Непрекъсваеми токозахранвания

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 5, 2011

Функционалност, комуникационни възможности, съобразяване с типа на товара, тестване и поддръжка на UPS устройства

В редица случаи като например телекомуникационни станции, центрове за съхранение на данни, болници, военни обекти, системи за сигурност, производства с непрекъснат цикъл и др., трябва да се осигури непрекъснатост на токозахранването. Добре познатите UPS (Uninterruptible power supply), осигуряващи работата на персоналните компютри за време от няколко минути до един или повече часа, са само една от многото форми на непрекъсваемите захранвания (НЗ). Понастоящем се произвеждат НЗ в изключително широк диапазон от мощности (от под 100 W до над 1 МW) с голямо разнообразие на технически решения.

Тук ще наричаме “непрекъсваемо захранване” всяко устройство, захранващо товара за определено време, след като основното захранване излезе извън зададените параметри и превключващо товара към основното захранване, след като то влезе в норма. Това определение се прилага за всички устройства с постоянно или променливо входно и/или изходно напрежение.

Основни функции на непрекъсваемото захранване

Повечето съвременни НЗ се управляват от един или повече микропроцесора или микроконтролера и имат няколко основни функции:

- НЗ осигуряват допълнително филтриране на смущения (високочестотни и/или нискочестотни) от мрежата към защитаваната апаратура и от защитаваната апаратура към основната мрежа.

- НЗ захранват апаратурата с напрежение със стабилна честота. Дори и честотата на основната мрежа да се променя в доста широки граници, честотата на изходното напрежение на НЗ обикновено е много по-стабилна, защото в НЗ, управлявани от процесори, изходната честота се получава най-често от кварцово стабилизиран генератор.

- НЗ захранват защитаваната апаратура с напрежение с подходяща стойност и форма, когато основното мрежово напрежение е извън определените параметри. Тук се включат както понижаване или повишаване на мрежовото напрежение, така и неговото пропадане (изчезване) за по-къси или по-дълги интервали от време.

Продължителността на захранването на апаратурата от НЗ варира в много широки граници в зависимост от конкретните условия. Някои апаратури изискват захранване със строго синусоидална форма на напрежението (напр. чувствителна измерителна и управляваща апаратура), други може да толерират почти правоъгълно изходно захранващо напрежение (напр. такива, снабдени с импулсни захранващи блокове).

n НЗ предпазват апаратурата от токови удари по мрежата.

- НЗ осигуряват комуникация с персонала, наблюдаващ и/или поддържащ апаратурата, комуникация със защитаваната апаратура, ако тя е способна да поддържа такава, комуникация с други апарати - например с управляващо устройство на дизелгенератор.

- НЗ осигуряват дозареждане и следене на състоянието на буферните акумулаторни батерии (БАК), които осигуряват захранването на апаратурата при отпадане на основното мрежово напрежение. Това може да включва не само измерване и регистриране на напрежението, но и на температурата им, броя на циклите на заряд и разряд, продължителността на експлоатацията и други важни за надеждността им параметри.

Видове НЗ - разнородна класификация и терминология

Обикновено се твърди, че има 3 основни вида НЗ: офлайн (Offline Standby), линейно интерактивни (Line-Interactive) и онлайн с двойно преобразуване (Online Double Conversion). Въпреки че това е може би най-разпространената класификация в момента, по-детайлното разглеждане на проблема показва значително разнообразие.

Класификацията е често противоречива, а терминологията в областта е нестабилна. Понякога едно по-сложно НЗ може да попада в няколко класификационни класа. Освен това, едно по-мощно НЗ може да включва друго много по-маломощно НЗ в себе си и да го използва за вътрешните си функции. За правилната преценка на НЗ трябва да се познава подробното му техническо описание (включително електрическата схема и вграденият софтуер, ако има такъв), което обикновено не се доставя с НЗ.

