Topologie zasilaczy UPS

Powszechność stosowania zasilaczy bezprzerwowych UPS gwarantuje wysoki poziom bezpeczeństwa infrastruktury chronionej tymi zasilaczami. Do najczęściej stosowanych obecnie topologii zasilaczy UPS należą rozwiązania:

a) off-line,

b) line-interactive,

c) on-line.

Najpowszechniej występującym rozwiązaniem, biorąc pod uwagę liczbę użytkowanych urządzeń, są zasilacze UPS wykonane w technologii off-line, które dominują w przypadku stosowania wariantu zasilania rozproszonego, choć coraz częściej użytkownicy decydują się na zasilacze zbudowane w topologii line-interactive. W przypadku stosowania zasilania centralnego praktycznie zawsze wykorzystuje się UPS-y w topologii on-line.

Off-line

Zasilacze UPS off-line są zbudowane z prostego falownika (wytwarzającego napięcie o kształcie jedynie niewiele zbliżonym do sinusoidy), ładowarki baterii akumulatora, transformatora podwyższającego napięcie i baterii akumulatorów. Całością urządzenia steruje układ regulacji. Falownik w tego typu zasilaczach uruchamia się w momencie, gdy napięcie sieciowe jest poza założoną tolerancją (zwykle odchylenia od napięcia nominalnego w zakresie od -10% do + 15%). Podczas pracy normalnej (praca z sieci elektoenergetycznej) UPS zasila odbiorniki poprzez proste filtry bierne i ładuje baterie akumulatora poprzez prostownik. W tych zasilaczach zawsze występuje czas przełączenia na zasilanie z baterii, będący sumą czasu detekcji zaniku napięcia oraz czasu przełączenia i uruchomienia falownika. Zasilacze wykonane w tej topologii buduje się z reguły o mocach znamionowych od kilkuset VA do kilku kVA.

Line-interactive

Zasilacze UPS line-interactive są najczęściej stosowane do zabezpieczania takich elementów systemu teleinformatycznego, jak serwery, wysoko wydajne stacje robocze i inne bardziej istotne punkty systemu teleinformatycznego. UPS-y oparte na tej topologii zapewniają w czasie zaniku napięcia szybkie przełączenie na zasilanie z falownika, który jest zsynchronizowany z siecią zasilającą. Falownik jest podłączony równolegle do napięcia zasilania, dokonując ładowania baterii akumulatorów. Zasilacze tego typu charakteryzują się wysoką sprawnością (mają niższe straty cieplne). W porównaniu z topologią true on-line mają gorsze właściwości filtrujące. Buduje się je w zakresie mocy od kilkuset VA do kilkunastu kVA zarówno jako wolno stojące, jak i przeznaczone do zabudowy w szafach.

On-line

UPS-y on-line są typem zasilaczy bezprzewowych, które w pełni zapewniają ochronę przed wszelkimi zakłóceniami dzięki ciągłemu wytwarzaniu napięcia wyjściowego o ściśle określonych parametrach. Większość zasilaczy dużej mocy powyżej 10 kVA to UPS-y zbudowane z wykorzystaniem topologii on-line. Rozwiązanie to jest najczęściej stosowane w wariancie zasilania centralnego, rzadko natomiast występuje w wariancie rozproszonego zabezpieczenia zasilania (głównie ze względu na wyższą cenę).

Rozwiązania UPS-ów wykonanych przy użyciu tej topologii zapewniają ciągłe utrzymanie stabilizowanego napięcia dzięki ciągłemu przetwarzaniu energii elektrycznej z wejścia na napięcie stałe i z powrotem na przemienne poprzez falownik pracujący synchronicznie z siecią. W razie zaniku napięcia zasilającego układ falownika czerpie energię z baterii akumulatorów, która jest na stałe podłączona do jego wejścia, nie występuje więc czas przełączania. Zasilacze tego typu występują w pełnym przedziale mocy od kilkuset VA do kilkuset kVA. W zależności od sposobu budowy dokonuje się podziału UPS-ów on-line na:

• UPS on-line wykonane w technologii podwójnej konwersji (Double Conversion).
• UPS on-line wykonane w technologii konwersji Delta (Delta Conversion).

