NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE. Diplo sko delo isokošolskega stroko ega študija prve stopnje

Transcription

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko De i Krapež NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE Diplo sko delo isokošolskega stroko ega študija prve stopnje Me tor: do. dr. Marko Petko šek Ljubljana, 2016

2

3 KAZALO POVZETEK... IV ABSTRACT... V 1. UVOD ZAKAJ POTREBUJEMO NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE KRITIČNI PORABNIKI NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE KAJ JE NAPRAVA ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE UPS DELITEV UPS NAPRAV PO NAČINU DELOVANJA IN OBLIKI I)HODNE NAPETOSTI Off line UPS Line interactive UPS Online UPS REŽIMI OBRATOVANJA UPS NAPRAV Normalno obratovanje Baterijski reži Bypass reži Diag ostič i ači DELOVANJE IN SESTAVNI DELI ON-LINE UPS-A KONTROLNA ENOTA IN VRSTE KOMUNIKACIJE MOČNOSTNA STOPNJA MODULARNEGA ONLINE UPS-A Usmernik Razsmernik USTVARJANJE I)MENIČNE I)HODNE NAPETOSTI PRI NAPRAVAH UPS Razs erja je e os er e apetosti iz e ič o i PWM odula ija UPS-i z izhodnim transformatorjem UPS-i z enosmernim pretvornikom UPS-i brez izhodnega transformatorja in brez enosmernega pretvornika STIKALNI MANEVRI UPS-OV Statič o stikalo stati s it h Roč o od od o stikalo ai te a e ypass s it h Zunanje odvodno stikalo (external bypass switch) I

4 3.4.4 Preklop UPS-a a o režje ali ge erator VAROVANJE UPS-A IN DIMENZIONIRANJE VAROVALK AVTONOMIJA IN V)DRŽEVANJE UPS NAPRAV VAROVANJE BATERIJSKE OMARE IN I)RAČUN BATERIJSKIH VAROVALK I)RAČUN AVTONOMIJE BATERIJ PRI DANI OBREMENITVI TESTIRANJE STANJA BATERIJ IN KAPACITETNI TESTI VEČJIH BATERIJSKIH SISTEMOV )AKLJUČEK LITERATURA SEZNAM SLIK Slika 2.1 Priklop naprave UPS... 5 Slika 2.2: Blokovna shema offline UPS-a... 6 Slika 2.3: Dvig vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =260 V, U IZH =260 V)... 7 Slika 2.4: Padec vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =185 V, U IZH =185 V)... 8 Slika 2.5: Izpad vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =0 V, U IZH =226 V)... 9 Slika 2.6: Blokovna shema line interactive UPS-a Slika 2.7: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH=251 V, U IZH=224 V) Slika 2.8: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =207 V, U IZH =239 V) Slika 2.9: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =180 V, U IZH =210 V) Slika 2.10: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =180 V, U IZH =237 V) Slika 2.11: Izpad vhodne napetosti pri line interactive UPS-u s trapezno obliko izhodne napetosti Slika 2.12: Izpad vhodne napetosti pri line interactive UPS-u s sinusno obliko izhodne napetosti Slika 2.13: Blokovna shema online UPS-a Slika 2.14: Izpad vhodne napetosti pri online UPS-u Slika 2.15: Online UPS pri U VH = V še e preklopi aterijski reži Slika 2.16: Shema normalnega obratovanja online UPS-a Slika 2.17: Shema obratovanja UPS-a aterijske reži u Slika 2.18: Shema obratovanja UPS-a ypass reži u Slika. : Ter ič o u iče je aterij Slika 3.20: Modularni UPS [7] Slika. : Mrež a karti a Slika. : She a oč ost ega odula o li e UPS-a proizvajalca Gamatronic [7] Slika. : Moč ostni modul online UPS-a proizvajalca Gamatronic Slika 3.24: Enofazni usmernik Slika 3.25: 3 fazni usmernik Slika 3.26: Shema razsmernika [7] Slika. : Pri er PWM regula ije a klasič e UPS-u [7] Slika 3.28: UPS z izhodnim transformatorjem Slika 3.29: Toplotne izgube na transformatorju UPS-a Slika 3.30: Shema UPS-a brez transformatorja II

5 Slika 3.31: UPS brez transformatorja in brez enosmernega pretvornika [7] Slika 3.32: Shematski prikaz stikalnih elementov sistema UPS Slika. : Iz ed a statič ega stikala z otraj siste a UPS [ ] Slika 3.35: Zunanje odvodno stikalo Slika. : Pra il a i apač a eza a ečpol ega stikala za preklop UPS-a na generator [7] Slika 3.37: Dimenzioniranje varovalk pred in za UPS-om [7] Slika 4.38: Baterijska omara in varovalke za UPS znamke Gamatronic SEZNAM TABEL Tabela 4.1: Karakteristika baterije CSB GPL ob praznjenju s konstantnim tokom [9] Ta ela. : Karakteristika aterije CSB GPL o praz je ju s ko sta t o očjo [ ] III

6 POVZETEK ) diplo sko alogo se želel a jase i preglede ači predstaviti naprave za brezprekinitveno napajanje porabnikov. Pojasnil sem, zakaj potrebujemo naprave za brezprekinitveno napajanje in katere naprave so na trgu na voljo. Poglobil sem se različ e tipe naprav, razlike v njihovem delovanju in v stop ji zaščite, ki jo po ujajo. Podrobno sem opisal reži e o rato a ja naprav za brezprekinitveno napajanje, njihove sestavne dele in s testiranjem teh naprav nazorno prikazal njihovo delovanje. Predstavil sem stikalne manevre, ki jih lahko pri teh napravah izvajamo, in nevarnosti, ki pri nepravilnem ravnanju lahko nastopijo. V nadaljevanju sem opisal postopek izraču a a to o ije aku ulatorje, različ e vrste testiranja stanja akumulatorja in priporočila za zdrže a je naprave. Cilj diplomske naloge je bil seznaniti bralca o uporabi sistemov za brezprekinitveno napajanje. S testiranjem različ ih tipo apra se želel prikazati pred osti i sla osti različ ih teh ologij delo a ja naprav in tako podati ključ e informacije za pravilno izbiro tipa naprave za določe e porabnike. Ključ e esede naprava za brezprekinitveno napajanje, UPS, odvodno stikalo, avtonomija akumulatorja IV

7 ABSTRACT In my diploma I wanted to present devices for uninterruptable power supply in a transparent way. I have explained why we need uninterruptable power supplies and described different types that are available on the market. I took a closer look in various types of devices, their differences in performance and the level of protection which they offer. I have described the operation modes of uninterruptable power supplies and their components. With tests of these devices I have successfully demonstrated their operation. I have described switching maneuvers that can be performed with these devices, and the danger in case of inaccurate handling. I have also illustrated the process of calculating the autonomy of the batteries, different ways for testing the battery status and maintenance recommendations. The aim of this diploma was to inform the reader about the application of uninterruptable power supplies. By testing different types of devices I have demonstrated advantages and disadvantages of different technologies used in devices. I have also presented key information for a proper selection of the device type for a certain use. Key words: uninterruptable power supply - UPS, bypass switch, battery autonomy V

8 1. UVOD Da es si ži lje je rez električ e e ergije težko predsta lja o. Vsakodnevna uporaba električ ih apra a je postala sa ou evna. Preko raču al iko i i ter eta lahko opra lja o raz e storit e, z električ i i orodji pa si lajša o sakod e a opra ila. Izven aših do o je od električ e e ergije od is a skoraj sa i dustrija, saj električ i otorji proiz ajajo eči o potre e eha ske e ergije za poganjanje proizvodnje. Trgovine in podjetja za svoje poslovanje uporabljajo raču al iške lagaj e i POS terminale. Nenazadnje je elot o o il o i i ter et o o režje od is o od delo a ja strež ikov. Kako zelo smo odvisni od zanesljivega napajanja naprav, spoznamo v bolnicah, nadzornih stolpih na letališčih, adzira ju i us erja ju želez iškega prometa, itd. Vendar no e o električ o o režje i % za esljivo. Motnje, kot so nihanja električ e napetosti, izpadi ali prenapetosti, nas doletijo slej kot prej. Enofazni porabniki za svoje delovanje potrebujejo iz e ič o apetost frek e e Hz i efektivne vrednosti 230 V, trifazni porabniki pa 400 V. Dovoljena so odstopanja ±10% za napetost in ±1% za frekvenco. Električ a e ergija, ki odstopa od predpisanih pogojev, se šteje za ek alitet o in ne o ogoča pra il ega delo a ja apra. Če je o režju prisot ih eliko us er iških apra, ki pret arjajo iz e ič o apetost e os er o, se to lahko poz a a o liki o rež e napetosti. Tako popače a apetost i eč pra il e si us e o like, a pak je že olj podo a trapezni. Veči a električ e e ergije se proiz ede elikih elektrar ah. Te so a ad o od ak je e od središč pora e, zato proiz ede o e ergijo pre aša o po dalj o odih. Električ o o režje je ačrto a o tako, da zagota lja či ečjo za eslji ost siste a. Cilj o režja je, da ed o zagota lja potre o električ o e ergijo pora iko. Od mesta proizvodnje do porabnika pa je eliko različ ih ele e to. Da z a jša o izgu e pri pre osu, apetost pred dalj o odo d ig e o s po očjo tra sfor atorje in jo pri pora ikih spet z iža o. Ker je o režje zazankano, so na trasi tudi raz a stikališča in razdelilne transformatorske postaje. Vsi ti elementi potrebujejo redna zdrže al a dela in izvajanje preventivnih testov. Kljub rednemu zdrže a ju so ok are ož e. 1

