Zasilacz UPS to nie tylko urządzenie poprawiające jakość napięcia sieciowego

Zasilacz UPS to nie tylko urządzenie poprawiające jakość napięcia sieciowego, to także – a może przede wszystkim – magazyn energii. UPS realizuje dwa zadania: zapewnia swoim odbiorom napięcie o niemal idealnym kształcie oraz gwarantuje im zasilanie także wtedy, gdy napięcia w sieci w ogóle nie ma. A to oznacza, że sam, korzystając z własnych zasobów, może wytwarzać niebezpieczne napięcie. Ochrona od porażeń, obejmująca zarówno wejście jak i wyjście zasilacza, to w niektórych przypadkach dość złożone zagadnienie. Zwłaszcza obwody zasilane z wyjścia UPS mogą wymagać nieco innego podejścia, niż takie same układy zasilane bezpośrednio z sieci.
Regulacje prawne Zasilaczy UPS dotyczą następujące europejskie normy (i wszystkie dokumenty związane):
• EN 60950 z 1992 roku z późniejszymi zmianami, określająca wymagania bezpieczeństwa dla urządzeń służących do przetwarzania danych i innych urządzeń biurowych (jest to norma oparta na publikacji IEC 950)
• EN 50091-1 z 1993 roku, definiująca wymagania ogólne i wymagania bezpieczeństwa dla zasilaczy UPS
• EN 50091-2 z 1995 roku, określająca wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej dla zasilaczy UPS
• • ENV 50091-3, klasyfikująca konstrukcje w zakresie właściwości funkcjonalnych (projekt)
Polskim odpowiednikiem normy EN 60950 jest PN-93/T-42107 (wersja polska nie obejmuje wszystkich zmian). Nie ma jeszcze w polskiej wersji żadnej z norm dotyczących zasilaczy UPS.
Zagadnień bezpieczeństwa dotyczą normy EN 60950 i EN 500091-1. Pierwsza z nich obejmuje sprzęt komputerowy oraz biurowy i sama w sobie nie dotyczy zasilaczy UPS, druga z kolei samodzielnie nie funkcjonuje i w wielu punktach powołuje się na wymagania zawarte w EN 60950. Określa ona – rozszerza lub uściśla w stosunku do pierwszej – wymagania ogólne i wymagania bezpieczeństwa dla zasilaczy UPS.
Zgodność zasilacza z normami oznacza spełnienie wymagań dotyczących konstrukcji urządzenia (między innymi w zakresie zastosowanych elementów, izolacji, wytrzymałości mechanicznej), sposobu okablowania oraz wymagań termicznych i elektrycznych (wielkość prądów upływu, wytrzymałość elektryczna izolacji i zachowanie się urządzenia w stanach awaryjnych).
Norma ogólna EN 50091-1 została podzielona na dwie szczegółowe, z których każda dotyczy innych grup zasilaczy. Powstała EN 50091-1-1 dotycząca zasilaczy przeznaczonych do instalacji w pomieszczeniach ogólnodostępnych i druga, EN 50091-1-2, która odnosi się do zasilaczy przeznaczonych do instalacji wyłącznie w wydzielonych pomieszczeniach, do których dostęp mają tylko osoby uprawnione – służby eksploatacji urządzeń elektrycznych oraz serwis. Obydwie normy szczegółowe, tak jak ogólna, opierają się na EN 60950. Normy szczegółowe obowiązują od roku 1997, niemniej ze względów praktycznych do czerwca 2002 roku będzie również obowiązywać norma ogólna (dla urządzeń, których produkcję rozpoczęto przed rokiem 1997). Potem zostaną już tylko normy szczegółowe.
Jak się nietrudno domyślić, norma EN 50091-1-1 jest zdecydowanie bardziej rygorystyczna, ale też dotyczy w zasadzie wyłącznie zasilaczy o niewielkich mocach, przeznaczonych do lokalnego zasilania pojedynczych urządzeń odbiorczych lub niewielkich grup takich urządzeń. Są to najczęściej zasilacze wyposażone w gniazda do bezpośredniego podłączania odbiorów, z założenia nie wymagają więc ingerencji w sieć odbiorczą. Zapewnienie bezpieczeństwa użytkowników UPS i podłączonych do niego odbiorów musi być (i jest) funkcją i cechą samego zasilacza.
Norma EN 50091-1-2 obejmuje z reguły zasilacze o dużych mocach, a te prawie zawsze wymagają budowy sieci odbiorczej z wszelkimi tego konsekwencjami. W tym przypadku UPS nie może mieć wszystkich funkcji zabezpieczających. Zabezpieczenie instalacji odbiorczej przed skutkami zwarć oraz zabezpieczenie przeciwporażeniowe użytkowników urządzeń odbiorczych jest zadaniem projektanta i wykonawcy instalacji.
Specyfika zasilaczy UPS
UPSy to, pomimo wielu cech wspólnych, bardzo różnorodne urządzenia. Różnią się nie tylko mocą, ale i konstrukcją. Najmniejsze jednofazowe zasilacze mają moc około 250 VA, służą, więc do zasilania pojedynczych komputerów, największe to jednostki trójfazowe o mocy kilkuset kVA (w układach równoległych nawet znacznie powyżej 1 MVA) – z tych można np. kompleksowo zasilać całe sieci napięcia gwarantowanego w budynkach biurowych, czy procesy technologiczne w przemyśle.
Z punktu widzenia ochrony od porażeń istotne jest przede wszystkim to, czy zasilacz jest przeznaczony do instalacji stałych, czy jest przystosowany do bezpośredniego włączania urządzeń odbiorczych. W pierwszym przypadku zastosowanie dodatkowych środków ochrony przeciwporażeniowej jest naturalną konsekwencją budowy sieci odbiorczej, w drugim jakakolwiek ingerencja w układ odbiorczy jest, co najmniej nieuzasadniona.
W kontekście ochrony od porażeń rozważymy, więc stronę wejściową i wyjściową UPSa, a od strony wyjścia dwa przypadki:
• Zasilacze o niewielkich mocach, przeznaczone do bezpośredniego włączania urządzeń odbiorczych,
• Zasilacze przeznaczone do instalacji stałych.
Dla uproszczenia skupimy się głównie na zasilaczach włączonych do sieci o układzie TN-S (punkt neutralny uziemiony, wydzielony przewód ochronny PE)

rys1. Przykładowy, uproszczony schemat zasilacza z bieżącą rezerwą

Wejście
Od strony wejścia UPS dowolnego rodzaju można traktować jako dość typowy, jednofazowy lub trójfazowy odbiór o dużym prądzie upływu. Upływność jest rezultatem zastosowania filtrów wejściowych, zawierających pojemności doziemne (patrz rys.1). W zasilaczach o wejściu jednofazowym prąd upływu nie budzi wątpliwości. W zasilaczach o wejściu trójfazowym prądy upływu poszczególnych faz powinny dać w sumie zero. Tak jest, ale tylko pod warunkiem, że kondensatory we wszystkich fazach są identyczne i tylko wtedy, gdy napięcia wszystkich faz mają te same wartości i nie są odkształcone. Filtry powodują, że nie ma możliwości by UPS miał klasę ochronności wyższą niż pierwsza, w związku z tym należy pamiętać o konieczności połączenia wejściowego zacisku ochronnego zasilacza z przewodem ochronnym sieci lub z uziemieniem (zależnie od układu sieci, w której ma pracować UPS).
Prąd upływu uniemożliwia na ogół zastosowanie na wejściu zasilacza wyłączników różnicowoprądowych o niewielkim prądzie zadziałania (30 mA), które są zalecane jako dodatkowy środek ochrony przed dotykiem bezpośrednim. Wyłączniki takie mogłyby być niepotrzebnie wyzwalane. Ochrona przeciwporażeniowa musi być, więc na ogół realizowana z zastosowaniem bezpieczników lub wyłączników z wyzwalaczami nadprądowymi.
Dobierając zabezpieczenia wejściowe należy też uwzględnić prąd rozruchowy zasilacza. Na ogół jest on ograniczany i podczas rozruchu nie przekracza wartości nominalnej, ale są modele (zwłaszcza starsze), w których może być nawet kilkakrotnie większy od nominalnego. Może wówczas wystąpić problem selektywności między zabezpieczeniem lokalnym UPSa i zabezpieczeniem w rozdzielni głównej. Są wówczas dwa rozwiązania: odpowiednie zwiększenie zabezpieczenia w rozdzielni głównej (korzystne może być zastosowanie bezpieczników topikowych w obu rozdzielniach – ich selektywność uzyskuje się już przy stosunku prądów znamionowych 1,6 do 1), albo - jeżeli zwiększenie zabezpieczenia nie jest możliwe - wydzielenie w rozdzielni głównej obwodu zasilającego UPS.
Zasilacze z gniazdami odbiorczymi – wyjście
Jest to przypadek najprostszy – nie są na ogół konieczne żadne dodatkowe środki ochrony od porażeń. Spełnienie przez zasilacz wymagań norm dotyczących bezpieczeństwa oznacza, że w przypadku wystąpienia zwarcia powodującego przeciążenie nastąpi natychmiastowe wyłączenie zasilacza (czas wyłączenia równy maksymalnie 200 ms spełnia najbardziej rygorystyczne wymagania w zakresie szybkiego wyłączenia, o ile tylko urządzenia odbiorcze pracują w normalnych warunkach środowiskowych). W każdym innym przypadku napięcie dotykowe na obudowie nie przekroczy wartości bezpiecznej.



rys2. Tryb normalny (falownik wyłączony, ładowarka baterii pracuje). Urządzenia odbiorcze zasilacza pracują w sieci o układzie TN-S (przewód neutralny - N - połączony w jednym punkcie z ziemią). Kolorem żółtym oznaczono drogę przepływu prądu zwarciowego
.
rys3. Tryb bateryjny (falownik pracuje, ładowarka baterii wyłączona). urządzenia odbiorcze zasilacza pracują w sieci o układzie IT (przewód neutralny izolowany do ziemi). Kolorem żółtym oznaczono drogę przeplywu prądu zwarciowego (prąd popłynie pod warunkiem wystąpienia conajmniej dwóch uszkodzeń izolacji).

Zagadnienie komplikuje się nieco, jeśli z jakichkolwiek powodów ochrony dodatkowej pominąć nie można. Ze względu na ograniczoną obciążalność UPSa, w układzie TN-S odpada na ogół ochrona przez szybkie wyłączenie realizowane przez bezpieczniki topikowe czy wyłączniki z wyzwalaczami nadprądowymi. Sytuację dodatkowo pogarsza fakt, że do zasilacza o małej mocy można podłączyć niewiele odbiorów, a więc proporcje między prądem maksymalnym UPSa, a prądem znamionowym w konkretnym obwodzie nie gwarantują na ogół odpowiednio szybkiego zadziałania zabezpieczenia. Pozostają wyłączniki różnicowoprądowe, z zastrzeżeniem jednak, że podczas pracy zasilacza w trybie bateryjnym nie będą one na ogół działać. Wynika to z faktu, że normy dotyczące bezpieczeństwa nakładają na UPSy konieczność zabezpieczania wejścia przed pojawieniem się na nim napięcia podczas pracy bateryjnej. Mówiąc wprost: na wtyczce sieciowej zasilacza nie może pojawić się napięcie po wyjęciu jej z gniazda. W jednofazowych UPSach o prostej konstrukcji (np. Powerware 3115, 5105, 5119) oznacza to konieczność przerwania wewnątrz zasilacza ciągłości obydwu przewodów zasilających, również neutralnego. Po przerwaniu ciągłości przewodu neutralnego sieć odbiorcza zasilacza staje się układem izolowanym (IT), nawet jeśli UPS pozostaje nadal podłączony do sieci TN. Stałe uziemienie wyjściowego punktu neutralnego zasilacza, które likwidowałoby problem, jest oczywiście niedopuszczalne, gdyż w normalnym trybie pracy zasilacza stanowiłoby dodatkowe uziemienie punktu neutralnego sieci. Zwróćmy też uwagę, że po odizolowaniu wyjścia UPSa od sieci, przewód PE staje się przewodem uziemiającym dla urządzeń odbiorczych UPSa (warunki zasilania samego UPSa nie zmieniają się).
Ze specyfiki układu IT wynika, że pojedyncze zwarcie doziemne nie jest jeszcze niebezpieczne – groźne może być dopiero połączenie z ziemią kolejnego, innego przewodu. Nasuwa się więc rozwiązanie z urządzeniem do kontroli stanu izolacji, które sygnalizowałoby pierwsze zwarcie. Zauważmy jednak, że pierwsze zwarcie doziemne, o ile wystąpi podczas pracy normalnej zasilacza, zostanie natychmiast wyeliminowane przez wyłącznik różnicowoprądowy. Podwójne uszkodzenie izolacji podczas pracy w trybie bateryjnym będzie więc skrajnie nieprawdopodobne, zwłaszcza że małe zasilacze mają na ogół krótkie czasy autonomii. Dlatego poza szczególnymi przypadkami, gdy czas pracy zasilacza w trybie bateryjnym miałby być długi, z kontroli stanu izolacji można zrezygnować.
Problem zmiany układu sieciowego nie dotyczy zasilaczy o dwukrotnym przetwarzaniu energii (np. Powerware 9110). Zasilacze te, nawet jeśli są wyposażone w gniazda odbiorcze, zachowują ciągłość przewodu neutralnego w każdym trybie pracy.
Zasilacze do instalacji stałych – wyjście
W przypadku zasilaczy przeznaczonych do instalacji stałych o wyborze środków ochrony decyduje charakterystyka wyjściowa zasilacza (szczególnie przeciążalność) oraz układ sieci, do której UPS ma być włączony.
Zasilacze do instalacji stałych to najczęściej urządzenia o podwójnym przetwarzaniu energii, zachowujące ciągłość przewodu neutralnego w każdym trybie pracy. Układ sieciowy wyjścia zasilacza będzie więc w każdym trybie pracy taki, jak układ sieci energetycznej. Zasady ochrony od porażeń w obwodach odbiorczych tych zasilaczy są więc takie same, jak dla obwodów zasilanych bezpośrednio z sieci energetycznej, z tym zastrzeżeniem, że trzeba uwzględnić ograniczoną moc zwarciową UPSa. (Dobierając zabezpieczenia należy zakładać najbardziej niekorzystne warunki pracy, czyli bateryjny tryb pracy, w którym tor obejściowy z powodu braku napięcia w sieci jest niedostępny, a więc dysponujemy tylko mocą wyjściową falownika.) Ochrona od porażeń w układach odbiorczych takich zasilaczy (zakładamy, że sieć ma układ TN-S) realizowana jest na ogół przez szybkie wyłączenie za pomocą bezpieczników lub wyłączników z wyzwalaczami nadprądowymi, albo za pomocą wyłączników różnicowoprądowych.
Dla przykładu przeanalizujmy sieć odbiorczą zasilacza Powerware 9315 o mocy wyjściowej 65 kVA, który zasila sieć napięcia gwarantowanego w budynku biurowym oraz jest włączony do sieci TN-S i ma sieć odbiorczą w tym samym układzie. Typowymi odbiorami będą więc komputery, drukarki itp.
Wyjściowy współczynnik mocy zasilacza jest równy 0,8, co oznacza, że znamionowa moc czynna wynosi 48 kW. Znamionowy prąd fazowy wynosi 65000 VA / 3 / 230 V = 94 A, znamionowa składowa czynna prądu to 94 A x 0,8 = 75 A.
Obciążalność falownika w zasilaczu jest następująca:
125 % przez 10 min
150 % przez 10 s
1000 % przez 40 ms




Maksymalny prąd wyjściowy zasilacza jest aktywnie ograniczany i nigdy nie przekracza 300 % wartości znamionowej.
Po przekroczeniu podanego obciążenia i odpowiadającego mu czasu następuje przełączenie zasilacza na tryb obejściowy (jeśli napięcie sieci jest obecne) lub wyłączenie (jeśli tor obejściowy jest niedostępny). W przypadku przeciążenia w zakresie 150 % – 1000 %, po przekroczeniu czasu 40 ms następuje przełączenie na tryb obejściowy, ale jeśli nie jest on dostępny falownik kontynuuje pracę przez 0,2 s i dopiero po tym czasie następuje jego wyłączenie.
Przyjmijmy, że zasilacz jest normalnie obciążony w 70 % i że urządzenia odbiorcze mają współczynnik mocy 0,8 (taki sam, jak wyjściowy współczynnik mocy zasilacza). Oznacza to, że wykorzystujemy 70 % mocy czynnej i 70 % prądu maksymalnego zasilacza. Prąd fazowy pobierany z zasilacza wynosi wówczas 94 A x 0,7 = 66 A.
Załóżmy, że jedno z urządzeń odbiorczych ulega uszkodzeniu polegającym na zwarciu między przewodzącą częścią czynną a obudową. W wyniku uszkodzenia nastąpi przepływ prądu zwarciowego w pętli: przewód fazowy – części czynne urządzenia odbiorczego – obudowa urządzenia odbiorczego – przewód PE. Jeżeli impedancja w pętli zwarcia będzie odpowiednio mała, prąd wyjściowy zasilacza zostanie ograniczony na poziomie 300 % wartości nominalnej, czyli 282 A. Różnica między tym prądem, a prądem pobieranym przez nieuszkodzone urządzenia odbiorcze wynosi 216 A (prąd znamionowy uszkodzonego urządzenia dla uproszczenia pomijamy) – taki jest prąd, który musi spowodować zadziałanie zabezpieczenia. Korzystając z charakterystyk bezpieczników sprawdzamy, jaka wartość znamionowa wkładki bezpiecznikowej gwarantuje zadziałanie w czasie wymaganym przepisami (normą PN- /E 5009/41 lub PN-IEC 364-4-481). Np. dla normalnych warunków środowiskowych (dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe 50 V) wyłączenie uszkodzonego odbioru zasilanego napięciem 230 V powinno nastąpić czasie nie przekraczającym 0,4 s. Czyli z punktu widzenia ochrony od porażeń bezpiecznik topikowy o charakterystyce gG (gL) może mieć prąd znamionowy nie większy niż 32 A. Jeżeli stosujemy wyłączniki z wyzwalaczem nadprądowym, może to być zabezpieczenie o prądzie 20 A i charakterystyce C lub 40 A i charakterystyce B.
Zauważmy, że nawet jeśli bezpiecznik nie zadziała, wyłączenie zasilacza nastąpi w ciągu 0,2 s, czyli dużo wcześniej, niż wymagają tego przepisy dotyczące ochrony od porażeń. Bezpiecznik jest jednak potrzebny z dwóch powodów. Po pierwsze po to, by nie dopuścić do wyłączenia zasilacza (musi więc zadziałać w czasie krótszym niż 0,2 s – w przeciwnym razie wszystkie urządzenia odbiorcze straciłyby zasilanie). Po drugie, by chronić w przypadku, gdyby zabezpieczenia zasilacza jednak nie zadziałały i nie nastąpiło jego wyłączenie (co jest jednak skrajnie nieprawdopodobne).
W praktyce jednak bezpieczniki powinny być zwykle mniejsze niż wynikałoby to z warunków bezpieczeństwa użytkowników. Istotne jest też zapewnienie ciągłości zasilania nieuszkodzonych urządzeń odbiorczych, a dla niektórych komputerów dopuszczalna przerwa w dopływie energii to zaledwie 10 ms. W wyniku zwarcia w układzie odbiorczym zasilacza następuje albo ograniczenie jego napięcia wyjściowego, albo jego całkowity zanik. Stan taki będzie trwał do czasu wyeliminowania uszkodzonego obwodu. Bezpiecznik powinien więc zadziałać w ciągu 10 ms. Warunek ten zostanie spełniony, jeśli maksymalna wartość znamionowa szybkiego bezpiecznika topikowego nie przekroczy 10 A. Wyłączniki z wyzwalaczami nadprądowymi w zasadzie nigdy nie gwarantują czasu zadziałania krótszego niż 10 ms, jakkolwiek przy odpowiedniej krotności prądu, będą działać w czasie niewiele dłuższym. Mogą też być stosowane, niemniej zdecydowanie pewniejsze będą bezpieczniki topikowe.
Jeżeli w którymś obwodzie odbiorczym bezpiecznik musi być większy niż wynikałoby z analizy (np. z powodu prądu znamionowego lub rozruchowego w urządzeniu odbiorczym), obwód ten należy zabezpieczyć wyłącznikiem różnicowoprądowym. Należy wówczas pamiętać, by wyłącznik nie stanowił najsłabszego ogniwa w systemie zasilania; nie może to być wyłącznik w wykonaniu standardowym, który mógłby zostać wyzwolony np. prądem rozruchowym monitora komputerowego. Należy więc stosować wyłączniki krótkozwłoczne, selektywne lub odporne na prądy udarowe i oczywiście wrażliwe na prądy przemienne i pulsujące.

Przykładowy schemat zasilacza z transformatorem separacyjnym

Kilku słów komentarza wymagają też transformatory separacyjne (patrz rys.5). Są one integralną częścią zasilaczy Powerware 9315 o zakresie mocy od 65 do 160 kVA, dla wszystkich pozostałych stanowią urządzenie opcjonalne. Stosuje się je głównie wtedy, gdy sieć energetyczna jest mocno zakłócona – pozwalają bardzo skutecznie tłumić zakłócenia występujące na przewodzie neutralnym, których nie eliminuje nawet dwukrotne przetwarzanie energii w zasilaczu. O ile jednak w przypadku zasilaczy trójfazowych do wyeliminowania zakłóceń wystarczy samo zastosowanie transformatora, to w zasilaczach jednofazowych jego skuteczność uzyskuje się na ogół pod warunkiem dobrego uziemienia wyjściowego punktu neutralnego. Dzieje się tak dlatego, że transformatory stosowane w zasilaczach trójfazowych mają uzwojenia pierwotne połączone w trójkąt, a więc w ogóle nie łączy się do nich przewodu neutralnego sieci energetycznej. Na stronie wtórnej, której uzwojenia połączone są w gwiazdę, powstaje nowy punkt neutralny, całkowicie wolny od zakłóceń. W przypadku zasilaczy jednofazowych stronę pierwotną transformatora łączy się z napięciem fazowym, a więc również z przewodem neutralnym (spotyka się również UPSy z transformatorem wejściowym, który ma odczep umożliwiający podłączenie do napięcia międzyfazowego).
Nie ma znaczenia czy transformator jest na wejściu, czy wyjściu zasilacza – w obu przypadkach wyjściowy punkt neutralny systemu jest separowany od punktu neutralnego sieci. Po uziemieniu wyjściowego punktu neutralnego, odbiory UPSa pracują w układzie TN-S. Połączenie między wyjściowym punktem neutralnym a zaciskiem ochronnym (uziemiającym) zasilacza z transformatorem jest zawsze zrealizowane fabrycznie. W przypadku małych zasilaczy uziemienie wyjściowego punktu neutralnego uzyskuje się za pośrednictwem przewodu ochronnego przez samo podłączenie zasilacza do sieci. Większe zasilacze, przeznaczone do instalacji stałych, mają albo specjalny zacisk uziemiający (np. Powerware 9315), który łączy się z uziomem niezależnie od podłączenia wejściowego zacisku ochronnego z przewodem PE sieci, albo uziemienie realizowane jest za pośrednictwem przewodu ochronnego sieci (np. w zasilaczach Powerware 9150, 9305).
Należy zwrócić uwagę, że jeśli transformator jest funkcjonalnie częścią falownika (nie obejmuje toru obejściowego), nie separuje wejścia zasilacza od wyjścia. Przewód neutralny zachowuje wówczas ciągłość i nie wolno go uziemiać na wyjściu UPSa – byłoby to niedopuszczalne, dodatkowe uziemienie punktu neutralnego sieci. Układ sieciowy wyjścia zasilacza pozostaje wówczas taki sam, jak układ sieci energetycznej.
Transformatora separacyjnego nie można traktować jako środka ochrony od porażeń. Jest to urządzenie służące wyłącznie tłumieniu zakłóceń
Projektując system zasilania gwarantowanego, zwłaszcza jeśli wiąże się to z budową dodatkowej instalacji, należy mieć na uwadze charakter urządzeń odbiorczych i potencjalne zagrożenia. I najważniejsze: zawsze należy sprawdzić czy układ sieci odbiorczej będzie zgodny z oczekiwaniami oraz czy urządzenia ochronne będą działać poprawnie w każdym trybie pracy zasilacza. Warto mieć również świadomość że zastosowanie prostych UPSów na ogół nie pociąga za sobą konieczności wykorzystywania dodatkowych środków ochrony od porażeń. Pamiętajmy też, że w przypadku jakichkolwiek wątpliwości dotyczących struktury UPSa lub doboru środków ochrony, zawsze można zwrócić się do dostawcy z prośbą o pomoc
Spis norm
1. EN 60950: 1992 Safety of information technology equipment, including electrical business equipment z aneksami nr 1, 2 i 3
2. EN 50091-1: 1993 Uninterruptible power systems (UPS), General and safety requirements
3. EN 50091-1-1: 1996 Uninterruptible power systems (UPS), General and safety requirements for UPS used in operator access area
4. EN 50091-1-2: 1996 Uninterruptible power systems (UPS), General and safety requirements for UPS used in restricted access area

WADY I ZALETY ZASILACZY AWARYJNYCH UPS



Zasilacze awaryjne UPS ogólnie dzielimy na dwie grupy ze względu na ich zasadę działania:

• • Zasilacze awaryjne off-line,
• • Zasilacze awaryjne on-line.

Zasilacz awaryjny off-line podczas pracy z poprawną siecią zasilającą mierzy jej parametry i ładuje wewnętrzne akumulatory. Podczas zaniku lub spadku napięcia w sieci zasilającej przechodzi na pracę awaryjną. W momencie przejścia na pracę awaryjną zasilacz uruchamia swój wewnętrzny falownik zasilany akumulatorami generując na wyjściu napięcie zmienne 220V jednocześnie odłączając się od wadliwej sieci zasilającej (rys.1).


Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego off-line.

Szczególną odmianą zasilaczy off-line są zasilacze line-interactive, w których transformator główny pełni podwójną rolę pracując w układzie prostownika ładującego akumulatory (opcjonalnie, również stabilizatora napięcia wyjściowego AVR) w trakcie pracy z poprawną siecią zasilającą oraz w układzie falownika podczas awarii zasilania (rys. 2).


Rys. 2. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego line-interactive.

Odmiana line-interactive zasilaczy UPS występuje częściej na rynku ze względu na swe korzystne parametry przełączania na pracę awaryjną i powrotu. Praca w trybie line-interactive umożliwia szybkie przejście na pracę awaryjną i z powrotem przy stosunkowo małych zaburzeniach w przebiegu zasilającym w momencie przełączania. Jeżeli zasilacz line-interactive spełnia cechy dobrego zasilacza UPS to nie wymaga dodatkowych zewnętrznych elementów zabezpieczających i jest łatwy w instalacji i obsłudze.

Zasilacz awaryjny on-line zapewnia całkowitą separację zasilanych urządzeń od sieci zasilającej. Separacja jest wynikiem podwójnego przetwarzania. Zmienne napięcie sieciowe 220V przetwarzane jest na napięcie stałe, z którego jednocześnie ładowane są akumulatory, a następnie ponownie wytwarzane jest napięcie zmienne na wyjściu zasilacza o kontrolowanych parametrach. Zmiany napięcia wejściowego nie mają bezpośredniego wpływu na napięcie wyjściowe (rys. 3).


Rys. 3. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego on-line.

Odmianą zasilaczy on-line są zasilacze redundantne. W uproszczeniu są to zasilacze pracujące równolegle, w których jedna z gałęzi jest nadmiarowa (rys. 4).


Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego redundantnego.

Przy wykorzystaniu ich nadmiarowości tj. obciążaniu wyjścia np. połową mocy znacznie zwiększa się niezawodność systemu zasilania, ponieważ uszkodzenie jednej gałęzi nie powoduje przerwy w zasilaniu.

Na podstawie przedstawionego powyżej orientacyjnego podziału zasilaczy awaryjnych zostaną zaprezentowane poniżej dwie odmienne typowe aplikacji UPS’ów. Posłużą one do wyeksponowania zalet i wad poszczególnych rozwiązań. Za wzorce przyjęto zasilacze ETA z rodziny line-interactive oraz on-line. Ekonomiczne kryteria doboru zasilaczy awaryjnych omówiono w oddzielnym opracowaniu.

1. Centralne zasilanie awaryjne (rys. 5).
Ten sposób zabezpieczenia sieci komputerowej stosowany jest w przypadku instalacji zamkniętych, przeznaczonych do określonych zadań. Zapewnione jest wydzielone (klimatyzowane) pomieszczenie dla UPS’a oraz specjalna dedykowana instalacja elektryczna do zasilania komputerów. W takich zastosowaniach koszty inwestycji nie są istotne, natomiast istotny jest łatwy nadzór nad zasilaczem oraz separowany od sieci przebieg zasilający dla zabezpieczanych komputerów.



Rys. 5. Centralne zasilanie awaryjne

2. Rozproszone zasilanie awaryjne (rys. 6).
Ten sposób zabezpieczania komputerów pracujących w sieci komputerowej stosowany jest w przypadkach jej dynamicznego, nieprzewidywalnego rozwoju oraz w sytuacjach, gdzie istotne są niskie koszty inwestycji. Zastosowanie zasilaczy line-interactive nie wymaga modyfikacji istniejącej instalacji zasilającej. Zasilacze tego typu ze względu na swoje małe rozmiary i odpowiednią konstrukcję odporną na warunki zewnętrzne nie wymagają wydzielonych klimatyzowanych pomieszczeń. Zabezpieczenie rozwijającej się sieci komputerowej polega na zastosowaniu nowego zoptymalizowanego pod względem mocy zasilacza line-interactive dopasowanego do nowo zainstalowanego stanowiska komputerowego.



Rys. 6. Rozproszone zasilanie awaryjne.

Pewnym szczególnym przypadkiem rozproszonego zasilania awaryjnego jest zabezpieczenie sieci komputerowej z wydzielonym serwerem, na którym gromadzone są dane o strategicznym znaczeniu (rys. 7). Taki serwer wymaga nadzwyczajnego zabezpieczenia zasilania i wtedy do jego ochrony wykorzystuje się zasilacz redundantny on-line. Zasilacz ten zapewnia pełną separację chronionego serwera od sieci zasilającej oraz poprzez konstrukcję nadmiarową, (tj. równoległą pracę poszczególnych gałęzi - rys. 4, z których każda samodzielnie jest w stanie zasilić serwer) znacząco zwiększa się niezawodność systemu ochrony zasilania serwera. Ponieważ zasilacz redundantny zabezpiecza tylko sam serwer to zbędna jest dedykowana instalacja elektryczna, a uwzględniając stosunkowo małą moc zasilacza UPS jego podłączenie do sieci zasilającej jest równie proste jak zasilaczy line-interactive i nie wymaga specjalnie wykwalifikowanej obsługi.



Rys. 7. Rozproszone zasilanie awaryjne z zasilaczem redundantnym.

W celu optymalizacji kosztów rozproszonego zasilania awaryjnego możliwe jest wykorzystywanie jednego zasilacza line-interactive do zasilania kilku sąsiadujących ze sobą komputerów w jednym pomieszczeniu (rys.8).



Rys. 8. Wersja uproszczona rozproszonego zasilania awaryjnego.

PODSUMOWANIE

Do ochrony zasilania komputerów stosuje się jedno z wyżej przedstawionych rozwiązań wykorzystując zasilacze line-interactive, on-line i redundantne on-line. Podstawowe zalety i wady poszczególnych aplikacji wymieniono przy ich opisie. Poniżej zostaną wymienione wady i zalety stosowanych w tych rozwiązaniach zasilaczy awaryjnych.
Zasilacze line-interactive stosowane w systemie zasilania rozproszonego
ZALETY:
1. Niska cena jednostkowa zasilacza
2. Niska cena jednostki mocy (VA)
3. Zerowy koszt instalacji
4. Skalowalność (nowy komputer – nowy zasilacz)
5. Prosta optymalizacja w zakresie zapotrzebowania na moc (duży asortyment typów)
6. Niski koszt eksploatacji (mały pobór energii podczas pracy sieciowej oraz wyłączanie zasilacza wraz ze stanowiskiem komputerowym po zakończeniu pracy)
7. Duża niezawodność systemu rozproszonego
8. Brak kosztów konserwacji
9. Brak kosztów z tytułu zajmowanego miejsca (brak potrzeby adaptacji pomieszczeń)
10. Szybki start (wraz z załączanym stanowiskiem, brak potrzeby ciągłej pracy)
11. Cicha praca (brak wentylatora w małych mocach)
12. Niskie koszty serwisu (wymiana akumulatora tylko w jednym zasilaczu jednocześnie, łatwość dostarczenia do serwisu)
WADY:
1. Mała separacja od sieci zasilającej
2. Ograniczona stosowalność ze względu na przebieg quasi-sinusoidalny
3. Utrudnione zarządzanie programowe ze względu na ilość zasilaczy
Zasilacze nadmiarowe on-line stosowane w systemie zasilania rozproszonego
ZALETY:
1. Bardzo duża niezawodność wynikająca z nadmiarowości
2. Zerowy koszt instalacji w przypadku małych mocy
3. Skalowalność (przyrost stanowisk – dodatkowy moduł zasilacza)
4. Duża separacja od sieci zasilającej
5. Szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny
6. Szybki start (możliwość wyłączania na noc – oszczędność energii i akumulatorów)
WADY:
1. Wysoka cena jednostkowa zasilacza
2. Wysoka cena jednostki mocy (VA)
3. Głośna praca (szum wentylatorów)

Zasilacze on-line stosowane w systemach centralnego zasilania
ZALETY:
1. Duża separacja od sieci zasilającej
2. Szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny
3. Łatwe zarządzanie programowe (jeden zasilacz)
WADY:
1. Wysoka cena jednostki mocy (VA)
2. Wysoka cena jednostkowa zasilacza
3. Ograniczona możliwość optymalizacji dostarczanej mocy (mały asortyment mocy)
4. Brak skalowalności (system zamknięty)
5. Konieczność stosowania wydzielonej instalacji elektrycznej (koszty instalacji, jej zabezpieczenia przed zastosowaniem do innych celów, oznakowanie, elementy zabezpieczenia – bezpieczniki, by-pass, wyłącznik ppoż.)
6. Koszt wydzielonego pomieszczenia lub powierzchni (koszt klimatyzacji)
7. Ograniczona możliwości optymalizacji czasu pracy (praca ciągła ze względu na brak informacji o aktualnie pracujących stanowiskach komputerowych i ograniczony dostęp do UPS’a)
8. Duży koszt energii (ograniczona sprawność i ciągły czas pracy)
9. Stosunkowo małe bezpieczeństwo (uszkodzenie zasilacza powoduje niesprawność całej sieci komputerowej i utrata efektów pracy wszystkich użytkowników)
10. Koszty konserwacji (czyszczenie wentylatorów przez wykwalifikowany personel serwisowy)
11. Duże koszty serwisu (np. wymiana jednoczesna wszystkich akumulatorów przez ekipę serwisową u użytkownika)
12. Głośna praca (szum wentylatorów)


idea zasilacza ups

Topologie zasilaczy UPS
Architektury UPS nazywa się od początku 2000 r. topologiami. IEC 62040-3 definiuje 3, podobnie jak i EN 50091-3:
• Double Conversion - 62040-3.2.16, UPS z podwójnym przetwarzaniem energii;
• Line Interactive - 62040-3.2.18, UPS o działaniu wzajemnym;
• Passive Standby - 62040-3.2.20, UPS z bierną rezerwą

„ Dobór zasilacza ups”


Wydatki na zasilanie nie kończą się na instalacji. Stale trzeba płacić za zużywaną energię elektryczną i pracę personelu obsługi. Koszt zużywanej energii zależy od sprawności UPS: wyższa sprawność - niższe zużycie energii. Z kolei sprawność zasilacza zależy od jego własności, takich jak zdolność przystosowania się do zmiennych obciążeń i do obciążeń niewielkich lub częściowych. Ponadto zależy ona od fluktuacji napięcia wyjściowego. Wpływ architektury zasilacza na koszty eksploatacji jest szczególnie widoczny w sieciach z większą liczbą urządzeń, na przykład 500. Potrzebna moc pozorna przekroczy tu 130 tys. VA i przy niskiej sprawności UPSa można tracić miesięcznie sporo pieniędzy... Osobną uwagę poświęca się wyborowi konfiguracji sieci zasilania. Wybór jest niewielki, ale trudny - centralna lub rozproszona. Nie wyklucza się jednak konfiguracji pośredniej, mieszanej. Podstawowymi kryteriami są koszty konfiguracji oraz topologia sieci. Na koszty składają się wydatki na zasilacze i - w konfiguracji centralnej - na okablowanie zasilania. Dalsze kryteria wynikają pośrednio z polityki bezpieczeństwa prowadzonej przez przedsiębiorstwa oraz z przyjętego planu składowania i archiwizacji danych. Wpływają one także na wartość kosztów zasilania nadmiarowego. Pozostaje jeszcze kwestia podstawowa:, co ochraniać zasilaczami UPS? Ochrania się przede wszystkim cenne dane, urządzenia spełniające ważne funkcje i wartościowe urządzenia sieciowe, wyjąwszy drukarki laserowe. Ochrona wszystkich urządzeń sieciowych, oprócz wspomnianych drukarek, należy do rzadkości. Przy pełnej ochronie urządzeń utrata danych jest wprawdzie mało prawdopodobna, ale praktyka wykazała niejednokrotnie, że w wielu lokalnych topologiach wystarcza ochrona minimalna, obejmująca serwery i urządzenia składowania plików. Dane z lokalnie uruchamianej aplikacji zostaną zapewne utracone w razie awarii zasilania, ale struktura plików serwera pozostanie nienaruszona. Ponadto systemy zarządzania zasobami sieciowymi i aplikacje stają się coraz odporniejsze na zakłócenia. Po wytypowaniu urządzeń do ochrony zasilaczami UPS dodaje się ich moce pozorne, a następnie otrzymaną sumę, wyrażoną w VA lub kVA, przemnaża się przez współczynnik jednoczesności 0,7-0,8. Wynik iloczynu określa moc pozorną, jaką musi dostarczyć dedykowana sieć elektryczna bez uwzględnienia rozwoju sieci informatycznej. Sprawność UPS jest ilorazem wyjściowej i wejściowej mocy czynnej, przemnożonym przez 100%. Prąd wyjściowy gorszych zasilaczy jest silnie odkształcony, wskutek czego wyjściowa moc czynna może zostać obarczona dużym błędem i zawyżyć sprawność zasilacza. Moc czynna prądu odkształconego jest równa sumie mocy czynnych kolejnych harmonicznych, łącznie z zerową, i dlatego amperomierz prądu sinusoidalnie zmiennego wpięty w obwód wyjściowy takiego zasilacza wskaże wyższe natężenie prądu
„Konfiguracja centralna”


Konfiguracja centralna dominuje zwykle w sieciach z dużą liczbą stacji i urządzeń. Wszystkie jej węzły i serwery zasila jeden UPS w technologii true on-line. Wybiera się zasilacz o najwyższym czasie między awariami i o wysokiej sprawności. Do zalet konfiguracji centralnej należy bezproblemowe uziemienie systemu, niższy koszt wymiany baterii i łatwiejszy serwis, czasami tańszy. Wady są dwie: duża zależność od terenu oraz trudny do określenia koszt dodatkowego okablowania - w łagodnych warunkach instalacyjnych wynosi on ok. 15-18% kosztu zasilacza. Niejednokrotnie trudny i rozległy teren neutralizuje zalety tej konfiguracji, a nawet ją dyskwalifikuje. Decydując się na tę konfigurację trzeba też mieć na uwadze, że jeden zasilacz zapewnia wszystkim urządzeniom taki sam czas autonomii. Ponadto każda awaria zasilacza lub zwarcie powodują niekontrolowane wyłączenie całego systemu. Wysoką wartość mocy można uzyskać z jednego zasilacza lub z kilku, przystosowanych do pracy równoległej. Niektóre zasilacze mogą współdzielić obciążenie bez potrzeby wspierania ich pracy specjalnym okablowaniem, wykorzystywanym tradycyjnie do wymiany informacji o wartości i znaku zmiany prądu wyjściowego. Wybierając ten typ urządzeń unika się plątaniny przewodów. Skalowalność sieci z centralnym zasilaniem może nastręczyć sporo kłopotów. Konfiguracja scentralizowana zawsze wiąże się z wydatkami na okablowanie zasilania, często względnie wysokimi. Jeśli zakłada się skalowalność sieci, to instalacja elektryczna musi być od razu przystosowana do przyszłych warunków sieciowych, których się jeszcze nie zna. Jeśli natomiast sieć nie rozwinie się do zaplanowanej postaci, to koszt okablowania ponad wartość nominalną trzeba wliczyć do strat. Kiedy przewidywany rozwój sieci będzie wyższy od zaplanowanego, wtedy trzeba z reguły zdecentralizować konfigurację, gdyż zmiana instalacji jest kosztowna.


„Konfiguracja rozproszona”

W tej konfiguracji każdy węzeł sieci ma swój własny zasilacz, często w technologii line interactive lub off-line. Jest ona preferowana dla sieci z niewielką liczbą stacji i punktów odległych. W tych obszarach zastosowań jest ona bezkonkurencyjna. Konfiguracja rozproszona nie wymaga żadnego dodatkowego okablowania, wobec czego jest bardzo często rozszerzana na struktury z dużą liczbą urządzeń. Ale ma też poważną wadę. Jest nią możliwość wystąpienia różnicy potencjałów między urządzeniami. Niekiedy jedynym sposobem wyeliminowania skutków niepożądanych różnic potencjałów jest zastosowanie droższego łącza światłowodowego w miejsce miedzianego. Ponadto ze wzrostem liczby zasilaczy rośnie ryzyko awarii i zwiększa się częstotliwość wymiany baterii
„ Konfiguracja mieszana”
Główną korzyścią tej konfiguracji są niższe wydatki na okablowanie elektryczne. Centralizuje się zwykle od 50 do 70% stacji, a dla pozostałych, zwłaszcza najbardziej oddalonych, przeznacza się oddzielne zasilacze. Największe punkty sieci będą zasilane z UPS true on-line, a pozostałe zostaną wyposażone w zasilacze on-line lub line interactive.


„Oprogramowanie zasilania”

Odkąd zasilacze UPS są aktywnymi węzłami sieci informatycznych, o ich ostatecznym wyborze decyduje zdolność integrowania się z systemami zarządzania zasobami sieciowymi. W tych okolicznościach rola oprogramowania staje się coraz większa. Wzbogaca ono usługi zasilaczy. Administrator może poznać historię uszkodzeń i naturę alarmów. Może ustalać priorytety funkcji i wartości parametrów, takich jak czasów funkcjonowania na bateriach przed oraz po zamknięciu plików, aplikacji i systemu operacyjnego, czasu dla grupy serwerów czy oddzielnie dla serwera, stacji i drukarki, a nawet zaplanować wyłączenia systemu na święta lub inne dni wolne od pracy. Do ważnych zadań zalicza się też należyte gospodarowanie bateriami akumulatorów, zwłaszcza w większych sieciach, gdzie pewna część serwerów utrzymuje łączność przez 24 godziny na dobę. W krytycznych warunkach energetycznych trzeba przystąpić do bezpiecznego zamykania aplikacji i systemu operacyjnego mniej ważnych serwerów, a następnie do odłączania ich - w trosce o baterie - od sieci zasilającej. Oprogramowanie ochronne umożliwia pełne zoptymalizowanie tych funkcji. Zasilania nie ominęło zawiadywanie z udziałem technologii Web. Dostęp do określonych danych obywa się albo za pośrednictwem HTTP i przeglądarki webowej, albo też HTTP i specjalnego oprogramowania instalowanego na wszystkich urządzeniach objętych monitorowaniem zasilania i na serwerze WWW. W pierwszej koncepcji system zbierania i magazynowania informacji nadal opiera się na SNMP, w drugiej nie. O wyborze oprogramowania decyduje nie tylko jego jakość, ale również polityka bezpieczeństwa, jaką musi prowadzić instytucja.