Záložní zdroj (UPS ) je zdroj , který má alespoň dva vstupy z primárních zdrojů proudu a jeden nebo více výstupů, který zajišťuje přenos výkonu zátěže z jednoho zdroje na druhý pro nepřetržité napájení spotřebičů v případě výpadku napájení. výpadek proudu nebo zhoršení kvality elektrické energie na vstupu z primárního zdroje [1] . Pojem nepřerušitelné napájení se používá ve vztahu jak k systémům nepřerušitelného napájení, tak k jednotlivým zařízením včetně vestavěných [2] :128 .
Jednotky nepřerušitelného napájení spolu s bateriemi zabudovanými do zařízení jsou autonomními zdroji, ale na rozdíl od nich nejsou konstrukčně kombinovány se spotřebitelem. Autonomie je určena přítomností zdroje energie, který není připojen k obecnému energetickému systému. [3]
Kvalita elektrické energie je standardizována pro univerzální napájecí systém. [4] :20 Určité skupiny spotřebitelů mají zvláštní požadavky na výživu [4] :17 . Všechny skupiny spotřebitelů lze rozdělit podle principu stanovení doby trvání přípustného přerušení napájení: elektromagnetická setrvačnost (doba tlumení elektromagnetických procesů); setrvačnost technologických toků; setrvačnosti technologického zařízení. Jediný způsob, jak zajistit stabilní provoz první skupiny, je napájet systémy nebo zdroje nepřerušitelného napájení [5] :233 .
Zdroje nepřerušitelného napájení lze použít k odstranění přerušení, propadů špiček, kolísání, dlouhodobých přepětí a podpětí; v případě impulsního a oscilačního rušení šum [2] :20 .
Záložní zdroje se dělí na statické a dynamické. Statické UPS mohou jako úložiště energie používat baterie, setrvačníky a další technologie pro ukládání energie. Dynamické UPS se vyznačují přítomností vlastního generátoru. V roce 2008 bylo 95,2 % světových UPS statických UPS. Přitom pro výkony větší než 0,5 MW byly oba typy stejně běžné [6] .
V letech 1963-1967. Byly vytvořeny UPS s výkonovou redundancí do 500 kVA. První UPS obsahovaly elektromotor, dieselový motor, setrvačník a generátor. Po nástupu tyristorů vznikly návrhy využívající baterie a měniče napětí. Následně byly tyristory v UPS vyměněny za IGBT tranzistory [2] :130 . Aktuálně se výkon UPS pohybuje v rozmezí 100-1000 kW (i více), možná jsou různá výstupní napětí [2] : 142 .
Přímá akumulace elektrické energie je možná pouze stejnosměrným proudem [7] . Potřeba úložiště nastává při výpadku proudu, hrají důležitou roli při zajištění nepřetržitého napájení. Pro efektivní využití paměťových zařízení jsou potřeba výkonové elektronické měniče: usměrňovače, invertory, DC-to-DC měniče [8] . Napětí na jednotkách se liší podle toho, jak jsou nabité. Pro nepřerušitelné napájení spotřebiče je potřeba stabilní napětí, je nutné použít nastavitelné měniče [9] .
Krátkodobé poruchy v běžném provozu elektrické sítě jsou nevyhnutelné. Většina krátkodobých výpadků proudu je způsobena zkraty. Úplně ochránit před nimi elektrickou síť je prakticky nemožné, v každém případě by to bylo velmi drahé [10] :str. 6 . Krátké přestávky jsou mnohem častější než dlouhé. Dlouhému výpadku napájení lze předejít použitím automatického přepínače přenosu (ATS) . V tomto případě dojde ke krátkodobým přerušením napájení nejen v případě zkratu na některém z napájecích vedení ATS, ale i na vedeních zásobujících sousední spotřebiče [10] :str. 8 .
