Zařízení nepřerušitelného napájení (UPS) udržují počítačové systémy a IT zařízení v bezpečí a v provozu během přepětí a výpadků napájení. Zdroj nepřerušitelného napájení (UPS) poskytuje záložní napájení z baterií, když tok elektrické energie klesne na nedostatečné napětí nebo když se zastaví.
Nepřerušovaný zdroj napájení je pro kritické prostředí životně důležitý. V závislosti na velikosti a technologii jednotky UPS je záložní napájení poskytováno po určitou dobu, dokud není možné aktivovat generátory nebo řádně vypnout síťové komponenty. Při dostatečném toku elektřiny jsou počítače a příslušenství chráněny před poškozením. Jednotka UPS může pomoci účinně ochránit jedno zařízení nebo celé datové centrum.
Jaké jsou typy UPS?
K přesnějšímu rozdělení architektur záložních zdrojů došlo vznikem mezinárodní normy IEC 62040-3, která je u nás zavedena převzetím jako ČSN EN 62040-3 ed. 2 Zdroje nepřerušovaného napájení (UPS) - Část 3: Metoda stanovení požadavků na funkci a na zkoušení. Norma rozlišuje tři třídy UPS vycházejících ze závislostí výstupních napětí a frekvencí na vstupních parametrech:
- VFD – Voltage and Frequency Dependent (výstupní napětí a frekvence závislá na elektrické síti), běžněji označovaná jako pasivní záloha (Offline).
- VI – Voltage Independent (výstupní napětí nezávislé na elektrické síti), známější pod označením interakce se sítí (Line-interactive).
- VFI – Voltage and Frequency Independent (výstupní napětí a frekvence nezávislá na elektrické síti) je dvojitá konverze (Double-conversion).
Díky třem hlavním typům nepřerušitelných zdrojů napájení jsou k dispozici systémy UPS, které vyhovují celé řadě aplikací.
Offline systém UPS
Offline systém UPS někdy také nazýván standby systémem a označován zkratkou VFD (voltage and frequency dependent), má dva pracovní režimy. V bezporuchovém stavu je zdrojem filtrované napětí ze sítě a usměrňovač dobíjí akumulátor. Při výpadku napětí z primární sítě nebo při poklesu napětí pod stanovenou mez (zpravidla při 230 V +10 % / -15 %), se zdrojem stává akumulátor, který přes střídač napájí spotřebič. Doba přepnutí přepínače bývá okolo 4 až 8 milisekund. Po obnovení energie z primární sítě, se přepínač vrací do původní polohy a akumulátor se začne nabíjet. Tento systém se využívá v sítích, kde je málo pravděpodobný vznik podpětí. Offline systém se používá u spotřebičů, kterým nevadí přerušení napětí v jednotkách milisekund jako například záložní osvětlení nebo osobní počítače. Offline systémy jsou nejjednodušší, mají vysokou účinnost, malé rozměry, ale mají špatnou ochranu před rušením z primární sítě. V případě častého kolísání amplitudy napětí se vyčerpává kapacita akumulátoru, která může chybět při přerušení napětí. Doba zálohování bývá v řádu desítek minut.
Line Interaktivní systém UPS
Line Interaktivní systém UPS někdy označován zkratkou VI (voltage independent), je nejčastěji využívaný systém UPS pro výkony 0,5 až 5 kVA a to hlavně díky vysoké účinnosti a spolehlivosti, nízké ceně a rozměrům v tomto rozsahu výkonů. Střídač a zároveň usměrňovač je stále připojen k zátěži UPS. Ve stavu, kdy je neporušena primární síť střídač usměrňuje napětí a nabíjí baterii, v tomto stavu také poskytuje velmi dobrou možnost filtrace napětí a také chrání zařízení před možnými proudovými rázy mnohem lépe než offline systémy UPS. V případě přerušení sítě se přepínač rozepne a zdrojem elektrické energie se stává baterie, přechod do režimu napájení z baterie trvá typicky 5 ms.
Součástí line interaktivního uspořádání bývá často autotransformátor s odbočkami. Autotransformátor umožňuje nastavením odboček regulovat napětí, této funkce lze využít při poklesu napětí ze sítě a tím snížení počtu přechodů na napájení z baterie. Časté využívání baterií může vést ke snížení její životnosti. Střídač může být navržen tak, aby při poruše střídače samotného stále mohla vést elektrická energie ze sítě přímo do zátěže, v tomto případě sice UPS ztratí možnost filtrace napětí, ale zátěž je stále napájena.
