Ako vybrať záložný zdroj (UPS): princíp, kritéria výberu, prevádzka UPS

V tomto článku rozoberáme predovšetkým technické kritériá pre výber nepretržitého zdroja napájania (UPS). Cena UPS je vzhľadom k možným škodám v dôsledku prerušenia napájania citlivých zariadení spravidla až druhotným kritériom. Záverom uvedieme všeobecné pokyny na prevádzkovanie UPS. Pri ich dodržiavaní sa môžeme vyhnúť mnohým nepríjemnostiam.


Úvod do sveta UPS: Zálohovať napájanie je potrebné a užitočné

Prevažná väčšina technických zariadení, ktorými je človek v 21. storočí obklopený, je viac či menej závislá na dodávke elektrickej energie. O priemyselnej automatizácii to platí dvojnásobne.

Hoci podstatná časť terajších priemyselných automatov, dispečerských pracovísk, riadiacich systémov strojov NC a zariadení pre meranie a reguláciu obsahuje pamäte dát a malé interné akumulátory, často sa v priemyselnej automatizácii uplatní aj štandardný záložný zdroj resp. nepretržitý zdroj napájania – UPS.

Systém UPS sa často využíva aj v priemyselnej automatizácii

Medzi prvými, ktorí na vlastnej koži pocítili, že zálohovať napájanie je potrebné a užitočné, boli užívatelia výpočtovej techniky. Väčšina z nich v kľude pracovala na svojom počítači s dôverou v 230 Voltov v zásuvke, až raz sa to stalo…

Prevažne to boli stratené dáta alebo znehodnotená niekoľkohodinová práca projektanta v programe CAD, v horšom prípade (napríklad pri vzniku prepätí v distribučnej sieti) aj zničenie niektorých obvodov v počítači.

V prípade technologickej linky však môže byť výsledkom zničený drahý materiál či polotovar, v banke nesprávne vykonanie finančnej operácie, v nemocnici kolabujúci pacient – vždy však stratený čas, nálada, nervy, peniaze a niekedy i zdravie. Často nekontrolovaná strata napätia spôsobí aj nenávratné poruchy na prevádzkovanom zariadení.


Čo je UPS ?

Zdroj nepretržitého napájania elektrickou energiou (Uninterruptible Power System – UPS) je zariadenie, ktoré je určené na udržanie prevádzky elektroniky v okamihu, keď nastane porucha alebo výpadok verejnej distribučnej siete (alebo vnútornej napájacej siete podniku).

Toto zariadenie v takomto prípade prevezme bez prerušenia napájanie príslušných prístrojov a zariadení, postará sa o ich ďalšiu prevádzku, alebo o korektné a bezproblémové prerušenie tejto prevádzky.

Základný princíp fungovania UPS

Rozoznávajú sa 2 veľké skupiny UPS, ktoré sa odlišujú nielen použitím a konštrukciou, ale aj cestou od výrobcu k užívateľovi.


Jednofázové UPS

Jednofázové nepretržité zdroje napájania sú väčšinou typu “plug and play“. Užívateľ je zvyčajne schopný si ich sám kúpiť (napríklad v obchode s výpočtovou technikou), inštalovať i obsluhovať, a to vrátane tých najväčších s výkonom do 10 kVA.

Záložné zdroje tohto vyhotovenia nevyžadujú špeciálne inštalačné miesto a môžeme ich prevádzkovať v kanceláriách a v podobných štandardných priestoroch. Ich konštrukčným variantom sú UPS pre prístrojové rámy štandardu 19″ (niekedy tiež označované ako RM – Rack Mounted), ktoré sa uplatnia nielen u väčších zariadení výpočtovej techniky, ale aj v priemyselnej automatizácii.

Schéma základného jednofázového UPS

Existujú aj špeciálne zdroje nepretržitého napájania pre „malé „spotrebiče v rozvádzačoch, ako sú prevodníky úrovní, meracie prístroje a malé regulátory, pričom tieto zdroje majú extrémne malé rozmery. Väčšina výrobcov dodáva UPS v oboch konštrukčných variantoch. Niektorí dokonca ponúkajú zdroje RM v širšom výkonovom rozsahu a s bohatším príslušenstvom ako klasické „stolové“ varianty.

