Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. Разбрах

Новини Технологии и концепции
бр. 7, 2011

Непрекъсваемите захранвания (UPS) – една необходима защита

от , 15 юли 2011 0 22107 прочитания,

Проблемите с електричеството са една от основните причини за принудителното бездействие на сървъри и персонални компютри, така че си струва да се помисли и за този тип защита
Денислав Славчев
В нашата съвременна епоха, животът ни би бил немислим без електрическата енергия, защото  почти всяка дейност е обвързана пряко или косвено с нея. Последствията от прекъсването на електрозахранването може да варират в много широки граници, и ако за бита се свеждат основно до причиняване на известен дискомфорт, то за индустрията те могат да се измерват с доста големи суми пари,  с екологични катастрофи и човешки загуби.  Това е причината да се отрежда толкова важно място на  непрекъсваемите захранващи устройства, известни с абревиатурата си UPS  (Uninterruptible Power Supply).  
Ролята на UPS устройството е да позволи работа за кратък интервал от време на захранваното оборудване  при прекъсване на централното електрозахранване. Може би сте шокирани от израза „за кратък интервал от време“, но тази фраза не трябва да ви стряска. Все пак UPS устройствата са източници на непрекъсваемо захранване, а не резервни захранващи източници, каквито например се явяват дизеловите агрегати.  UPS захранванията са „интелигентни“ устройства, които следят параметрите на захранващото напрежение и при излизането им извън стандартно определените  граници, както и при пропадане или прекъсване на подаваното напрежение, автоматично се превключват на захранване от акумулатори.  Мощността на UPS устройствата варира от десетки  ватове, до над 1000 KW. за някои промишлени образци .  
Проблеми с качеството на електрозахранването 
За да функционира правилно, на всички електрически консуматори, захранването трябва да отговаря на определени изисквания. Тези стандартни изисквания са заложени при конструирането на всякакъв тип електроуреди, електрооборудване, промишлени машини и пр.  и неспазването им може да доведе до излизане от строя на съответното електронно устройство, а това може да причини в някои случаи огромни щети. Не е тайна, че качеството на доставяната у нас електроенергия, е много често обект на критики и те не са лишени от смисъл. Причините за това са много и са както обективни, така и субективни: амортизирало оборудване;  претоварвания в мрежата; човешки грешки; въздействие на различни консуматори върху мрежата при включване и изключване; прекъсване на кабели и проводници при стихийни бедствия; удари от мълнии върху елементи от мрежата;  кражби на проводници и кабели.  Всички тези фактори влияят на качеството на доставяното електрозахранване и се изявяват като:  
Прекъсване или пълна загуба на електрозахранването, което води до прекъсване  на работата на ел. оборудването
Понижено напрежение. По-ниско захранващо напрежение от нормалното, за по-дълъг период от време, което води до неправилен режим на работа на някои консуматори на електроенергия (например прегряване на ел.двигателите). 
Повишено напрежение. По-високо напрежение от нормалното за по-дълъг период от време, което обикновено води до  повреда в електро оборудването.
Кратковременно пропадане на напрежението. Мигновени прекъсвания на захранващото напрежение, които могат да доведат до аномалии в работата на ел. уредите, като загуба на данни . 
Кратковременни пикове в напрежението. Мигновени нараствания на напрежението до многократно по-високи стойности от допустимото, които често водят до повреда на захранваното оборудване, както и непредсказуема работа на електро оборудването. 
Флуктоация на честотата. Колебания на честотата на захранващото напрежение около номиналната стойност, което води до неточна работа на някои времезадаващи схеми.
Хармонични изкривявания. Множество кратни честоти  на основната в сигнала на напрежението, които водят до промяна на синусоидалната му форма, а оттам и до загряване на проводниците.    
Шум и смущения. Паразитни смущения, предизвикващи изкривявания на формата на сигнала на захранващото напрежение и в резултат получаване на елекромагнитна интерференция. 
Не винаги щетите от това, че захранващото напрежение не отговаря на стандартното са очевидни от пръв поглед. Но независимо от това, при такава ситуация оборудването се претоварва и ако не излезе от строя, то се съкращава работният му ресурс. В други случаи това води до загуба на информация,  нарушаване технологията на производство и излизане напълно от строя на  скъпо струващо оборудване. За да бъде защитено електрооборудването са създадени множество защитни устройства, като филтри, стабилизатори, разредни устройства , както и разглежданите UPS устройства. 

