Systémy nepřerušitelného stejnosměrného napájení

Článek představuje UPS se stejnosměrným výstupem (DC UPS), zavádí kritéria pro jejich dělení (kategorizování) a ukazuje architekturu čtyř typů DC UPS – tj. sdružený, online sdružený, online přesný a přesný. Každý typ nabízí odlišné výhody, nevýhody a rozdílnou jednoduchost zapojení. Některé typy DC UPS jsou přiřazeny ke konkrétním přístrojům z praxe, kde je kladen důraz na spolehlivé a nepřerušitelné napájení.

Úvod

Elektrická energie se stala klíčovým pilířem moderní společnosti, bez kterého si lze jen těžko představit běžné fungování domácností, podniků, dopravy i zdravotnických zařízení. Stabilní a nepřerušovaná dodávka elektrické energie je nezbytná pro chod průmyslových výrobních linek, veřejné dopravy, datových center či komunikačních technologií, které tvoří základ dnešního digitálně propojeného světa – přerušení dodávky elektřiny mohou vážně narušit nejen výrobní činnost, ale také bezpečnostní a zdravotní služby.
I krátkodobá přerušení dodávky elektřiny, při nichž provozovatel distribuční sítě provádí provozní zásahy nepřekračující dobu 20 minut a o nichž nemá povinnost informovat (§ 25 odst. 5 zákona č. 458/2000 Sb.), jsou nepřijatelné při napájení kritických zařízení (tzv. chráněných zátěží). U nich bývá nepřípustný výpadek i na dobu jediné periody síťového kmitočtu. V těchto případech je možné zajistit stálou dodávku pomocí systémů nepřerušitelného napájení (Uninterruptible Power Systems; UPS), které poskytují okamžité přepnutí na záložní zdroj elektrické energie a jsou schopny zajistit požadované nepřetržité napájení. S rostoucí závislostí na stabilní dodávce energie tak vzrůstá význam systémů zálohovaného napájení, které zvyšují odolnost infrastruktury vůči nenadálým výpadkům elektrické sítě.

1. Záložní zdroje energie

Systémy zálohovaného napájení obsahují záložní zdroj energie schopný nahradit nebo doplnit hlavní zdroj energie – patří sem např. agregáty (naftové motorgenerátory), bateriové systémy, solární panely s úložištěm, a dokonce celé elektrárny. Systémy zálohovaného napájení se obvykle používají tam, kde jsou delší výpadky neakceptovatelné, například v nemocnicích, průmyslových provozech nebo kritické infrastruktuře. Systémy zálohovaného napájení mohou mít prodlevu při přechodu na záložní zdroj energie od mikrosekund až po několik sekund. Maximální dobu prodlevy udávají speciální předpisy pro konkrétní účely, např. norma ČSN 33 2000-5-56 ed. 3 pro bezpečnostní účely.
Záložní zdroje energie je možné rozdělit podle různých kritérií. Dělení podle druhu vstupní energie, která se přemění na energii elektrickou:

1. Rotační zdroje – přeměňují energii paliva (nafty, uhlí) na energii kinetickou a následně na elektrickou. Základními prvky tohoto systému jsou spalovací motor a elektrický generátor (často synchronní alternátor). Zástupcem rotačních zdrojů energie jsou motorgenerátory.
2. Chemické zdroje – přeměňují energii chemické reakce látek na energii elektrickou. Základem všech těchto zdrojů je galvanický článek, který je tvořen dvojicí elektrod, iontově vodivým elektrolytem a vhodnou nádobou. Zástupci chemických zdrojů energie jsou články primární (neboli nenabíjecí články), články sekundární (neboli akumulátory) a články palivové (např. kyslíkovodíkový, metanolový aj.)
3. Elektrostatické zdroje – přeměňují energii elektrostatického pole na energii elektrickou. Zástupci těchto zdrojů jsou elektrolytické kondenzátory a superkondenzátory.
4. Alternativní zdroje – přeměňují tzv. obnovitelný zdroj energie, např. fotoelektrický efekt slunečního záření, na energii elektrickou. Zástupcem alternativních zdrojů energie jsou solární panely či větrné elektrárny.
5. Kombinované zdroje – některá kombinace z uvedených záložních zdrojů energie, např. alternativní zdroje (solární panely) společně s chemickým zdrojem (bateriovým úložištěm).

