Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Szünetmentes energiaforrások

A végtelen energia forrása II.

2009/5. lapszám | Agócs János |  5134 |

Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Az UPS-ek működése, előnyök és hátrányok Az UPS-ek között többféle működési elvű is megtalálható a legegyszerűbb és egyben a legolcsóbb készülékektől a költségesebb, de professzionálisabb, nagyobb védelmet biztosító típusokig. A legegyszerűbb UPS az ún. Off-line, vagy egyszerűen „átkapcsolós” működésű berendezések (1. sz. ábra). Ezek a készülékek a legegyszerűbb módon működnek: normál üzemben a fogyasztókat a villamos közhálózatra kapcsolják és arról táplálják. Amennyiben a betápláló feszültség értéke nagyobb mértékben lecsökken vagy megemelkedik, akkor az elektronika bekapcsolja az invertert (Inverter – feladata az egyenirányító, illetve az akkumulátorok egyen feszültségéből előállítania kimeneti 230 V-os váltakozó feszültséget) és a fogyasztókra átkapcsolja az inverter által előállított feszültséget. Az átkapcsolás tipikusan 2-5 msec alatt lezajlik. Ez olyan rövid idő, hogy a normál elektromos fogyasztók ezt a rövid feszültség-kimaradást nem érzékelik, működésüket nem befolyásolja hátrányosan. Az Off-line berendezések egyszerű működésük és felépítésük következtében igen olcsók. Jellemzően a 400-3000 VA teljesítmény-tartományban kaphatók. Az Off-line technológia előnye, hogy olcsó, kisméretű a készülék, valamint 99,9%-os hatásfokkal üzemel (normál üzemben, a hálózat meglétekor), vagyis szinte veszteség nélkül. Hátrányként említhető, hogy az átkapcsolásnál túlfeszültség, tranziens keletkezhet, amely kijut a fogyasztókhoz. Az alap – kisebb teljesítményű (400-600 VA) – berendezések kimeneti feszültségének jelalakja általában nem szinuszos. A legfőbb probléma azonban az, hogy normál üzemben nincs védelem a hálózat felől érkező túlfeszültségek, tüskék, tranziensek és zavarok ellen, hiszen a fogyasztók ekkor közvetlenül, galvanikusan a hálózatra vannak csatlakoztatva.

2. sz. ábra – A Line-interactive UPS elvi felépítése


Az fenti típus továbbfejlesztett változata az úgynevezett Line-interactive működésű UPS (2. sz. ábra). Ez lényegében ugyanúgy Off-line berendezés, mint az előbb bemutatott, csak a kimenetén még egy transzformátor is található, amelynek az a feladata, hogy normál üzemben az UPS kimeneti feszültségét kondicionálja, vagyis a hálózati feszültség kisebb mértékű ingadozásait egyenlítse ki, simítsa el. A transzformátor szabályozásáról külön elektronika gondoskodik – AVR (Automatic Voltage Regulation, automatikus feszültség szabályozó). A Line- interactive technológia szintén egyszerű működésű és felépítésű, ezért hasonlóan olcsó, mint a hagyományos Off-line berendezések. Ezek a készülékek is általában a 400-3000 VA teljesítmény-tartományban kaphatók.

A Line-interactive technológia előnyös és hátrányos tulajdonságai megegyeznek az Off-line technológiás berendezésekével. További előnyként említhető azonban az, hogy az AVR jóvoltából nagyobb bemeneti feszültségingadozásokat elvisel és kompenzál, mint a hagyományos Off-line technológia. Ennek eredményeképpen egy esetleges kisebb mértékű bementi feszültségcsökkenéskor az UPS nem kapcsol át az inverterre, hanem a szabályozó elektronika a transzformátor segítségével megemeli a kimeneti feszültséget.