Existujú aj UPS pre menšie zariadenia v rozvádzačoch


Trojfázové UPS

Pre záložné napájanie celých technologických liniek alebo objektov sa používajú trojfázové UPS o výkone až 500 kVA s možnosťou ďalšieho paralelného radenia. Dodávka týchto zdrojov je spojená už s projektom budovy alebo technológie a ďalšími činnosťami, ako je uvedenie do prevádzky, profylaxia a pod. Tieto zdroje sa inštalujú v špeciálnych priestoroch.

Pri požiadavke na záložné napájanie je zvyčajne nastolená otázka, podľa akých kritérií pri výbere UPS postupovať a ako vybraným kritériám priradiť správne priority.

Skôr než budeme formulovať kritériá pre výber vhodného typu UPS pre konkrétnu aplikáciu, stručne si popíšeme funkciu UPS.

Záložné napájanie celých technologických liniek alebo objektov sa vyrieši trojfázovými UPS


Aká je funkcia UPS – nepretržitého zdroja napájania?

V princípe má UPS štyri hlavné časti:

  • Batérie, v ktorých sa uchováva energia
  • Striedač, ktorý z jednosmerného prúdu dodávaného batériou vyrába štandardné striedavý prúd dodávaný do záťaže
  • Usmerňovač na napájanie striedača a dobíjanie batérií
  • Riadiacu logiku, vrátane komunikačného rozhrania

Ak dôjde teda k výpadku na vstupe do UPS, zdroj začne odoberať energiu z batérií a výstup UPS (a teda aj záťaž) je ďalej pod napätím, a to až do vyčerpania kapacity batérií. Ak nastane iná porucha, napríklad prepätia v sieti, väčšina súčasných UPS zvládne aj tento poruchový stav a špičky napätia odfiltruje.

Dôležitou výbavou väčšiny UPS je tzv. “By-pass“ (obtok). Analógia tohto obvodu s metódou používanou v kardio-chirurgii je evidentná: tak ako lekár nainštaluje pacientovi by-pass, aby odľahčil chorému a unavenému srdcovému svalu, aj v prípade UPS prichádza „obvod obtoku“ k slovu vo chvíli, keď v obvodoch UPS vznikne porucha alebo sú obvody krátkodobo preťažené.

To platí predovšetkým pre motorické záťaže UPS, ale napríklad aj pre veľké monitory s veľkým odoberaným prúdom v okamihu zapnutia. Obvod obtoku po túto dobu automaticky premostí silové obvody UPS a záťaž je napájaná priamo zo siete. Tento jav trvá rádovo milisekundy a nijako nenaruší prevádzku počítačov.

Niektoré UPS, najmä stredného a veľkého výkonu (od 5 kV A a vyššie) sú vybavené aj tzv. manuálnym (údržbovým) obtokom. Táto funkcia je rovnaká ako pri automatickom obtoku, ale realizuje sa manuálne ovládanými kontaktnými prvkami v prípade, kedy je nutné zariadenie UPS odstaviť a vykonať na ňom údržbu alebo meranie.

Je zrejmé, že manipulácia s týmito prvkami za prevádzky UPS do záťaže je veľmi riskantnou záležitosťou. Tieto ovládače sú preto chránené proti náhodnému použitiu a manipulovať s nimi môže len určená osoba.

Dôležitou výbavou väčšiny UPS je “By-pass“ (obtok)


Kritériá výberu UPS

K výberu vhodného UPS pre konkrétnu aplikáciu je nutné vziať do úvahy najmä tieto kritériá:

  1. Výstupný výkon UPS
  2. Doba zálohovania
  3. Kvalita napájacej siete v mieste použitia UPS
  4. Kvalita výstupného napätia UPS
  5. Charakter pripojenej záťaže
  6. Komunikácia s UPS

O týchto kritériách si podrobnejšie povieme v nasledujúcich riadkoch.

Jedným z kritérií pri voľbe vhodného typu UPS je tiež jeho cena. Tá je však veľmi úzko spätá s ďalej diskutovanými technickými požiadavkami a pri konečnom rozhodovaní by mala byť až sekundárnou záležitosťou.


