Системи за непрекъсваемо токозахранване
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009
Част II. Основни елементи в конструкцията и перспективи пред развитието на UPS
Пазарът на непрекъсваеми токозахранвания предлага голямо разнообразие от марки и модели устройства от водещи до недотам наложили се производители. Пазарното многообразие се формира от UPS-и с различно качество, функционалност и цена. Затова изборът на непрекъсваемо токозахранващо устройство не е елементарна задача. При всички случаи обаче, покупката единствено на база критерия цена е нерационална, особено в областта на индустрията.
С годините непрекъсваемите токозахранвания непрекъснато се усъвършенстват като надеждност и функционалност. Остава непроменено обаче изискването да са лесни за настройка, експлоатация и поддръжка.
Експлоатация на UPS
Основни критерии за избор на UPS са лесната експлоатация и техническо обслужване. Затова е добре да се обърне внимание на средствата на визуализация, с които е оборудвано съоръжението. Най-елементарните технически решения, които се използват за индикация на състоянието на UPS, са светодиодите. Все повече модели се предлагат с дисплеи.
Трудно би могъл да се намери модел непрекъсваемо токозахранване, което да не поддържа функция автотест, чрез която се проверява изправността на вътрешните възли и модули, както и на външната верига, анализира се състоянието на акумулаторната батерия, степента й на разряд, коректността на включване. Обикновено при включване автоматично се стартира процедурата на тест и тя се повтаря през определен период от време, например две седмици. Повечето модели предлагат и възможност за ръчен старт на процедурата за тест. При успешно приключване на теста, токозахранването се връща към нормалния си работен режим. Ако тестът е неуспешен, персоналът по поддръжката бива информиран чрез информация върху дисплея на устройството.
При наличие на интерфейсни куплунзи е възможно да се осъществи мониторинг върху процеса на захранване на оборудването. Установено е, че време на превключване под 4 ms не оказва влияние на консуматорите. За съжаление, при повечето off-line (известни още като stand-by) UPS това време е около 25 ms. Решение на проблема са т.нар. ferro-resonant UPS, които съдържат феро-резонансен трансформатор. Той изпълнява две основни функции - филтрира изходното напрежение и е елемент за натрупване на енергия, необходима за компенсиране на времето за превключване.
Класификация на UPS
Съществуват три основни признака за класификация на непрекъсваемите токозахранващи устройства.
Първият признак включва зависимостта на изходното напрежение на UPS от входното напрежение, т.е. на захранващата мрежа. На базата на този критерий, непрекъсваемите токозахранвания са три основни вида:
Клас VFI (Voltage and Frequency Independent) - напрежението и честотата на изхода на UPS не зависят от входната мрежа.
Клас VI (Voltage Independent) - изходът на UPS зависи от чeстотaта на захранващата мрежа, но напрежението се поддържа в зададени граници чрез пасивно или активно регулиране.
Клас VFD (Voltage and Frequency Dependent) - напрежението и честотата на изходното напрежение зависят от захранващата мрежа.
Вторият критерий за класификацията им се отнася до формата на изходното напрежение на UPS устройствата. Според него, те се определят като:
SS - изходното напрежение е със синусоидална форма с коефициент на нелинейни изкривявания Kни<8% при линеен и нелинеен товар.
XX - изходното напрежение е с несинусоидална форма при нелинеен товар и със синусоидална форма при линеен товар.
YY - изходното напрежение е с несинусоидална форма, независимо от товара.
Третият критерий за класификация на устройствата се отнася до динамичните характеристики на UPS. Целта е да се обезпечи стабилност на изходното напрежение при три типа преходни процеси:
l при прехода от нормален към автономен режим и режим bypass;
l при 100 % изменение на линеен товар в нормален или автономен режим;
l при 100 % изменение на нелинеен товар в нормален или автономен режим.
Структурни блокове на UPS
Мрежовото напрежение се подава на входен филтър (EMI), който потиска високочестотните съставки и пиковете, насложени върху синусоидалното напрежение. Следващ блок от структурата на непрекъсваемите токозахранващи системи е предпазната апаратура, обикновено изпълнена във вид на стопяеми предпазители. След тях веригата се разклонява, напрежение се подава и на вграденото зарядно устройство за акумулаторните батерии. Също така напрежение се подава и към външните акумулаторни батерии. Следващият блок е прекъсвач, който изключва UPS от входната мрежа, ако захранващото го напрежение е извън границите на работния му диапазон. Следва преобразувател на променливо напрежение в постоянно (изправител) и схема за коригиране фактора за мощност (PFC). Тази специална схема позволява привеждането на формата на входния ток в съответствие с формата на входното напрежение. Известно е, че импулсните захранващи източници работят с електрически ток, който се отличава от синусоидалния ток. Поради това монтирането на схема за коригиране фактора на мощност се приема за целесъобразно при някои модели. След нея филтрираното и изгладено напрежение отново се преобразува чрез инвертор (DC/AC) в променливо с честота 50 Hz. Следващ блок от структурата на UPS е синусоидален филтър, след който чрез превключвател се подава на изхода на устройството.
При стойности на напрежението извън номиналните се включва акумулаторната батерия. Токът от нея преминава през предпазител и инвертор (DC/DC). Той е предназначен за повишаване на сравнително ниското напрежение от акумулаторната батерия (12- 72 V или 240 V) до ниво, подходящо за работа на изходния инвертор (DC/AC). В схемата обикновено се включват варистори (вентилни отводи), за защита от високоволтови импулси, имащи атмосферен или комутационен характер. Блокът за изключване от захранващата мрежа се реализира с прекъсвач (контактор), имащ съответните комутационни възможности. Изправителят и коректорът на мощност обикновено са изпълнени със съвременна елементна база и съдържат специализирани интегрални схеми за управление (фиг. 1). Бустърните кондензатори имат значителен капацитет и обезпечават пиковото натоварване на инвертора. Товарните транзистори обикновено са IGBT, гейтовете на които се управляват от специализирани схеми (драйвери) посредством използване на оптрони за развръзка. Формирането на синусоидалното изходното напрежение се осъществява на базата на високочестотен метод. Потискането на нежеланите високочестотни съставки се осъществява във филтри с кондензатори и индуктивности. Добре е да се има предвид, че големите токовете през транзисторите при промишлените модели са със стръмни фронтове и изводите им минават през феритови пръстени или по-сложни филтри.
Акумулаторните батерии
са основен източник на енергия при отпадане на мрежовото напрежение. В повечето съвременни модели непрекъсваеми токозахранващи системи се използват VRLA батерии. Необходимо е да се обърне сериозно внимание на живота им, защото цената на акумулаторната батерия би могла да достигне до една трета от стойността на UPS-а.
Зарядното устройство, използвано най-често от АБ, е импулсно. То осигурява стабилност на зарядния ток в широк диапазон на входното напрежение, който значително превишава работния диапазон на UPS при мрежово захранване. По-големите непрекъсваеми токозахранващи системи разполагат с модул за обмен на данни и изход за връзка с компютър - обикновено RS-232 или RS-485 порт и оптронна развръзка. Софтуерът, с който UPS работи, се доставя от производителя. Почти всички модели, предлагани на пазара, поддържат функцията Battery Guard, която следи състоянието на акумулаторната батерия. Както вече бе споменато, акумулаторната батерия е скъпа част от UPS-а и това е причината по отношение на нея да се залагат най-много тестове и да се осъществява непрекъснат мониторинг.
При смяна на акумулаторната батерия е необходимо да се спазват инструкциите на производителя. Добре е да се има предвид, че моделите до 1000 W са със съединител (куплунг), а моделите с мощности над 1400 W обикновено разполагат с два съединителя. Също така слабото проискряване при свързване на куплунгите е нормално.
Включване в работа на UPS
Операцията по включването на непрекъсваемата токозахранваща система обикновено не е сложна и не изисква висока квалификация на персонала, но следва да се извършва в съответствие с изискванията на производителя. На първо място, следва да се разгледат внимателно изходите на UPS-а. В някои модели мощни устройства, например, се използват специални кабели. При първоначално включване на системата в мрежата е необходимо за определен период, обикновено от 4 до 6 часа, да се заредят батериите му, след което той е готов за работа. Работата в режим на резервно електрозахранване се индикира по определен начин - със светлинна и/или звукова сигнализация.