9 Ve dar eči o izpado po zročijo ara e esreče, ki jih i ogoče preprečiti. Udari strel, žled, poruše a dre esa i ži ali lahko poškodujejo dalj o ode ali ustvarjajo kratke stike ter s tem po zročajo prekinitve. 1.1 ZAKAJ POTREBUJEMO NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE Naprave, ki so priključe e neposredno na električ o o režje, lahko doletijo prenapetosti, izpadi in nihanja napetosti. Že samo vzdrže a je elektroenergetskega sistema (EES) zahteva o čase izklop pora iko, da o ogoči o iz aja je del v breznapetostnem stanju. Po nevihtah, oč e etru ali žledu je prav tako treba EES sistem popraviti in odstraniti posledice neurja [1]. Ob kratkem stiku na daljnovodu o rež i operater od izklopi i ga ato spet klopi. Če je kratek stik še ed o prisote, postopek po o i z daljši pre oro. V eči i pri ero kratek stik (navadno podrta veja) po nekajkratnem vklopu in izklopu voda izgine. Tako je okvara hitro odpra lje a i i potre e po daljše izklopu oda in pošilja ju tehnikov na teren. Se eda pa s o a pora iški stra i lahko pod rže i ečkrat emu kratkotrajnemu izpadu električ e e ergije [1]. Atmosferske razelektritve so pogost naravni pojav in električ i odi so ji zelo izposta lje i. Ob udarih strel se na daljnovodih pojavijo zelo velike prenapetosti. Prenapetostni odvodniki preprečijo poškod e ele e to v elektroenergetskemu sistemu, e dar če je udar strele blizu porabnikov, s o pod rže i pre apetosti [2]. Na ad o je pora iško o režje zaza ka o, to po e i, da smo napajani iz vsaj dveh daljnovodov. Torej če pride do okvare na enem daljnovodu, bomo dobili potrebno energijo preko drugega. Vendar so v primeru odroč ih kraje, do katerih odi le e dolg daljnovod, zelo pogosta nihanja napetosti. Čez da, ko je elika pora a, je od oč o o re e je i zaradi ohmskih izgub napetost na koncu daljnovoda pade. O rat o se zgodi po oči, ko je vod neobremenjen. Do izraza pride kapacitivnost dolgega oda, ki po zroči porast apetosti. Ta nihanja lahko krepko presegajo predpisane vrednosti [1]. 2

10 Vse o e je e ot je so za o čutlji ejše apra e epri er e, saj po zročajo epra il o delovanje in okvare. Ko pa imamo opravka s kritič i i siste i, ki orajo stalno obratovati - torej biti stalno pod napetostjo, neposreden priklop a o režje e pride upošte. Tukaj nastopijo sistemi za brezprekinitveno napajanje UPS- uninterruptable power supply. 1.2 KRITIČNI PORABNIKI Ker je a trgu ogro o proiz ajal e, pred se pa različ ih tipo UPS-ov, je pomembno, da naprave UPS poznamo. Poznati pa moramo tudi, kakš e rste re e o o apajali. Le tako o o lahko iz rali pri ere UPS za pora ike, ki jih želi o ščititi pred izpadi električ ega o režja. Že takoj opazimo, da so porabniki, ki jih želi o apajati, zelo različ i. V a jši pisar i želi o na primer pred izpadom električ ega o režja zaščititi ose i raču al ik, ečjih poslo ih stavbah ali proizvodnjah pa želi o zagotoviti brezprekinitveno napajanje strež iške sobe, d igala, razs etlja e, d iž ih vrat, telefo ske e trale, o toč ih črpalk, proizvodne linije, nadzornih sistemov, alarmnih naprav in video nadzora, itd. Tako imamo veliko razliko že sa o po skup i oči, ki jo želi o zagoto iti. V pr e pri eru ta z aša za ose i raču al ik približ o 600 VA, v drugem pa tudi po 100 kva. )elo različ a je tudi škoda, ki ob izpadu o režja astane. Če se a nenadoma izklopi osebni raču al ik, izgu i o kakš o uro dela, v industrijskih obratih pa lahko nastane za eč. EUR škode. Izpad o režja po zroči nepravilno zaustavitev delovne linije. Tako se lahko poškoduje o delo a e i tudi sa a obdelovalna linija. Nato astopijo stroški popra ila in izgube zaradi neobratovanja. Posledice, ki bi nastale ob nenadni prekinitvi napajanja bolniš i, letališč ali nadzornih siste o želez iškega pro eta, pa so epredsta lji e i takšnih izpadov si preprosto ne moremo privoščiti. V navedenih primerih je varovanje napajanja porabnikov z UPS-i samoumevno. Vendar tudi samo napravo UPS lahko lahko doleti okvara. Zato moramo v kritič ih siste ih zagotoviti neprekinjeno napajanje porabnikov tudi v primeru morebitne okvare UPS-a. To lahko doseže o tako, da d a ali eč UPS-o eže o zporedno. Tako povezane naprave UPS obratujejo v t.i. paralelne reži u. Ob okvari enega UPS-a bodo ostali UPS-i paralel e reži u zagotovili nemoteno napajanje porabnikov. Druga rešite pa so t.i. modularni UPS-i. Ti so sesta lje i iz eč a jših e ot oz. modulov. Tako ob 3

11 morebitni okvari enega modula ostali še ed o zagota ljajo epreki je o apaja je. Na ad o so ečjih siste ih ključe i tudi dizelski ge eratorji, ki zagota ljajo daljšo a to o ijo pri ečjih očeh. Tako je naloga UPS-a zagotoviti napajanje, dokler ni generator v polnem zagonu. Od rste pora iko je od ise tudi zahte a čas a to o ije. Tipiče čas a to o ije UPS-a je okrog 5-10 minut. Tako nemoteno napajamo porabnike ob kratkotrajnih izpadih električ ega o režja. Če pa pride do daljšega izpada o režja, v eči i pri ero želi o, da e ote o ko ča o in shranimo svoje delo, varno zaustavimo linijo in pravilno izključi o naprave. Zato ečina UPS-ov o ogoča komunikacijo z zunanjimi napravami. Tako lahko ob daljše izpadu sproži o a to atično varno zaustavitev strež iko ter ostalih naprav. 4

12 2. NAPRAVE ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE 2.1 KAJ JE NAPRAVA ZA BREZPREKINITVENO NAPAJANJE UPS UPS je elektronska naprava, katere glavna naloga je zagotavljanje brezprekinitvenega napajanja porabnikov. Pora ike ki jih želimo brezprekinitveno napajati, priključi o a napravo UPS, samo napravo pa a električ o o režje. Na sliki 2.1 je prikazan priklop porabnikov na napravo UPS. Slika 2.1 Priklop naprave UPS UPS vsebuje akumulatorje in oč ost o elektro iko. Veči a UPS apra deluje tako, da oč ostna elektronika o prisot osti o režja skrbi za napolnjenost akumulatorjev. Ob primeru izpada električ ega o režja akumulatorji zagotavljajo potrebno enosmerno napetost, ki jo oč ost a elektro ika razs eri iz e ič o apetost V, Hz. Tako lahko naprava UPS napaja porabnike tudi, ko pride do izpada električ ega o režja. Tak opis delovanja naprav za brezprekinitveno apaja je je se eda zelo posploše. Na trgu o staja eč različ ih tipov UPS-ov. Ti se razlikujejo po izhod i oči, o liki izhod e napetosti in ači u delo a ja ter varovanja porabnikov. 5

13 2.2 DELITEV UPS NAPRAV PO NAČINU DELOVANJA IN OBLIKI IZHODNE NAPETOSTI Off line UPS To so aj e ejše in ajpreprostejše iz ed e UPS-ov. Primerni so za napajanje ekritič ih porabnikov (navadno osebnih raču al iko. Izhod a apetost je trapez e o like, oč od 400 VA do 1000 VA, čas apaja ja pa okrog i ut. Njiho a os o a aloga je, da v primeru nenadnega izpada električ ega o režja zagotovijo napajanje porabnika. Tako lahko uporabnik pra očas o shra i svoje delo a raču al iku in varno zaustavi sistem. Njihova prednost je predvsem v ceni, saj zaradi svoje preprostosti ne vsebujejo veliko komponent. Na sliki 2.2 je blokovna shema offline UPS-a. Slika 2.2: Blokovna shema offline UPS-a Offline UPS bo reži u or al ega o rato a ja breme napajal neposredno z električ o e ergijo iz o režja. Ob primeru izpada bo breme preklopil na laste ir električ e e ergije. Čas preklopa z aša tudi do s [3]. V o režju je porast in padec napetosti pogost pojav. Ker offline UPS nima regulatorja napetosti, bo na porabniku napetost nihala. Stanje, ki se pojavi pri dvigu in padcu vhodne napetosti, je vidno na slikah 2.3 in 2.4. Za prikaz delovanja offline UPS-a sem testiral model proizvajalca PowerWalker VFD 600 [3]. Pri vseh testiranjih sem na izhod UPS-a kot breme priključil W žar i o a žaril o itko. Na sliki 2.3 je prikazana vhod a oz. o rež a 6