3. sz. ábra

Az „átkapcsolós” típusoknál megemlíthető technológia még az úgynevezett Ferro-rezonáns típus, amely ezen technológián belül a legjobb védelmet biztosítja, de számos hátrányos tulajdonsága miatt ma már nem alkalmazzák. Lényegében ez is egy Off-line UPS, ám a kimenetén egy transzformátor is található egy nagy értékű kondenzátorral összekapcsolva. Ennek a beépített LC (induktivitás-kapacitás) tagnak köszönhetően a kimeneti feszültség – még normál, vagyis hálózati üzemben is – meglehetősen stabil és igen hatékonyan szűrt, mert ez egyfajta energiatároló funkcionál. A technológia előnye: a magasabb fokú kimeneti stabilitás és jelalak-tisztaság, valamint elhanyagolható az átkapcsolásokból adódó tranziensek és túlfeszültségek mértéke. A kimenetre kevesebb és kisebb amplitúdójú, alacsonyabb energiájú túlfeszültség tüske jut ki a hálózati üzemben. A kimeneti jelalak inverteres üzemmódban is szinuszos.
Nagy hátránya viszont, hogy a túlhajtott (telítésbe vitt) transzformátor nagy mennyiségű hőt termel, ezért az ilyen UPS hatásfoka – a mai követelményekhez mérten – alacsony (kb. 80%), üzemeltetési költségei nagyon magasak. Továbbá a fizikai méretei és súlya is nagyságrendekkel nagyobb, mint a hagyományos Off-line UPS-eké.

És itt érkeztünk el egy választóvonalhoz, amelynek egyik oldalán az előbbiekben ismertetett technológiájú berendezések állnak, amelyek bőven megfelelnek az egyszerűbb, kevésbé igényes és fontos alkalmazások szünetmentes energiával történő ellátására. A határvonal másik oldalán áll az a készülékcsalád, amely működési elvéből adódóan tökéletes védelmet igyekszik biztosítani a gondjaira bízott fogyasztók számára. Ezek az úgynevezett On-line technológiájú UPS-ek.
Az On-line – más néven még: Dupla-konverziós – technológia lényege (mint azt az elnevezése is tükrözi), hogy a bemeneti betápláló feszültséget az ilyenfajta berendezés kétszer alakítja át, mielőtt az a kimenetre kapcsolt fogyasztókhoz érkezne. A 3. sz. ábrán látható, hogy a technológia megkövetel egy teljes értékű egyenirányító/akkumulátortöltő egységet, egy invertert és egy úgynevezett statikus By-Pass egységet. Természetesen ez a technológia sem nélkülözheti az akkumulátor-telepcsoportot.

Az On-line, Dupla konverziós UPS működése a következőképpen zajlik. A bemeneti hálózati váltakozó feszültséget az egyenirányító egyenfeszültséggé alakítja át (első átalakítás). Az így nyert egyenfeszültség tölti az akkumulátorokat, illetve táplálja az inverter bemenetét, amely ebből állítja elő a kimeneten megjelenő váltakozó feszültséget (második átalakítás). A működési elvből látható, hogy ez a technológia nyújtja a legmagasabb szintű védelmet a kimenetére kapcsolt fogyasztók számára, hiszen ezeket folyamatosan egy mesterségesen előállított feszültség táplálja. Ennek eredményeképpen a fogyasztók nem kapcsolódnak közvetlenül a betápláló villamos hálózatra, így semmiféle zavar, tranziens, feszültség-tüske nem juthat a védelmet igénylő fogyasztók bemenetére.

Ennek megfelelően normál üzem esetben egy tökéletes, torzításmentes és tiszta szinuszos feszültség áll rendelkezésre az UPS kimenetén. Egy hálózati kimaradás esetén csak annyi történik, hogy – a betápláló feszültség hiányában – az egyenirányító nem szolgáltat egyenfeszültséget az inverternek, de ehelyett az akkumulátorok adják az energiát az inverternek. Így nincs semmiféle átkapcsolás, az inverter folyamatosan, megszakításmentesen – azaz On-line módon – dolgozik és táplálja a fogyasztókat. További előnyként vehető figyelembe, hogy az On-line UPS-ek többsége rendelkezik egy beépített, úgynevezett statikus By-Pass egységgel, amelynek az a feladata, hogy esetleges meghibásodás vagy túlterhelés esetén az UPS kimenetére csatlakoztatott fogyasztókat azonnal a hálózatra kapcsolja, hogy ne szakadjon meg azok energiaellátása.