Видове непрекъсваеми захранвания      
UPS устройствата са базирани на различна схомотехника, като започнем от най-елементарната включваща акумулатори и инвертор изработващ правоъгълно изходно напрежение, до скъпи централизирани системи с мощности надхвърлящи 100KW и генериращи изключително качествено захранващо синусоидално напрежение. За разграничаване на различните UPS устройства и тяхното квалифициране се е погрижил   отдавана известния стандарт EN50091 на ЕС за непрекъсваемите токозахранващи устройства (и все още широко използван от производителите), според който UPS-ите се делят на три основни групи. 
 Резервни (Off-Line или Stand-by) UPS устройства  
 Линейно интерактивни  (Line-interactive) UPS устройствата
 On-line UPS устройства. Познати още като UPS устройства с двойно преобразуване (Double Conversion)
Off-Line UPS устройства 
Още известни и като Stand-by или „резервни“, тези UPS устройства подават захранване директно от електрозахранващата мрежа (след като мине през филтър), докато не възникне аварийна ситуация, след която се включва инверторът и напрежението започва да се подава от вградената батерия.  Тяхната конструкция е  възможно най-проста и устройствата са евтини.  Предназначени са предимно за защита на отделни неголеми сървъри, работни станции и РС-та, формиращи товар до 500 VA  и не се препоръчват за захранване на телефонни централи в офисите.  При работа на батерии към подаваното от тези системи напрежение няма изискване за стабилизация и синусоидална форма, което не ги отличава с особена стабилност, но в повечето случаи тя е достатъчна за безпроблемното изпълнение на базовите функции.
 
Тази група UPS устройства страдат от два основни недостатъка.  Първият  е времето за превключване на акумулаторно захранване, което е в рамките на 5-10 mS.  Толкова голямо време за превключване не се препоръчва за чувствително оборудване.  Другият недостатък е свързан с не синусоидалната форма на изходното напрежение, поради което е забранено използването на каквито и да е  мрежови филтри след него.
Линейно-интерактивни UPS (Line-Interactive)
Линейно интерактивните UPS устройства са следващата стъпка в еволюцията. Те  служат предимно за неутрализиране на отклоненията в подаваното напрежение. На пазара тези машини се срещат още с обозначения като Single Conversion, Parallel on-line, Delta conversion и др.  За разлика от Off-Line устройствата, линейно интерактивните имат повече развити възможности, като филтриране  и наличие на доста по-ниски флуктоации на захранващото напрежение. Формата на изходното напрежение е доста по-близка до синусоида. Този тип устройства имат развита система за следене и контрол, като в класните модели е наличен и  допълнителен автотрансформатор и схема за регулиране на изходното напрежение.  Недостатъците им се коренят в голямата им прилика до Off- Line моделите, а именно във необходимо време за превключване. Все пак, тук то е редуцирано до 1-5 mS, а за разлика от Off- Line моделите, линейно интерактивните осигуряват много ефективно  филтриране на мрежовото захранване, както и схема за  следене и отстраняване на  пиковите нараствания или пропадания на напрежението. По този начин се елиминира един от недостатъците на Off-line, а именно нерегламентираните превключвания  при мигновени пикове или пропадания на напрежението в захранващата мрежа.  
При нормален режим на работа на Line-Interactive UPS устройствата, инвертора зарежда акумулаторните батериите, като по този начин при задействане на UPS-а имаме реверсиране на посоката на захранване. Това осигурява по-добър контрол и по-стабилни параметри на захранващото напрежение. Те са отлично решение за работа с чувствителна техника и критични приложения при условие, че максималното натоварване не превишава 2 kVA. Времето им за реакция при сривове е доста добро, цената малко по-висока,  а продължителността на автономната работа от 5 до 20 мин. 
On-Line UPS устройства 
Използващи технологията  на двойно преобразуване, тази група UPS устройства са познати още и с наименованието „активни UPS”  устройства.  UPS-ите с двойно преобразуване  регенерират напрежението постоянно, като изходните напрежение  с е напълно независимо от входното. Подходящи са за натоварване   от 2 kVA нагоре а над 5 кВА друг избор просто няма. Това именно са системите, които с пълно право могат да се наричат “източници на непрекъсваемо захранване”, тъй като могат да стабилизират мрежовото напрежение в непрекъснат режим, да го “изправят” и отново да го инвертират в променливо. Време за превключване от мрежа в захранване на батерии практически няма. Параметрите на изходното променливо напрежение към консуматора, като честота и стабилност на формата, са абсолютно независими от тези на захранващата мрежа., а синусоидалните криви на напрежението са без каквито и да е дефекти.  
Този тип устройства се използват за захранване на критична апаратура в области като телекомуникации, медицина,  центрове за данни, сървъри с бази данни и множество други високо отговорни  индустриални приложения.  
Основен недостатък на този тип устройства е високата им цена и по-ниската ефективност заради двойното преобразуване, както високите разходи за поддръжка. В търсене на решение за увеличаване на КПД, някои компании, като Eaton и HP предлагат хибридни решения, които са нарекли   Double Conversion On demand. По същество този тип устройства имат анализираща система, която следи параметрите на мрежовото напрежение  - т.е. дали те се вписват в предварително зададена рамка. Ако  всичко е наред, тогава устройството работи, като обикновен  Off-Line UPS, като по този начин осигурява много висока ефективност. Ако някой от параметрите излезе от рамката, тогава устройството се превключва в On-Line режим на работа. Тази схема е много гъвкава и осигурява високо КПД.
 