UPS on-line z podwójną konwersją

UPS-y wykorzystujące podwójną konwersję (Double Conversion On-Line) są najczęściej stosowanymi urządzeniami w zakresie mocy powyżej 10 kVA. Zasilacz wykonany w tej technologii jest zbudowany z prostownika (tyrystorowego bądś diodowo-tranzystorowego) i falownika tranzystorowego. Energia prądu stałego służy do zasilania falownika i ładowania baterii akumulatorów. Falownik wytwarza pozbawione zniekształceń i o ściśle określonych parametrach napięcie, które zasila urządzenia odbiorcze. W czasie zaniku napięcia sieci zasilającej UPS podtrzymuje zasilanie podłączonych urządzeń, pobierając energię zmagazynowaną w baterii akumulatorów - przełączenie takie nie wywołuje żadnych zakłóceń napięcia na wyjściu. W tym rozwiązaniu jest dokonywana pełna konwersja mocy wejściowej na napięcie stałe i z powrotem na napięcie zmienne, co powoduje pogorszenie sprawności systemu i - co jest z tym związane - niepożądane straty cieplne.

Zasilacze wykonane z zastosowaniem technologii podwójnej konwersji on-line są najczęściej wyposażone w falowniki sterowane modulacją szerokości impulsu (Pulse Width Modulation), które zapewniają sinusoidalny przebieg napięcia na wyjściu. Falownik pracuje stale, obciążony pełną mocą zasilanych z niego odbiorników, co może być przyczyną zmniejszenia niezawodności półprzewodnikowych obwodów mocy, a energia tracona w wyniku niskiej sprawności stanowi znaczącą część kosztów eksploatacji UPS-a. Prąd pobierany z sieci elektroenergetycznej przez tyrystorowy prostownik wejściowy (6- lub 12-pulsowy), który jest odbiornikiem nieliniowym, może powodować zakłócenia w instalacji elektrycznej budynku. Obecnie w UPS-ach tego typu coraz częściej są stosowane prostowniki diodowo-tranzystorowe działające z wysoką częstotliwością przełączania (przekształtniki DC/DC), które nie wnoszą do sieci zasilającej praktycznie żadnych zniekształceń.

UPS on-line z konwersją Delta

Zasilacz UPS on-line z konwersją Delta jest zbudowany z dwóch falowników:

• falownika głównego,
• falownika Delta.

Podobnie jak w przypadku podwójnej konwersji on-line, UPS zasila podłączone urządzenia z wyjścia falownika. Falownik główny pracuje synchronicznie z siecią i utrzymuje stabilizowane napięcie wyjściowe w każdym trybie pracy. Falownik Delta natomiast steruje wejściowym współczynnikiem mocy, reguluje prąd ładowania baterii i dodaje kompensacyjne napięcie różnicowe pomiędzy napięciem sieci a napięciem wyjściowym.

Ładowanie baterii następuje poprzez falownik główny (który może przepuszczać energię w obu kierunkach), ale za wartość prądu ładowania jest odpowiedzialny odpowiednio wysterowany falownik Delta.

Produkt UPS wykorzystujący technologię Delta, podobnie jak zasilacz podwójnej konwersji, w sposób ciągły stabilizuje napięcie na wyjściu. W przypadku zaniku napięcia i pracy z baterii UPS z konwersją Delta zasila odbiory poprzez falownik główny, czerpiąc energię z baterii akumulatorów. W trybie pracy normalnej (zasilanie UPS z sieci) zasilacz wykonany w tej technologii ma zwykle wyższą sprawność w porównaniu z jednostkami wykorzystującymi podwójną konwersję. Dodatkową zaletą konwersji Delta jest korekcja wejściowego współczynnika mocy, co ma szczególne znaczenie w przypadku systemów dużej mocy, gdyż pozwala na optymalne wykorzystanie elektroenergetycznej sieci zasilającej (praktycznie brak poboru mocy biernej).

Technologia Delta gwarantuje niezniekształcony pobór prądu z sieci elektroenergetycznej, co odpowiada niskiej, poniżej 3% emisji zniekształceń harmonicznych. W przypadku współpracy UPS-ów, wykonanych z zastosowaniem tej technologii, z agregatem prądotwórczym nie ma potrzeby przewymiarowania jego mocy. Dzięki osiąganemu wysokiemu współczynnikowi mocy wejściowej UPS-a nie występuje konieczność przewymiarowania przekroju przewodu neutralnego, co jest często niezbędne przy zasilaniu dużych systemów teleinformatycznych.