Pro správné určení záložního zdroje je třeba znát odpověď na několik otázek. Čím přesnější odpověď, tím jistěji vložíme někdy nemalé finance do optimálního produktu. Na základě odpovědí můžeme definovat požadovaný typ UPS. Pokud nemůžete zjistit dále uvedené informace, lze užít zkrácený postup, který vychází ze zkušeností našich pracovníků získaných při dodávkách mnoha tisíc UPS v průběhu 18 let.

Nejdůležitější informace pro rozhodnutí o výběru UPS jsou : Výkon UPS Topologie UPS Doba zálohování Paralelní chod Harmonické zkreslení By-pass Komunikace Servis Ostatní.

Pokud si však kupujete UPS poprvé, nebo potřebujete složitější (výkonnější) záložní systém, potom jsou Vám k dispozici naše znalosti získané 18 – letou specializací v oboru. Velmi rádi Vám zodpovíme veškeré Vaše dotazy a pomůžeme při návrhu záložního systému nebo Vám přímo zpracujeme projekt.

Výkon UPS

Základním parametrem pro výběr záložního systému je určení požadovaného výkonu UPS. Tento výkon P se udává ve VA (voltampérech) a je dán součinem efektivních hodnot napětí a proudu : P = U x I ; nazývá se zdánlivý výkon. Pro správné určení nominálního výkonu je třeba znát charakter zálohované zátěže, která má určující vliv na průběh dodávaného proudu.

Z tohoto pohledu rozlišujeme dva základní typy zátěží:

lineární – nedochází ke zkreslení proudu, může pouze dojít k fázovému posunu mezi proudem a napětím, které mají sinusový průběh

nelineární – vynucený průběh proudu nemá sinusový tvar V obou případech charakterizuje zátěž ještě tzv. účiník = power factor PF, jehož hodnoty se v praxi pohybují v rozmezí 0,5 – 1,0. Toto číslo vyjadřuje poměr mezi činným výkonem PW a zdánlivým výkonem P, PF = PW/P

Činný výkon představuje tu část, která se na reálném odporu přemění v teplo. Při použití lineární zátěže vyjadřuje power factor fázový posun j mezi proudem a napětím : PF = cosj Pro lineární odporovou zátěž platí cosj = 1 a P = PW. Power factor je obtížné přesně spočítat a obvykle se určuje na základě měření použité zátěže.

Příklady: power faktor počítačové zátěže : PF = 0,55; power faktor zálohovaných zátěží v obchodním domě : PF = 0,8

Poznámka: většina zátěží v aplikacích je nelineární

Současně je třeba zvážit charakter zátěže z pohledu poměru maximální hodnoty proudu a efektivní hodnoty uváděný jako crest faktor CF. Pro harmonický proud je hodnota CF = 1,141. Pro počítačovou zátěž (spínané zdroje) může tento faktor být podstatně vyšší.

Příklady: počítačová zátěž CF = 4; energetické systémy CF = 2,5

Pro výběr je třeba zvážit nejen velikost zátěže ale také typ zátěže a z něj vyplývající požadavky na účiník a crest faktor, aby vybraná UPS odpovídala potřebám zátěží.

Obecně lze doporučit, aby nově nakupovaná UPS měla cca 1,5 až dvojnásobek požadovaného výkonu známé zálohované zátěže, není pak obvykle problémem rozšíření zálohovaného systému a zajištění situací kdy zařízení pracuje, byť krátkodobě, na vyšších než jmenovitých hodnotách. Prakticky vždy není uvažován vliv účinnosti záložního systému. Přitom je to z hlediska ceny velmi podstatný údaj a tepelné ztráty mohou dosahovat ročně hodnotu od 1% do více než 12% ceny záložního systému. Žádná UPS nemá 100% účinnost, a proto je nutné zvážit tepelné ztráty. Pouze UPS topologie VFI mají vysokou účinnost v rozsahu zátěže 25% – 100% (pro paralelní redundantní systém je vždy zátěž UPS menší než 50% a velmi často i pod 35%).

Poznámka pro kvantifikování důležitosti účinnosti:

Paralelní redundantní systém 100kVA, 80% zátěž systému, za tři roky, cena 1 kWh = 2,45Kč
Topologie VFI tepelné ztráty v ceně cca 340 000 Kč
Topologie VI (Delta konverze) tepelné ztráty v ceně cca 800 000 Kč (tj. cca 44% ceny záložního systému)

Topologie UPS

Velmi podstatným parametrem výběru UPS je určení požadované topologie. Každý z typů odstraňuje některé nedostatky v napájecí síti.