Online UPS systém
Online UPS systém s dvojí konverzí
Online UPS systém s dvojí konverzí zpracovává napětí nadvakrát, je nezávislá na napětí a frekvenci v síti, a proto je označována jako VFI (voltage and frequency independent). Vstupní usměrňovač nejdříve usměrní napětí ze sítě, usměrněné napětí je využito na nabíjení baterií a je přivedeno na výstupní člen střídač (invertor), který převede napětí zpět na střídavé o požadované frekvenci a amplitudě. Tímto napětím je napájena zátěž. V případě, že napětí ze sítě nesplňuje potřebné parametry, usměrňovač se vypne a energie je odebírána pouze z baterie.
V tomto stavu UPS setrvává do doby, kdy napětí v síti dosáhne požadovaných parametrů nebo do doby, než se baterie vybije. Systém online UPS s dvojí konverzí je nejčastěji používaný pro výkony nad 10 kVA.
Zátěž je přímo ze sítě napájena jen v případě poruchy na UPS. Všechna energie jde v bezporuchovém stavu přes usměrňovač, baterii a střídač. To je výhodou i nevýhodou tohoto systému, výhoda online systému s dvojí konverzí je kvalitní výstupní napětí, které není závislé na kvalitě napětí ze sítě. Nevýhodou je ale vzhledem k zatížení všech částí UPS nižší účinnost a velké tepelné ztráty. Vzhledem k nízké účinnosti jsou relativně vyšší náklady na provoz než u ostatních typů UPS.
Online systém s delta konverzí
Online systém s delta konverzí byl vyvinut tak, aby byly odstraněny slabé stránky systému s dvojí konverzí. Invertor dodává nepřetržitě energii pro zátěž podobně jako u UPS s dvojí konverzí. Rozdíl těchto systémů spočívá v delta převodníku, který také dodává energii do zátěže a tím snižuje zatížení invertoru. V případě přerušení napětí nebo podpětí se systém s delta konverzí chová úplně stejně jako systém s dvojí konverzí. Delta převodník plní dvě funkce. První funkcí je řízení charakteristik vstupního napětí. Delta převodník odebírá pouze sinusovou energii, tím minimalizuje harmonické kmity odražené do vedení. Zajišťuje tak optimální kompatibilitu mezi vedením a generátorem, zároveň tím snižuje tepelné ztráty a opotřebení rozvodné sítě. Druhá funkce spočívá v řízení vstupního proudu a regulaci dobíjení baterie. Za stabilního napětí v síti dokáže delta převodník dodávat na výstup energii s mnohem vyšší účinností než invertor u systému s dvojí konverzí.
Multi-módové UPS
Multi-módové UPS využívají toho nejlepšího ze systému jednoduché a dvojité konverze a poskytují výhody obou těchto systémů. Multi-módové UPS velmi rychle detekují změny v primární síti, systém na tyto změny automaticky reaguje a mění svůj režim. Pokud nejsou v napájecí síti žádné výkyvy z přijatelných mezí, multi-módová UPS pracuje jako offline UPS, dosahuje tak vysoké účinnosti, neopotřebovává invertor ani baterii a dokáže stabilizovat napětí v bezpečných mezích. Pokud se napětí v síti svými parametry odkloní od předem stanovených mezí, UPS se automaticky přepíná do systému s dvojí konverzí a izoluje tak zátěž od případných přepětí nebo nadproudů, které by ji mohly zničit. Při přerušení napětí přechází UPS do módu napájení z baterie, a to do doby, kdy naběhne dieselagregát nebo do obnovení primárního napětí, systém po obnovení dodávky pracuje v módu dvojí konverze až do stabilizace napětí v síti. Multi-módová technologie poskytuje nejvyšší stupeň ochrany napájených zařízení, a přitom nepracuje v režimu nižší účinnosti.
Závěr
Při výběru vhodného systému zařízení nepřerušitelného napájení (UPS) v praxi je důležité znát silné a slabé stránky jednotlivých systémů. Znalost jednotlivých systémů je velmi důležitá pro vhodný výběr UPS pro dané zařízení.
Offline systémy jsou nejlepší volbou pro osobní pracovní stanice. Výhodou jsou nízká cena, vysoká účinnost a malé rozměry, naopak nevýhodou je použití baterií při každém poklesu napětí v síti, tím se tento systém stává nepraktický pro výkony na 2 kVA.
Line interaktivní vynikají vysokou spolehlivostí, účinností a dobrou úpravou vstupního napětí. Jsou použitelné do 5 kVA. Tento systém je ideální pro stojanové či distribuční servery a pro prostředí s problematickým napájením.
Online s dvojí konverzí vynikají úpravou napětí a výhodou snadného paralelního chodu, jsou vhodné pro výkony nad 5 kVA, pro nižší výkony mají nízkou účinnost. Online s delta konverzí, podobně jako online s dvojí konverzí nejsou vhodné pod 5 kVA, předností je vysoká účinnost a úprava napětí. Využívají se v rozsáhlých instalacích, kde díky vysoké účinnosti snižují náklady na provoz.
