszemu zużyciu. UPSy line interactive cechują się bardzo wysoką sprawnością, umiarkowaną temperaturą pracy i (typowo) szybszym czasem przełączania na zasilanie akumulatorowe w stosunku do zasilaczy UPS offline, nie przekraczającym 10ms, a czasem zbliżonym do 1ms. Cena jak i rozmiar i waga UPSów VI (line interactive) są również umiarkowane, aczkolwiek (typowo) większe od urządzeń w topologii VFD (offline), ze względu na konieczność zastosowania układu AVR (autotransformatora). Z tego też względu sprawność zasilaczy UPS VI (line interactive) jest niższa od rozwiązań VFD (offline).
Należy natomiast pamiętać, że AVR nie zniweluje wszystkich problemów z siecią zasilającą i w przypadku zniekształceń częstotliwości zasilacz UPS line interactive nie poradzi sobie bez przełączenia w tryb akumulatorowy. Co więcej przez to, że układ AVR inwertera jest wpięty na stałe w linię zasilania, urządzenie jest zdecydowanie cieplejsze od odpowiednika offline i często (ale nie zawsze) wymaga aktywnego chłodzenia nawet w przypadku pracy sieciowej, co wiąże się ze zwiększonym wpływem środowiskowym w postaci temperatury i hałasu (wentylatora).
Zasilacz UPS online (VFI)
Zasilacz UPS online (VFI, voltage frequency independent, podwójna konwersja). Jak widać na schemacie blokowym (rys.3), w konstrukcji zasilacza online z podwójną konwersją, nie dochodzi do przełączenia źródła zasilania w przypadku awarii sieci zasilającej. Oznacza to, że nie występuje tu, tak jak w przypadku zasilaczy UPS offline czy line interactive, okres od kilku do kilkunastu milisekund, w którym odbiory podpięte do zasilacza UPS pozbawione są napięcia. Dzieje się tak ponieważ zarówno inwerter jak i prostownik wraz z ewentualnym układem ładującym akumulator permanentnie przetwarzają całą moc obciążenia. W przypadku odcięcia zasilania następuje jedynie zatrzymanie ładowania akumulatora, natomiast prąd stały zasila nieprzerwanie inwerter w sposób tożsamy do normalnej pracy przy zasilaniu sieciowym, z tą różnicą, że źródłem zasilania nie jest prostownik, a wpięty w linię zasilającą akumulator.
Jak sama nazwa wskazuje w przypadku normalnej pracy takiego zasilacza UPS następuje podwójna konwersja, czyli w pierwszej kolejności zasilanie konwertowane jest na prąd stały, a następnie przechodzi przez falownik, który konwertuje je z powrotem na prąd zmienny. Dzięki takiemu rozwiązaniu na wyjściu urządzenia otrzymujemy niemal idealną sinusoidę, pozbawianą jakichkolwiek szumów czy zniekształceń harmonicznych o minimalny wahaniu napięcia (typowo poniżej 3%).
Niestety takie rozwiązanie powoduje szereg wad. Pierwszą z nich jest stosunkowo niska sprawność takiego zasilacza zwłaszcza w przypadku niskiego obciążenia. Co więcej z powodu permanentnego działania zarówno prostownika jak i falownika wydzielana jest duża ilość ciepła (typowo kilkukrotnie większa niż w przypadku UPSów line interactive). Dlatego praktycznie nie stosuje się zasilaczy UPS online chłodzonych pasywnie. Oczywistym jest również, że wyżej wymienione wady wpływają na warunki środowiskowe otoczenia samego zasilacza. Należy pamiętać o zwiększonym hałasie i zapewnić takiemu zasilaczowi dużo lepszy przepływ powietrza niż w przypadku rozwiązań line interactive czy offline. O ile samo zużycie akumulatorów będących na wyposażeniu zasilacza UPS online powinno być najmniejsze, biorąc pod uwagę każdy inny typ zasilacza UPS działającego w tych samych warunkach, o tyle nie można tego już napisać o samym zużyciu eksploatacyjnym czy niezawodności. Oczywiście to nie tak, że zasilacz UPS online będzie zawsze bardziej awaryjny od zasilacza UPS line interactive czy offline (bo to każdorazowo zależy od samego projektu, jakości wykonania czy użytych komponentów), jednak skomplikowanie konstrukcji, szereg elementów aktywnych w permanentnym użyciu jak i wysoki poziom wydzielanego ciepła, potrafią realnie skrócić czas eksploatacji (lub okres wymiany serwisowej poszczególnych elementów) danego urządzenia. Cena zasilaczy UPS online jest również stosunkowo najwyższa, tak jak i rachunek za prąd spowodowany stosunkowo najniższą sprawnością z prezentowanych w artykule rozwiązań.
Rozwiązania nietypowe
W formie ciekawostki opisane zostały również konstrukcje rzadziej spotykane i minione.
Zasilacz UPS z Konwersją Delta
Biorąc pod uwagę, wymienione w poprzednim akapicie, cechy zasilaczy UPS online, można teoretyzować dając przykład zasilaczy UPS z Konwersją Delta (Delta Conversion). Zasilacze tego typu pozbawione są największej wady zasilaczy UPS online z podwójną konwersją czyli stosunkowo niskiej sprawności. Ich budowa wygląda podobnie do zasilaczy UPS online, z tą różnicą że nie mamy tu do czynienia z podwójną konwersją, ale w tor zasilający wpięty jest dodatkowo transformator Delta pełniący również funkcję aktywnego filtra. Częstotliwość napięcia na wyjściu zasilacza Delta Conversion zależy jednak od częstotliwości sieci, dlatego nie można tych zasilaczy zakwalifikować do grupy zasilaczy VFI (online) zgodnie z normą PN-EN 62040-3. To rozwiązanie pozwala nijako ominąć prostownik (zasilanie nie jest konwertowane bezpośrednio do linii napięciowej kompatybilnej z ładowaniem akumulatora) przekazując zasilanie bezpośrednio na falownik. Napisałem celowo o teoretyzowaniu, bo rozwiązanie to, choć jego początki sięgają roku 2000, nie zostało wdrożone do zasilaczy UPS o mocy poniżej 10kVA i stosowane jest (również ze względu na cenę) jako zabezpieczenie dużych centrum danych i innych rozwiązań korporacyjnych czy infrastrukturalnych o znaczeniu krytycznym.
Zasilacz UPS standby-ferro
Jeśli już o rozwiązaniach, z którymi większość czytających ten artykuł nie będzie mieć styczności mowa, można wspomnieć o popularnej kiedyś topologii zasilaczy UPS standby-ferro. Ich schemat blokowy jest niemal identyczny jak w modelach UPS offline, z tą różnicą że na wyjściu zastosowany został transformator wykorzystujący zjawisko ferrorezonansu co zapewniało ograniczoną stabilizację napięcia i jednocześnie stanowiło doskonały filtr przebiegów przejściowych prądu zmiennego. Niestety transformatory tego typu są (typowo) mało wydajne, generują dużo ciepła, a co gorsze generują do sieci często większe zniekształcenia niż te występujące w nawet słabej jakości linii zasilającej w obecnych czasach. Co gorsze przez specyficzną budowę samych transformatorów nie nadają się one do zasilania większości obecnie stosowanych zasilaczy impulsowych (z powodu używanych w nich kondensatorów), w skrajnym przypadku powodując nawet ich uszkodzenie. Dlatego też popularność tej konstrukcji praktycznie zmalała do zera i obecnie stanowić może raczej eksponat muzealny.
Przebieg napięciowy na wyjściu zasilacza UPS
Przebieg napięcia na wyjściu (z inwertera) zasilacza UPS to niezwykle ważny parametr urządzenia tego typu, często definiujący jego przydatność dla konkretnego zastosowania.
Każdy zasilacz UPS wyposażony jest w urządzenie do przetwarzania prądu stałego (DC), którego źródłem jest akumulator (jak również prostownik w konstrukcjach online z podwójną konwersją), na prąd przemienny (AC), czyli teoretycznie taki, który pojawia się standardowo w gniazdku elektrycznym. Urządzenia te noszą nazwę inwertera (falownika, przetwornicy napięcia) i różnią się między sobą nie tylko mocą czy poziomem sprawności. Może się zdarzyć, że podłączając do zasilacza UPS jakieś urządzenie, z którym wydawałoby się nam, powinno współpracować bez problemu, nie może się ono w ogóle uruchomić lub pracuje w sposób niewłaściwy. Dzieje się tak ponieważ przebieg napięcia na wyjściu inwertera zasilacza UPS może mieć przebieg inny niż sinusoidalny (czyli inny od tego, który dostarczany jest nam przez zakład energetyczny).