НЗ може да е изградено от обикновен буферен акумулатор с напрежение от 6 до 48 V, зарядно устройство и инвертор (преобразувател на постоянен ток в променлив), или да представлява цял комплекс, разположен в една или няколко зали, с отделни помещения за акумулаторни батерии (battery rooms) и дизелгенератори, както и с център за управление. В един сложен НЗ-комплекс могат да се съчетават две или повече основни схеми на НЗ. Трябва да се отбележи, че много от функциите на НЗ могат да се изпълняват ръчно или автоматично и това води до значително разнообразие на реализациите както като блокова схема, така и като практическо изпълнение.

Част от НЗ и особено тези с мощности над няколко kW са всъщност многомодулни и многопроцесорни системи със синхронизация и комуникация между отделните модули.

Някои НЗ са “с излишък” както на основни захранващи модули, така и на батерии, дизелгенератори, захранващи и комуникационни системи. Това позволява подмяна на основни модули, батерии и други компоненти при поддръжка или модернизация, без да се засяга общото действие на системата на НЗ.

Превключванията на захранващите вериги в НЗ от основно в буферно захранване могат да са автоматични с електромеханични устройства или изцяло електронни.

НЗ могат да се класифицират и по формата на изходното напрежение. То може да е почти правоъгълно, трапецовидно, трапецовидно с няколко стъпала, близко до синусоидалното с лесно различими стъпала или на практика синусоидално (с незначителни отклонения от идеалната синусоидална форма). Формата на изходното напрежение определя коефициента на нелинейните изкривявания и количеството на генерираните смущения (хармоници) от НЗ и затова е много важен параметър. Наличието на входни и изходни филтри и схеми за коригиране на фактора на мощността на НЗ още повече разнообразява класификацията им.

НЗ могат да използват различни комутационни елементи за получаване на изходното и зарядното напрежение и да се класифицират според тях: с тиристори, с триаци, с биполярни транзистори, с MOS транзистори, с IGBT и др. Непрекъсваемите захранвания могат да са едно- или многофазни в зависимост от защитавания товар.

Офлайн пасивни НЗ (Offline Standby UPS)

Т. нар. офлайн пасивни непрекъсваеми захранвания (ОФНЗ) са може би най-простият тип НЗ. Те предлагат базови функции, осигуряват защита на товара от входни по-високи и по-ниски напрежения, дозареждат батерията и превключват товара към батерията или към мрежовото захранване в зависимост от предварително определени условия.

Блоковата схема на типично ОФНЗ е показана на фигура 1. Входът е свързан с основното захранващо напрежение, което се резервира и с блока за входна филтрация и защита (ВФЗ). Напрежението от изхода на ВФЗ е подадено към ключа К, който превключва блока за изходна филтрация и защита (ИФЗ) или към ВФЗ (когато има нормално мрежово напрежение на входа), или към изхода на инвертора, когато входното напрежение не може да захранва товара. Ключът К обикновено е електромеханичен, но може и да е електронен, в зависимост от конкретното изпълнение. Инверторът е блок, който преобразува постоянното напрежение на батерията в променливо, необходимо за товара. ОФНЗ има вградена буферна акумулаторна батерия и зарядно устройство за нея (ЗУ). Комуникацията с обслужващия персонал се извършва посредством блока за интерфейс и управление. Този блок следи и управлява състоянието на всички останали блокове в РНЗ и ключа К.

При тези НЗ блоковете ВФЗ и ИФЗ обикновено са много прости и недотам ефективни. ОФНЗ в повечето случаи са евтини и се използват за некритични към процеса на превключване товари, тъй като времето за откриване на отклонение на входното напрежение и за превключване на товара може да бъде значително, например 20 - 50 милисекунди.

ОФНЗ обикновено не работят добре с големи реактивни товари като например електродвигатели, филтри със значителни реактивности и др. Те не осигуряват пълна изолация на товара от мрежата. Много високи напрежения или токове не могат да бъдат спрени и могат да преминат и в двете посоки през устройството.

