Problemy z zasilaniem. UPS-y

Jeśli jednak osobne linie czy nawet źródła (np. generatory) zasilają system nagłośnieniowy, a osobne oświetleniowy, na głowę Bogu ducha winnego realizatora dźwięku mogą posypać się gromy, gdy scena cały czas jest pięknie oświetlona, a w głośnikach pojawia się zupełna cisza. Ale już totalna klapa jest wtedy, gdy system monitorowy gra, a „przody” nagle cichną, bo ktoś mniej lub bardziej świadomie pozbawił zasilania konsoletę FOH. Przed taką sytuacją najlepiej zabezpieczyć się włączając konsoletę (tudzież inne „newralgiczne” urządzenia) nie bezpośrednio, ale poprzez awaryjną, czy też rezerwową, jednostkę zasilającą.

Rozwiązaniem może być generator, jednak generatory mają to do siebie, że zanim wykryją przerwę w zasilaniu, wystartują i same zaczną dostarczać energię, mija kilkadziesiąt cennych sekund – konkretnie od trzydziestu wzwyż. To trochę za dużo dla systemów elektronicznych, dla których dopuszczalne przerwy zasilania, przy których mogą one pracować bez większych problemów, liczone są w pojedynczych milisekundach (a czasem nawet mikrosekundach). Bardziej odpowiednim rozwiązaniem tego problemu będzie zasilacz awaryjny, zwany popularnie UPS (ang. uninterruptible power supply).

RÓŻNE ROZWIĄZANIA

Urządzenia UPS mogą działać w oparciu o różne zasady. Są trzy podstawowe rozwiązania UPS-ów – UPS czuwający (stand-by UPS), UPS interaktywny (line- interactive UPS) i UPS online. Każdy z nich charakteryzuje się pewnymi szczególnymi cechami, sprawiającymi, że ich stosowanie w jednych systemach jest bardziej, a w innych mniej przydatne.

UPS czuwający jest najbardziej rozpowszechniony. Zawiera on akumulator, ładowarkę odpowiednią dla tegoż akumulatora, przetwornicę napięcia stałego na zmienne DC/AC (falownik), detektor napięcia zasilającego oraz przełącznik trybu pracy (Rysunek 1). W normalnej sytuacji, gdy podawane jest napięcie zasilające z sieci, przełącznik trybu pracy kieruje to napięcie bezpośrednio do obciążenia, czyli na wyjście UPSa. W większości przypadków stosuję się również elementarne zabezpieczenia przeciwprzepięciowe oraz filtrację zakłóceń. W tzw. międzyczasie ładowarka utrzymuje akumulator w stanie całkowitego naładowania. Kiedy pojawia się przerwa w zasilaniu, detektor napięcia zasilającego wykrywa ten fakt, następuje przełączenie trybu pracy, w którym napięcie z akumulatora zostaje przetworzone przez falownik na zmienne i podane na wyjście UPSa. Wszystko to dzieje się w bardzo krótkim czasie – zasadniczo od 4 do 8 milisekund. Kiedy nastąpi przywrócenie zasilania, detektor wysyła sygnał do przełącznika trybu pracy, aby powrócić do zasilania zasadniczego, przetwornica zostaje odłączona, a ładowarka uzupełnia ubytki energii w akumulatorze, w oczekiwaniu na kolejną przerwę w zasilaniu.

UPS line-interactive działa na bardzo podobnej zasadzie, jak UPS czuwający, oferując jednak dodatkową funkcję – zawiera elementarny stabilizator napięcia na wejściu (Rysunek 2). Podczas gdy prosty, czuwający UPS może przełączać tryb pracy na zasilanie akumulatorowe (przez przetwornicę) w sytuacji, gdy napięcie w sieci będzie niższe niż 207 V lub wyższe niż 253 V (±10% z 230 V), UPS interaktywny stabilizuje niskie lub wysokie stany napięć na wejściu, co jest równoznaczne z rozszerzeniem zakresu napięć wejściowych UPSa. Zapobiega to niepotrzebnemu załączaniu przetwornicy i wyczerpywaniu akumulatora w sytuacji, gdy z powodu zmian obciążenia linii zasilającej występują wahania napięcia. Głównym powodem stosowania rozwiązania interaktywnego jest zwiększenie zakresu operacyjnego oraz żywotności akumulatora UPSa, jednak bez stabilizacji wyjściowego napięcia, zasilającego systemy elektroniczne.

UPS online jest najbardziej skomplikowanym i najdroższym rozwiązaniem. Składa się on z akumulatora, prostownika/ ładowarki, szyny DC, przetwornicy DC/AC oraz przełącznika bypass (Rysunek 3). Gdy na wejściu obecne jest normalne zasilanie sieciowe, prostownik/ ładowarka przetwarza napięcie zmienne na stałe, które służy zarówno do ładowania akumulatora, jak i zasilania szyny DC. Napięcie z szyny DC podawane jest na falownik, który zamienia je z powrotem na napięcie zmienne, zasilające system elektroniczny. Kiedy normalne zasilanie sieciowe zostaje przerwane, napięcie stałe z akumulatora zasila szynę DC, tak że nie ma żadnych przerw w podawaniu napięcia na falownik, a więc i na wyjście UPSa. Kiedy pojawi się znów napięcie w sieci, akumulator jest doładowywany, a prostownik/ładowarka znów dostarcza napięcie do szyny DC. Przełącznik bypass został zaimplementowany na wypadek uszkodzenia lub problemów w którymkolwiek bloku UPSa. Jego włączenie powoduje przełączenie na zasilanie bezpośrednio z sieci, jako dodatkową ścieżkę zasilania podawanego na wyjście urządzenia. Istnieje też wersja redundantnych UPSów online, w których jedna lub więcej gałęzi jest nadmiarowych. Systemy „onlajnowych” UPSów dostarczają bardzo stabilne zasilanie, zarówno pod względem napięcia, jak i częstotliwości, a ponieważ jest ono zawsze przetwarzane z AC na DC i z powrotem z DC na AC (nazywa się to podwójną konwersją), wszelkie występujące normalnie zakłócenia w sieci AC nie przenoszą się na wyjście, czyli nie przedostają się do obwodów zasilanych systemów elektronicznych.

KTÓRY WYBRAĆ

Wybór odpowiedniej topologii UPS wymaga pewnej wiedzy na temat systemu, który ma być przez ten UPS chroniony. Jeśli system używa tradycyjnego zasilacza liniowego, UPS online będzie w większości przypadków lepszym wyborem niż UPSy czuwające czy interaktywne, które w razie zaniku w sieci pozbawią system zasilania na 4 do 8 milisekund, potrzebne na „przezbrojenie” się urządzenia. Jest wielce prawdopodobne, że może to uszkodzić zasilacz liniowy. Jeśli system ma zasilacz impulsowy, prawie każdy UPS będzie działał poprawnie, a więc można zaoszczędzić trochę grosza, wybierając UPS czuwający lub interaktywny.

INNE ISTOTNE CZYNNIKI

Obecnie na świecie są setki producentów UPSów, konkurencja na rynku jest spora, a więc też i koszty urządzeń spadają. Rezultatem tego są różne działania podejmowane przez producentów, mające na celu ograniczenie kosztów produkcji. Istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy zakupie UPSa jest rodzaj (kształt) fali wytwarzanej przez przetwornicę DC/AC. Napięcie pochodzące z sieci jest sygnałem sinusoidalnym, z natury ubogim w wyższe harmoniczne.

Niestety na rynku jest sporo UPSów z przetwornicami generującymi na wyjściu falę prostokątną lub zmodyfikowaną prostokątną (Rysunek 4). Taki sygnał zasilający jest zaszumiony, słabo stabilizowany, bogaty w wysokie harmoniczne i niejednokrotnie o niewłaściwym poziomie napięcia. Zastosowanie takiego UPSa do awaryjnego zasilania wyrafinowanego systemu elektronicznego nie jest dobrym pomysłem. Planując zakup UPSa dobrze przeczytaj specyfikacje danego urządzenia i upewnij się, że przetwornica przy zasilaniu akumulatorowym wytwarza na wyjściu fale sinusoidalną. Nie daj się zwieść takim sformułowaniom, jak: zmodyfikowana fala sinusoidalna, fala PWM lub fala krokowa. Jeśli UPS produkuje prawdziwą falę sinusoidalną, producent na pewno będzie chciał się tym pochwalić i podkreśli to w specyfikacjach.

Powinieneś sprawdzić czas pracy na zasilaniu akumulatorowym podczas braku zasilania z sieci i upewnić się, że czas ten jest wystarczający do zabezpieczenia pracy i zamknięcia systemu. Czas pracy przy zasilaniu akumulatorowym określany jest przy pełnym i częściowym (połowa) obciążeniu, tak aby łatwiej było przewidzieć możliwości zasilania awaryjnego w sytuacji, gdy UPS nie jest maksymalnie obciążony.

Na koniec istotne jest, aby wiedzieć, że nawet z UPSem napięcie między uziemieniem a przewodem zerowym może zakłócać pracę systemu elektronicznego. Dzieje się tak dlatego, że we wszystkich trzech podstawowych rozwiązaniach układowych UPSów przewód zerowy i uziemiający łączą bezpośrednio wejście z wyjściem urządzenia. Z tego powodu UPS powinien być wyposażony w transformator izolujący na wyjściu, aby zwiększyć niezawodność pracy systemu. Niektóre urządzenia je mają, a niektóre nie. UPS dysponujący takim transformatorem jest lepszym rozwiązaniem, poprawiającym jakość zasilania, i będzie pracował niezawodnie w każdych warunkach.

 

Piotr Sadłoń