V normě EN 62040-3 jsou záložní zdroje rozděleny do 3 kategorií:

VD (Voltage Dependent) – napěťově závislý (off-line)

UPS v normálním (síťovém) režimu napájí zátěž přímo ze sítě, kdy parametry sítě mohou být upravovány pasivními filtry. Střídač nepracuje. Při výpadku vstupního síťového napětí se aktivuje střídač během několika ms (cca 5 ms) a zátěž je napájena z baterií. UPS VFD odstraňuje tyto nedostatky: výpadek proudu, částečné rušení sítě

VI (Voltage independent) – napěťově nezávislý (line-interactive)

Základním rysem těchto UPS je, že napěťová a frekvenční nezávislost je pouze v bateriovém režimu. UPS v normálním (síťovém režimu) napájí zátěž přes filtry přímo ze sítě. Parametry sítě jsou upravovány síťovým přizpůsobovacím členem tak, aby vstupní napětí bylo korigováno v závislosti na jeho hodnotě. Tato korekce může být realizována skokově (přepínání odboček na autotransformátoru) nebo lineárně (Delta konverze). Střídač je synchronizován se sítí (line interactive), je však většinou ve stavu naprázdno. V režimu bez přítomnosti sítě je během několika ms energie dodávána střídačem z baterií. Nejdokonalejší UPS tohoto typu mají plynulé řízení výstupního napětí a bezspínačový přechod mezi síťovým a bateriovým režimem (Delta konverze). Některé UPS jsou vybaveny by-passem. UPS VI odstraňuje tyto nedostatky: výpadek proudu, napěťové rázy, pokles napětí, podpětí, přepětí

VFI (Voltage Frequency Independent) – napěťově a frekvenčně nezávislý (true on-line double conversion)

UPS, která zajišťuje napěťovou a frekvenční nezávislost ve všech režimech. V normálním (síťovém) režimu je vstupní napětí usměrněno a touto energií se napájí střídač. V případě potřeby jsou baterie dobíjeny. V zálohovacím režimu je napájen střídač z akumulátorů. Všechny UPS jsou vybaveny automatickým by-passem. Základním znakem těchto UPS je trvalá napěťová a frekvenční nezávislost na vstupním napětí (mimo režim by-pass). UPS umožňují mimořádně přesnou stabilizaci výstupního napětí a kmitočtu. Střídač je trvale v provozu a energie přechází dvěma přeměnami AC/DC/AC – což je někdy uváděno jako dvojí konverze. UPS VFI odstraňuje tyto nedostatky : výpadek proudu, napěťové rázy, pokles napětí, podpětí, přepětí, rušení (šumy), transientní zkreslení, frekvenční kolísání, harmonické zkreslení

Z výše uvedeného vyplývá, že systémy s topologií VFD a VI nejsou dostatečně spolehlivé pro kritické a nejnáročnější aplikace. Pro praktickou realizaci je podstatné rozhodnutí o připojení do elektrické sítě.

UPS jsou k dispozici v provedení vstup : výstup – 1fázový : 1fázový, 3 fázový : 1 fázový, 3 fázový : 3 fázový. Pro nižší výkony do cca 3 kVA jsou dodávány zdroje v provedení 1fázový : 1fázový, pro výkon od 4 kVA jsou dodávány zdroje v provedení 3 fázový : 1 fázový (nejběžněji užívány v rozsahu 5 – 20 kVA), pro výkony od 7,5 kVA v provedení 3 fázový : 3 fázový (nejběžněji užívány pro výkony nad 10 kVA). Pro praktickou realizaci je třeba neopomenout dostatečnou dimenzaci vedení pro by-pass. Pro realizačně velmi jednoduché zapojení je vhodné použít UPS, která v režimu by-pass zatěžuje rovnoměrně všechny 3 vstupní fáze a není třeba nová elektro instalace.

Doba zálohování

Jmenovitá doba zálohování je hodnota, po kterou dokáže UPS napájet připojenou jmenovitou zátěž. Předpokladem je, že baterie UPS jsou plně nabité. Často je uváděna reálná doba zálohování, která odpovídá skutečnému zatížení UPS, které prakticky nepřekračuje 80%. Vzhledem ke skutečnosti, že akumulátory jsou velmi drahou částí záložního systému, je třeba vždy pečlivě zvážit (a to zvláště při velkých systémech) skutečně nezbytnou dobu zálohování.