Ферорезонансни НЗ (Ferro-resonant UPS)

Особеност на ферорезонансните НЗ е, че имат вграден ферорезонансен трансформатор или автотрансформатор, който съхранява известно количество енергия и придава необходимата форма на изходното напрежение по време на превключването. Тези НЗ имат повишено тегло, повишена цена и повишена нестабилност, когато към изхода е свързан импулсен захранващ блок с вграден блок за корекция на фактора на мощността на входа. Ето защо те се използват все по-рядко.

Електромеханични НЗ (Rotary UPS)

Електромеханичните НЗ, наричани още ротационни НЗ или НЗ с маховик, използват мотор-генератор и маховик, за да съхранят енергия за определено време (фиг. 2). Изпълнението може да е много различно при различните производители. Тези НЗ се прилагат главно при големи мощности, например от 100 kVA или по-високи. Предимствата им включват: добра ефективност (к. п. д.), способност да доставят висок импулсен ток и пълна изолация на товара от мрежата (особено важно е, когато товарът е нелинеен и генерира значителни хармонични изкривявания). Тези НЗ се нуждаят от периодична подмяна на движещи се части, но независимо от това имат висока надеждност, а времето на подмяна на механичните детайли може да се прогнозира достатъчно точно.

Интерактивни НЗ (Line interactive UPS)

Интерактивните НЗ, наричани още линейно-интерактивни НЗ или НЗ с автотрансформаторна стабилизация на входното напрежение, имат допълнителни функции в сравнение с ОНЗ като по-ефективна филтрация на входното и изходното напрежение и най-важното - следят (измерват) входното напрежение и посредством автотранформатор регулират на стъпки изходното напрежение, така че промените на входа да се отразяват в минимална степен на изхода.

Това понастоящем е много разпространен тип непрекъсваеми захранвания в мощностния диапазон от 0.5 kVA до около 5 kVA. Коефициентът им на полезно действие достига до 90 - 96%.

Онлайн НЗ с двойно преобразуване (Online UPS, Double Conversion UPS)

Т. нар. онлайн непрекъсваеми захранвания с двойно преобразуване (ОННЗ) се използват там, където електрическата изолация между товара и мрежата е важна. ОННЗ (фиг. 3) са по-скъпи, но осигуряват по-ефективна защита с по-добри параметри.

При тези системи изправителят (И), зарядното устройство (ЗУ) и инверторът работят постоянно и захранват както товара, така и акумулаторната батерия. Това води до отделяне на допълнително количество топлина и изисква реализацията на по-добра охлаждаща система на НЗ. В ОННЗ акумулаторните батерии винаги са свързани с инвертора и когато основното напрежение на входа отпадне, те продължават да захранват товара. В този случай изправителят и зарядното устройство просто не работят. ОННЗ управляват през цялото време изходното напрежение и честота, което е предимство.

НЗ с постоянно изходно напрежение

Някои устройства изискват захранване с постоянно напрежение. Ето защо съществува група НЗ, осигуряваща непроменливо изходно напрежение, като изброените по-горе, а постоянно. Тук възможните схеми са многобройни. Важното е да се знае, че на входа напрежението може да е променливо или постоянно, че на изхода напрежението е винаги постоянно, че системата включва поне филтри, зарядно устройство и стабилизатори на изходното напрежение и, разбира се, блок за управление и комуникация. Постоянно захранващо напрежение се използва най-често в комуникационните системи и в центровете за съхранение на данни.

Модулни НЗ "с излишък на капацитет"

Модулните НЗ „с излишък” са съставени от поне 2 идентични модула, всеки от които е достатъчен, за да захрани товара. Вторият модул работи в режим на „горещ резерв” и ако първият се повреди, поема веднага товара, така че няма прекъсване на токозахранването. Също така е възможно двата модула да работят едновременно и всеки един от тях да осигурява половината от товарния ток, който да е по-малък от половината на техния номинален ток. Модулите в една система може да са десетки, а броят на „излишните” резервиращи модули зависи от конкретните изисквания.

Комуникационни възможности на НЗ

Комуникационните възможности на НЗ са изключително важни за ефективната им експлоатация. Те са силно ограничени в по-елементарните модели, където се свеждат до няколко светодиода и бутона. Това понякога води до неефективната им експлоатация и дори до повреждането им в резултат на неправилно функциониране. Така например, за обслужващия персонал е важно да знае какъв е капацитетът на акумулаторните батерии, кога да ги подмени, дали има проникване на вода или замърсявания в НЗ, каква е температурата в НЗ и тази на батериите, кога са провеждани проверки и ремонти, данните от калибрирането и т. н.

По-сложните модели могат да водят ефективен диалог с оператор или с отдалечен център за поддръжка и да влизат в режим на диагностика и самодиагностика. Те често поддържат запис с „историята” на по-важните събития, станали с НЗ, с акумулаторните батерии, както и с достъпа до тях.

Филтри в НЗ

Непрекъсваемите захранвания са снабдени с един или повече филтри с различна сложност, мощност и предназначение. В най-простия случай има поне 2 филтъра. Единият е на входа - за напрежението, постъпващо от мрежата, а другият е на изхода - за напрежението към консуматора. Сложността на филтрите е различна от обикновени резистори и кондензатори, филтриращи само високочестотни смущения до комбинации от резистори, кондензатори, индуктивности, трансформатори и автотрансформатори, филтриращи ефективно много широк спектър от смущения.

Филтрите в НЗ са необходими, защото:

- смущенията от мрежата не бива да влияят както на НЗ, така и на защитаваната апаратура;

- смущенията от захранваната апаратура не бива да проникват в мрежата и в НЗ;

- НЗ не бива да смущава както мрежата, така и захранваната апаратура.

В съвременните НЗ се комутират понякога стотици волта за време от няколко микросекунди. Това води до значителна скорост на нарастване на превключваните напрежения и токове и до много широк спектър на генерираните смущения, който може да надвиши 10 MHz и да причини смущения в приемането на амплитудно модулирани сигнали, а също и в работата на друго чувствително оборудване. Съществуват строги стандарти, регулиращи електромагнитните взаимодействия между апаратурите.

Трябва да се има предвид че почти всички НЗ са импулсни и като такива представляват мощен източник на смущения. Ето защо екранирането, правилната компановка и монтажът на НЗ са важни за намаляването на излъчванията, от една страна, и за намаляване на чувствителността на НЗ откъм приемани смущения, от друга.

Филтрите сами по себе си също са източник на проблеми. Например, наличието на бобини, трансформатори и автотрансформатори в тях ги прави мощен източник и едновременно с това и приемник на смущения и взаимодействащи си електромагнитни полета. Освен това се появяват и резонансни честоти, които са трудно предсказуеми. Също така, през компонентите на филтрите протичат силни токове, което води и до механични вибрации на тези компоненти. Това може да има неприятни последици както за апаратурата, така и за персонала.

Видът на товара е от значение за НЗ

НЗ се проектират за определени видове товар. Работата на НЗ с резистивен товар или с товар с малка реактивна съставка (капацитивна или индуктивна, или променлива между двете, но в тесни граници) не е проблем за НЗ. Проблемите възникват при управление на товар с предимно реактивен и променящ се в широки граници товар. Това са например различните електродвигатели, захранващи блокове с много големи входни кондензатори (които може да са разположени и след изправителния блок); клъстери от компютри, чиито захранвания могат да имат значителна реактивна съставка; климатици; вентилатори; сървъри; сложни филтри за измервателни и тестови установки и т. н. При взаимодействието на тези товари могат да се получат трудно предсказуеми резонанси със значителни моментни пикове на токовете и напреженията, които НЗ трябва да издържи и дори да потисне.

Наличието на товари, които се включват и изключват и особено, ако това е периодично, също може да доведе до проблеми със стабилността в захранваната система и в НЗ. Ето защо във всички случаи на отговорни системи е задължителна консултация със специалисти в областта на НЗ и съобразяване на проекта за инсталиране на системата, защитавана от НЗ.

НЗ според приложението

Всяко НЗ е проектирано за едно или повече приложения, които трябва да са ясно дефинирани и всички приложими стандарти трябва да са цитирани със съпътстващата документация. Валидни сертификати от упълномощени институции трябва също да са приложени при продажбата и монтажа. НЗ за едно приложение (например телекомуникации) може да е неприемливо за друго приложение (медицинска апаратура). Нещо повече - в рамките на една сграда - например медицинско учреждение, спрямо НЗ за операционните зали и НЗ за компютрите в кабинетите на медицинския персонал се предявяват съвсем различни изисквания.

Всичко се износва, всичко се поврежда...

НЗ и особено по-големите системи за НЗ се нуждаят от периодична проверка и поддръжка. Това се отнася с особена сила за батериите, дизелгенераторите и електромеханичните компоненти и подсистеми. Електронните блокове обикновено по-рядко се повреждат и подменят, но и това може да се наложи при извънредни обстоятелства или модернизация. Поддръжката, подмяната, ремонтът, пускането в експлоатация и извеждането от експлоатация на НЗ се уреждат с документи в съответната организация, съобразени със стандартите и законите на страната. Особено внимание трябва да се обърне на батериите и други компоненти, които замърсяват околната среда и може да са опасни за хората.

Охлаждащите вентилатори в НЗ са също обект на периодична проверка, поддръжка или подмяна. С течение на времето те стават все по-шумни, по-бавни и по-неефективни, което може да доведе до влошаване на работните условия както за апаратурата, така и за персонала.

Помещение за акумулаторните батерии

Обикновено, мощните НЗ се захранват от голям брой акумулаторни батерии, разделени на секции, така че изваждането и подмяната на една секция да не променя работата на системата. Акумулаторните батерии се нуждаят от периодична проверка и подмяна, тъй като стареят и капацитетът им намалява.

Батериите се подменят само с такива от същия или съвместим тип. Смесването на различни акумулатори не се допуска, тъй като зарядните устройства са проектирани за определен тип. Капацитетът на батериите може да бъде значителен, защото в някои приложения те трябва да доставят енергия в продължение на часове и дори дни. В повечето случаи батериите трябва да доставят енергия само в продължение на минути, докато сработят дизелгенераторите или газовите турбини, но доставяният ток може да е със сила от порядъка на хиляди ампери.

Обикновено, превключванията между отделните източници на енергия става с автоматични превключватели (ATS - Automatic Transfer Switch). Пo време на тези превключвания товарът се захранва от батериите така, че напрежение за товара да се поддържа в границите на нормалното.

Батериите в акумулаторните помещения са в групи с напрежение обикновено от 48 V, 60 V или дори по-високо, в зависимост от приложението. Тези групи са свързани паралелно и/или последователно за получаване на необходимото напрежение и капацитет на системата. Помещенията трябва да отговарят на определени стандарти за безопасност поради наличието в тях на вредни за здравето газове, опасност от експлозия, пожар, токов удар и др. Температурата, влажността и наличието на определени газове може да се контролира с подходящи ръчни или автоматични прибори. Обикновено НЗ измерва температурата в една или няколко точки в помещението и във всяка група от батерии, за да алармира персонала, ако има отклонения от нормата. Също така, при необходимост, зарядният ток може да се регулира в зависимост от температурата на батериите.

Вентилацията и климатизацията на акумулаторните помещения са от първостепенно значение, тъй като някои батерии отделят опасни газове, които трябва да се отстранят, колкото може по-бързо и безопасно от помещението. Трябва да се отчитат опасностите от корозия и от разливане на електролит. Противопожарните изисквания за тези помещения обикновено са завишени, а достъпът е ограничен и контролиран.

Тестване, калибриране и поддръжка

Тези дейности са важни, защото гарантират стабилността и качеството на непрекъсваемостта на захранването. Превантивното тестване и поддръжка са от първостепенно значение за дългото и безпроблемно експлоатиране на НЗ. Известно е, че проблем в НЗ може да доведе до катастрофа и загуба на човешки живот. Тестването и поддръжката на НЗ се регулира от документи на съответната организация, която експлоатира НЗ и трябва да се съобрази както със закона, така и с производителя на НЗ. Самотестването на НЗ обикновено е автоматично и се извършва на малки интервали от време. Често самотестване и самокалибриране се прави и след всяко стартиране на НЗ. Ръчната проверка може да е веднъж на работна смяна, ежедневна, седмична, месечна, и т. н. в зависимост от условията. Автоматични и ръчно инициирани записи се правят след всяко тестване, калибриране, самокалибриране и поддръжка на НЗ.

Системите за дистанционен мониторинг (Remote Monitoring System) играят ключова роля, когато НЗ се намират на места, където достъпът е затруднен (например необслужваеми електростанции и подстанции, вятърни генератори, ретранслаторни станции, предаватели, системи за сигурност и т. н.). На практика НЗ може да се задейства доста често, например веднъж седмично, което изисква да е в пълна готовност за поемане на товара на системата, докато заработят генераторите.

За високото качество на работата на НЗ е много важно да се поддържа запис за капацитета и подмяната на батериите, тъй като след един опреден момент тяхното напрежение започва бързо да намалява и те може да не издържат пълния товар за очакваното време. Поддръжката обикновено се програмира по време и по процедура и съвременните НЗ могат да предупреждават персонала за наближаващия момент за проверка или за подмяна на захранващ блок, или на отделни акумулатори. Много НЗ могат да представят или да изпратят файл със записаните най-важни събития за определен интервал от време и да подадат звукова и светлинна аларма при опасност.

Съвременните НЗ, включени в локална мрежа, може да предизвикат поетапно изключване на устройства като монитори, компютри, принтери и други, когато се наложи. Някои НЗ могат да изпращат и електронни пощенски съобщения при нужда.

Тестването и поддръжката може да включва и процедури на калибриране и самокалибиране на НЗ, тъй като в процеса на експлоатация параметрите и блоковете на системата може да се променят. Тези дейности също така водят до записване на резултатите от тях, за да се прецени работоспособността на системата и да се прогнозира бъдещото поведение на НЗ. Тестването, поддръжката и калибрирането на НЗ изискват разнообразно допълнително механично, електрическо и електронно оборудване, като се използват и защитни средства за работещия персонал.

Трябва да се отбележи, че тестването на вътрешното съпротивление на акумулаторните батерии е един от най-важните параметри, показващи тяхното състояние и капацитет. Желателно е проверката да се извършва както на ниво отделна батерия, така и на ниво сменяем блок от батерии, тъй като понякога само една батерия от блока може да е дефектна. Това дали ще се смени отделна батерия, целият блок или всички батерии на НЗ е въпрос на процедура на организацията, експлоатираща НЗ.

В заключение

С развитието на технологиите все по-вече апаратури се нуждаят от непрекъсваемо захранване и затова неговата роля ще нараства. Голяма част от съвременното електронно оборудване не може да понесе без проблеми изчезване или значително намаляване на мрежовото напрежение с повече от няколко цикъла (20 - 60 милисекунди), което прави използването на НЗ необходимо. Такива пропадания могат да доведат до трудно откриваеми проблеми, загуба на функционалност и повреди в съвременните апаратури. Изискванията към НЗ се уреждат с нормативни документи, които може да се различават в различните страни и трябва да се консултират преди да се вземе решение за покупката, инсталацията, поддръжката и демонтажа на един или друг вид непрекъсваемо захранване.


Top