Az előbbiekből kitűnik tehát, hogy az On-line technológia legfőbb előnyei között tartható számon a zavaroktól mentes és tiszta, valamint átkapcsolás nélküli folyamatos kimeneti feszültség.
Sajnos azért vannak kedvezőtlenebb tulajdonságai is, úgymint például a – technológiából adódó – bonyolultabb felépítés, a nagyobb méret és súly, a nagyobb veszteség, és persze a magasabb vételár is.
Látható tehát, hogy az egyszerűbb és olcsóbb UPS-ek inkább a kevésbé fontos fogyasztók, jellemzően az otthoni számítógépek, telefonközpontok, kisebb biztonsági világítási hálózatok, felügyeleti és biztonsági rendszerek szünetmentes energiával történő ellátására alkalmasak.

A sokkal fontosabb fogyasztók, mint például a számítógépes szerveregységek és -hálózatok, az orvosi és labor műszerek, az analizátorok számára csak az On-line technológiájú UPS képes biztosítani azt a magas szintű védelmet, amit ezek a fogyasztók és alkalmazások megkövetelnek. Ezek az UPS-ek a kimeneti teljesítményük tekintetében viszont sokkal szélesebb tartományt fednek le, mint az Off-line UPS-ek, mivel már 1 kVA-től a több száz kVA teljesítmény igényű fogyasztókat és hálózatokat is képesek táplálni.
Végezetül, de nem utolsó sorban szót kell még ejteni egy harmadik technológiáról is, amely felhasználói szemmel nézve, első pillantásra ötvözi az Off-line és az On-line technológia néhány előnyét. Ez a technológia az úgynevezett Delta-konverzió, amelyet az ilyen berendezések forgalmazói rendszerint On-line, Dupla-konverziós berendezésnek adnak el, pedig nem az!

4. sz. ábra – Az on-line UPS elvi felépítése (nagyításhoz kattintson a képre)

A technológia előnye az, hogy normál üzemben – a betápláló villamos hálózat jelenléte esetében – a fogyasztókat valójában a hálózat táplálja, így érhető el a valódi On-line berendezéseknél jobb (97-98%-os) hatásfok. A közvetlen hálózati üzemből adódó hátrányokat (zavarok, tranziensek, feszültség letörések stb.) úgy próbálja a technológia kiszűrni, hogy a hálózattal egy időben – párhuzamosan – a kimenetre táplál az inverter is.

Ennek eredményeképpen kiszűrhető a hálózat felől érkező hibák és zavarok nagyobb része, de ez nem közelíti meg a valódi On-line berendezések által nyújtott kimeneti biztonságot és zavarmentességet. A forgalmazók előnyként állítják be még a kimeneti teljesítmény viszonylatában az ideális teljesítménytényezőt, ami 1. Ez azt jelenti, hogy ez az UPS – ha normál üzemben működik – ugyanúgy képes 10 kVA-nyi teljesítmény táplálására, ahol a teljesítménytényező – cos φ – általában 0,8 értékű, mint akár egy 10 kW-os – 1-es cos φ értékű – fogyasztó táplálására. Teheti ezt azért, mert – mint láttuk – normál üzemben a fogyasztók közvetlenül a hálózatból kapják a tápellátást, amely egy „szinte végtelenül” terhelhető áramforrás, szemben a valódi On-line berendezésekkel, ahol a kimeneti teljesítménytényező rendszerint csak 0,8, ami azt eredményezi, hogy ezek 10 kVA névleges teljesítmény mellett „csak” 8 kW hatásos teljesítményt tud nyújtani. Ez a látszólagos előny (10 kVA/10 kW) a kimeneti teljesítmény tekintetében csak addig tart, amíg az UPS bemenetét a villamos hálózat táplálja. Abban az esetben, amikor ez megszűnik, vagy zavar lép fel és az UPS emiatt akkumulátoros üzemre kapcsol, az inverternek egyedül kell ellátnia fogyasztókat: ekkor már nem képes a 10 kW-nyi energia szolgáltatására.

Látható tehát, hogy a Delta-konverzió néhány látszólagos előnyös tulajdonsága folytán (magasabb hatásfok, 1-es kimeneti teljesítménytényező) sem tud megfelelni azoknak a követelményeknek, amelyeket csak és kizárólag a valódi, On-line, Dupla-konverziós szünetmentes áramforrások képesek biztosítani az igényes és érzékeny fogyasztók számára.