Друг подход за реализация на по-ниски разходи за поддръжка e използването и на част от мрежовото напрежение, заедно с батериите за  захранване на инвертора. При тях зареждащото устройство за батерията е заменено с "делта" преобразовател. Вместо батерията да осигурява цялото подаване на електрическо напрежение, част от него се доставя от източника на променлив ток посредством делта преобразователя. При спиране на електроснабдяването, последният преустановява работата си и UPS-ът започва да оперира като непрекъсваемо токозахранващо устройство от онлайн тип.  

Линейно интерактивните и  онлайн  UPS устройствата позволяват паралелна работа. Именно на този принцип се  постигат огромните централизирани захранващи мощности. 
Освен това разделение на UPS устройствата, съществува и друго на Международната комисия по електротехника (International Electrotechnical Consortium, IEC), която през май 2003 публикува нормативната обективна класификация IEC 62040-3. Този сравнително нов стандарт оценява UPS-ите по 3-степенна схема в зависимост от мрежата, формата на кривата на напрежението и динамичната крива на изходните показания. За зависимостта от мрежите са приети 3 обозначения: 
- независимост от честотата и напрежението (Voltage and Frequency Independence, VFI); 
- независимост от напрежението (Voltage Independence, VI)
- зависимост от напрежението и честотата (Voltage and Frequency Dependence, VFD). 
Въпросните три класа приблизително съответстват на изброените по-горе класически категории - съответно на активните (онлайн), линейно-интерактивните и резервните UPS-и. Останалите компоненти от спецификацията на IEC характеризират формата на входните криви и толерантността на изхода. Към момента в UPS устройствата на пазара се използват и двете класификации.
Освен изброените по-горе основни типове UPS устройства, съществуват и някои по-“екзотични“ решения, които не са така широко разпространени, но е редно да им се отдели малко внимание.
Феро-резонансни непрекъсваеми захранвания
Феро-резонансните устройства работят по същия начин, като Stand-by UPS-е, На изхода си обаче имат включен феро-резонансен трансформатор, който служи за натрупване на енергия в него, като по този начин осигурява добро филтриране на напрежението и практически нулево време на превключване на батерии.  Наличието на този трансформатор осигурява отлично галванично разделяне на входа от изхода. Трансформаторът разполага с три намотки  - една от електрическата мрежа, една от батерийното захранване и трета към товара. 
Динамични UPS  системи.
Познати още като  Rotary UPS, на тези устройства се падат около 4-5% от общите продажби в световен мащаб.  Едно от направленията при разработчиците в областта на UPS-ите е свързано с нуждите от алтернатива на традиционните акумулаторни батерии. Няколко производители вече предлагат непрекъсваеми токозахранващи устройства, където вместо акумулаторни батерии се използва маховик-ротор (Flyweel), натрупващ кинетична енергия.  В отрасъла е широко известна разработката на компанията Pentadyne, с която си сътрудничат много производители на UPS от подобен тип. Част от такава система работи заедно с акумулаторите на обикновен модел UPS.  обаче при много високо КПД на ротора (например КПД на системата Socomec Flywheel VSS+ DC е 99,8%) и малко време за „зареждане” (примерно 5 минути).  Но те имат и два  сериозни недостатъка - струват два пъти повече от традиционните системи и обезпечават много малко време (10-12 сек) за работа при прекъсване на основното захранване. 
Макар че системите с маховик почти нямат нужда от обслужване и се отличават с дълъг жизнен цикъл, при тях е налице голям срок на възвращаемост (до двадесет  години). Обаче има перспективи в тези системи, тъй като те могат да бъдат добавени като допълнение към акумулаторните батерии, на които да се съхрани ресурса по време на краткосрочни пикове в захранването. Също така добра переспектива е и комбинирането им с дизелови генератори. Търсенето на подобни устройства е все още ниско и то е  обяснимо, защото  макар че разработките в областта на алтернативните източници на енергия за UPS (включително маховици и топливни елементи) да продължават, по цена, надеждност и удобство все още нищо не може да замени традиционните акумулатори.
Мощност на UPS устройствата
Всички сте свикнали с мерната единица за мощност ват [W], защото я срещате навсякъде. Но истинското объркване настава, когато прочетете спецификациите на UPS устройствата и там срещнете мерната единица волт-ампер [VA]. Когато се заговори за променлив ток, тогава мощността придобива пълния си израз Wrms=Vrms*Irms*cos(Ф). Както се вижда, тя е произведение на ефективните стойности на напрежението и тока и един нов член, отчитащ фазовото отместване между тока и напрежението (получава се при не чисто активен товар - реактивен), нарича се фактор на мощността.
Както се вижда от израза, факторът на мощността може да приема стойности от 0 до 1, като на практика за различните консуматори варира от 0,5 до 1. Това означава, че при реактивен товар спрямо активен с аналогична мощност протичащият ток може да достигне до два пъти (и повече) по-високи стойности. Именно поради това и заради факта, че консуматорите на UPS устройствата не са чисто активни, изходният инвертор е съобразен със споменатото и изходната мощност се дава като пълна мощност с волт-ампери [VA]. Ако е дадена и ефективната мощност на UPS устройството, много лесно може да се изчисли какъв товар и  какъв фактор на мощността са заложени при конструирането му  –  cos(Ф)=Prms/Pfull. Обикновено повечето UPS устройства са конструирани да могат да захранват консуматори с фактор на мощността cos(Ф)=0,55-0,65.  
Избор на UPS
На пазара има голямо разнообразие от UPS устройства, предлагани много компании.  За жалост изборът на UPS устройство не се свежда само до мощността на товара или до правилото “гледаме да е по-мощен и купуваме”. Първо трябва да си отговорим на някои основни въпроси,  за да изясним, какъв точно UPS ще ни е необходим и да закупим най-ценово ефективното решение.  Цените варират в големи граници в зависимост от типа и характеристиките и растат с геометрична прогресия в зависимост от мощността.  Правилото е UPS устройството да се натоварва с около 70-80% от пълната му мощност, за да работи оптимално. Това е особено важно за On-line моделите, където се гони и по-висока енергийна ефективност, а не е тайна, че именно КПД при тях е най-високо при такова натоварване.
  
