Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Elblągu Instytut Politechniczny Karol Kubryń Daniel Cudzewski Układ zasilania awaryjnego urządzeń informatycznych i układów automatyki Elbląg, 2005
SPIS TREŚCI 1. Zasada działania zasilacza awaryjnego małej mocy (UPS)......2 2. Podział zasilaczy...3 2.1 Zasilacz off-line...3 2.2 Zasilacz on-line...4 2.3 Zasilacz redundantny...4 3. Cechy dobrego zasilacza...5 4. Sposoby zabezpieczania sieci komputerowych...6 4.1 Centralnie zasilanie awaryjne...6 4.2 Rozproszone zasilanie awaryjne...7 5. Wyposażenie i funkcje dodatkowe...7 6. Dobór zasilacza UPS...8 7. Samoczynne załączenia rezerwowego zasilania w systemie elektroenergetycznym...9 8. Literatura...10 1
1. Zasada działania Zasilacz awaryjny to urządzenie, które po wykryciu stanu awaryjnego w sieci zasilającej, zapewnia stałe i nie zakłócone zasilanie odbiorników. Współczesne zasilacze awaryjne małej mocy realizowane są głównie w technologii line-interactive z przebiegiem quasi-sinusoidalnym na wyjściu podczas pracy awaryjnej. Rys. 1. Zasada pracy zasilacza awaryjnego w trybie line-interactive Podczas pracy z poprawnym napięciem sieci zasilającej następuje transfer energii na wyjście UPS a przez filtr sieciowy (F) oraz zwarty rozłącznik (P) (strzałka 2) przy jednoczesnym ładowaniu akumulatorów (strzałka 1). W przypadku wykrycia awarii zasilania UPS uruchamia rozłącznik (P) i synchronicznie do przebiegu sieciowego włącza falownik (B) dostarczający na wyjście UPS a energię z wewnętrznych akumulatorów (strzałka 3). Pracujący w układzie UPS a transformator główny pełni podwójną rolę: podczas pracy z prawidłowym napięciem sieciowym pełni on rolę elementu prostownika (A) doładowującego akumulatory zasilacza oraz, jeżeli UPS wyposażony jest w układ stabilizacji napięcia AVR, stanowi element stabilizatora napięcia sieciowego, a podczas pracy awaryjnej stanowi element falownika (B). Przebieg quasi-sinusoidalny to przebieg prostokątny z regulowaną szerokością wypełnienia w funkcji obciążenia wyjściowego UPS a oraz stanu rozładowania akumulatorów (rys. 2). 2
Rys. 2. Kształt napięcia wyjściowego UPS a podczas pracy normalnej i awaryjnej. Przebieg quasi sinusoidalny nadaje się do zasilania komputerów wraz z monitorami. W przypadku zasilania urządzeń peryferyjnych istotny jest zakres zmian amplitudy napięcia wyjściowego i jego szerokości, który zależy od szczegółów konstrukcyjnych poszczególnych zasilaczy awaryjnych. 2. Podział zasilaczy UPS Zasilacze awaryjne UPS ogólnie dzielimy na dwie grupy ze względu na ich zasadę działania: - Zasilacze awaryjne off-line - Zasilacze awaryjne on-line a) Zasilacz awaryjny off-line podczas pracy z poprawną siecią zasilającą mierzy jej parametry i ładuje wewnętrzne akumulatory. Podczas zaniku lub spadku napięcia w sieci zasilającej przechodzi na pracę awaryjną. W momencie przejścia na pracę awaryjną zasilacz uruchamia swój wewnętrzny falownik zasilany akumulatorami generując na wyjściu napięcie zmienne 230V jednocześnie odłączając się od wadliwej sieci zasilającej (rys.3). 3
Rys. 3. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego off-line. b) Zasilacz awaryjny on-line zapewnia całkowitą separację zasilanych urządzeń od sieci zasilającej. Separacja jest wynikiem podwójnego przetwarzania. Zmienne napięcie sieciowe 230V przetwarzane jest na napięcie stałe, z którego jednocześnie ładowane są akumulatory, a następnie ponownie wytwarzane jest napięcie zmienne na wyjściu zasilacza o kontrolowanych parametrach. Zmiany napięcia wejściowego nie mają bezpośredniego wpływu na napięcie wyjściowe (rys. 4). Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego on-line. Odmianą zasilaczy on-line są zasilacze redundantne. Są to zasilacze pracujące równolegle, w których jedna z gałęzi jest nadmiarowa (rys. 5). Przy wykorzystaniu ich nadmiarowości tj. obciążaniu wyjścia np. połową mocy znacznie zwiększa się niezawodność systemu zasilania, ponieważ uszkodzenie jednej gałęzi nie powoduje przerwy w zasilaniu. 4
Rys. 5. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego redundantnego 3. Cechy dobrego zasilacza a) Prosta obsługa- wyposażenie UPS a w jeden centralny wyłącznik zasilania, wyłącznik taki powinien mieć odpowiednie wymiary i jednoznaczne oznaczenia stanu pracy oraz powinien być zlokalizowany w widocznym miejscu b) Jednoznaczna sygnalizacja optyczno-dźwiękowa stanów pracy zasilacza- sygnalizacja taka powinna w miarę możliwości uwzględniać użytkowników niepełnosprawnych np.: głuchych, daltonistów itp. Jednocześnie sygnalizacja taka nie powinna być zbyt skomplikowana, rozwiązaniem może być zastosowanie trzech lampek sygnalizacyjnych ustawionych w szeregu od lewej do prawej lub od góry do dołu świecących w odpowiednich kolorach (zielona to włączenie zasilacza i napięcia na jego wyjściu w przypadku prawidłowego napięcia w sieci zasilającej, żółta to praca akumulatorowa, czerwona to rozładowane akumulatory UPS a) c) Wysoka sprawność zasilacza podczas pracy awaryjnej- w celu uzyskania wysokiej sprawności UPS powinien zapewniać małe zużycie energii z akumulatora na potrzeby własne podczas pracy awaryjnej. d) Filtr przeciwzakłóceniowy na wejściu zasilacza- filtr wejściowy (rys.1) tłumi zakłócające częstotliwości radiowe pojawiające się w sieci zasilającej, powinien również zawierać warystorowy tłumik przepięć impulsowych. Ponadto filtr zapobiega przedostaniu się ewentualnych zakłóceń generowanych przez komputer do sieci zasilającej. Rozwiązanie takie eliminuje konieczność stosowania listew przeciwzakłóceniowych, obniżając koszt systemów zabezpieczających. e) Gniazda wyjściowe w polskim standardzie z zabezpieczeniemgniazda w polskim standardzie eliminują konieczność stosowania specjalistycznych przewodów zasilających łączących komputer i monitor z zasilaczem. Zabezpieczenie gniazd uniemożliwia ingerencje do wnętrza metalowymi przedmiotami (gwoździami, drutem itp.) f) Zamknięta metalowa obudowa- obudowa powinna być ocynkowana i pokryta trwałą powłoką farby oraz powinna mieć zapewniony doskonały kontakt elektryczny z systemem uziemienia ochronnego zasilacza, obudowa pełni w zasilaczu wielorakie funkcje: 5
brak otworów w obudowie zapobiega przedostaniu się do jego wnętrza metalowych przedmiotów takich jak spinacze, zszywki, szpilki itp. w przypadku awarii stopnia mocy UPS a (np. na skutek obciążania go dużą indukcyjnością) zamknięta obudowa stanowi barierę przeciwpożarową zamknięta obudowa zabezpiecza również przedostaniu się do UPS a innego rodzaju zanieczyszczeń mogących być przyczyną awarii w szczególności, gdy pracuje on w pomieszczeniach mocno zapylonych metalowa obudowa pełni dodatkowo funkcję radiatora o dużej powierzchni odprowadzającego ciepło wydzielane w zasilaczu pełni rolę ekranu elektromagnetycznego zapobiegając emisji fal zakłócających jakie mogą być generowane w obrębie stanowiska komputerowego w szczególności podczas pracy awaryjnej g) Dwa bezpieczniki sieciowe zabezpieczające oba przewody robocze biegun/zero- Urządzenia komputerowe wyposażone są w przewody zasilające z uziemieniem i mogą być podłączane tylko do gniazd sieciowych wyposażonych w kołek uziemiający. Brak jednoznacznego określenia fazy w gniazdach sieciowych w stosunku do kołka uziemiającego (w szczególności w gniazdach podwójnych) wymusza konieczność stosowania dwóch bezpieczników h) Dwubiegunowe odłączanie wyjścia zasilacza- centralny wyłącznik zasilania powinien odłączać całkowicie zasilanie UPS a oraz urządzeń do niego podłączonych, oznacza to odłączenie dwóch biegunów zasilania fazy i zera od zasilanego sprzętu komputerowego i eliminuje niebezpieczeństwo pojawienia się niebezpiecznych potencjałów (220 V w stosunku do uziemienia) w urządzeniach zasilanych przez UPS a. Zapobiega również przedostaniu się przepięć impulsowych (wywołanych np. przez wyładowania atmosferyczne) na wyjście zasilacza przy wyłączonym wyłączniku sieciowym gwarantując bezpieczeństwo użytkownika i zasilanego sprzęt i) Zabezpieczenie obwodów akumulatora- akumulator jest źródłem bardzo dużej energii, co pociąga konieczność stosowania w jego obwodzie elementów zabezpieczających o jednoznacznej charakterystyce rozłączania w przypadku zwarć. Takie wymagania spełniają bezpieczniki topikowe lub automatyczne 4. Sposoby zabezpieczania sieci komputerowych 1. Centralne zasilanie awaryjne Ten sposób zabezpieczenia sieci komputerowej stosowany jest w przypadku instalacji zamkniętych, przeznaczonych do określonych zadań, centralne zasilanie zapewnia odseparowanie od sieci grupy zabezpieczanych komputerów połączonych specjalną dedykowaną instalacją elektryczną Zalety takiego zabezpieczenia: duża separacja od sieci zasilającej, szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny, łatwe zarządzanie programowe (jeden zasilacz) Wady takiego zabezpieczenia: cena jednostkowa zasilacza, ograniczona możliwość optymalizacji dostarczanej mocy, konieczność stosowania wydzielonej instalacji elektrycznej, stosunkowo małe bezpieczeństwo (uszkodzenie zasilacza powoduje niesprawność całej sieci komputerowej i utrata efektów pracy wszystkich użytkowników) 6
2. Rozproszone zasilanie awaryjne Ten sposób zabezpieczania komputerów pracujących w sieci komputerowej stosowany jest w przypadkach jej dynamicznego, nieprzewidywalnego rozwoju, zabezpieczenie rozwijającej się sieci komputerowej polega na zastosowaniu nowego dostosowanego pod względem mocy zasilacza line-interactive dopasowanego do nowo zainstalowanego stanowiska komputerowego Zalety takiego zabezpieczenia: niska cena jednostkowa zasilacza, optymalizacja w zakresie zapotrzebowania na moc, duża niezawodność systemu rozproszonego, duża separacja od sieci zasilającej, szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny Wady takiego zabezpieczenia: ograniczona stosowalność ze względu na przebieg quasi-sinusoidalny, utrudnione zarządzanie programowe ze względu na ilość zasilaczy, wysoka cena jednostkowa zasilacza 5. Wyposażenie i funkcje dodatkowe zasilaczy Zasilacz awaryjny UPS line-interactive małej mocy może być wyposażony w szereg układów podnoszących jego funkcjonalność, komfort użytkowania i zwiększających zakres zastosowań, a oto niektóre z nich: RST układ zimnego startu umożliwiający uruchomienie zasilacza przy braku napięcia w sieci zasilającej AVR układ stabilizacji napięcia wyjściowego, regulacja napięcia wyjściowego realizowana jest z reguły skokowo przez podwyższenie lub obniżenie napięcia na wyjściu UPS odwrotnie do zmian napięcia na wejściu zasilacza awaryjnego bez przechodzenia na pracę awaryjną AG układ umożliwiający współpracę zasilacza z agregatem prądotwórczym, zasilacz UPS z układem AG zapewnia podtrzymanie zasilania w czasie, gdy na skutek awarii zasilania realizowane jest przełączenie na zasilanie z agregatu prądotwórczego. KF układ umożliwiający zabezpieczenie zasilania urządzeń biurowych innych niż komputery, np.: kas fiskalnych, centralek telefonicznych, telefaksów itp. COM układ złącza szeregowego do monitorowania pracy UPS przez komputer, dzięki temu zasilacz dostarcza informacji o awarii sieci zasilającej, wyczerpanych akumulatorach oraz istnieje możliwość zdalnego wyłączenia zasilacza przez komputer podczas pracy awaryjnej TEL filtr linii telefonicznej do zabezpieczania urządzeń telekomunikacyjnych przed przepięciami w sieci telefonicznej.. CPM układ ciągłego pomiaru mocy pobieranej przez zabezpieczane urządzenia GWA gorąca wymiana akumulatorów przez użytkownika. Układ GWA powinien posiadać jednoznaczną sygnalizację zużycia akumulatorów, możliwość wymiany bez wyłączania zasilacza oraz brak możliwości błędnego podłączenia akumulatorów. WBP wyjście bez podtrzymania zasilania podczas pracy awaryjnej. Układ taki powinien posiadać następujące cechy: a) napięcie na tym wyjściu powinno być załączane centralnym wyłącznikiem zasilacza. b) powinno być zabezpieczone dwoma bezpiecznikami. c) wyposażone w filtr RFI/EMI o odpowiednio dużym prądzie maksymalnym 7
SOW sekwencyjne odłączanie wyjść w celu maksymalnego wydłużenia czasu pracy urządzeń podłączonych do wybranych wyjść UPS podczas awarii zasilania ZR zbiornik rezerwowy układ uniemożliwiający załączenie napięcia na wyjściach zasilacza awaryjnego przed naładowaniem akumulatorów do zadanego poziomu. KCP kalibracja czasu podtrzymania, układ taki umożliwia oszacowanie czasu podtrzymania zasilania podczas awarii sieci zasilającej przy znanym obciążeniu na wyjściu UPS AS automatyczny start zasilacza po podłączeniu do sieci zasilającej, w przypadku awarii zasilania zasilacz przechodzi na pracę z akumulatorów pod warunkiem występowania obciążenia na wyjściu UPS 6. Dobór zasilacza UPS Na dobór zasilacza mają wpływ następujące elementy: Charakter obciążenia wnoszony przez zabezpieczany komputer, Moc pobierana przez zabezpieczane stanowisko komputerowe, Wymagany czas podtrzymania zasilania podczas awarii sieci zasilającej. Urządzenia elektryczne wnoszą obciążenie: indukcyjne rezystancyjne pojemnościowe W przypadku gdy mamy do czynienia z obciążeniem rezystancyjnym, moc pozorna równa się mocy czynnej pobieranej przez komputer. Lecz dzieje się tak tylko gdy urządzenie jest wyposażone w tzw. układ korekcji współczynnika mocy. Przeważnie komputery osobiste nie są wyposażone w taki układ. Przy doborze zasilacza UPS ważne jest jaką moc pobiera nasz komputer. Otóż z pomiarów watomierzem (wartości rzeczywistej skutecznej - True RMS) wynika, że relatywnie nie dużą, potwierdzają to również czasy podtrzymania zasilania zasilacza awaryjnego pracującego z akumulatorów. Poniżej zestawiono przykładowe wyniki pomiarów: Komputer Moc [W] Moc [VA] Współczynnik mocy C533M15' 120W 160VA 0.75 C533M17' 130W 190VA 0.68 D800M17' 145W 200VA 0.73 A2000XPM17' 195W 260VA 0.75 Oznaczenia: C533M15' - Komputer z procesorem Celeron 533 MHz i monitorem 15 cali. C533M17' - Komputer z procesorem Celeron 533 MHz i monitorem 17 cali. D800M17' - Komputer z procesorem Duron 800 MHz i monitorem 17 cali. A2000XPM17' - Komputer z procesorem Athlon 2000 XP z monitorem 17 cali 8
Uwzględniając powyższe wywody na temat charakteru obciążenia korzystnie jest przyjąć, że moc zasilacza awaryjnego powinna być dwa razy większa niż moc zabezpieczanego zestawu komputerowego. Takie podejście zapewni dostateczny poziom bezpieczeństwa chronionego zestawu, nawet przy wykorzystaniu zasilaczy awaryjnych mniej renomowanych dostawców. Komputer Moc komputera [VA] Moc UPS [VA] C533M15' 160VA 320VA D800M17' 200VA 400VA A2000XPM17' 260VA 520VA Na czas podtrzymania zasilania przez UPS podczas awarii sieci zasilającej ma wpływ pojemność zastosowanych w zasilaczu awaryjnym akumulatorów. Typowe zastosowania akumulatorów przedstawiają się następująco: - Akumulator 5Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 300VA do 500VA. - Akumulator 7Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 400VA do 700VA. - Akumulator 12Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 700VA do 1000VA podobnie jak 2 x 5Ah/12V. - Akumulatory 2 x 7Ah/12V stosowane są w zasilaczach od 700VA do 1400VA. - Akumulatory 2 x 12Ah/12V stosowane są w zasilaczach od 1200VA do 2000VA. W tabeli przedstawiam przykładowe czasy działania UPS`ów z zastosowaniem różnych akumulatorów: CZAS PRACY AWARYJNEJ UPS Z AKUMULATORAMI KOMPUTER 5Ah/12V 7Ah/12V 12Ah/12V 2x5Ah/12V 2x7Ah/12V 2x12Ah/12V C533M15' 15 min 20 min 41 min 33 min 52 min 92 min D800M17' 9 min 16 min 33 min 28 min 42 min 68 min 7. Samoczynne załączanie rezerwowego zasilania w systemie elektroenergetycznym Zalety stosowania SZR: obniżenie poziomu prądów zwarciowych, a przez to zmniejszenie wymagań stawianych urządzeniom rozdzielczym ograniczenie obszaru, na którym występuje załamanie napięcia spowodowane zwarciem umożliwienie stosowania prostszych układów zasilania Automatyka włączenia układów rezerwowego zasilania powoduje, że przerwa w zasilaniu odbiorców w cyklu przełączania ich na zasilanie z rezerwowego źródła jest stosunkowo krótka. Stosując SZR, należy pamiętać że nie wszystkie odbiory dopuszczają ponowne załączenia. Dotyczy to w szczególności odbiorów: 9
silnikowych, które ze względu na proces technologiczny nie zezwalają na ponowne załączenie silnikowych indukcyjnych z uwagi na przebieg charakterystyki momentu silnikowych synchronicznych silnikowych, które mogą spowodować, że całkowity prąd samorozruchu oraz wywołany nim spadek napięcia będą nadmierne Projektując układy SZR, należy wziąć pod uwagę te wszystkie czynniki, a niekiedy także przeanalizować przebieg samorozruchu w czasie. Pozwoli to zdecydować zarówno o tym, które odbiory mogą podlegać somorozruchowi, jak i jakie nastawienia powinny mieć zabezpieczenia, które nie powinny działać przy samorozruchu. 8. Literatura [1] Wilibald Winkler, Andrzej Wiszniewski: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych [2] Tadeusz Łobos, Henryk Markiewicz: Urządzenia elektroenergetyczne [3] Strona internetowa: http://www.ups.hg.pl/ 10