We wszystkich dziedzinach życia stajemy się coraz bardziej zależni od dostępności energii elektrycznej. Przed chwilowym jej brakiem, mimo przyłączenia do sieci elektroenergetycznej, można się zabezpieczać przy użyciu systemów zasilania awaryjnego, w tym zasilaczy bezprzerwowych UPS (Uninterruptible Power Supply).

Wahania i zaniki napięcia zasilającego, udary i przepięcia, szumy, wahania częstotliwości i występowanie harmonicznych to powody niekontrolowanych przerw w pracy pojedynczych komputerów i ich systemów, serwerowni i centrów danych, urządzeń telekomunikacyjnych, zatrzymań maszyn oraz linii technologicznych, zakłóceń w pracy banków, biur, administracji itd. Aby im zapobiec, należy zainstalować system zasilania gwarantowanego, który może zapewnić ciągłość dostaw energii elektrycznej oraz częstokroć poprawić jej jakość. Jego głównymi komponentami są zasilacze bezprzerwowe UPS – indywidualne lub centralne.
Dobierając je, trzeba mieć na uwadze standaryzację, szereg rozwiązań pozwalających na skuteczny monitoring pracy zasilaczy, a także decentralizację i dyspozycyjność. Nowoczesne zasilacze wykorzystują budowę modułową i są redundantne, zapewniając wysoki poziom skalowalności.
W warunkach przemysłowych wykorzystuje się zasilacze wykonane w obudowach odpornych na działanie czynników zewnętrznych. Niektóre konstrukcje obudów są wzmacniane, co zabezpiecza przed uszkodzeniami fizycznymi, a także cieczami i zanieczyszczeniami. Warto wspomnieć o wewnętrznych układach nadmiarowych, które umożliwiają pracę zasilacza również w przypadku, gdy dojdzie do awarii jednego z jego elementów. W praktyce zastosowanie znajdują trzy typy (tryby pracy) zasilaczy awaryjnych. W trybie maksymalnej poprawy zasilania (IEC62040 -3 VFI) zapewniona jest podwójna konwersja przy kondycjonowaniu zasilania na najwyższym poziomie. Odbiorniki mają ochronę przed zakłóceniami różnego typu, pochodzącymi od sieci elektrycznej, ale przy nieco niższym poziomie sprawności. Sprawność z pełnym obciążeniem przy uwzględnieniu w zasilaczu najnowszej technologii beztransformatorowej osiąga ponad 95%.
Jeżeli urządzenie pracuje w trybie maksymalnej oszczędności energii (IEC 62040 -3 VFD), to rozpoznawane są sytuacje, kiedy kondycjonowanie jest zbędne, a linia obejściowa pozwala na przepływ energii. Takie rozwiązanie zapewnia sprawność na poziomie 99%, jednak przy mniejszej ochronie w porównaniu do trybu VFI.
W przypadku trzeciego trybu: wysokiej wydajności i kondycjonowania zasilania (IEC 62040-3 VI) poprzez kompensowanie zakłóceń w postaci współczynnika mocy obciążenia, spadków i wzrostów napięcia zasilającego czy THDi obciążenia energię wytwarza falownik. W tym trybie pracy w zależności od wartości wejściowych parametrów linii zasilającej sprawność wynosi 97-98,5%.
Chcąc zapewnić najwyższy poziom bezpieczeństwa zasilanych odbiorników, wykorzystuje się układy redundantne, czyli nadmiarowe systemów zasilania awaryjnego. Standardowo, pracują wszystkie zasilacze dzieląc obciążenie równo między siebie. Jednak nie wszystkie z nich muszą pracować po to, aby zasilić odbiorniki. W praktyce najczęściej zastosowanie znajdują systemy redundantne „N+1” a więc określona liczba jednostek („N”) UPS musi pracować, żeby moc systemu była wystarczająca do zasilania odbiorników. Uszkodzenie lub wyłączenie jednego z UPS nie ma wpływu na ciągłość zasilania odbiorników. Takie połączenie UPS nazywane jest systemem pracy równoległej i w razie potrzeby zapewnia możliwość rozbudowy systemu o kolejne zasilacze. Systemy redundantne są dużo bardziej niezawodne, niż pojedynczy UPS. Optymalnym, co do niezawodności, układem jest układ redundantny „1+1”, ale jednocześnie jest on najdroższy (inwestując weń płaci się za 100% więcej, niż potrzeba, mocy).