Akumulátory jsou dodávány se životností:

3 – 5 roků: standardní akumulátory, užívány ve většině aplikací, hlavně u UPS do výkonu 60 kVA

5 – 8 roků: užívány ve většině aplikací pro UPS od 60 kVA

10 roků: velmi náročné aplikace

více než 10 roků: speciální aplikace, jaderné elektrárny, obrana státu

Životnost akumulátorů zásadním způsobem závisí na : způsobu dobíjení, provozní teplotě

Pro zvýšení životnosti baterií byly řadou výrobců vyvinuty šetrné způsoby dobíjení baterií. Ty spočívají především ve skutečnosti, že je časově definováno dobíjení, které neprobíhá trvale. Tímto postupem se minimalizuje koroze kladné elektrody a sulfidace obou elektrod, která způsobuje ztrátu kapacity akumulátorů. Výrobci uvádí, že zvýšení doby životnosti akumulátorů dosahuje až 50%. Provozní teplota je dána především teplotou okolí (optimalizace je tedy především otázkou pro projekt a investora).

Jak vyplývá z uvedené tabulky, je vliv okolní teploty rozhodující:

Roční průměrná teplota akumulátorů	Snížení kapacity v %
20	0
25	25
30	50
35	66
40	75
45	83

Opomíjen bývá výběr společnosti realizující výměnu akumulátorů, který se často soustřeďuje jen na cenu akumulátorů. U větších systémů je však nezbytností nastavit po výměně baterií nově parametry dobíjení. Proto je nutné, aby servisní společnost byla schopna toto nové nastavení parametrů realizovat, aby i nadále byla optimalizována životnost akumulátorů.

Paralelní chod

Paralelní chod volíme pro zajištění zvýšení výkonu záložního systému nebo pro zvýšení střední doby mezi poruchami (MTBF) (což znamená vyšší spolehlivost zálohované el.sítě).

Paralelní výkonové zapojení – tímto způsobem lze dosáhnout celé řady cílů : zvýšení výkonu záložního systému, neboť se zvýšily požadavky uživatele připojením dalších zálohovaných přístrojů, částečná redundance záložního systému, kdy v případě poruchy UPS jsou prostřednictvím předem stanoveného postupu řízeného mikroprocesorem odepnuty méně důležité zálohované systémy a funkční UPS zálohuje nejdůležitější systémy

Paralelní redundance – tj. 100% navýšení výkonu záložního sytému proti potřebnému příkonu pro zálohovaná zařízení. V případě výpadku jedné UPS přebírá celou zátěž druhá, paralelní UPS. Paralelní chod je možný pro 2 až n UPS, kde n není teoreticky omezeno. Vzhledem ke skutečnosti, že každý paralelní systém má určité ztráty, je obvyklým praktickým maximálním počtem paralelně zapojených UPS 6-8 jednotek. Většina výrobců umožňuje paralelizaci jednotek o stejném výkonu. Výhodou pro uživatele je možnost paralelizace UPS o nestejném výkonu, čímž se rozšiřuje spektrum realizovatelných paralelních výkonů.

Harmonické zkreslení

Činitel harmonického zkreslení vstupního proudu (THDI) je velmi důležitý činitel zvláště pro systém UPS – motorgenerátor. Závisí na konfiguraci vstupu UPS a částečně na napětí akumulátorů. Vysoké THDI zvyšuje zpětný vliv UPS na napájecí síť a zvyšuje se tak obsah vyšších harmonických v napájecím napětí. U běžných UPS je THDI cca 27%. Pro snížení THDI se mohou instalovat speciální 12-pulzní usměrňovače, které snižují THDI pod 10%. UPS s Delta konverzí mají THDI cca 8 – 13%, to se velmi silně zhoršuje při nižších zátěžích. Speciálně řešené UPS mají potom zkreslení pod 5%.Pro systém UPS-MTG je hodnota THDI velmi důležitá, pokud výkon motorgenerátoru není alespoň dvakrát vyšší než výkon UPS. V těchto případech je třeba použít některé z uvedených speciálních řešení s nízkou hodnotou THDI.Dalším parametrem ovlivňujícím určení parametrů systému UPS-MTG je vstupní Power Factor. Obvyklá hodnota pro velké systémy je cca 0,8 a lze dosáhnout až hodnotu 1. Pro nižší hodnoty Power Factoru je nezbytný zvýšený výkon generátoru.