Nepřerušovaný zdroj se od garantovaného liší tím, že v případě garantovaného napájení je povolena přestávka po dobu zprovoznění záložního zdroje. V případě nepřerušitelného napájení je nutné „okamžité“ zprovoznění záložního zdroje. Tento důležitý požadavek omezuje rozsah záložních zdrojů vhodných pro použití v nepřerušitelných zdrojích napájení. V praxi lze obvykle použít pouze jeden takový zdroj - akumulátor [11] .
Hlavní funkcí UPS je zajistit kontinuitu napájení pomocí alternativního zdroje energie. UPS navíc zlepšuje kvalitu napájení stabilizací jeho parametrů ve stanovených mezích. UPS obvykle používají chemické zdroje proudu jako úložiště energie. Kromě nich lze použít i jiné pohony [12] : str. 1.1 . Jako primární zdroj lze použít napájení ze sítě nebo generátoru [12] :str. 3.1.3 .
Pokud je přípustná doba výpadku proudu kratší než 0,2 s, lze použít pouze nepřerušitelné zdroje napájení, ochrana jističem obvodu se zkratem pro zkrácení doby výpadku proudu je v tomto případě nemožná nebo neúčinná. Pokud je povolená doba delší než 0,2 s, je možné použít ochranu napájení nebo použít nepřerušitelné zdroje napájení. S povolenou dobou 5–20 s je možné opustit nepřerušitelné zdroje a použít ATS [10] :s. 61 .
Složitá technologická zařízení moderní průmyslové výroby nemohou normálně fungovat, pokud není nepřerušené napájení. U mnoha průmyslových podniků vede výpadek proudu na několik sekund nebo dokonce na desetiny sekundy k narušení kontinuálního technologického procesu a k zastavení výroby [10] :str. 5 .
U elektromotorů mohou poklesy napětí v síti 0,4 kV s trváním 0,3–0,5 s vést k tomu, že vektory zbytkového EMF elektromotorů mohou být v protifázi s napěťovými vektory sítě. Výsledkem je, že po obnovení napájení budou fungovat elektromagnetické spouště jističů a konečné vypnutí elektromotorů. Nebezpečí přitom nepředstavují poklesy napětí s délkou trvání kratší než 0,3 s, proto je u elektromotorů boj s poklesy napětí obvykle zaměřen na zabránění vypnutí stykačů v hlavním silovém obvodu 0,4 kV. Jedním z těchto opatření je napájení ovládacích obvodů stykačů ze zdroje nepřerušitelného napájení [13] :str. 251 .
Při přerušení napětí 5-10 ms a 80-120 ms může dojít k poruše stykačů a relé. Rozdíl v činnosti stejného zařízení je způsoben rozdílem v okamžité hodnotě střídavého napětí, když začal pokles napětí. Při průchodu napětí nulou je stabilita více než 10x větší [2] :165 .
Zdroje nepřerušitelného napájení jsou zákonem stanoveným (v EAEU) pojmem v oblasti nízkonapěťových zařízení připojených k osobním elektronickým počítačům, [14] zařízení, které automaticky poskytuje záložní napájení, pokud napětí v síti klesne na kriticky nízkou úroveň [ 15] .
Poruchy impulsního napětí vznikající v AC síti v důsledku přepínání ohrožovaly spolehlivost i první generace počítačů založených na logických prvcích lampy (například BESM-2). Další pokles výkonu informačních signálů zvýšil riziko vnějšího rušení z napájecí sítě ovlivňující provoz digitální techniky [16] :3 . Také nedostatek požadavků nejen na nepřetržité napájení, ale také na spolehlivost napájení počítačů byl v SSSR znám již v roce 1975. Počítače byly instalovány v zařízeních, u kterých mohlo být přerušení dodávky elektrické energie v souladu s pravidly pro elektrické instalace významné [16] :11 .
Podstatný rozdíl mezi vnějším rušením v napájecí síti a vnějším rušením z komunikačního kanálu spočívá v tom, že napájení ovlivňuje celé digitální zařízení jako celek [16] :3 . Odolnost digitálního zařízení proti rušení bude tím vyšší, čím nižší bude indukčnost sekundárních silových vodičů [16] :133 .
Zdroje nepřerušitelného napájení se vyvíjely souběžně s počítači a dalšími high-tech zařízeními, aby poskytovaly spolehlivé napájení tomuto zařízení, které standardní napájecí sítě nemohou poskytnout [2] :128 . Nejčastějším využitím v domácnostech a kancelářích je vypnutí počítače bez ztráty dat při výpadku proudu. Při poklesu napětí trvajícím 0,2 s se postupy čtení/zápisu počítače zastaví; 0,25 s - zablokování operačního systému; 0,4 s - restart [2] :158 .
Náchylnost průmyslových regulátorů založených na logických obvodech na poklesy napětí je podobná jako u počítačů [2] :160 .
V lékařských nemocnicích (nemocnicích) je často nutné zajistit stabilní napájení, zejména osvětlení a napájení zařízení během chirurgických operací. K tomu se používají výkonné UPS, statické i DDIBP [17] .
V případě havárie v primárních okruzích, kterými je přenášena elektrická energie, je pro zachování možnosti spínání a ochrany zařízení před poškozením nutné mít na sekundárních okruzích napětí. Zařízení, která napájejí sekundární obvody, se v energetice nazývají zdroje provozního proudu [18] :3 .
Norma IEC 62040-3 zavedla následující klasifikaci UPS:
Příklad označení typu UPS: VFI SS 111
1. skupina symbolů je závislost výstupního signálu UPS na vstupu (síti).
2. skupina znaků je tvar výstupního signálu UPS.
3. skupina znaků - dynamická charakteristika UPS. Zajištění stability výstupního napětí UPS při třech typech přechodných jevů (1 - třída 1, vynikající; 2 - třída 2, dobrá; atd.):
Schéma zálohování ( anglicky Off-Line, Standby ) - v normálním režimu je připojená zátěž napájena přímo z primární elektrické sítě, kterou UPS filtruje (vysokonapěťové impulsy a elektromagnetické rušení) pasivními filtry. Když napájecí zdroj překročí normalizované hodnoty napětí (nebo selže), zátěž se automaticky znovu připojí k napájení z obvodu, který přijímá elektrickou energii z vlastních interních nebo externích baterií pomocí jednoduchého invertoru . Když se napětí objeví v normálním rozsahu, přepne zátěž zpět na napájení z primární sítě .
výhody:
nedostatky:
UPS postavené podle tohoto schématu se nejčastěji používají k napájení plynových kotlů pro domácnosti, osobních počítačů nebo základních pracovních stanic místní sítě , pro které není včasné vypnutí v případě selhání sítě kritické. Téměř všechny levné nízkoenergetické UPS nabízené na domácím trhu jsou vyrobeny podle tohoto schématu.
Interaktivní schéma ( anglicky Line-Interactive ) - zařízení je podobné předchozímu schématu; navíc je na vstupu krokový regulátor napětí založený na autotransformátoru , který umožňuje získat nastavitelné výstupní napětí (VI podle klasifikace IEC ). Při běžném provozu takové UPS nekorigují frekvenci, pasivní filtry filtrují příchozí střídavé napětí. V případě výpadku napájení se UPS přepne na invertorové napájení stejným způsobem jako dříve .
Střídače některých modelů line-interactive UPS poskytují napětí jako obdélníkový nebo lichoběžníkový tvar jako v předchozí verzi a sinusový tvar. Doba sepnutí je kratší než u předchozí verze, protože střídač je synchronizován se vstupním napětím. Účinnost je stejně vysoká jako u pohotovostních [21] .
Nevýhody: v režimu "on line" nevykonává funkci špičkového filtrování a poskytuje pouze extrémně primitivní stabilizaci napětí (obvykle 2-3 reléově spínané stupně autotransformátoru, funkce se nazývá "AVR").
V bateriovém režimu některé, zvláště levné, obvody dávají zátěži frekvenci mnohem vyšší než 50 Hz a střídavý průběh, který má jen málo společného se sinusovkou. Je to dáno použitím klasického velkorozměrového transformátoru v obvodu (místo invertoru na bázi polovodičových spínačů). Vzhledem k tomu, že transformátor této velikosti má (vzhledem k výskytu hystereze v jádře) omezení přenášeného výkonu, který roste lineárně s frekvencí, je tento transformátor (zabírá 1/3 objemu celého UPS) stačí k napájení obvodu nabíjení baterie při 50 Hz v režimu offline. Ale v režimu baterie musí tímto transformátorem procházet stovky wattů energie, což je možné pouze zvýšením frekvence.
To vede k nemožnosti napájet spotřebiče např. asynchronními motory (téměř všechny domácí spotřebiče včetně topných systémů).
Z takové UPS lze vlastně napájet pouze zařízení nenáročná na kvalitu napájení, tedy např. všechna zařízení se spínanými zdroji, kde je napájecí napětí okamžitě usměrněno a filtrováno. Tedy počítače a velká část dnešní spotřební elektroniky. Můžete také napájet osvětlovací a topná zařízení.
Režim dvojité konverze [22] ( anglicky online , double-conversion, online) - slouží k napájení zatížených serverů (například souborových serverů ), vysoce výkonných pracovních stanic lokálních sítí a také jakéhokoli jiného zařízení, které klade vysoké nároky na kvalitě síťového napájení. Principem činnosti je dvojitá konverze (dvojitá konverze) druhu proudu. Nejprve je střídavý vstup převeden na stejnosměrný , poté zpět na střídavý pomocí zpětného převodníku ( invertor ). V případě výpadku vstupního napětí není nutné přepínání zátěže na bateriové napájení, protože baterie jsou trvale připojeny k obvodu (tzv. bateriový buffer režim) a u těchto UPS parametr „doba přepnutí“ nezabírá dávat smysl. Pro marketingové účely lze použít frázi „doba přenosu je 0“, která správně odráží hlavní výhodu tohoto typu UPS: neexistuje žádná časová prodleva mezi ztrátou externího napětí a začátkem napájení z baterie. UPS s dvojitou konverzí mají v on-line režimu nízkou účinnost (od 80 do 96,5 %), proto se vyznačují zvýšeným odvodem tepla a hlučností. Dnešní přední UPS střední a vysoké kapacity však disponují řadou inteligentních režimů, které automaticky upravují provozní režim pro zvýšení účinnosti až na 99 %. Na rozdíl od předchozích dvou schémat jsou schopny korigovat nejen napětí, ale i frekvenci (VFI dle klasifikace IEC ).
výhody:
nedostatky:
V současné době se stejnosměrný proud používá ve zdrojích energie nezávislých na elektrických systémech. V elektrárnách a rozvodnách existují stejnosměrné sítě. Jsou určeny pro řídicí zařízení, automatizaci a signalizaci, osvětlení, napájení zvláště kritických pracovních strojů v případě narušení běžného provozu [23] :11 . Provozní stejnosměrné obvody podléhají zvláštním požadavkům na spolehlivost. Systém využívá dobíjecí baterie a nabíječky, redundance těchto jednotek je možná. Když jsou redundantní, lze jednotky přepínat ručně nebo v pohotovostním režimu s připojením diody [10] :223 . Pro stejnosměrné řídicí proudové systémy se používají baterie 24 V, 48 V, 110 V, 220 V [18] :6 .
Stejnosměrné zdroje se používají pro telekomunikační systémy, varovné systémy a telefonní komunikace, požární a bezpečnostní signalizace [4] :28 . U telefonních ústředen existují stejnosměrné sítě se záložními bateriemi. Mohou mít napětí 24, 48, 54, 60, 110, 125 V a výkon až desítky kW [4] :56 .
Zálohování napájení pomocí baterie v UPS s DC výstupem lze provádět se zapnutou baterií při absenci hlavního zdroje napětí (nouzová baterie), v záloze je baterie v nabitém stavu. Nebo s trvalým zapojením paralelně k výstupům hlavního zdroje pro snížení vlivu kolísání energie na zdroj (vyrovnávací baterie) [24] :16 [25] .
Akumulátor je možné trvale připojit přes oddělovací diody paralelně se zátěží na výstup sekundárního zdroje [26] :216 nebo bez diod - v tomto případě lze akumulátor nabíjet přímo z výstupu zdroje. Pokud proud ve zdroji překročí proud v zátěži, dojde k nabíjecímu proudu v baterii. Když výstupní napětí pulzuje, baterie může pracovat pulzně v režimu vybíjení-nabíjení [24] :16 .
Pro záložní napájení nízkopříkonových domácích zařízení (routery, bezdrátové telefony atd.) s napětím 12 voltů se vyrábí třída UPS s ustáleným názvem Mini UPS.
Používání baterií ke zlepšení kvality energie má dlouhou historii. V posledních dvou desetiletích 19. století bylo postaveno mnoho stejnosměrných elektráren, baterie v takových elektrárnách sloužily jako rezerva - pokrývaly zátěžové špičky. Pro zvětšení poloměru napájení byly v rozvodnách instalovány baterie. Skupiny baterií, pokud jsou zapojeny do série, byly nabíjeny z centrální stanice a při paralelním zapojení napájely místní zátěž [27] .
Pro nouzové osvětlení, napájení zařízení na dlouhou dobu (přes hodinu) a v jiných případech, kdy je potřeba dlouhá doba skladování elektřiny při dostatečné kompaktnosti baterie, zřídka opakovaných cyklech nabíjení-vybíjení a tichém režimu zatěžování elektrárny, je vhodné použít elektrochemickou baterii [28] :147 : 16 . V závislosti na frekvenci a intenzitě zatěžování baterií se liší jejich zařízení. Baterie používané v osvětlovacích systémech se liší od startovacích baterií používaných ke spouštění motorů automobilů [28] :24 .
Elektrochemické baterie jsou široce používány k zajištění autonomního provozu [29] :4 . V samostatných systémech baterie pracuje ve spojení s elektrárnou na stejnosměrný nebo střídavý proud. Odpovídající blok nastavuje provozní režim baterie, která se používá jako spouštěcí, záložní nebo nouzové zařízení. Je nutné zajistit včasné nabití baterie [29] :55 .
Indukční KapacitníHlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi je v tom, že kondenzátory přímo ukládají elektrický náboj, zatímco baterie přeměňují elektrickou energii na chemickou energii, ukládají ji a poté dochází k obrácené transformaci. Elektrolytické kondenzátory však mají nedostatečnou kapacitu pro použití v dlouhodobých nepřerušitelných zdrojích napájení. Ionistory mají mnohem větší kapacitu [30] .
Při použití ATS lze použít stejnosměrný proud pomocí reléového obvodu pro eliminaci výpadků napájení po dobu spínání velkého kondenzátoru [13] :s. 229 .
KinetickéSystémy nouzového napájení vysoké spolehlivosti - oblast použití setrvačníkových baterií . [28] :17 Hlavní částí setrvačníkové baterie je setrvačník. Baterie setrvačníku se liší od baterie, která se nachází téměř u každého stroje, aby vyrovnala zdvih setrvačníku o počet otáček, které provede pro dodání výkonu. Je konvenčně obvyklé považovat za baterie setrvačníky, které dělají alespoň 10 otáček [28] :65 .
Dynamický nepřerušitelný zdroj napájení (DIBP), eng. Rotační UPS ( rusky rotační nebo rotující UPS ) je motorgenerátor s mechanickou baterií (setrvačník). Výhodou DIBP oproti statickému UPS je eliminace rušení jak ze síťového napájení, tak z konverzního obvodu, do zátěže produkuje čistou sinusovku [31] .
Dieselový dynamický nepřerušitelný zdroj napájení (DDIBP). Kombinovaný setrvačník a diesel. Od jiných schémat nepřerušitelného napájení se liší relativní spolehlivostí a snadnou údržbou. Stejně jako DIBP vysílá do zátěže čistou sinusovku [17] .
Pro redundantní napájení průmyslových a vojenských objektů se často používá DDIBP. Zejména pracují na kosmodromu Bajkonur [17] .
Bypass je jednou z jednotek, které tvoří UPS. Bypass mode ( ang. Bypass , "bypass") - napájení zátěže filtrovaným síťovým napětím, přemostění hlavního obvodu UPS. Přepnutí do režimu Bypass se provádí automaticky nebo ručně (ruční aktivace je zajištěna v případě preventivní údržby UPS nebo výměny jejích součástí bez odpojení zátěže). Může dělat tzv. fazanul ("přes nulu"). Používá se v on-line obvodech, navíc UPS vypnutá tlačítkem OFF online zůstává v režimu bypass, totéž se děje při zničení silových prvků obvodu, určováno řídícími obvody, stejně jako při nouzovém stavu obvodu vypnutí kvůli přetížení výstupu. V line-interactive UPS je „on-line“ režimem bypass.
Používá se v UPS, které fungují na interaktivním okruhu. UPS je často vybavena pouze zvyšovacím „boosterem“ ( angl. booster ), který má pouze jeden nebo několik kroků zvýšení, ale existují modely, které jsou vybaveny univerzálním regulátorem, který funguje jak pro zvýšení (boost), tak pro zvýšení výkonu. ke snížení (buck) napětí. Použití stabilizátorů umožňuje vytvořit obvod UPS, který vydrží dlouhé hluboké "přesazování" a "propadávání" vstupního síťového napětí (jeden z nejčastějších problémů domácích elektrických sítí) bez přepínání na baterie, což může výrazně zvýšit „životnost“ baterie.
Střídač je zařízení, které převádí typ napětí ze stejnosměrného na střídavé (obdobně střídavé na stejnosměrné). Hlavní typy měničů:
Indikátor, který charakterizuje míru, do jaké se průběh napětí nebo proudu liší od ideálního sinusového průběhu - koeficient nelineárního zkreslení ( angl. Total Harmonic Distortion, THD ). Typické hodnoty:
Pro snížení vlivu na průběh napětí v napájecí síti (pokud je vstupním uzlem UPS s dvojitou konverzí tyristorový usměrňovač, nelineární prvek, který spotřebovává velký impulsní proud, takový UPS způsobuje harmonické vyšší řády) a speciální THD je instalováno ve vstupním obvodu filtru UPS . Při použití tranzistorových usměrňovačů je koeficient nelineárního zkreslení ( anglicky Total Harmonic Distortion, THD ) asi 3 % a filtry se nepoužívají.
Galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem (to se u UPS zpravidla nedělá vůbec ze zásadních úvah o přeskočení "přes nulu" k zátěži, tedy absence jakéhokoliv přepínání nulového vodiče od Vstup UPS na jeho výstup) zajišťuje UPS instalovaná ve vstupním obvodu (mezi sítí a usměrňovačem) vstupním oddělovacím transformátorem . V souladu s tím je ve výstupním obvodu UPS mezi převodníkem a zátěží umístěn výstupní oddělovací transformátor , který zajišťuje galvanické oddělení mezi vstupem z obvodu UPS a výstupem do připojené zátěže.
Pro rozšířené sledování stavu samotného UPS (například úrovně nabití baterií, parametrů elektrického proudu na výstupu) slouží různá rozhraní : pro připojení k počítači - sériový ( COM ) port nebo USB , zatímco výrobce UPS dodává proprietární software , který umožňuje pomocí analýzy situace určit provozní dobu a umožnit operátorovi bezpečně vypnout počítač a ukončit všechny programy. Ke sledování stavu zdrojů nepřerušitelného napájení a dalších zařízení prostřednictvím místní sítě se používá protokol SNMP a specializovaný software.
Pro zvýšení spolehlivosti celého systému jako celku se používá redundance - schéma, které se skládá ze dvou nebo více UPS.
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Kvalita elektrické energie | |
---|---|