За съвременните компютърни системи вече не са валидни старите схващания, че евтин UPS с не синусоидална форма е отлично решение.  Както навсякъде и при тях се променя схемотехниката и с масовото навлизане на Active PFC захранващите блокове за персоналните компютри е  практически невъзможно да работят нормално с различна от синусоидална форма на захранващото напрежение. Някъде се налага удължено време на работа на UPS устройствата, заради удължена процедура на включване на  резервния дизелов генератор. Тогава добре би било да се търсят решения с възможност за добавяне на външни акумулатори. Обикновено времето за автономна работа се избира по правилото – минимум два пъти по-голямо от необходимото. Това гарантира, че при амортизирането на акумулаторите няма да има никакъв проблем.  Почти всички съвременни UPS устройства предлагат допълнителни функции, като  софтуер за следене на параметрите им на локален дисплей или компютър.  
В заключение
Информационните технологии се развиват с невероятна скорост, но електро захранването им, по същество, си остава непроменено. Проблемите с електричеството са една от основните причини за принудителното бездействие на сървъри и персонални компютри, така че си струва да се помисли и за този тип защита. Впишете разходите за това в графата „задължителни", иначе рискувате един ден да се окажете в ситуация, когато най-ценното ви електронно оборудване е в принудителен престой.
Денислав Славчев е отговорен редактор на рубриката “Хардуер” в списание PC World България.  Той  е специалист, с  дългогодишен опит в сферата на компютърния хардуер,  изграждането и поддръжката на компютърни системи и мрежи., а през последните няколко години завежда тестовата лаборатория на списание PC World-България. 

КОМЕНТАРИ ОТ  

Полезни страници
    За нас | Аудитория | Реклама | Контакти | Общи условия | Декларация за поверителност | Политика за бисквитки |
    Действителни собственици на настоящото издание са Иво Георгиев Прокопиев и Теодор Иванов Захов