14 napetost v modri barvi, izhodna napetost UPS-a pa je prikaza a z rdečo ar o. Na sliki 2.3 vidimo da offline UPS ob porastu vhodne napetosti na 260 V napaja porabnike z enako napetostjo tudi na izhodu. Slika 2.4 pa kaže primer, ko je na vhodu napetost 185 V. Tudi v tem primeru testirani offline UPS na izhodu napaja porabnike z enako vrednostjo napetosti. Slika 2.3: Dvig vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =260 V, U IZH =260 V) 7

15 Slika 2.4: Padec vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =185 V, U IZH =185 V) Offline UPS bo ob prekoračit i spod je ej e red osti hod e apetosti, ki pri te odelu z aša okrog V, ed o preklopil na napajanje preko baterij. Posledica je pogosto praz je je aterij, ki skrajša njihovo ži lje jsko dobo, i pogosti adlež i alar i, ki ja ljajo, da je UPS preklopil aterijski ači. UPS-i izvedbe online ali line interactive v istih razmerah vhodne napetosti zagotavljajo nemoteno napajanje porabnikov. Na sliki 2.5 je prikazano delovanje UPS-a, ko se vrednost vhodne napetosti z iža pod 185 V, oziroma ko pride do izpada vhodne napetosti. V obeh primerih UPS preklopi v baterijski ači. Breme je napajano z iz e ič o apetostjo trapezne oblike. 8

16 1 Slika 2.5: Izpad vhodne napetosti pri offline UPS-u (U VH =0 V, U IZH =226 V) Iz oscilogramov 2.3 in 2.4 vidimo, da tak UPS zaradi odsotnosti regulatorja napetosti AVR (automatic voltage regulator) dopušča zelo elika iha ja napetosti na porabniku. Tako smo pri testiranju offline UPS-a pri simulaciji nihanja o rež e apetosti ideli, da tak UPS porabnike napaja z napetostjo velikosti vse od 185 V pa do 260 V. Zato se offline UPS-ov raje izogi a o, saj za ale kost išjo ceno dobimo t.i. line interactive UPS-e, ki so neprimerno oljši Line interactive UPS Tako kot offli e UPS o tudi li e i tera ti e UPS pri eru izpada o režja preklopil breme a laste ir električ e e ergije. Preklop i časi so ekajkrat krajši od tistih pri offli e UPS-ih. Tako lahko a takše UPS priključi o tudi o čutlji ejšo opremo in raču al ike adzor ih sistemov. Ponujajo pameten RS232 ali USB vmesnik za nadzor porabe energije, funkcijo hladnega zagona in samodejnega ponovnega zagona. Hladni zagon pomeni, da lahko UPS zaže e o tudi, ko i priključe a o režje. Po daljše izpadu, ko je UPS že izpraz il aterije i izključil pora ike, o sa odej i po o i zago o r it i o rež e apetosti a to atsko zagoto il po o o apaja je pora iko i začel pol iti aterije. Oblika izhodne napetosti 9

17 line interactive UPS-a je pri eči i odelo trapez e o like, kar pa za eči o elektro skih apra e po zroča teža. Line interactive UPS-i imajo vgrajen avtomatski stabilizator napetosti AVR. Ta skrbi, da v primeru padca oziroma dviga o rež e napetosti apetost a izhodu e presega določe e zgornje oziroma spodnje meje. Pri testiranju offline UPS-a smo videli, da lahko ob nihanju vhodne napetosti porabnika napajamo z napetostjo velikosti od 185 V pa vse do 260 V. To so že zelo ej e red osti, e dar jih a j o čutlji e apra e še pre esejo. Vsekakor pa takš a iha ja i isoke red osti apetosti skrajšujejo ži lje jsko do o apra i po ečujejo ož ost ok ar. Iz blokovne sheme na sliki 2.6 idi o, da je o prisot osti o rež e apetosti pora ik vedno napajan preko AVR-ja. AVR je pra zapra a to tra sfor ator z eč od epi. Za prikaz delovanja UPS-a z regulatorjem napetosti AVR sem testiral line interactive UPS znamke APC [4]. Dokler je vhodna napetost v mejah od 210 V do 250 V, se e zgodi ič i enaka vrednost napetosti napaja breme. Slika 2.6: Blokovna shema line interactive UPS-a Ko pa vhodna apetost preseže V, elektronika s po očjo releje iz ede preklop i z iža šte ilo o oje na izhodnem transformatorju. Po takš e preklopu do i o sta je, ki je vidno na sliki 2.7. Pri vhodni napetosti 251 V dobimo na izhodu z iža o apetost a V. 10

18 Slika 2.7: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH=251 V, U IZH=224 V) Podobno se zgodi, ko vrednost vhodne napetosti pade pod 210 V. AVR zopet preklopi odcep transformatorja. S preklopom izhodnemu transformatorju doda šte ilo o ojev in tako dvigne izhodno napetost. Na sliki 2.8 lahko vidimo, kako se vrednost izhodne napetosti pri testiranemu UPS-u po eča za 30 V. 11

19 Slika 2.8: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =207 V, U IZH =239 V) Vrednost vhodne napetosti se torej lahko giblje od 209 V do 180 V, izhodna napetost pa je zaradi delovanja AVR-ja o očju od 239 V do 210 V. Na sliki 2.9 je prikazano sta je še aj ižje vrednosti vhodne napetosti pred ponovnim preklopom AVR-ja (UVH= 180 V, UIZH= 210 V ). 12

20 Slika 2.9: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =180 V, U IZH =210 V) Če se hod a apetost še dodat o z iža pod V, potem AVR izvede drugi preklop in po o o doda šte ilo o oje a izhod e tra sfor atorju. Tako izhod o apetost z iša za še dodat ih V. Slika 2.10 kaže izhodno napetost, ki je za V ečja od hod e. Slika 2.10: Delovanje AVR-ja pri line interactive UPS-u (U VH =180 V, U IZH =237 V) 13

21 AVR torej skrbi, da izhod a apetost e prekorači zgor je eje V in spodnje 210 V. Ko pa vhodna napetost pade pod 150 V, je AVR i eč z ože d ig iti a predpisa i o. UPS bo v tem primeru prešel aterijski reži in pričel razs erjati aterijsko apetost V iz e ič e apetosti. Line interactive UPS-e delimo po obliki razsmerjene izhodne napetosti, ki jo ustvarja v aterijske reži u. Poz a o izvedbi s trapezno ali pa s sinusno obliko izhodne napetosti. Na sliki 2.11 je simuliran izpad vhodne napetosti pri line interactive UPS-u znamke SAMURAI s trapezno obliko izhodne napetosti [5]. V egati i polperiodi je prišlo do izpada. Vse motnje je UPS spustil naprej na porabnika in v naslednji poziti i polperiodi že ge eriral lastno, trapezno izhodno napetost. Ob preklopu je opazen tudi ezaželen prehodni pojav. Vidna je tudi po eča a izhodna napetost ob pričetku delo a ja razs er ika, ki pa se v nekaj periodah z a jša na pravo vrednost. Slika 2.11: Izpad vhodne napetosti pri line interactive UPS-u s trapezno obliko izhodne napetosti 14

22 V naslednjem primeru si poglejmo delovanje line interactive UPS-a znamke APC s sinusno obliko izhodne napetosti [4]. Na sliki 2.12 imamo stanje, ko nastopi izpad vhodne napetosti v začetku poziti e polperiode. Pri testiranem UPS-u lahko vidimo, da UPS hitro preklopi na lastno generirano izhodno napetost. Vendar sta prvi dve generirani pozitivni polperiodi izhodne napetosti še oč o popače i. Podo o popače je asta e tudi, ko astopi izpad negativni polperiodi vhodne napetosti. V takem primeru pa i a o popače je a pr ih d eh polperiodah negativne izhodne napetosti. Nato se stanje normalizira in na izhodu imamo čisto si us o apetost, s katero lahko dalj časa apaja o tudi zahte ejša re e a. Slika 2.12: Izpad vhodne napetosti pri line interactive UPS-u s sinusno obliko izhodne napetosti Pomembno je vedeti, da line interactive UPS-i napajajo porabnike neposredno z električ o energijo iz o režja vse dokler ne pride do izpada napetosti. Kljub AVR-ju imamo na porabnikih še ed o iha ja o očju od V do V. Omeniti velja tudi hitre poraste oziroma padce napetosti, ki nastopijo med samim preklopom AVR-ja. Torej na napravah, ki jih napajamo s takš i UPS-om, lahko pričakuje o hitra nihanja napetosti velikosti ±30 V v o očju od V do V. Sam preklop v primeru izpada je hiter in v predpisanem o očju ekaj iliseku d. Gre pa o e iti, da imamo v prvih periodah lastno generirane iz e ič e apetosti prisot a popače ja in odstopanja od pravilnih vrednosti. V primerjavi z 15