Процеси, протичащи в кабела
Електрическият кабел на практика представлява "дълга линия". Протичащите в него процеси са сложни и се описват с уравнения от втори порядък с частни производни от нееднороден хиперболичен тип. Те допускат аналитично решение при използване на някои от методите на Дамблер или с ред на Фурие с последващо разделяне на променливите. Смущението в системата е входно за инвертора. Спектралният му състав се изменя в зависимост от честотата на мрежовото напрежение и честотата на комутация (двойна модулация). При повечето консуматори дължината на захранващия кабел е между 30 и 300 m и по отношение на синусоидалното напрежение това не е проблем. Известно е, че проблеми възникват при появата на високочестотни спектрални съставящи, а те са неизбежни при работа в импулсен режим на изходните транзистори. Както вече бе споменато, този режим е най-икономичен (с най-висок КПД). При него върху изходните транзистори се отделя най-малко топлина, но те работят върху индуктивен товар и трябва да имат достатъчен запас от ток и напрежение. В действителност, за работа в импулсен режим всички електронни елементи трябва да са специално конструирани. Високочестотните спектрални съставящи започват с "омега комутация" минус "омега задание" и дължината на вълната би могла да стане съизмерима с дължината на самата линия. При подобен режим на работа е възможна ситуация, при която честотата на комутация и n- ти хармоник или някои други кратни честоти да съвпаднат. Следователно, те се наслагват, появяват се резки пикове в изходното напрежение и ако UPS работи с електродвигател, е възможен пробив на изолацията му. Обикновено външни признаци на случващото се няма, тъй като въпреки пулсациите средният момент на електродвигателя не се променя. Той се определя от амплитудата на основния хармоник. В модерните непрекъсваеми токозахранвания описаният ефект се избягва, като в софтуера му към общия модел се добавят и параметрите на кабела.
Перспективи пред развитието на UPS
Производителите на UPS инвестират в разработването на нови модели устройства. Усилено се работи и по програмното им обезпечаване. Сериозни средства се влагат в т.нар. оn-line UPS, тъй като редица специалисти ги определят като най-перспективни. Съществуват доста проблеми с байпас решенията. Напоследък се налага и технологията на векторното управление, чрез която се оптимизира производителността и се обезпечава по-голяма надеждност при подаване на променлив ток. Всички съвременни UPS не само обезпечават непрекъснато електрозахранване, но и регулират товара на входа, така че крайният потребител да получи т.нар. "чист синусоидален ток" (THDI<3% и THDU<2%). Също така се използва и активен филтър, благодарение на който КПД е равен или по-висок от 96% (в момента водеща фирма е достигнала 98%). Усилено се работи по проблема с генериране на хармоници от UPS (ако те са под 3%, не е нужно поставяне на входен филтър). Напоследък все по-широко се използват технологиите SineWavе за намаляване нивото на хармониците и IGBT Sixpack за плавен старт и последователен пуск при паралелни конфигурации. Водеща компания е разработила и внедрила 750 kW UPS, изграден от 8 паралелни модула. За още по-голяма надеждност на резервното електрозахранване се използва комбинацията UPS и дизелгенератор, даваща възможност за работа 24 часа, 7 дни в седмицата.
Изграждат се на модулен принцип
Представителите на моделите от ново поколение поддържат непрекъснат архив на над 3000 събития. Съвременните UPS работят с индуктивен и капацитивен товар и захранват нелинейни товари. За галванично развързване се използват входно–изходни изолиращи трансформатори. Използват се и технологиите Total Harmonic Management и Power Factor Corrected. Както бе подчертано, моделите UPS от ново поколение поддържат функция за непрекъснат мониторинг състоянието на акумулаторната батерия, осигуряваща допълнително анализ на товара, индикация на околната температура, защита от дълбок разряд, ограничаване на зарядния ток, автотест и др.
Свръхмощните UPS се изграждат на модулен принцип, като в зависимост от текущата мощност автоматично се включва само необходимият брой блокове. Усилено се работи и по решаване на проблема с пиковото натоварване на UPS, което е от особено важно значение при захранването на електродвигатели. Известно е, че пусковият ток на един електродвигател е от 4 до 9 пъти по-голям от номиналния ток. Изискванията към промишлените UPS са много големи и когато се налага да захранват разнородни консуматори, например електродвигатели и електроника. Първоначално т.нар. диалогов режим бе използван само за свръхмощните UPS, но в момента тази опция намира все по-масово приложение и за по-маломощните. В заключение би могло да се подчертае, че инвестиционен приоритет на производителите е и разработването на нови акумулаторни батерии. Целта е да се намалят габаритните размери и да се повиши мощността на цялото изделие, както и да се постигне намаляване на цената. Разработени са образци, които са с няколко независими изходни напрежения, например 3х220/380 V и 3х 380/660V. Използват се индивидуални и групови UPS.
Уважаеми читатели, очакваме допълненията и коментарите ви за статията.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 5/2024