Každý z uvedených druhů záložních zdrojů má své výhody a nevýhody, a proto jeho vhodnost musí být posuzována podle konkrétní aplikace. Pro systémy nepřerušitelného napájení jsou vhodné zdroje chemické (především články sekundární neboli akumulátory) a elektrostatické (hlavně super-kapacitory) díky své schopnosti pojmout velké množství energie na jednotku objemu a své okamžité připravenosti k dodávání elektrické energie.

2. Systémy nepřerušitelného napájení (UPS)

Systém nepřerušitelného napájení (UPS) je „kombinace měničů, spínačů a zásobníků energie (například akumulátorových baterií), vytvářející napájecí systém pro udržení nepřetržité dodávky energie do zátěže v případě poruchy [hlavního] vstupního napájení“ (ČSN EN IEC 62040-1 ed. 2, def. 3.101).
Důležitými vlastnostmi UPS jsou zejména zajištění nepřetržité dodávky energie a zajištění kvalitní dodávky energie pro uživatelská zařízení, a to i v případě částečných nebo úplných výpadků hlavního napájení, kterým je většinou veřejná síť nízkého napětí. Typický UPS využívá kombinaci vstupního střídavého proudu jako hlavního zdroje energie a záložního zdroje energie (akumulátoru) k udržení výstupního napájení po určitou dobu (tzv. dobu zálohy) – od několika desítek sekund až po hodiny. Doba zálohy je nepřímo úměrná výkonu připojené zátěže (od jednotek wattů přes desítky kilowattů až po megawatty). Podle doby zálohy je možné UPS dělit na: krátkodobé (přibližně desítky sekund), střednědobé (přibližně desítky minut) a dlouhodobé (od jednotek hodin výše).

Systémy nepřerušitelného napájení se nejčastěji používají jako UPS s univerzálním rozhraním, jímž je v evropských podmínkách výstupní střídavé napětí 230 V, příkladem je „APC Back-UPS CS 650I“. UPS s výstupním střídavým napětím se podle funkčního zapojení dělí na: a) online neboli s dvojitou konverzí; b) offline neboli pohotovostní; c) síťově interaktivní (podrobněji viz ČSN EN IEC 62040-3 ed. 3; Žáček, 2001; Zdroje…, 2022). Ovšem ne vždycky je zapotřebí univerzálních 230 V střídavých – ve zvláštních aplikacích je zapotřebí stejnosměrné výstupní napětí, např. 24 V. Systémy nepřerušitelného napájení je proto možné rozdělit podle druhu výstupního napětí: střídavé (AC) a stejnosměrné (DC). Zatímco AC UPS používají dvě přeměny: AC-DC (ze síťového napětí pro dobíjení akumulátoru) a DC-AC (z akumulátoru pro univerzální výstup 230 V střídavých), u DC UPS přeměna DC-AC odpadá, čímž klesají ztráty právě o tuto přeměnu a zvyšuje se účinnost celého UPS.

3. Systémy nepřerušitelného stejnosměrného napájení (DC UPS)

Obecné blokové schéma zálohovaného zdroje (DC UPS), ve smyslu systému nepřerušitelného stejnosměrného napájení, je na obr. 1. Takový systém je složen z ochrany proti přepětí (SPD), měniče nízkého napětí na stejnosměrné malé napětí (DC MN), záložního zdroje energie (BS), autonomního řízení zdroje (AŘZ) a je připojen k hlavnímu (vstupnímu) napájení (AC/DC) a k stejnosměrné zátěži (DC Load). Volitelně může být DC UPS vybaven dálkovým řízením zdroje (DŘZ). Podle způsobu připojení dobíjení (CHRG) záložního zdroje energie a způsobu připojení měniče (DC-DC) k výstupu zdroje rozlišujeme DC UPS:

• Sdružený – CHRG není přítomen samostatně, ale je součástí měniče DC MN; DC-DC není přítomen vůbec (viz obr. 2). Výhodou takového řešení je jednoduchost společného propojení záložního zdroje s výstupem a rychlost přepnutí na záložní zdroj; nevýhodou může být vyšší napětí na výstupu vlivem vyššího dobíjecího napětí akumulátoru při napájení z hlavního vstupu a také nižší než jmenovité napětí na výstupu při provozu z polovybitého záložního zdroje energie. Zástupcem takového DC UPS ve spojení s akumulátorem o jmenovitém napětí 24 V a s dálkovým řízením je např. zdroj MEg101.11B.
• Online sdružený – CHRG není přítomen samostatně, ale je součástí měniče DC MN; DC-DC je přítomen k zajištění stejnosměrného výstupního napětí o jmenovité hodnotě (viz obr. 3). Výhodou takového řešení je jednoduchost společného propojení záložního zdroje s výstupem a přesné jmenovité napětí na výstupu při výpadku hlavního napájení (při provozu ze záložního zdroje energie); nevýhodou může být vyšší napětí na výstupu vlivem vyššího dobíjecího napětí akumulátoru při napájení z hlavního vstupu a nižší rychlost přepnutí na záložní zdroj.
• Online přesný – CHRG je přítomen samostatně; DC-DC není přítomen vůbec (viz obr. 4). Výhodou takového řešení je přesné jmenovité napětí na výstupu při napájení z hlavního vstupu a rychlost přepnutí na záložní zdroj; nevýhodou může být nižší než jmenovité napětí na výstupu při provozu z polovybitého záložního zdroje energie. Zástupcem takového DC UPS ve spojení s akumulátorem o jmenovitém napětí 24 V je např. zdroj QUINT4-UPS/24DC/24DC/10/USB (s dálkovým řízením) či MEg101.10C (bez dálkového řízení).
• Přesný – CHRG je přítomen samostatně; DC-DC je přítomen k zajištění stejnosměrného výstupního napětí o jmenovité hodnotě (viz obr. 5). Výhodou takového řešení je přesné jmenovité napětí na výstupu při napájení jak z hlavního vstupu, tak ze záložního zdroje energie; nevýhodou může být složitější obvodové zapojení a nižší rychlost přepnutí na záložní zdroj. Zástupcem takového DC UPS ve spojení s akumulátorem o jmenovitém napětí 24 V je např. zdroj MEg101.10D (s možností dálkového řízení).

Řízení zdroje (autonomní i dálkové) kromě koordinace funkcí DC UPS sleduje stav systému, detekuje výpadek hlavního napájení či jeho pokles či přepětí, provádí jeho diagnostiku, přepíná mezi hlavním napájením a záložním zdrojem, popř. též řídí regulaci výstupního napětí nebo též detekuje změnu frekvence hlavního napájení. Dálkové řízení zdroje navíc umožňuje DC UPS ovládat stavové signály pomocí reléových kontaktů pro komunikaci s nadřazeným systémem nebo komunikovat pomocí implementovaného protokolu (např. Modbus, USB, Ethernet aj.).
Ochrana proti přepětí (Surge Suppression Device; SPD) slouží k zabezpečení systémů před náhlým přepětím v elektrické síti např. v důsledku zapnutí napěťového okruhu, zkratu na napěťovém okruhu, úderu blesku či v důsledku jiné nehody. Ochrana proti přepětí a bezpečnostní bariéra jsou prvky ochrany jak zdroje DC UPS samotného, tak jeho obsluhy. Tyto ochranné prvky jsou dimenzovány podle tzv. kategorie přepětí, vyjadřující podmínky přechodného přepětí v elektrické síti na určité hladině jmenovitého napětí (viz ČSN EN IEC 60664-1 ed. 3, kap. 4.3 a tab. F.1; ČSN EN 61010-1 ed. 2, tab. K.7). Zařízení kategorie přepětí IV, nejnáročnější na ochranu, jsou určena k použití na začátku instalace, např. na venkovním přívodu. Zmíněné zdroje MEg101.10C, MEg101.10D a MEg101.11B jsou zařízeními v kategorii přepětí IV / 300 V.
Jako záložní zdroj energie (BS) pro střednědobé a dlouhodobé DC UPS jsou vhodným typem akumulátory (olověné, Li-ion aj.), zatímco pro krátkodobé DC UPS jsou přijatelným typem jak akumulátory, tak superkapacitory.

4. Krátkodobé systémy nepřerušitelného stejnosměrného napájení (krátkodobé DC UPS)

Krátkodobé systémy nepřerušitelného stejnosměrného napájení většinou obsahují záložní zdroj energii (BS) ve formě superkapacitorů či malých akumulátorů. Vzhledem k potřebě měřit kvalitu dodávané elektrické energie i po výpadku hlavního (vstupního) napájení alespoň po dobu desítek sekund obsahují měřicí přístroje jako MEg44PAN, MEg45DIN/PAN, MEg39.1/.2 aj. krátkodobé DC UPS uvnitř. Blokové schéma takového DC UPS je na obr. 6.
V praxi může vzniknout požadavek i na delší dobu zálohy než jen několik desítek sekund (pro měření nad dobu danou normou), proto není problém zkombinovat střednědobé či dlouhodobé DC UPS s krátkodobými. Příkladem takové sestavy může být MEg101.10C (střednědobý DC UPS) a MEg45DIN/MEg39.1 (obsahují krátkodobý DC UPS).

Závěr

Systémy nepřerušitelného napájení (UPS) jsou nepostradatelné pro napájení kritických zařízení. Nejrozšířenějšími jsou UPS se standardizovaným výstupem 230 V střídavých, k jejichž konstrukci a zkouškám bezpečnosti vznikla sada technických norem (ČSN EN IEC 62040). Nicméně stále více potřebnými se stávají i UPS se stejnosměrným výstupem (DC UPS). Existují čtyři hlavní typy DC UPS (sdružený, online sdružený, online přesný a přesný), jejichž výhody a nevýhody jsou shrnuty v tab. 1.
Rozdíly mezi typy DC UPS umožňují jejich výběr podle konkrétních požadavků na nepřetržité napájení v závislosti na provozních podmínkách a druhu zátěže.

MEgA – Měřící Energetické Aparáty, a.s.
Česká 390, 664 31 Česká
Tel.: +420 545 214 988
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.e-mega.cz

Použité zdroje

• Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů. In: Zákony pro lidi [online]. AION CS, 2010-2024 [cit. 4. 11. 2024].
• ČSN 33 2000-5-56 ed. 3. Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-56: Výběr a stavba elektrických zařízení – Zařízení pro bezpečnostní účely. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019, 28 s. Třídící znak 33 2000.
• ČSN EN IEC 60664-1 ed. 3. Koordinace izolace zařízení nízkého napětí – Část 1: Zásady, požadavky a zkoušky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021, 80 s. Třídící znak 33 0420.
• ČSN EN 61010-1 ed. 2. Bezpečnostní požadavky na elektrická měřicí, řídicí a laboratorní zařízení – Část 1: Všeobecné požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011, 142 s. Třídící znak 35 6502.
• ČSN EN IEC 62040-1 ed. 2. Zdroje nepřerušovaného napájení (UPS) – Část 1: Bezpečnostní požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019, 64 s. Třídící znak 36 9066.
• ČSN EN IEC 62040-3 ed. 3. Zdroje nepřerušovaného napájení (UPS)– Část 3: Metoda stanovení požadavků na funkci a na zkoušení. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2022, 106 s. Třídící znak 36 9066.
• Elektrochemické zdroje proudu obecně. Definice. In: battex.info [online]. /BATTEX, 2009–2024 [cit. 4. 11. 2024].
• Zdroje nepřerušitelného napájení – princip, výběr, údržba. In: ElektroPrůmysl.cz [online]. ElektroPrůmysl, 15. 12. 2022 [cit. 4. 11. 2024]. ISSN 2571-0761.
• ŽÁČEK, Jaroslav. 2001. Zdroje nepřerušovaného napájení – UPS. Automa – časopis pro automatizační techniku [online]. 2001, č. 3 [cit. 4. 11. 2024].