BY-PASS

By-pass je velmi podstatnou funkcí všech UPS vyšších tříd. Jde v podstatě o přemostění silových obvodů UPS a napájení „přímo“ ze sítě. Do stavu by-pass se UPS přepíná v případě přetížení UPS nebo v případě poruchy UPS. Způsob připojení k síti určuje i kvalitu ochrany zálohovaného systému. Jednodušší UPS menších výkonů mají tuto funkci realizovanou na základě relátkových přepínačů a jednoduchých ochranných filtrů proti poruchám sítě. Častou závadou těchto jednoduchých systémů jsou problémy s návratem ze stavu By-pass do standardní funkce po odeznění přetížení.

Špičkový by-pass je řízen vlastním procesorem, je realizován na samostatné desce elektroniky, je synchronizován se vstupní sítí a je zcela autonomním obvodem nezávislým na dalších částech UPS. Jen tak je možno zajistit zcela bezpečné přepnutí ve všech krizových případech. Jedná se o tzv. statický by-pass. Pozornost je třeba věnovat by-passu při požadavcích na izolovanou soustavu, neboť většina výrobců dodává izolační transformátor by-passu jako dosti drahé příslušenství. Vzácně je tento problém řešen již konstrukcí UPS.

Při praktické realizaci je třeba počítat se skutečností, že i při topologii 3f : 1f je většinou by-pass připojen jen na jednu přívodní fázi a tato musí být příslušně dimenzována. Tedy při 8 kVA nestačí dimenzace 2,7 kVA , ale jedna fáze musí být dimenzována minimálně na 8kVA . Řešení s rozdělením by-passu na více fází je velmi vzácné, ale pro realizaci velmi výhodné. Pro servisní zásahy je u dokonalejších zdrojů k dispozici ruční by-pass.

Komunikace

Komunikace záložních systémů zajišťuje především : shutdown operačních systémů, analytické výsledky testování parametrů záložních zdrojů s případným dálkovým servisním nastavením Síťového software pro shutdown operačních systémů

V případě delšího výpadku síťového napětí je potřeba mít shutdownový systém, který bezpečně zajistí řádné uložení dat, uzavření aplikací a následně vypnutí výpočetní techniky. Síťový shutdownový systém umožňuje vykonat tyto kroky ve správném pořadí tak, aby byl proveden regulérní shutdown na všech serverech, které jsou napájeny ze záložního zdroje. Důležitou, ne příliš často nabízenou možností je i schopnost zahájit „rebootování“ systému teprve v okamžiku, kdy je záložní systém připraven (po nabití akumulátorů) k plné době zálohování.

SNMP Shutdown a monitorovací software

Pokud není možná komunikace po sériové lince mezi záložním zdrojem a serverem, pak je nutné použít SNMP adaptér využívající síťové komunikace tak, aby mohlo být provedeno monitorování záložního zdroje a regulérní shutdown serveru. Tato komunikace probíhá na základě SNMP protokolu (Simple Network Management Protocol). Analytický software poskytující výsledky testování parametrů záložních zdrojů. Tento software zajišťuje v případě varovných výsledků prováděných testů záložním zdrojem včasné varování popř. provedení varovného shutdownu tak, aby nedošlo ke ztrátě dat. Všechny záložní zdroje, které napájí všechny kritické aplikace, mohou být monitorovány 24 hod. denně tak, aby v případě problémů s napájením mohly podat varovné hlášení. U některých špičkových zdrojů je současně možné, aby byla dálkově provedena i servisní nastavení záložního zdroje, která zabezpečí jeho další bezpečnou funkci.

Servis

Pro UPS i přes svoji vysokou spolehlivost (MTBF se udává v řádu 100 000 hodin do poruchy) je velmi důležité, aby pro UPS byl zajištěn odborný servis. Nejdůležitějším ukazatelem je schopnost servisní organizace opravit závadu a pro důležité aplikace i doba, do kdy je servisní organizace schopna zajistit dodávku zálohované el. energie.

Větší záložní systémy by měly být v každém případě zajištěny servisní smlouvou.

Ostatní

UPS velkých výkonů mají určitou hlučnost způsobenou především systémy chladících ventilátorů. Další hluk je způsobován vysokými kmitočty z komutačních obvodů. Není proto vhodné, aby byly umístěny přímo v kancelářích pracovníků. Jde především o systémy nad 10 kVA. Pro napájení UPS z motorgenerátoru je třeba, aby byla dostatečná tolerance na změnu vstupní frekvence, aby UPS nepřecházela do stavu zálohování za přítomnosti vstupní sítě. Tolerance by měla být asi +/- 2 %.