1. Výstupný výkon zdroja UPS

Je potrebné určiť, ktoré zariadenia je nevyhnutné z UPS napájať, a podľa toho zvoliť typ zdroja a jeho menovitý výkon. Tu je vhodné uvažovať trochu veľkorysejšie: z praxe je známe, že väčšina elektrotechnických zariadení nie je zaťažovaná na menovitý výkon, ale je tu ponechaná určitá výkonová rezerva.

Rezervu je možné využiť jednak v prípade, keď napájané zariadenie pracuje (aj keď krátkodobo) na vyšších ako menovitých parametroch, a jednak vtedy, keď počas prevádzkovania zariadenia dôjde k jeho rozšíreniu, a teda vzrastie požiadavka na výstupný výkon UPS. V praxi sa odporúča inštalovať zdroj UPS o výkone s 50 až 80% väčším, než je súčasná známa veľkosť záťaže.

Požiadavke na zvýšený výkon pri rozšírení záťaže (inštalácia nového servera, nové pracovné stanice pre CAD, rozšírenie technológie alebo linky) veľmi dobre vyhovujú tzv. modulárne UPS. Tieto zdroje sú konštruované ako stavebnica z jednotlivých elektronických a batériových modulov a užívateľ si sám môže nakonfigurovať požadovaný výkon a dobu zálohovania, pričom ráta s tým, že v prípade potreby je možné ďalšie moduly o chýbajúce minúty či voltampéry doplniť.


2. Doba zálohovania

Dobou zálohovania sa rozumie čas chodu UPS napájaného z jeho vlastných batérií (pri výpadku distribučnej siete) pri jeho menovitej záťaži. Štandardná doba zálohovania je zvyčajne päť až desať minút. Pri požiadavke na dlhšiu dobu zálohovania je potrebné použiť prídavné batérie a v prípade požiadavky na veľmi dlhú dobu zálohovania je nutné spojiť UPS s motor-generátorom.

Pri určovaní doby zálohovania je nutné si počínať veľmi zodpovedne. Batéria je najchúlostivejšou, najdrahšou, najťažšou a tiež ekologicky najproblémovejšou časťou UPS. Väčšina UPS obsahuje sadu batérií pre základnú dobu zálohovania s možnosťou rozšírenia.

Batéria je najchúlostivejšou časťou UPS

U zálohovaných zariadení však takmer vždy môžeme určiť, ktoré zariadenia je možné korektne odpojiť ihneď po výpadku siete, u ktorých je nutné pred vypnutím uskutočniť určité úkony a ktoré musí pracovať čo možno najdlhšie. Štruktúrovaným odpájaním záťaží môžeme ušetriť nielen kapacitu batérií, ale aj priestor a hlavne peniaze.

Batéria je prvok s konečnou životnosťou. V UPS sa používajú výhradne gélové plynotesné bez-údržbové batérie. Ich doba života sa pohybuje v rozmedzí od troch do desiatich rokov, ale už sú k dispozícii batérie aj s životnosťou dlhšou (samozrejme za zodpovedajúcu cenu). V priebehu doby životnosti batérie, vykonáva UPS pravidelne vnútorné testy a včas signalizuje blížiaci sa koniec jej životnosti. Na konci doby životnosti je potrebné batériu ekologickým spôsobom zlikvidovať.

Extrémne dlhé doby zálohovania možno dosiahnuť spojením UPS s motor-generátorom. Potom je možné záťaže v objekte rozdeliť na veľmi dôležité (napájané z UPS), dôležité (napájané z motor-generátora, t.j. s určitým oneskorením v napájania, nutným pre spustenie, rozbeh a nafázovánie generátora na sieť) a na menej dôležité, ktoré nie sú zálohované vôbec.

Sústava motor generátor – UPS je z hľadiska teórie regulácie niekoľko-sľučkovou nelineárnou sústavou, ktorá pri rôznych typoch záťaží vykazuje nečakané nestabilné stavy a ktorej teoretické riešenie nie je jednoduché. Skúsené dodávateľskej firmy v odbore záložného napájania majú spracované postupy a opatrenia, ako riziká oscilácií v tejto sústave znížiť, poprípade úplne vylúčiť.