23 offline UPS-i so li e i tera ti e daleč pri er ejši pri varovanju porabnikov pred nihanji in izpadi napetosti. Testirani UPS znamke APC s sinusnim izhodom je pre ej razširje a področju aro a ja strež iko. Svojo nalogo varovanja porabnikov pred izpadi napetosti opravlja dobro. Ti UPS-i so se vgrajevali pred pri liž o peti i leti, ko so bile cene online UPS-o še pre ej išje, kot so danes. Tako lahko opazimo trend, da se a esto e ja e iztroše ih aterij i ser isira ja takih line interactive UPS-ov raje odloča o za grad jo o ega o li e UPS-a. Razlog za to je, da line interactive UPS napaja porabnike z napetostjo neposredno iz o režja. Vendar je apetost o režju daleč od popol e si usuide, tako da sa popače ja i išjehar o ske motnje, ki so prisot e o režju, preidejo a aše pora ike. Če te u prišteje o še iha ja napetosti i preklop e čase line interactive UPS-ov pri izpadih napetosti, lahko hitro vidimo, da za napajanje o čutlji e elektro ike i kritič ih pora iko takš i UPS-i niso primerni Online UPS Online UPS-i delujejo na principu dvojne pretvorbe. To pomeni, da električ o e ergijo iz o režja ajprej pret orijo e os er o apetost, s katero zdržujejo napetost na baterijah. Nato iz enosmerne napetosti generirajo izhodno napetost sinusne oblike, ki napaja breme. Tak pri ip d oj e pret or e električ e e ergije o ogoča, da se ot je iz o režja e prenesejo na izhodno napetost UPS-a. Odsot ost ote j iz o režja in konstantna sinusna napetost pri določe ih pora ikih o čut o podaljša ži lje jsko dobo. S slike 2.13 vidimo, da online UPS, v reži u normalnega obratovanja, vedno razsmerja izhodno napetost iz enosmernega vmesnega tokokroga (DC link). Na enosmerni vmesni tokokrog so priključe e tudi aterije, ki skr ijo, da je enosmerna napetost prisotna tudi ob izpadu o rež e apetosti, ko UPS deluje v aterijske reži u. Tako je zagotovljeno neprekinjeno delovanje razsmernika i posledič o epreki je a izhodna napetost UPS-a. 16

24 Slika 2.13: Blokovna shema online UPS-a Kot je razvidno s slike 2.14, ob primeru izpada vhodne napetosti ali motenj a o režju preklop ega časa na izhodu UPS-a ni, saj je izhodna napetost vedno generirana iz enosmerne napetosti na DC linku. Slika 2.14: Izpad vhodne napetosti pri online UPS-u 17

25 Online UPS tudi ne potrebuje AVR-ja, saj imamo zaradi dvojne pretvorbe na izhodu vedno napetost pravilne velikosti. Vhodna napetost, a katero je priključe UPS, se zgolj pretvori v enosmerno napetost in napaja baterije. Še e a pred ost o li e UPS-a je prikazana na sliki Testirani online UPS znamke Samurai [6] tudi pri zelo nizki vhodni napetosti (110 V še ed o o ratuje v reži u or al ega o rato a ja i e preklopi aterijski ači. To je zato, ker potrebuje vhodno iz e ič o napetost zgolj za usmerjanje v enosmerno apetost. Če je red ost us erje e apetosti še do olj elika, lahko UPS e ote o obratuje. Line interactive UPS bo, ko vhodna napetost pade pod 150 V, že preklopil v aterijski ači i pričel praz iti aku ulatorje. O li e tip UPS-a pa istih pogojih še vedno zagotavlja normalno obratovanje z napolnjenimi akumulatorji. Slika 2.15: Online UPS pri U VH =110 V še e preklopi v aterijski reži Online tip UPS-a je zato aj oljši zagota lja ju res ič o epreki je ega apaja ja pora iko. Upora lja se ga a seh področjih, kjer je potrebna 100% zanesljivost in kako ost električ e e ergije. )aradi širokega področja upora e so tudi oči online UPS-ov od 800 VA pa vse do nekaj 100 kva. 18

26 2.3 REŽIMI OBRATOVANJA UPS NAPRAV Napra e UPS o ratujejo eč različ ih ači ih. Poznamo normalno obratovanje, baterijski reži, AVR reži ter stanje, ko je aktivirano odvodno stikalo (bypass). Ko naprava izvaja teste delovanja, reče o, da je diag ostič e ači u. Vsak tip UPS-a lahko zaradi svoje izvedbe deluje le določe ih reži ih. UPS deluje v treh glavnih reži ih. Ko je vklopljen, je v normalnem obratovanju, ob izpadu o režja pa preklopi a aterijski ači. Ko je re e priključe o eposred o a o režje, reče o, da je ypass ači u, o iz aja ju testo pa diag ostič e ači u Normalno obratovanje Offline tip UPS-a i a zgolj tipko za klop apra e. Ko je apra a ključe a, je UPS reži u normalnega obratovanja. Baterije se polnijo, v primeru izpada o rež e apetosti pa UPS preklopi aterijski reži. Line interactive UPS reži u or al ega o rato a ja skr i, da je izhodna napetost pravilne velikosti. Če astopi dvig ali padec napetosti, UPS aktivira stabilizator napetosti in preide v AVR reži o ratovanja. Usmernik skrbi za pravilno napetost na baterijah, v primeru izpada o rež e apetosti pa UPS preklopi aterijski reži. Online UPS je glede reži o delo a ja olj spe ifiče. Ko priključi o o li e UPS a o rež o napetost, o še preden pritisnemo tipko za vklop us er iški del zagotavljal napetost na enosmernem vmesnem tokokrogu in polnil baterije. Na izhodnih sponkah UPS-a pa bo že prisotna izhodna napetost. To je zato, ker je odvodno stikalo (bypass) UPS-a ključe o. Ko pa zaže e o UPS, o ta ajprej si hro iziral lastno generirano napetost na razsmerniku in izhodno napetost, ki je na izhodu UPS-a. Po si hro iza iji sliši o preklop statič ega stikala (static switch), ki preklopi iz bypass reži a ''o li e'' reži. Po preklopu je UPS reži u normalnega obratovanja in breme je napajano z napetostjo iz razsmernika UPS-a. Tako reče o, da je UPS ''vklopljen''. Breme je zaščite o pred izpadom o rež e apetosti, baterije se polnijo, usmernik in razsmernik obratujeta. 19

27 Slika 2.16: Shema normalnega obratovanja online UPS-a Baterijski režim O izpadu o rež e apetosti bo UPS pričel porabljati električ o energijo iz akumulatorjev. Pri offline in line interactive tipu UPS-a se bo izvedel preklop razsmernika na izhodne sponke UPS-a. Razs er ik o iz e os er e aterijske apetosti ge eriral iz e ič o apetost V in 50 HZ. Pri online UPS-ih razsmernik neprestano razsmerja enosmerno napetost na enosmernem vmesnem tokokrogu. Pri izpadu vhodne napetosti ter prehodu v baterijski reži us er ik eč e pol i aterij i te se prič ejo praz iti. Delovanje razsmernika se ob prehodu a aterijski reži e spre e i in izhodna napetost ostane nespremenjena. Vsi tipi UPS-ov ob prehodu v baterijski reži ja ijo z oč i in vizualni alarm. Navadno UPS zapiska vsakih 5 sekund, na ko trol i plošči pa gori ora ž a lučka. 20

28 Slika 2.17: Shema obratovanja UPS-a v aterijske reži u Bypass režim V sploš e je naloga stikalnih elementov v UPS-u ta, da preklapljajo breme na razsmernik ali a o rež o apetost. Ob zagonu online UPS-a bo statič o stikalo UPS-u počakalo na sinhronizacijo in nato preklopilo re e iz o režja na razsmernik UPS-a. Breme je tako povezano na UPS v ''online'' ači u. V pri eru ok are ali če želi o UPS izključiti za potrebe servisiranja, moramo breme preklopiti iz razsmernika UPS-a eposred o a o rež o apetost. Tudi o daljši preobremenitvi UPS-a, ko breme presega 130% nazivne obremenitve, bo statič o stikalo UPS-a preklopilo re e azaj a o režno napetost in tako zavarovalo UPS pred poškod a i in pregrevanjem. Za izvajanje teh stikal ih a e ro skr i statič o stikalo. Večji UPS-i imajo vgrajeno tudi roč o odvodno stikalo, s katerim preklapljamo porabnike. Za še ečjo za eslji ost siste a primeru okvare UPS-a pa se vgrajuje zunanje bypass stikalo. Podro ejše delo a je stikalnih elementov v sistemih UPS je opisano v poglavju 3.4 STIKALNI MANEVRI UPS-A. 21

