1.1 UPS typu VFD
Najprostszym rozwiązaniem jest zasilacz typu VFD. W trybie normalnej pracy – gdy napięcie zasilania utrzymuje się w granicach tolerancji odbiory zasilane są bezpośrednio z sieci, przy czym jej parametry są cały czas kontrolowane. Jeśli wystąpi zanik napięcia sieciowego lub też jego wartość wyjdzie poza granice tolerancji urządzenia, to wówczas odbiory zasilane będą energią pobieraną z akumulatorów. Zasilacze typu VFD charakteryzują się zwartą budową, niewielką masą, niewielkimi wymiarami, wysoką sprawnością i niską ceną. Jednak brak separacji odbiorów od zakłóceń napięcia sieciowego, regulacji napięcia wyjściowego jak również jego częstotliwości podczas normalnej pracy, krótkotrwała przerwa w zasilaniu czy brak filtracji wyższych harmonicznych stanowią poważne ograniczenie w ich stosowaniu w praktyce, szczególnie w przypadku aplikacji o dużej mocy.
1.2 UPS typu VFI
Urządzenia wykonane w topologii VFI zwane często UPS’ami typu online dokonują podwójnej konwersji energii. Najpierw wejściowy prąd zmienny (a w zasadzie przemienny) (AC) wraz ze wszystkimi jego zniekształceniami i innymi anomaliami przekształcany jest w prąd stały (DC), a następnie prąd stały przekształcany jest z powrotem w zmienny, który podlega precyzyjnej stabilizacji. Gdy sygnał wejściowy wykracza poza tolerancję, zasilacz UPS pobiera energię z akumulatorów. W wielu konstrukcjach tego typu czas przejścia między zasilaniem z sieci, a zasilaniem akumulatorowym trwa kilka milisekund, jednak dzięki zastosowaniu kondensatora w stopniu pośredniczącym prądu stałego napięcie na wyjściu zasilacza pozostaje niezmienione. UPS’y tego typu charakteryzują się sprawnością w zakresie od 85 do 94-96%, a ponieważ w trybie normalnej pracy elementy zasilacza bez przerwy przetwarzają całą moc pobieraną przez zasilane urządzenia przyczynia się to do znacznych strat energii.
1.3 UPS typu VI
Zasilacz UPS o topologii VI zwanej również line interactive kondycjonuje i stabilizuje parametry sieci zasilającej, wykorzystując na ogół pojedynczy przetwornik energii. Układ regulacji sprawia, że wartość skuteczna napięcia wyjściowego ma wartość praktycznie stałą, o częstotliwości zsynchronizowanej z siecią. W przypadku gdy napięcie na wejściu UPS’a wykracza poza dopuszczalny zakres tolerancji, falownik zasila wyjście zmiennoprądowe energią zgromadzoną np. w akumulatorach. W przypadku silnych wahań lub zniekształceń napięcia wejściowego UPS typu VI na ogół częściej korzysta z energii zgromadzonej w zasobniku, co przy stosowaniu akumulatorów chemicznych może przyczynić się do ich szybszego zużycia. Urządzenia tego typu charakteryzują się wysoką sprawnością i niezawodnością. Istnieje kilka wariantów zasilaczy bezprzerwowych zbudowanych w oparciu o właściwości topologii VI do których należą zasilacze UPS typu standby-ferro, DELTA, UPS’y dynamiczne (pokrótce omówione już wcześniej) i tak zwane UPS’y kinetyczne.
1.3.1 UPS typu standby-ferro
Konstrukcja zasilaczy UPS typu standby-ferro oparta jest o specjalny transformator działający na zasadzie ferrorezonansu z trzema uzwojeniami. Zapewnia on separację od przebiegów przejściowych prądu zmiennego, jednak generuje poważne zniekształcenia i przebiegi nieustalone napięcia wyjściowego. Do wad tego rozwiązania należy zaliczyć także wysokie straty cieplne, znaczną masę i gabaryty. Charakteryzuje się ono także niestabilnością w przypadku współpracy z zespołami prądotwórczymi i zasilaniu nowoczesnych komputerów, które korzystają z zasilaczy z korekcją współczynnika mocy. Natomiast atutami tej konstrukcji jest duża niezawodność i doskonałe filtrowanie.