Dlhšiu dobu zálohovania možno dosiahnuť spojením UPS a motor generátora

Zahŕňajú jednak opatrenia v projektovej oblasti (dimenzovanie, priestorové usporiadanie), jednak inštaláciu dodatočných prvkov (aktívne a pasívne filtre, niekoľko-cestné usmerňovače). Ideálnym riešením je použitie UPS s tzv. delta-konverziou, kedy je možné použiť motor generátor s podstatne menším výkonom a tým znížiť investičné náklady.


3. Kvalita napájacej siete

V miestach s kvalitným napájaním a pre menej náročné spotrebiče (medzi nich však rozhodne nepatria sieťové servery, dôležité zdravotnícke zariadenia, technologické počítače pre riadenie výroby a pod.), postačí s prihliadnutím na charakter záťaže aj menej nákladný zdroj v usporiadaní off-line alebo “line interactive“.

V miestach s častým a rýchlym kolísaním napätia alebo inými poruchami siete je nutné použiť zdroj s “on-line“ architektúrou. V prípade UPS o menovitých výkonoch v rozmedzí 5 až 20 kV A s jednofázovým výstupom je tiež potrebné, v spolupráci s odborným energetikom, rozhodnúť medzi jednofázovým alebo trojfázovým vstupom.


4. Kvalita výstupného napätia UPS

Je potrebné posúdiť, či je nutné napájať spotrebič čisto sínusovým napätím a ak je daný spotrebič „viac dôležitý“ (tam sa použije UPS s architektúrou on-line), alebo či postačí pre „menej dôležitý“ spotrebič modifikovaný sínus podobný lichobežníku (zdroje s architektúrou off-line alebo line interactive) a širšie tolerancie výstupného napätia.

Kvalita výstupného napájania patrí k najdôležitejším kritériom výberu UPS

5. Charakter záťaže

Dôležitý je účinník záťaže, tvar prúdu (odoberaný zo zdroja), veľkosť záberového prúdu pri zapnutí spotrebiča a požiadavka na trojfázové alebo jednofázové napájanie, poprípade na spoluprácu s motor generátorom.

Pre výber UPS je veľmi dôležité poznať vlastnosti záťaže najmä v spojitosti so spoľahlivosťou napájania. Užívateľ automaticky predpokladá, že UPS bude správne a bez poruchy pracovať vždy a za všetkých okolností. Ale aj UPS je technické zariadenie zložené z mnohých súčiastok s konkrétnou spoľahlivosťou.

Stredná doba medzi poruchami (MTBF  – Mean Time Between failures) je pre UPS udávaná v rádoch 100 000 hodín. Môže sa to zdať veľa, no je to len jedenásť rokov nepretržitej prevádzky (teda viac ako technický život väčšiny zdrojov). Ak je napríklad u telekomunikačnej firmy súčasne v prevádzke 40 zdrojov v rôznych aplikáciách, môže teoreticky každé tri mesiace jeden z týchto zdrojov „odísť“.

Porúchaná UPS prejde na „by-pass“ režim a zálohované zariadenie je síce napájané ďalej, ale z nezálohovanej distribučnej siete. V tej chvíli je zrejmý význam ďalšieho parametra spoľahlivosti – Stredná doba opravy (Mean Time To Repair – MTTR).

MTTR vyjadruje čas, za ktorý je možné zariadenie alebo komponent opraviť alebo vymeniť

Práve už u spomínaných modulárnych UPS je stredná doba opravy mimoriadne krátka, pretože ide len o čas nutný k výmene chybného modulu za náhradný, teda rádovo ide niekoľko minút (výmenu možno uskutočniť za plnej prevádzky UPS). Modulárne UPS systémy nám dávajú záruku mimoriadne veľkej prevádzkovej spoľahlivosti.

Prevádzková spoľahlivosť veľkých UPS, u ktorých je modulárna koncepcia z konštrukčných dôvodov ťažko realizovateľná, sa zväčšuje paralelným usporiadaní zdrojov s redundanciou.

Sústava je navrhnutá tak, aby aj pri výpadku jedného z paralelných UPS bolo napájanie záťaže naďalej zabezpečené v plnom rozsahu. V bežnej prevádzke teda UPS pracujú so zníženým výkonom. Navyše možno v období menšieho odberu (napríklad v noci alebo cez víkendy) niektoré zdroje programovo odstaviť.