Technologia online i offline

W zasilaczach UPS typu online układ wyjściowy jest całkowicie odseparowany od wejściowego, co zapewnia podwójne przetwarzanie. Układ prostownikowy przetwarza napięcie sieciowe na stałe, przez co w układzie falownikowym powstaje napięcie przemienne. Takie rozwiązanie zapewnia stabilność napięcia wyjściowego oraz odporność na zaniki zasilania wejściowego i na zakłócenia. Jeżeli dojdzie do zaniku napięcia na wejściu, to falownik ma ciągle podawane napięcie z akumulatora, ponieważ jest do niego na stałe podłączony. Na wyjściu nie pojawiają się zakłócenia, gdyż układ przełączający działa natychmiastowo. Zasilacze typu online bardzo często są wykorzystywane w aplikacjach z dużymi zakłóceniami napięcia wejściowego, najczęściej przy zapotrzebowaniu na moc powyżej 5000 VA.
Jako zalety zasilaczy typu online należy wymieć przede wszystkim wspomnianą już odporność na duże zakłócenia wejściowe, zapobieganie jakimkolwiek przerwom napięcia wejściowego oraz zastosowanie wbudowanego układu poprawiającego współczynnik mocy. Mówi się również o wadach układów online, takich jak duża masa urządzenia oraz wyższa cena w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. Cena takich zasilaczy w dużej mierze wynika z konieczności zastosowania prostownika, falownika oraz transformatora o znacznych mocach. Trzeba również mieć na uwadze wystąpienie strat w czasie pracy sieciowej. Tym sposobem krótsza jest trwałość urządzenia – w efekcie podwyższonej temperatury pracy i trzeba zastosować dodatkowe chłodzenie; zasilacze online są również głośniejsze, bowiem hałas generuje ciągła praca falownika.
Odmiennym rozwiązaniem konstrukcyjnym są zasilacze typu offline. W urządzeniach tego typu przewiduje się bezpośrednie podłączenie do sieci oraz podładowywanie akumulatorów niewielkim prądem. Przy pracy sieciowej zasilanie ma wyłącznie układ sterowania, co minimalizuje straty energii. Ważna jest ciągła analiza napięcia zasilania, aby wykrywać wszystkie zmiany jego parametrów – podwyższenia, obniżenia, zaniki. Jeżeli dojdzie do zakłócenia, to zasilacz odłączy zasilanie sieciowe, natomiast odbiornik będzie zasilany poprzez akumulatory. Falownik przekształca napięcie stałe z akumulatora na napięcie przemienne, które jest obecne na wyjściu zasilacza. Układ sterowania synchronizuje fazy falownika z siecią zasilającą, aby zmniejszyć zakłócenia oraz przerwy w napięciu wyjściowym w czasie, gdy następuje przełączenie z pracy sieciowej na zasilanie z akumulatora i odwrotnie. Brak synchronizacji mógłby spowodować zanik napięcia np. przy początku górnej połówki sinusoidy na wejściu, a falownik dawałby na wyjściu akurat początek dolnej połówki. Nawet przy natychmiastowym przełączeniu na wyjściu mogłyby pojawić się dwie kolejne połówki sinusoidy. W efekcie może nastąpić opóźnienie będące skutkiem nieodpowiedniej fazy startu falownika, co stanowi dodatkowe 10 ms (przy 50 Hz).
Jako zalety rozwiązań tego typu wymienia się przede wszystkim niewielkie straty energii przy pracy sieciowej, a co za tym idzie, większą trwałość i bezawaryjność w efekcie niskiej temperatury pracy. Na uwagę zasługuje także niski koszt eksploatacji, dzięki mniejszej liczby podzespołów zasilacza. Warto podkreślić, że falownik hałasuje tylko podczas pracy w trybie awaryjnym.
Jednak zasilacze offline mają również wady. Chodzi przede wszystkim o zakłócenia napięcia wejściowego, które mogą przenosić się również na wyjście urządzenia. Istotną wadą jest także opóźniona reakcja po zaniku napięcia (kilka milisekund). Jeżeli jednak energia elektryczna jest dostarczana do urządzenia z zasilaczem impulsowym, to przerwa o długości 10 ms będzie niezauważalna. Wynika to stąd, że zgodnie z obowiązującymi standardami napięcie wyjściowe z zasilacza musi być utrzymywane przez co najmniej 10 ms. Podczas przełączania trybu pracy do napięcia wyjściowego mogą zostać wprowadzone zakłócenia. Zasilacze offline bardzo często stosuje się do zasilania pojedynczych stacjonarnych komputerów osobistych.

Budowa modułowa

Nowoczesne zasilacze awaryjne UPS wykorzystują konstrukcję modułową, zatem na kompletny zasilacz składają się moduły w postaci paneli. Każdy z modułów ma własną jednostkę CPU (Central Processing Unit), prostownik, falownik, ładowarkę baterii, a także baterie, obejście serwisowe oraz panel kontroli i sterowania. Takie rozwiązanie stanowi układ pozbawiony pojedynczych punktów awarii. Jeżeli dojdzie do konieczności wymiany lub zainstalowania nowych modułów, to bez dodatkowych połączeń kablowych czynności serwisowych można wykonać przy załączonym urządzeniu. Takie rozwiązanie nie przewiduje modułów pełniących rolę nadrzędną (Master), bowiem wszystkie moduły są w stanie realizować funkcję urządzenia nadrzędnego, który odpowiada za sterowanie całym systemem. Stąd też w przypadku awarii jednego z modułów kolejny jest w stanie przejąć jego rolę, samoczynnie przechodząc w tryb pracy Master.
Modułowe zasilacze awaryjne mają jedną cechę – skalowalność. Oznacza to możliwość zwiększenia mocy w czasie pracy urządzenia z uwzględnieniem zapotrzebowania na moc. Warto podkreślić, że w przypadku tradycyjnych zasilaczy docelową moc trzeba uwzględnić od razu.
Nowoczesne zasilacze projektuje się stosując technologię beztransformatorową, przez co osiągają sprawność ok. 95% przy niskim poziomie zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym (25-100% obciążenia < 3,5%). Wejściowy współczynnik mocy jest bliski 1 w całym zakresie obciążenia (25-100% obciążenia < 0,92-0,99).

Standardy wymiany danych

W nowoczesnych zasilaczach UPS, zwłaszcza tych, które znajdują zastosowanie w systemach przemysłowych, stawia się na szerokie możliwości w zakresie wymiany danych. Stąd też za pomocą odpowiednich interfejsów komunikacyjnych zasilacz może współpracować ze zdalnymi panelami kontrolno-sygnalizacyjnymi. Używane są głównie porty szeregowe RS-232, RS-485 i np. protokoły komunikacyjne JBUS/MODBUS lub PROFIBUS. Coraz częściej wykorzystuje się port Ethernet, przy czym zasilacz uzyskuje własny adres IP. W efekcie urządzenie może być zarządzane poprzez http, https, telnet lub ssh. Wiele urządzeń wykorzystuje również technologie komunikacji GPRS i protokół SNMP.

Oprogramowanie do zarządzania zasilaczami UPS

Nowoczesne oprogramowanie współpracujące z zasilaczami UPS zapewnia wizualizację funkcji, które realizuje zasilacz. Chodzi głównie o rejestrowanie wszelkich zmian w statusie pracy i przesyłanie odpowiednich informacji w postaci ostrzeżeń i komunikatów do innych urządzeń pracujących w sieci. Oprogramowanie jest w stanie wysyłać wiadomości e-mail lub sms pod określone adresy i numery telefonów. Do wymiany danych wiele aplikacji wykorzystuje modem GPRS. Oprogramowanie jest w stanie wykonać testy diagnostyczne UPS-a i wyniki sprawdzenia przedstawić w formie graficznej. W odniesieniu do zdarzeń o charakterze krytycznym szczególnemu nadzorowi poddaje się czas podtrzymania bateryjnego, poziomy obciążenia oraz stan naładowania baterii.
W bardziej rozbudowanych instalacjach oprogramowanie nadzoruje pracę kilku zasilaczy. Warto zwrócić uwagę na funkcjonalność w zakresie samoczynnego zamykania zasilanych serwerów i komputerów w czasie, gdy przerwa w dostawie energii elektrycznej wydłuża się. Uwzględniany jest przy tym ściśle zaplanowany harmonogram wyłączeń. Nadzorowaniu poddawane są także układy równoległe UPS oraz zasilacze redundancyjne.

---