1.3.2 UPS typu DELTA
W porównaniu do urządzeń VFI wykorzystujących podwójną konwersję energii, UPS typu DELTA charakteryzuje się większą sprawnością uzyskaną poprzez obniżenie strat transformacji i wysoką jakość energii dzięki utrzymaniu stałej wartości skutecznej napięcia wyjściowego oraz obniżenie zawartości wyższych harmonicznych. Urządzenie jest wyposażone w dwa przekształtniki przyłączone do jednego magazynu energii. Przekształtnik pierwszy typu DELTA ma moc znamionową wynoszącą około 20% mocy znamionowej urządzenia i jest połączony z transformatorem włączonym szeregowo pomiędzy wejściem a wyjściem UPS’a. Przekształtnik typu DELTA jest źródłem napięcia różnicowego, które powstaje w uzwojeniu pierwotnym transformatora, niwelując różnicę napięć pomiędzy napięciem na wyjściu i wejściu zasilacza. Dodatkowo koryguje on współczynnik mocy utrzymując jego wartości bliską jedności. Przekształtnik główny ma moc znamionową równą mocy zasilacza. W normalnych warunkach pracy, gdy napięcie zasilania jest równe napięciu znamionowemu, a obciążenie ma charakter rezystancyjny to wartość skuteczna napięcia uzwojenia pierwotnego transformatora szeregowego jest równa zeru. Przekształtnik DELTA oraz przekształtnik główny nie są obciążone, a całkowita moc przepływa bezpośrednio z sieci do odbiorników. Przy obciążeniu reaktancyjnym oraz prądach odkształconych falownik koryguje współczynnik mocy oraz odfiltrowuje wyższe harmoniczne.
1.3.3 UPS dynamiczny
Wspomniane w poprzednich artykułach tego cyklu urządzenia nazywane potocznie UPS’ami dynamicznymi (określenie to związane jest bezpośrednio ze sposobem wytwarzania napięcia – za pomocą maszyn elektrycznych, w odróżnieniu do zasilaczy statycznych, które wytwarzają przebiegi przemienne za pomocą przetwornic częstotliwości – falowników), również bazują na topologii VI. W większości przypadków oprócz elektromechanicznego magazynu energii i maszyny elektrycznej typu silnik/prądnica – pełniącej także rolę kompensatora synchronicznego, integralną częścią tego typu zasilacza jest silnik spalinowy. UPS’y dynamiczne w zależności od konstrukcji wykorzystują zasobnik energii (flywheel), który wiruje z prędkością synchroniczną bądź też jest niezależną maszynę asynchroniczną.
1.3.4 UPS z synchroniczną maszyną silnik/prądnica w torze głównym zasilania
Urządzenie to jest rozwiązaniem pośrednim pomiędzy klasycznym zasilaczem typu VI a UPS’em dynamicznym. Zastosowanie w torze głównym synchronicznej maszyny typu silnik/prądnica skutkuje uzyskaniem wysokiej jakości energii elektrycznej na wyjściu i izolacją galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem.
1.3.5 UPS kinetyczny
Zasilacz zwany kinetycznym jest kolejną ewolucją omówionych wcześniej UPS’ów dynamicznych, z tym, że w rozwiązaniu tym zrezygnowano z synchronicznej maszyny typu silnik/prądnica, a elektromechaniczny zasobnik energii jest samodzielną trójfazową, asynchroniczną maszyną elektryczną, której wirnik wiruje z dużą prędkością w próżni technicznej. Charakteryzuje się niewielkimi gabarytami, wysoką sprawnością, mniejszą liczbą ruchomych elementów, wysoką niezawodnością, łatwością obsługi i pełną współpracą z zespołem prądotwórczym.
Dla zainteresowanych:
- Systems Data Sheet „UPS Types and Topologies”, CATERPILLAR® 2010
- J. Bilich „Delta Przetwarzanie Online UPS – zasada działania”
- N. Rasmussen, White Paper 1 „Różne typy zasilaczy UPS”, APC 2004
- J. Samstad, M. Hoff, White Paper 79 „Porównanie parametrów technicznych zasilaczy UPS on-line i zasilaczy o topologii line interactive”, APC 2004
Jak już nas Pan przyzwyczaił, profesjonalnie, przemyślanie i ciekawie. Witamy z powrotem Panie Wiktorze