W poprzednich paragrafach poznaliśmy znaczenie pierwszych trzech znaków definiujących zasilacze UPS według normy PN-EN IEC 62040-3, przyjrzyjmy się teraz kolejnym dwóm. BB w formule AAA-BB-CCC oznaczają właśnie jakość przebiegu napięciowego na wyjściu zasilacza. Pierwsza litera oznacza rodzaj przebiegu wyjściowego podczas pracy sieciowej (np. podwójnej konwersji), a druga podczas pracy autonomicznej, czyli w momencie kiedy zasilacz UPS przełączy się (np. z powodu pogorszenia warunków zasilających) w tryb bateryjny.
Znaczenie liter BB w formule AAA-BB-CCC przedstawia poniższa tabela:
Y | Generowane napięcie nie spełnia wymagań jako przebieg sinusoidalny (przebieg prostokątny / trapezoidalny, quasi sinusoida, schodkowa aproksymacja sinusoidy itp.). |
X | Generowane napięcie jest sinusoidalne przy pełnym obciążeniu liniowym, jednak przy obciążeniu nieliniowym współczynnik THDu (zniekształceń harmonicznych) przekracza 8%. |
S | Generowane napięcie jest sinusoidalne zarówno w stanach pełnego obciążenia liniowego jak i nieliniowego, a całkowity współczynnik zniekształceń harmonicznych THDu (zniekształceń harmonicznych) jest niższy od 8% w obu przypadkach. |
Klasyfikacja Y (przebieg prostokątny i schodkowa aproksymacja sinusoidy)
Oznaczenie Y dotyczy prostszych konstrukcji zasilaczy, praktycznie większości UPS klasy VFD (offline) oraz licznych klasy VI (line interactive). Typ przebiegu prostokątny jak i sinusoida aproksymowana (o czym jeszcze w dalszej części) nie nadają się do pracy z urządzeniami takimi jak piece CO/CWU, pompy CO/CWU, lodówki, bezszczotkowe elektronarzędzia itp., ze względu na indukcyjny charakter pracy silników w tych urządzeniach zastosowany. Do tego dochodzą wszelkiego rodzaju zasilacze, w tym komputerowe o ile wyposażone zostały w aktywny układ korekcji współczynnika mocy (Active PFC). Należy przy tym pamiętać, że zasilacz, to nie tylko osobny element (tak jak chociażby w przypadku większości laptopów). W obecnych czasach niemal każde urządzenie elektroniczne wyposażone jest w zasilacz impulsowy (czy to dołożony osobno, czy zintegrowany). Zasilacze bez aktywnych układów PFC lub te wyposażone w układ pasywny (Passive PFC) powinny działać bez zakłóceń.
Schodkowa aproksymacja sinusoidy (nazwy marketingowe: sinusoida aproksymowana, quasi sinusoida, pseudo sinusoida, sinusoida schodkowa itp.), to pojęcie bardzo nierówne i zależne od oznaczeń konkretnego producenta. Różni producenci oznaczają w ten sposób urządzenia zarówno o współczynniku zawartości harmonicznych THDu wynoszącym kilkadziesiąt jak i kilkanaście procent. Im mniejsze zniekształcenia harmoniczne THDu w przebiegu napięcia wyjściowego zasilacza UPS, tym więcej “schodków” w aproksymacji sinusoidy (rys. 4), a co za tym idzie większe prawdopodobieństwo poprawnej pracy z urządzeniami wrażliwymi na odkształcenie napięcia.
Klasyfikacja X
Oznaczenie X dotyczy tych zasilaczy, które przy obciążeniu liniowym zachowują współczynnik kształtu napięcia wyjściowego o współczynniku zawartości wyższych harmonicznych THDu poniżej 8% jednak przy obciążeniu nieliniowym nie są w stanie utrzymać współczynniku zawartości zniekształceń THDu na tym poziomie. Przykładem nieliniowego obciążenia może być oświetlenie LED, sterowniki, komputery i inne urządzenia wyposażone w zasilacze impulsowe, przemienniki częstotliwości, instalacje HVAC, czy generalnie odbiorniki, które pobierają prąd impulsowo, a nie w postaci gładkiego przebiegu sinusoidalnego.
Wartość THDu na poziomie >8% dla zdecydowanej większości odbiorników nie stanowi problemu, ale wymagania normy są klarowne i taki zasilacz UPS nie może zostać oznaczony symbolem S.
Klasyfikacja S (pełny przebieg sinusoidalny)
Oznaczenie S dotyczy tych zasilaczy, które przy obciążeniu liniowym jak i nieliniowym (impulsowym) zachowują współczynnik kształtu napięcia wyjściowego o współczynniku zawartości wyższych harmonicznych THDu poniżej 8%. Tego typu zasilacz UPS można z powodzeniem stosować do zasilania wszelkich urządzeń, w tym urządzeniami wrażliwymi na odkształcenie napięcia.
Zasilacze UPS o pełnym przebiegu sinusoidalnym nadają się do pracy z urządzeniami takimi jak piece CO/CWU, pompy CO/CWU, lodówki, bezszczotkowe elektronarzędzia czy inne urządzenia wyposażone w silniki indukcyjne. Bez problemu współpracują z każdym typem zasilacza (w tym komputerowego), również tych wyposażonych w aktywny układ korekcji współczynnika mocy (Active PFC).
Charakterystyka dynamiczna zasilaczy UPS
Trzy ostatnie znaki w formule AAA-BB-CCC odnoszą się do charakterystyk dynamicznych zasilaczy UPS. Pierwszy określa zachowanie zasilacza podczas zmiany trybów pracy. Drugi i trzeci określa zachowanie przy skokowym (dynamicznym) załączeniu obciążenia odpowiednio liniowego i nieliniowego. Znaki CCC mogą przyjmować wartości od 1, 2 oraz 3.
Znaczenie znaków CCC w formule AAA-BB-CCC przedstawia poniższa tabela:
1 | Klasa 1, odchylenie napięcia na wyjściu zasilacza UPS zawiera się w zakresie i czasie określonym na wyk. 1. Całkowita przerwa w zasilaniu, kiedy napięcie spada do wartości 0 V nie występuje. |
2 | Klasa 2, odchylenie napięcia na wyjściu zasilacza UPS zawiera się w zakresie i czasie określonym na wyk. 2. Całkowita przerwa w zasilaniu, kiedy napięcie spada do wartości 0 V wynosi ≤ 1 ms. |
3 | Klasa 3, odchylenie napięcia na wyjściu zasilacza UPS zawiera się w zakresie i czasie określonym na wyk. 3. Całkowita przerwa w zasilaniu, kiedy napięcie spada do wartości 0 V wynosi ≤ 10 ms. |
Klasa 1
Klasa 2
Klasa 3
Najlepszy zasilacz UPS
Odszyfrowaliśmy już wszystkie pozycje dotyczące oznaczenia zasilaczy UPS według normy PN-EN IEC 62040-3. Jak zatem powinno wyglądać oznaczenie klasyfikacyjne najlepszego zasilacza UPS?
VFI-SS-111
SS w oznaczeniu gwarantują najlepszą jakości przebiegu zasilania (pełna sinusoida w każdych warunkach obciążeniowych), natomiast najlepszą klasą dotyczącą charakterystyki dynamicznej zasilaczy gwarantują trzy cyfry 1 (minimalny zakres wahań niezależnie od typu i dynamiki obciążenia oraz brak całkowitego zapadu napięcia wyjściowego nawet w momencie zmiany trybu pracy). Wymaganiom przedstawionym wcześniej podoła jedynie konstrukcja UPS typu online, mająca możliwość pracy w trybie podwójnej konwersji. Stąd pierwszymi trzema literami klasyfikacji takiego UPSa musi być VFI.
Jednak taki teoretycznie najlepszy UPS niekoniecznie będzie najlepszy dla konkretnego zastosowania. W przypadku doboru odpowiedniego zasilacza UPS w grę powinno wchodzić wiele czynników (o wiele więcej niż poruszono powyżej). Idealny przebieg napięcia wyjściowego czy czas przełączania trybu pracy może okazać się mniej ważnym od chociażby sprawności danego zasilacza UPS. Zwłaszcza jeśli pracuje on w ramach szerokiego zakresu mocy podłączonych do niego urządzeń odbiorczych. Dlatego jeśli chcesz dowiedzieć się który zasilacz UPS będzie najlepszy dla Ciebie i Twoich potrzeb, koniecznie zaglądnij do naszego poradnika Jaki zasilacz UPS wybrać (link chwilowo nieaktywny).