29 Slika 2.18: Shema obratovanja UPS-a v bypass reži u Diagnostični način UPS s po očjo ko trol e e ote z ira in adzoruje se para etre apra e. Veči a online UPS-o i a ož ost zag ati diag ostič i test elot ega siste a ali pa sa o klasiče test stanja baterij. Za pravilno delovanje UPS je pomembno, da so vgrajene baterije še ed o sposo e zagotoviti potrebno avtonomijo. A ži lje jska do a aterij je oč o od is a od eč dejavnikov. V napravah UPS se najbolj pogosto uporabljajo VRLA akumulatorske baterije. Na njih najbolj vpliva temperatura okolice, v kateri se nahajajo. Le nekaj C išja te peratura lahko o čut o skrajša ži lje jsko do o. Drugi pomemben dejav ik pa je šte ilo iklo, ki jih baterija naredi. Pri tem je tudi pomembna globina izpraznitve - to je aj ižja apetost, do katere izpraznimo celico. Ta a ad o z aša 1,67 V. Pri baterijah, ki i ajo kapa iteto a jšo od 18 Ah, moramo biti pozorni na vrednosti praznilnega in polnilnega toka. Praznilni tok je od ise od skup e oči re e a i a jega e ore o pli ati raze če izključi o ekritič e pora ike. Pozor i pa ora o iti a red ost pol il ega toka. Pri ečjih UPS-ih je ta nastavljiv od 1 pa do 10 A. Pri elikih toko ih o re e it ah a jših aterij se pogosto zgodi, da pride do kratkega stika v eni celici baterije. Tako je na primer pri 12 V elič i bateriji dejansko aktivnih samo 5 celic. Ker je ena celica kratko sklenjena, na njej ni padca napetosti. Posledič o se po eča pade apetosti a preostalih eli ah v bateriji. Ker so sedaj te eli e pod pre eliko apetostjo, so k alu tudi sa e pod rže e ok ari. Tako se eriž o 22

30 u ičijo se zapored o eza e aterije. O kratke stiku se oč o po iša temperatura baterije. Tako se aterije apih ejo ter u ičijo. Tak pojav je prikazan na sliki Slika 2.19: Ter ič o u iče je aterij Boljši UPS-i o ogočajo sa odej o iz aja je baterijskih testov. Nastavimo lahko, kako pogosto bo teste izvajal, kako globoko bo baterije izpraznil in kdaj bo UPS javil, da so baterije potrebne menjave. Online UPS iz ede test aterij tako, da a us er iku z iža apetost enosmernega vmesnega tokokroga. Ker je zdaj napetost a us er iku ižja od apetosti a aterijah, odo te zagotavljale potrebno napetost. Bolj kot z iža o apetost a us er iku, eč e ergije bodo morale zagotoviti baterije in bolj intenziven baterijski test bomo izvedli. UPS nato meri tok iz baterij i eleži, kako str o pada apetost a aterijskih ejah. Če se apetost a aterijah prehitro z ižuje, lahko sklepamo, da e o o eč dosegli žele e a to o ije siste a. V takem primeru UPS javi alarm, ki bo uporabnika opozoril, da je potrebna menjava. 23

31 3. DELOVANJE IN SESTAVNI DELI ON-LINE UPS-A Poz a o eliko različ ih proiz ajal e UPS naprav. Vsak ima svoj inovativen pristop do določe ih rešite. Vendar je osnovna ideja dvojne pretvorbe enaka. Vhodno o rež o napetost, naj si bo ta enofazna ali trifazna, usmerimo v enosmerno. Na DC napetost so priključe e aterije. Šte ilo aterij i elikost usmerjene enosmerne napetosti je odvisna od oči i izvedbe UPS-a. Iz enosmerne napetosti nato s po očjo oč ost ih krmiljenih polpre od iških ventilov ponovno ustvarjamo iz e ič o apetost, s katero apaja o breme. )a lažjo predsta o sesta ih delo UPS-a si podrobno oglejmo modularni UPS Gamatronic Power+ [7]. Funkcije predstavljenih komponent so enake kot pri nemodularnih UPS-ih, vendar so sestavni deli zaradi modularne izvedbe olj razčle je i i tako o ogočajo jas ejši opis. UPS i a e o ko trol o e oto i e o statič o stikalo - static switch. Skup o oč UPS-a pa določi o s šte ilo oč ost ih modulov. Ti so oči 10 kva. Na sliki 3.20 je primer 100 kva UPS-a, ki je sestavljen iz desetih modulov. 24

32 Slika 3.20: Modularni UPS [7] Prednost modularnih UPS-ov je v redundantnosti. To pomeni, da se ob morebitni okvari enega modula obremenitev razporedi na ostale module in tako je o ogoče o nemoteno napajanje bremena. Pri tem je seveda treba upošte ati, da e preseže o skup e obremenitve. Pri nemodularnih UPS-ih je treba za zagotovitev redundance priključiti dodaten UPS, ki o delo al paralel e ači u. Poleg usmernika, enosmernega vmesnega tokokroga z baterijami in razs er ika i a o še ko trol o e oto, ki skrbi za pravilno delovanje celotnega sistema in komunikacijo. Za iz aja je stikal ih a e ro pa statič o stikalo (static switch). 3.1 KONTROLNA ENOTA IN VRSTE KOMUNIKACIJE Kontrolna enota nadzoruje vse parametre v vseh modulih, zbira podatke in izvaja diagnostiko ter o ogoča neposreden nadzor nad UPS-om. Tako lahko uporabnik vklaplja, izklaplja in nastavlja parametre UPS-a. Veči a UPS-ov je opremljena s komunikacijskimi umesniki. 25

33 Pri a jših UPS-ih je to navadno povezava USB ali RS232. Tako se lahko preprosto poveže o a ose i raču al ik. S po očjo pose e progra ske opre e lahko nadziramo stanje UPSa, eleži o dogodke o režju in o daljše izpadu izvedemo varno zaustavitev sistema. Večji industrijski UPS-i o ogočajo ko u ikacijo preko MODBUS protokola in imajo tudi logič e relejske izhode dry o ta ts. Preko logič ih relejskih izhodov lahko krmilimo razne z oč e in vizualne alarme, zaustavljamo industrijske procese itd. Za UPS-e, ki so postavljeni v strež iških sobah, pa se veči o a upora ljajo rež e kartice (slika 3.21). Slika 3.21: Mrež a karti a 3.2 MOČNOSTNA STOPNJA MODULARNEGA ONLINE UPS-A Moč ost a stop ja je sestavljena iz AC/DC usmernika ter DC/AC razsmernika. Na sliki 3.22 idi o she o takš ega odula, na sliki 3.23 pa je dejanski oč ost i modul. 26

34 Slika 3.22: She a oč ost ega modula online UPS-a proizvajalca Gamatronic [7] Slika 3.23: Moč ost i odul online UPS-a proizvajalca Gamatronic Usmernik V usmer iške delu je tre a vsako fazo us eriti iz iz e ič e e os er o apetost. )a usmerja je so upora lje e us er iške diode. Pri enofaznih UPS-ih so štiri diode povezane v ostič o eza o, kot kaže slika

35 Slika 3.24: Enofazni usmernik Pri trifaznih UPS-ih pa usmerjamo vsako fazo, kot je razvidno na sliki Slika 3.25: 3 fazni usmernik Razsmernik Za razsmerjanje se najpogosteje uporablja IGBT tranzistorje [2]. S PWM (Pulse Width Modulation) krmilimo tranzistorje tako, da do i o a izhodu želeno napetost velikosti 230 V in 50 Hz. Vezava krmiljenih polpre od iških e tilo je a podana sliki

36 Slika 3.26: Shema razsmernika [7] 3.3 USTVARJANJE IZMENIČNE IZHODNE NAPETOSTI PRI NAPRAVAH UPS V baterijah in na enosmernem vmesnem tokokrogu imamo enosmerno napetost. Velikost e os er e apetosti je pri a jših UPS-ih le 12 V, pri UPS-ih ečjih oči pa ečja. To e os er o apetost ato razs eri o iz e ič o. Na izhodu UPS-a mora biti iz e ič a napetost velikosti 230 V. Da pridemo do te vrednosti na izhodu, se poslužuje o d iga apetosti. Na žele o red ost lahko d ig e o e os er o apetost prede jo razs eri o iz e ič o, ali pa z iša o apetost, ko je ta že razs erje a Razsmerjanje enosmerne napetosti v izmenično in PWM modulacija Za ust arja je iz e ič e apetosti frek e e Hz potre uje o kr ilje e polpre od iške ventile. Za pravilno krmiljenje teh ventilov pa potrebujemo krmilno logiko oz krmilno napravo. Ta bo v pravilnem zaporedju vklapljala in izklapljala polpre od iške ventile. Na sliki 3.27 je predstavljen preprost princip enofaznega razsmerjanja s pulzno-širi sko modulacijo (PWM). 29

37 Slika 3.27: Pri er PWM regula ije a klasič e UPS-u [7] S PWM regulacijo razsmerjamo enosmerno napetost Vbat. Za prvo polperiodo krmilimo tranzistorja A in B. Tranzistor A pulzno-širi sko kr ili o tako, da do i o apetost, ki je či bolj podobna sinusni. Medtem je tra zistor B es čas odprt. Za negativno polperiodo krmilimo par C in D. Tranzistor C pulzno-širi sko krmilimo, tranzistor D je odprt. Na področju oč ost e elektroteh ike poz a o eč različ ih rst polpre od iških e tilo. Za naprave UPS sta ajpri er ejša IGBT i ipolar i tra zistor. V upora i sta o e različi i, čepra se pri ečjih očeh proiz ajal i raje za ašajo a IGBT tra zistorje. Njihova prednost je a jši o čutlji osti a toko e preo re e it e, a jši pora lje i oči za kr ilje je, a jše kr il e izgu e ter a jše u šte ilu pora lje ih ko po e t za iz ed o kr il ega vezja. Tako se v praksi uporabljajo bipolarni tranzistorji pri preklopnih frekvencah od 2 do 3 khz ter IGBT tranzistorji pri preklopnih frek e ah išjih od khz [8] UPS-i z izhodnim transformatorjem Uporaba izhodnega transformatorja je aj e ejša in ajpreprostejša iz ed a d iga izhod e napetosti. Kot vidimo iz blokovne sheme na sliki 3.28, vhodno napetost usmerimo v enosmerno. Razsmernik deluje kot polnilnik za baterije. V primeru izpada vhodne napetosti razsmerjamo enosmerno baterijsko napetost. Ta je pri a jših UPS-ih od 12 V do 48 V, pri ečjih napravah še išja. Če i a UPS na primer samo dve bateriji, bo PWM razsmernik 24 V e os er e apetosti razs eril iz e ič o apetost frekvence 50 Hz. To iz e ič o napetost pa potem s po očjo tra sfor atorja dvignemo na 230 V, 50 Hz. 30

38 Izhod i tra sfor ator je lahko iz ede tako, da o ogoča še fu k ijo AVR-ja. Tako pri line interactive UPS-ih združi o d e ko po e ti e o. Sla a stra takš e iz ed e je se eda elika teža UPS-a, velik volumen in segrevanje tra sfor atorja. To po zroča elike izgu e, sploh pri UPS-ih s trapezno napetostjo. Ker so a ad o iste ohišju tudi aku ulatorji, jih tra sfor ator segre a i s te skrajšuje ži lje jsko do o. Slika 3.28: UPS z izhodnim transformatorjem UPS o ratuje ur a da se d i letu. Do ro predsta o, koliko e ergije se troši a transformatorjih, nam da slika 3.29, narejena s toplotno kamero. Temperatura na tra sfor atorju se gi lje okrog C. Večji UPS-i i ajo tudi ali eč ečjih tra sfor atorje. Tako je last a pora a takš ih naprav pre ejš a pri erja i z UPS-i z enosmernim pretvornikom. 31

39 Slika 3.29: Toplotne izgube na transformatorju UPS-a UPS-i z enosmernim pretvornikom ) raz oje teh ologije i tež jo po či ečjih izkoristkih so upora o prišli e os er i pretvorniki. Velika prednost UPS-ov s takš o iz ed o d iga apetosti je olu u i teži apra e. Ta izvedba se navadno uporablja pri online UPS-ih, pred osti pa pridejo še pose ej do izraza pri napravah ečjih oči. Slika 3.30: Shema UPS-a brez transformatorja 32

40 3.3.4 UPS-i brez izhodnega transformatorja in brez enosmernega pretvornika Pri ečjih napravah se lahko z upora o elikega šte ila aterij izog e o tako upora i transformatorja kot tudi enosmernega pretvornika. Takš e iz ed e je tudi UPS z a ke Gamatronik, model Power+ [7]. Pri takš i iz ed i iz 3 fazne o rež e napetosti s po očjo us er ika ustvarimo 425 V pozitivne enosmerne napetosti in 425 V negativne enosmerne napetosti. Tako imamo na enosmernem vmesnem tokokrogu priklopljenih voltnih baterij na pozitivno DC vejo (+425 V) in 32 baterij na negativno DC vejo (-425 V). Celi e aterij praz i o do, V, to po e i da sta dard o elič o aterijo izpraz i o do, V. Pri aj olj izpraz je ih aterijah tako še ed o do i o do olj isoko enosmerno apetost, V za razs erja je iz e ič o faz o apetost [3]. Takš a iz ed a je shematsko prikazana na spodnji sliki Slika 3.31: UPS brez transformatorja in brez enosmernega pretvornika [7] Zaradi visoke enosmerne napetosti baterij ni nobene potrebe po transformatorju ali enosmernem pretvorniku. Tako lahko doseže o zelo isoke izkoristke, zaradi a jšega šte ila elektro skih ko po e t pa i a o a jše ož osti ok ar. Sla a stra takš e izvedbe je seveda veliko šte ilo aterij. Teža o je ajti e o o ugod o i za eslji o rešite za zahtevano avtonomijo sistema. 33

41 3.4 STIKALNI MANEVRI UPS-OV O stikal ih a e rih go ori o, ko siste UPS preklaplja pora ika a o rež o apetost oz. na izhod razsmernika. Za izvaja je stikal ih a e ro siste ih UPS skr i eč loče ih stikalnih elementov. Slika 3.32 shematsko kaže vse elemente. Statič o stikalo se ahaja otra josti UPS-a, roč o od od o stikalo pa je navadno na hrbtni strani UPS-naprave. Zunanje odvodno stikalo je loče o od UPS-a in montirano znotraj elektro omare ali na zid, poleg UPS naprave. Slika 3.32: Shematski prikaz stikalnih elementov sistema UPS Statično stikalo (static switch) Funkcija statič ega stikala je iz aja je stikal ih a e ro, ata č eje preklop bremena na o rež o hod o apetost ali drug vir ob okvari UPS-a, ter priklop bremena na razsmernik o zago u. Statič o stikalo lahko s po očjo oč ost ih tra zistorje i releje preklaplja velike tokove v zelo kratkih časih. Statič o stikalo je torej izvedeno znotraj samega UPS-a, kot je razvidno s slike Krmili ga kontrolna enota. Ta skrbi, da sta pred preklopom napetost na izhodu razsmernika in o rež a (bypass) napetost sinhronizirani. 34

42 Slika 3.33: Izved a statič ega stikala z otraj siste a UPS [7] Statič o stikalo torej preklopi breme iz bypass-a na razsmernik ob zagonu UPS-a. Ko izključi o UPS, preklopi breme iz razsmernika nazaj na o režje. Preklop se zgodi tudi, ko odstranimo aro al i pokro ček za roč o od od o stikalo ai te a e ypass s it h Ročno odvodno stikalo (maintenance bypass switch) Kot je razvidno s slike 3.34, je a ad o roč o odvodno stikalo za aro a o z pokro čko, ki ga je treba pred preklopom stikala najprej odstraniti. Tako UPS zazna, da o o iz edli roč i preklop odvodnega stikala in takoj preklopi statič o stikalo. S preklopom statič ega stikala je izveden notranji preklop bremena iz razsmernika a o rež o apetost. Interni preklop statič ega stikala poskrbi za sinhronizacijo in tako imamo na izhodnih priključkih že o rež o apetost. Tako lahko iz ede o še preklop roč ega odvodnega stikala. To stikalo fizič o po eže vhodne in izhodne priključke brez vmesne prekinitve porabnikov. Sedaj lahko izključi o UPS i zagotovimo breznapetostno stanje, potrebno za servisiranje. Veči a UPS-ov ima vhodne in izhod e priključ e spo ke na hrbtni strani. Navadno se pora ike priključi kar eposred o na UPS ali pa prek razdelilne omare, ki je prav tako 35

43 neposredno ali prek varovalk vezana na izhod UPS-a. Vse stikalne manevre - torej preklop bremen na o režje ali na razsmernik izvaja statič o stikalo, vgrajeno v UPS-u. Slabost takš ega priklopa se pokaže pri eru ečje ok are UPS-a, ko je treba UPS odpeljati na servis ali ob zamenjavi. Takrat moramo vse porabnike izključiti, jih odklopiti iz UPS-a in jih priklopiti na nov UPS in jih nato ponovno zagnati. To je se eda pre ej za ud o i epraktič o, saj so a UPS a ad o prikloplje i kritič i porabniki, ki morajo neprekinjeno obratovati. Da se temu izognemo, se med UPS in porabnike po eže zu a je odvodno stikalo (external bypass switch). Slika 3.34: Hrbtna stran UPS-a roč o odvod o stikalo Zunanje odvodno stikalo (external bypass switch) Iz sheme na sliki 3.35 je razvidno, da pri zunanjem bypass stikalu porabniki niso neposredno priključe i na UPS. Na zunanje odvodno stikalo so povezani vhodni in izhodni priključki UPS-a, porabniki in o režje. Glavni element zunanjega odvodnega stikala je stikalni element, a katerega je priključe do od, re e i izhod UPS-a. Ko je stikalo v poziciji II - UPS, sta skupaj povezana izhod UPS-a in porabnik. Pora iki so tako priključe i a izhod e sponke UPS-a, ki obratuje v ''o li e'' reži u, in brezprekinitveno apaja i. Ko pa želi o porabnike preklopiti iz UPS-a nazaj na o režje, moramo premakniti stikalo v pozicijo I + II. V tej pozi iji stikalo združi izhod UPS-a in o režno napetost. 36

44 Slika 3.34: Zunanje odvodno stikalo Če ta preklop iz ede o rez da i UPS preklopili iz reži a or al ega o rato a ja ypass reži, u iči o UPS. UPS normalnem o rato al e reži u razs erja izhodno napetost, s katero napaja breme, priključeno na izhodnih priključkih UPS-a. Ko pa obrnemo zunanje odvodno stikalo v pozicijo I + II, bomo na izhodne sponke UPS-a pripeljali o rež o apetost. V praksi to po e i u iče je razs er ika UPS-a in izklop aro alk a o rež i stra i. Ker se preko istih varovalk napajajo tudi porabniki, bodo tudi ti ostali brez napajanja. Zato moramo vedno, preden izvedemo preklop, UPS ''izklopiti'', da bo prešel iz reži a or alnega o rato a ja ypass reži. Lahko tudi odstra i o aro al i pokro ček a hr t i strani UPSa in preklopimo roč o od od o stikalo. Ko je UPS ypass reži u, je na izhodne priključke UPS-a pripelja a o rež a apetost. Ko v takem stanju izvedemo preklop zunanjega odvodnega stikala v pozicijo I + II, o o skupaj skle ili o rež o apetost i apetost a izhodnih sponkah UPS-a, ki pa sta iste vrednosti. Sedaj lahko preklopimo v pozicijo I - MREŽA. Stikalo pora ike preklopi a o rež o apetost i odklopi iz izhod ih spo k UPS-a. V tej poziciji stikala lahko UPS izključi o, odklopimo od dovodnih kablov ali ga zamenjamo z drugim brez prekinitve napajanja porabnikov. 37

45 Kot vidimo, je upora a zu a jega od od ega stikala lahko pre ej t ega a, če upora ik e pozna postopka preklopa Preklop UPS-a na omrežje ali generator UPS je eči i pri ero po eza eposred o ali prek zunanjega odvodnega stikala na o rež o apetost. V ečjih zgrad ah, ki imajo v svoj sistem vključe tudi ge erator, pa imamo pred UPS-o še dodat o stikalo. To stikalo preklaplja hod e priključke UPS-a na o rež o apetost ali ge erator. V normalnem stanju je vhod UPS-a po eza a o rež o apetost. O pri eru daljšega izpada o rež e apetosti pa stikalo preklopimo na napetost, ki jo ustvarja generator. Tako lahko UPS po o o o ratuje reži u or al ega obratovanja, polni akumulatorje in zagotavlja neprekinjeno napajanje porabnikov. Večji UPS-i so lahko zelo o čutlji i a takš e preklope. Pred se ora o iti pozor i, da je preklopno stikalo izvedeno tako, da je na UPS ed o priključe ičelni vodnik. Nekatere izvedbe UPS-ov uporabljajo ičelni vodnik kot referenco pri pozitivni in negativni veji enosmerne napetosti na enosmernem vmesnem tokokrogu. To pomeni, da bi tak UPS v tre utku preklopa ostal rez po eza e ičelnega vodnika in ne bi imel reference za enosmerno napetost. Tako se na enosmernem vmesnem tokokrogu poja i pla ajoča apetost, ki lahko preseže V e os er e apetosti i poškoduje ko de zatorje. Slika 3.36 kaže pri er pravilne i apač e vezave UPS-a z ečpolnim stikalom. Preklop mora biti iz ede tako, da je ičel i od ik ed o priključe a UPS. 38

46 Slika 3.356: Pravil a i apač a vezava večpol ega stikala za preklop UPS-a na generator [7] 3.5 VAROVANJE UPS-A IN DIMENZIONIRANJE VAROVALK Pri ečjih zgradbah ključi o sistem UPS sa o i štala ijo zgradbe. Tako i a o tič i e za neprekinjeno napajanje v vseh pisarnah in ostalih pomembnih prostorih. Tako je izhod UPSa vezan na lastno elektro omarico. Od tu naprej z varovalkami ščiti o pora ike i instalacijo po zgradbi. Ker je tudi vhod in izhod UPS-a ščite z aro alka i, moramo biti pri izbiri tipa in velikosti vseh varovalk v sistemu zelo pozorni. Dimenzioniranje varovalk je predstavljeno na primeru, ki ga kaže slika Ko je UPS v bypass reži u, lahko ob apač i iz iri aro alk o kratkem stiku na porabniku z oznako LOAD 2 namesto varovalke CB05 pregori ena izmed varovalk CB01 ali CB03. Tako bi vsi porabniki ostali brez napajanja. Temu se izognemo tako, da upora i o počas e aro alke ečjih red osti za zaščito hoda i izhoda UPS-a. Za varovanje posameznih bremen pa uporabimo hitre varovalke, ki bodo zagotovile, da bo ob okvari enega porabnika bil izklopljen le ta [7]. 39

47 Slika 3.367: Dimenzioniranje varovalk pred in za UPS-om [7] 40

48 4. AVTONOMIJA IN VZDRŽEVANJE UPS NAPRAV UPS-i a jših oči i ajo a jše šte ilo aterij. Pri ečjih očeh pa po eča o šte ilo zaporedno povezanih baterij. Na ta ači d ig e o apetost, z a jša o toke in izgube ter tudi z a jša o preseke od iko. Navadno imajo UPS-i aterije graje e ohišju. Na UPS-e ečjih oči pa se priključi aterijsko o aro. Nekateri proiz ajal i i ajo aterijske o are že svoji ponudbi. Te so posebej areje e za določe tip UPS-a in opremljene s priključ i i spo ka i i aro alka i. Sla a stra takš ih že areje ih aterijskih o ar je, da je kapa iteta aterij že aprej določe a. Ker a ad o saka stra ka želi drugač o a to o ijo, se upora lja u i erzal e aterijske o are, ki jih apol i o z aterija i določe e kapa itete in tako ugodimo zahtevam stranke. Pri izdelavi baterijske omare pa moramo biti pozorni na dimenzioniranje vodnikov in velikost varovalk. 4.1 VAROVANJE BATERIJSKE OMARE IN IZRAČUN BATERIJSKIH VAROVALK Dimenzioniranje baterijskih varovalk je zelo pomembno. Sistem želi o za aro ati pred kratki i stiki, še ed o pa ora o zagoto iti pra il o delo a je tudi o aj ečjih toko nih obremenitvah. Maksimalni tokovi bodo nastopili, ko bo UPS polno obremenjen, baterije pa izpraznjene. Ker bo UPS vso potrebno oč za napajanje porabnikov pridobival iz baterij, lahko iz e ačbe 4.1 vidimo, da bo pri nizki baterijski napetosti tekel aj ečji tok. P U I (4.1) BAT BAT Če želi o izraču ati elikost aterijskih aro alk pri UPS-u znamke Gamatronic Power+, oči 10 kva, ajprej izraču a o aj ečjo red ost toka iz baterij. Upoštevati moramo oč UPS-a i aj ižjo aterijsko apetost. Omenjen tip UPS-a ima skupno 64 baterij. UPS baterijo izpraz i do, V. Tako po e ačbi 4. izraču a o aj ižjo skup o baterijsko napetost. UBAT min 64 10,02 V 641,28 V 640 V (4.2) Maksi ale aterijski tok izraču a o po e ač i

49 I BAT max P VA 15,625 A (4.3) U 640 V BAT min Naj ečji tok je torej vrednosti 15,6 A. Ta tok bo tekel, ko bo UPS imel izpraznjene baterije. Ker pri tej vrednosti toka še e želi o, da bi varovalke pregorele, izberemo 20 A varovalke. Varo alke orajo zdržati V DC apetosti. Za prekinjanje enosmernih tokov je treba izbrati namenske baterijske varovalke. Slika 4.38 kaže izdela o aterijsko o aro z 32 baterijami in ustreznimi varovalkami. Slika 4.378: Baterijska omara in varovalke za UPS znamke Gamatronic 4.2 IZRAČUN AVTONOMIJE BATERIJ PRI DANI OBREMENITVI )a po eča je kapa itete lahko upora i o aterije ečje kapa itete ali eže o zpored o še eno vejo baterij. Dobra stra upora e e e eje aterij ečje kapa itete je, da so aterije ečje kapa itete (18 Ah i eč ačelo a a j o čutlji e a te peraturo, oč e praz it e i pol je ja. )ato v praksi ečkrat dočakajo predpisa o ži lje jsko do o. Upora a d eh zpored ih aterijskih ej pa o odpo edi e e eje še ed o zagota lja alo a j kot polo ič o a to o ijo. Kapa iteta aterije je oč o po eza a z elikostjo toka, s katerim baterijo praznimo. Iz tabele 4.1 lahko vidimo, da ima 100 Ah baterija proizvajalca 42

50 CSB kapaciteto 100 Ah le, če jo praz i o ur s toko A [9]. Če pa jo na primer praznimo s tokom 70 A 60 minut, bo baterija zagotavljala kapaciteto zgolj 70 Ah. Izpraznitev baterije pod 1,6 V na celico pa lahko po zroči ok aro. Zaradi takš e karakteristike aterij ora o upošte ati, da se nam v primeru izpada ene baterijske veje avtonomija sistema ne z a jša le za polovico. Tabela 4.1: Karakteristika baterije CSB GPL ob praznjenju s konstantnim tokom [9] Če želi o edeti ata če čas avtonomije UPS-a, ga ora o izraču ati. )a izraču ora o poznati izkoristek UPS-a i tip aterije, ki je graje a UPS. )a izraču ze i o UPS znamke I fose C oči kva, ki je obremenjen z bremenom P bremena = 750 W, ima izkoristek = 0,9 in ima vgrajeno eno ( n BAT = 1) baterijo kapacitete 100 Ah znamke CSB GPL Po e ač i 4.4 najprej izraču a o oč, ki jo o orala aterija zagoto iti. P BAT Pbremena 750 W 833,33 W n 0,9 1 BAT (4.4) Izraču ali s o, da bo baterija pri obremenitvi 750 W ključ o z izgu a i a sa e UPS-u morala zagotavljati 833,33 W oči. V specifikacijah uporabljene baterije pogledamo v tabelo, kjer je proizvajalec navedel, koliko časa o aterija sposo a zagota ljati določe o oč. Iz tabele 4.2, lahko odčita o, da do ižje apetosti kot aterijo izpraz i o, daljša je avtonomija [4]. Naj ižja apetost, do katere UPS izpraz i aterijo, je seveda odvisna od izvedbe UPS-a. Ta je aše pri eru 10,5 V. Baterija ima 6 celic, torej je aj ižja apetost, do katere UPS izprazni celico baterije 1,75 V. Sedaj lahko iz podatkov v tabeli 4.2 odčitamo, da bo pri praznitvi baterije do 1,75 V s ko sta t o očjo W i ela aterija a to o ijo 60 minut. 43

51 Tabela 4.2: Karakteristika baterije CSB GPL ob praznjenju s konstantno očjo [9] 4.3 TESTIRANJE STANJA BATERIJ IN KAPACITETNI TESTI VEČJIH BATERIJSKIH SISTEMOV Na različ ih področjih i dustriji i a področju teleko u ika ij se za apaja je kritič ih porabnikov uporabljajo aplikacije baterij z napetostnimi nivoji od 12 V do 300 V. Kadar pride do prekinitve ali motenj apaja ja pora iko iz rež ega vira, so baterije edini vir energije za apaja je kritič ih pora iko. Ker aterije s časo zaradi stara ja, izposta lje osti različ i pli o i glede a o rato al e pogoje postopo a izgu ljajo s ojo kapaciteto, je pome o, da se a jih periodič o iz aja teste, katerih a e je ugoto iti stanje baterije. V ečjih siste ih lahko opra i o izpraz it e i kapa itet i test, pri katerem ugotovimo, katere aterije so sla še od ostalih. Tako lahko za e ja o sa o aj olj iztroše e aterije in s te prihra i o stroške e ja e seh aterij siste u. Na ad o so ti siste i ečji in se ujejo od aterij pa do ečjih aterij. Tako je tudi iz ekološkega vidika smiselno zame jati sa o iztroše e aterije i pustiti ostale aterije še ekaj let o rato a ju. Ži lje jska do a sta dard ih VRLA akumulatorskih baterij je od 3 do 5 let. To velja, če so baterije v klimatiziranem prostoru in red o zdrže a e. Pomembno je tudi, da se baterije vsaj nekajkrat na leto izpraznijo in ponovno napolnijo. Poznamo tudi t.i. long life baterije, katerih ži lje jska do a je do let. Sta je aterij se pre erja a eč ači o z različ i i apra a i, ki so dostopne na trgu. 44

52 HIOKI TESTER Za hitro preverjanje stanja baterije uporabimo Battery tester Asita HIOKI 3554 (slika 4.39a). To je merilnik notranje upornosti baterij. Izmeri napetost baterije in njeno notranjo upornost. Rezultate meritev shrani v notranji polnilnik i s po očjo progra ske opre e je ogoče tudi kas eje podatke o delati. )a ta test orajo iti aterije apol je e. Vred ost otra je upor osti aterije podaja proiz ajale. Ok ir o i ajo a jše aterije, kapacitete 5 Ah upornost okrog 25 Ω, ečje, 100 Ah baterije, pa 5 Ω. Večjo otra jo upor ost kot ima baterija, ečje odo izgu e pri pol je ju i olj se aterije grejejo. )ato je pred akupo dobro preveriti vse podatke baterije, saj se ti od proizvajalca do proizvajalca precej razlikujejo. Baterije, ki imajo notranjo upornost trikrat ečjo od azi e, so že iztroše e i potrebne menjave. Sla a stra takš ega testira ja je, da eri o sa o otra jo upor ost, e e o pa, kako se aterija o aša ed praz je je. ZECA TESTER Hiter i e osta e ači preverjanja stanja baterij je, da a priključke aterije po eže o oč ost i upor, hkrati pa z olt etro opazuje o, za koliko se sesede napetost baterije (slika 4.39b). To po zroči pre ej elike praz il e toko e i s taki testo aterijo kar pre ej obreme i o. Še ed o pa e poz a o deja ske kapa itete aterije. FLIR TOPLOTNA KAMERA S toplotno kamero (na primer FLIR E4 na sliki 4.39c) lahko hitro pre eri o sta je aterij. Če je temperatura baterije previsoka, je to znak, da je že iztroše a. Bolj kot za stanje baterij je toplot a ka era pri er a za odkri a je apak a ele e tih oč ost ega dela UPS-a. 45

53 Slika 4.39: Naprave za testiranje stanja baterij PRAZNITVENI MERILNIK IDCE-840CT Najbolj zanesljiv test baterij je praznilni test kapacitete. Pri tem testu s konstantnim tokom praz i o e o ali eč aterij oziro a baterijskih sklopov od 2 V do 300 V. Na vsako baterijo namestimo modul, ki eri apetost i pošilja podatke eril ik. Ta eleži se podatke: napetost vsake baterije, skupno napetost in praznilni tok. Pred izvedbo testa moramo izraču ati para etre, ki jih nato vnesemo v praznilno napravo. Glede na tip baterij, ki jih bomo testirali, izraču a o praz il i tok i čas praz jenja. Baterij nikoli popolnoma ne izpraznimo, vendar zgolj do 80% nazivne kapacitete. Moduli, ki merijo napetost vsake baterije, pa pri eru, da se je apetost a ateriji že z ižala pod določe o, javijo alarm za slabo baterijo. Tako po ko ča e testu e o, katere baterije ne zagotavljajo eč predpisane kapacitete. Takš e kapa itet e teste se iz aja siste ih zasil ega apaja ja želez iške pro etu, apaja ja adzor ih e tro elektrar ah, ečjih teleko u ika ijskih centrih in sistemih UPS velikih oči. V takš ih siste ih je tudi po aterij i eč. Zato je izvajanje takih testov i e ja a zgolj iztroše ih aterij primerna tako iz ekonomskega kot tudi ekološkega idika. 46

54 Slika 4.40: Izvajanje kapacitetnega testa in naprava IDCE-840CT BATTERY DISCHARGER & CAPACITY TESTER 4.4 VZDRŽEVANJE UPS NAPRAV Tako kot vse naprave, je treba tudi UPS-e servisirati. Le tako lahko zagotovimo pravilno delo a je i z a jša o ož ost ok ar. Ži lje jska doba baterij je od 3 do 5 let. Pri menjavi baterij je priporočlji o odpreti ohišje UPS apra e. S toplot o ka ero se pre eri ore it o pregrevanje elektronskih elementov. Tako lahko predhodno odkrijemo element, ki bi bil v prihod je pod rže ok ari. Če UPS i posta lje rezpraš e prostoru, je vedno potrebno tudi izpiho a je elektro ike. Nalaga je prahu a elektro iki o e ogoča ustrez o hlaje je elektro skih ko po e t. Po iša a te peratura elektro ike pa skrajšuje ži lje jsko dobo elektronskim komponentam. Po petih letih je priporočlji a menjava ventilatorjev, po desetih pa eči a proiz ajal e priporoča tudi e ja o elektrolitskih ko de zatorje. 47