Ďalšou všeobecnou a účinnou metódou zvyšovania prevádzkovej spoľahlivosti je prevencia. Kvalitní dodávatelia záložných napájacích systémov majú spracované servisné programy, ktoré obsahujú predpísané kontrolné operácie a skúšky UPS na základe dlhodobých skúseností s prevádzkou týchto zariadení.


6. Komunikácia s UPS

Štandardná komunikácia je optická (LED alebo LCD), akustická (signalizácia kritických prevádzkových stavov) a manuálna (zapnutie – vypnutie, poprípade meranie niektorých prevádzkových veličín). Väčšina moderných UPS je vybavená viac či menej inteligentným rozhraním pre komunikáciu s výpočtovou technikou.

V automatizácii umožňujú niektoré UPS aj komunikáciu po zbernici


Všeobecné pokyny na prevádzkovanie UPS

Ak už sme na základe uvedených kritérií UPS vybrali a inštalovali, potom je vhodné si pripomenúť niekoľko základných pravidiel pre jeho používanie.

  • Jednofázová UPS môže obsluhovať ktokoľvek bez špeciálneho zaškolenia. Pokiaľ budú dodržané pokyny a postupy uvedené v užívateľskej príručke, nehrozí obsluhe a okoliu žiadne nebezpečenstvo.
  • Každá UPS obsahuje svoj vlastný zdroj energie – batérie. Svorky na pripojovacej doske a svorky batérií môžu byť pod napätím, hoci UPS momentálne nie je pripojená k sieti. Nebezpečné napätia môžu byť prítomné aj pri prevádzke z batérií. Batérie preto musia byť počas údržbových a servisných prác odpojené.
  • Optimálna teplota okolia (z hľadiska životnosti batérie) je 25 ° C.
  • K UPS môžu byť pripojené spotrebiče triedy 1 a 2 spôsobom zodpovedajúcim príslušným STN (v žiadnom prípade nesmie byť na výstupe prepojený vodič PE a N). Za chodu musí byť UPS spojená s ochranným vodičom, a preto môže byť pripojená len do sieťovej zásuvky vybavenej ochranným kolíkom.
  • Ak je na výstup UPS pripojený spotrebič sa záberovým prúdom väčším ako je menovitý prúd zdroja, režim prepne na tzv. „obtok“ (ale aj ten má konečnú preťažiteľnosť). Vhodnejšou variantou je použiť frekvenčný alebo rozbehový menič s postupným štartom – softštartér.
  • Na výstup UPS sa nemôžu pripájať vykurovacie spotrebiče. Málokto ale vie, že bežný výstup UPS nie je určený na napájanie napríklad laserových tlačiarní. Laserová tlačiareň je totiž spotrebič s udávaným menovitým príkonom, ktorý je ale v okamihu tlače niekoľkonásobne prekročený. Preto treba pre napájanie laserových tlačiarní použiť iba taký výstup UPS, ktorý je na tento účel určený. Býva odlíšený farebne, nie je zálohovaný, ale je chránený proti prepätiu v sieti. V prípade výpadku pri tlači asi nebude problém po obnovení dodávky energie príslušný list vytlačiť znova.
  • Diametrálne opačný problém ako u laserovej tlačiarne existuje u veľkoplošných kresliacich zariadení (plotter), kde by pri prerušení tlači mohla vzniknúť časová strata, alebo by mohol byť znehodnotený drahý materiál. Tu je naopak zálohovanie kresliaceho zariadenia doporučené pri použití UPS s dostatočným výkonom a predovšetkým s dostatočnou dobou zálohovania (pokresliť formát A0 predsa len chvíľu trvá).
  • Ak je UPS dlhodobo skladovaná, musia sa batérie periodicky dobíjať. Po vyčerpaní ich životnosti je potrebné zabezpečiť správnu a ekologickú likvidáciu. Kvalitný dodávateľ likvidáciu obvykle zabezpečí sám a vydá o tom aj príslušný certifikát.
Videoukážka: Vysvetlenie a princíp fungovania UPS

Zdroj: APC, Eaton, ABB, Phoenix Contact, Realpars, upravil Automatizacia365.sk

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *