Jak si počínat při výběru UPS

Jak si počínat při výběru UPS

V článku jsou diskutována především technická kritéria pro výběr UPS pro konkrétní aplikaci. Cena UPS je, vzhledem k možným škodám v důsledku přerušení napájení citlivých zařízení, zpravidla kritériem až druhotným. Závěrem jsou uvedeny obecné pokyny k provozování UPS, při jejichž dodržování se lze vyhnout mnoha nepříjemnostem.

Naprostá většina technických zařízení, kterými je člověk na začátku 21. století obklopen, je více či méně závislá na dodávce elektrické energie. O průmyslové automatizaci to platí dvojnásob. Přestože podstatná část nynějších průmyslových automatů, dispečerských pracovišť, řídicích systémů strojů NC a zařízení pro měření a regulaci obsahuje paměti dat a malé interní akumulátory, často se v průmyslové automatizaci uplatní i standardní záložní zdroj – UPS.

Prvními, kdo na vlastní kůži pocítili, že zálohovat napájení je nezbytné a užitečné, byli uživatelé výpočetní techniky. Většina z nich v klidu pracovala na svém počítači s důvěrou ve 230 voltů v zásuvce, až jednou… – a převážně to byla ztracená data nebo znehodnocená několikahodinová práce projektanta v programu CAD, v horším případě (např. při přepětí v distribuční síti) i zničení některých obvodů v počítači. V případě technologické linky však může být výsledkem zničený drahý materiál či polotovar, v bance nesprávně provedené finanční operace, v nemocnici kolabující pacient – vždy však ztracený čas, nálada, nervy, peníze a někdy i zdraví. Často nekontrolovaná ztráta napětí způsobí i nevratné poruchy na provozovaném zařízení.

Právě zdroj nepřetržitého napájení elektrickou energií (Uninterruptible Power System – UPS) je zařízení, které je určeno k udržení provozu elektroniky v okamžiku, kdy nastane porucha nebo výpadek veřejné distribuční sítě (nebo vnitřní napájecí sítě podniku). Toto zařízení v takovém případě převezme skutečně bez přerušení napájení příslušných přístrojů a zařízení a postará se o jejich další provoz nebo o korektní a bezproblémové přerušení tohoto provozu.

Rozeznávají se dvě velké skupiny UPS, které se liší nejen použitím a konstrukcí, ale i cestou od výrobce k uživateli.

Jednofázové UPS jsou většinou typu plug and play. Uživatel je obvykle schopen je sám koupit (např. v obchodě s výpočetní technikou), instalovat i obsluhovat, a to včetně těch největších o výkonu do 10 kV·A. Záložní zdroje tohoto provedení nevyžadují speciální instalační místo a lze je provozovat v kancelářích a v podobných standardních prostorách. Jejich konstrukční variantou jsou UPS pro přístrojové rámy standardu 19" (někdy také označované jako RM – rack mounted), které se uplatní nejen u větších zařízení výpočetní techniky, ale i v průmyslové automatizaci. Existují i speciální zdroje pro „malé“ spotřebiče v rozváděčích, jako jsou převodníky úrovní, měřicí přístroje a malé regulátory, přičemž tyto zdroje mají extrémně malou výšku. Většina výrobců dodává UPS v obou konstrukčních variantách. Někteří dokonce nabízejí zdroje RM v širším výkonovém rozsahu a s bohatším příslušenstvím než klasické „stolní“ varianty.

Pro záložní napájení celých technologických linek nebo objektů se používají trojfázové UPS o výkonu až 500 kV·A s možností dalšího paralelního řazení. Dodávka těchto zdrojů je spojena již s projektem budovy nebo technologie a dalšími činnostmi, jako je uvedení do provozu, profylaxe apod. Tyto zdroje se instalují ve speciálních prostorách.

Při požadavku na záložní napájení je obvykle nastolena otázka, podle jakých kritérií při výběru UPS postupovat a jak vybraným kritériím přiřadit správné priority.

Dříve než budeme formulovat kritéria pro výběr vhodného typu UPS pro konkrétní aplikaci, stručně popíšeme jeho funkci.

Funkce UPS
V principu má UPS čtyři hlavní části:

• baterie, v nichž uchovává energii;
• střídač, který ze stejnosměrného proudu dodávaného baterií vyrábí standardní střídavý proud dodávaný do zátěže;
• usměrňovač k napájení střídače a dobíjení baterií;
• řídicí logiku, včetně komunikačního rozhraní.

Dojde-li tedy k výpadku na vstupu do UPS, zdroj začne odebírat energii z baterií a výstup UPS (a tedy i zátěž) je dále pod napětím, a to až do vyčerpání kapacity baterií. Nastane-li jiná porucha (např. přepětí v síti), většina současných UPS zvládne i tento poruchový stav a špičky napětí odfiltruje.

Důležitou výbavou většiny UPS je tzv. by-pass (obtok). Analogie tohoto obvodu s metodou používanou v kardiochirurgii je evidentní: tak jako lékař nainstaluje pacientovi bypass, aby odlehčil nemocnému a unavenému srdečnímu svalu, i v případě UPS přichází obvod obtoku ke slovu ve chvíli, kdy v obvodech UPS vznikne porucha nebo jsou krátkodobě přetíženy. To platí především pro motorické zátěže UPS, ale např. i pro velké monitory s velkým odebíraným proudem v okamžiku zapnutí. Obvod obtoku po tuto dobu automaticky přemostí silové obvody UPS a zátěž je napájena přímo ze sítě. Tento jev trvá řádově milisekundy a nijak nenaruší provoz počítačů.

Některé UPS, zejména středního a velkého výkonu (od 5 kV·A výše), jsou vybaveny i tzv. manuálním (údržbovým) obtokem. Jeho funkce je stejná jako u automatického obtoku, ale realizuje se manuálně ovládanými kontaktními prvky v případě, kdy je nutné UPS odstavit a vykonat na něm údržbu nebo měření. Je zřejmé, že manipulace těmito prvky za provozu UPS do zátěže je záležitost velmi riskantní. Tyto ovládače jsou proto chráněny proti náhodnému použití a manipulovat s nimi může jen určená osoba.

Kritéria volby UPS
K výběru vhodného UPS pro konkrétní aplikaci je nutné vzít v úvahu zejména tato kritéria:

• výstupní výkon UPS,
• dobu zálohování,
• kvalitu napájecí sítě v místě použití UPS,
• kvalitu výstupního napětí UPS,
• charakter připojené zátěže,
• komunikace s UPS, o kterých podrobněji pojednává další text.

Jedním z kritérií při volbě vhodného typu UPS je také jeho cena. Ta je však velmi těsně spjata s dále diskutovanými technickými požadavky a při konečném rozhodování by měla být sekundární záležitostí.

Výstupní výkon zdroje UPS
Je třeba určit, která zařízení je nezbytné z UPS napájet, a podle toho zvolit typ zdroje a jeho jmenovitý výkon. Zde je vhodné uvažovat trochu velkoryseji: z praxe je známo, že většina elektrotechnických zařízení není zatěžována na jmenovitý výkon, ale je zde ponechána určitá rezerva. Rezervu je možné využít jednak v případě, kdy napájené zařízení pracuje (i když krátkodobě) na vyšších než jmenovitých parametrech, a jednak tehdy, kdy během provozování zařízení je toto rozšířeno, a tedy vzroste požadavek na výstupní výkon UPS. V praxi se doporučuje instalovat zdroj UPS o výkonu o 50 až 80 % větším, než je současná známá velikost zátěže.

Požadavku na zvýšený výkon při rozšíření zátěže (instalace nového serveru, nové pracovní stanice pro CAD, rozšíření technologie) velmi dobře vyhovují tzv. modulární UPS. Tyto zdroje jsou konstruovány jako stavebnice z jednotlivých elektronických a bateriových modulů a uživatel si sám může nakonfigurovat požadovaný výkon a dobu zálohování, přičemž počítá s tím, že v případě potřeby další moduly chybějící minuty či voltampéry doplní. Modulární zdroje mají i další výhody, jak bude popsáno dále.

Doba zálohování
Dobou zálohování se rozumí doba chodu UPS napájeného z jeho vlastních baterií (při výpadku distribuční sítě) při jeho jmenovité zátěži. Standardní doba zálohování je obvykle pět až deset minut. Při požadavku na delší dobu zálohování je třeba použít přídavné baterie a v případě požadavku na velmi dlouhou dobu zálohování je nutné spojit UPS s motorgenerátorem.

Při určování doby zálohování je nutné si počínat zvlášť zodpovědně. Baterie je nejchoulostivější, nejdražší, nejtěžší a také ekologicky nejproblémovější částí UPS. Většina UPS obsahuje sadu baterií pro základní dobu zálohování s možností rozšíření. U zálohovaných zařízení je však téměř vždy možné určit, která zařízení lze korektně odpojit ihned po výpadku sítě, u kterých je nutné před vypnutím uskutečnit určité úkony a která musí pracovat co možná nejdéle. Strukturovaným odpojováním zátěží lze ušetřit nejen kapacitu baterií, ale i prostor a hlavně peníze.

Baterie je prvek s konečnou životností. V UPS se používají výhradně gelové plynotěsné bezúdržbové baterie. Jejich doba života se pohybuje v rozmezí od tří do deseti let, ale již jsou k dispozici baterie i s životností delší (samozřejmě za odpovídající cenu). V průběhu života baterie UPS pravidelně vykonává vnitřní test a včas signalizuje blížící se konec jejího života. Na konci doby života je třeba baterii1) ekologickým způsobem zlikvidovat.

Extrémně dlouhé doby zálohování lze dosáhnout spojením UPS s motorgenerátorem. Pak je možné zátěže v objektu rozdělit na velmi důležité (napájené z UPS), důležité (napájené z motorgenerátoru, tj. s určitou prodlevou v napájení, nutnou pro spuštění, rozběh a nafázování generátoru na síť) a nedůležité, které nejsou zálohovány vůbec.

Soustava motorgenerátor – UPS je z hlediska teorie regulace několikasmyčkovou nelineární soustavou, která při různých typech zátěží vykazuje nečekané nestabilní stavy a jejíž teoretické řešení není snadné. Zkušené dodavatelské firmy v oboru záložního napájení mají zpracovány postupy a opatření, jak rizika oscilací v této soustavě snížit, popř. vyloučit. Zahrnují jednak opatření v projektové oblasti (dimenzování, prostorové uspořádání), jednak instalaci dodatečných prvků (aktivní a pasivní filtry, několikacestné usměrňovače). Ideálním řešením je použití UPS s tzv. deltakonverzí, kdy je možné použít motorgenerátor o podstatně menším výkonu a tím snížit investiční náklady.

Kvalita napájecí sítě
V místech s kvalitním napájením a pro méně náročné spotřebiče (mezi ně však rozhodně nepatří síťové servery, důležitá zdravotnická zařízení, technologické počítače pro řízení výroby apod.), s přihlédnutím k charakteru zátěže (snese-li častá přerušení dodávky energie po dobu 4 ms) postačí i méně nákladný zdroj v uspořádání off-line nebo line interactive. V místech s častým a rychlým kolísáním napětí nebo jinými poruchami sítě je nutné použít zdroj s architekturou on-line. V případě UPS o jmenovitých výkonech v rozmezí 5 až 20 kV·A s jednofázovým výstupem je také zapotřebí, ve spolupráci s energetikem, rozhodnout mezi jednofázovým nebo trojfázovým vstupem.

Kvalita výstupního napětí UPS
Je třeba posoudit, zda je nutné napájet spotřebič čistě sinusovým napětím a je-li daný spotřebič důležitý (tam se použije UPS s architekturou on-line), nebo zda postačí pro spotřebič, který je méně důležitý, sinus modifikovaný, podobný lichoběžníku (zdroje s architekturou off-line nebo line interactive) a širší tolerance výstupního napětí.

Charakter zátěže
Důležitý je její účiník, tvar proudu, který je ze zdroje odebírán a velikost záběrného proudu při zapnutí spotřebiče a požadavek na trojfázové nebo jednofázové napájení, popř. na spolupráci s motorgenerátorem.

Vlastností zátěže důležitou pro výběr UPS je požadavek na spolehlivost napájení. Uživatel jaksi automaticky předpokládá, že UPS bude správně a bez poruchy pracovat vždy a za všech okolností. Ale i UPS je technické zařízení složené z mnoha součástek s konkrétní spolehlivostí. Střední doba mezi poruchami (Mean Time Between Failures – MTBF) je u UPS udávána v řádech 100 000 hodin. Může se to zdát hodně, je to přece jen jedenáct let nepřetržitého provozu (tedy více než technický život většiny zdrojů), ale je-li např. u telekomunikační firmy současně v provozu 40 zdrojů v různých aplikacích, může teoreticky každé tři měsíce jeden z těchto zdrojů vysadit. Porouchaný UPS přejde na obtok a zálohované zařízení je sice napájeno dál, ale z nezálohované distribuční sítě. V té chvíli je zřejmý význam dalšího spolehlivostního parametru – střední doby opravy (Mean Time To Repair – MTTR). Právě u již zmíněných modulárních UPS je doba opravy mimořádně krátká, neboť jde pouze o dobu nutnou k výměně vadného modulu za náhradní, tedy o několik minut (výměnu lze uskutečnit za plného provozu UPS). Modulární UPS dávají záruku mimořádně velké provozní spolehlivosti.

Provozní spolehlivost velkých UPS, u kterých je modulární koncepce z konstrukčních důvodů obtížně realizovatelná, se zvětšuje paralelním uspořádání zdrojů s redundancí. Soustava je navržena tak, aby i při výpadku jednoho z paralelních UPS bylo napájení zátěže nadále zajištěno v plném rozsahu. V běžném provozu tedy UPS pracují se sníženým výkonem, navíc lze v období menšího odběru (např. v noci nebo o víkendech) některé zdroje programově odstavit.

Další obecnou a účinnou metodou zvyšování provozní spolehlivosti je prevence. Kvalitní dodavatelé záložních napájecích systémů mají zpracovány servisní programy, jež obsahují předepsané kontrolní operace a zkoušky UPS na základě dlouhodobých zkušeností s provozem těchto zařízení.

Komunikace s UPS
Standardní komunikace je optická (LED nebo LCD), akustická (signalizace kritických provozních stavů) a manuální (zapnutí – vypnutí, popř. měření některých provozních veličin). Většina moderních UPS je vybavena více či méně inteligentním rozhraním pro komunikaci s výpočetní technikou.

Provoz UPS
Jestliže byl na základě uvedených kritérií UPS vybrán a instalován, je vhodné si připomenout několik základních pravidel pro jeho používání:

• Jednofázový UPS může obsluhovat kdokoliv bez speciálního zaškolení. Pokud budou dodrženy pokyny a postupy uvedené v uživatelské příručce, nehrozí obsluze a okolí žádné nebezpečí.

• Každý UPS obsahuje svůj vlastní zdroj energie – baterie. Svorky na připojovací desce a svorky baterií mohou být pod napětím, přestože UPS momentálně není připojen k síti. Nebezpečná napětí mohou být přítomna i při provozu z baterií. Baterie proto musí být během údržbových a servisních prací odpojeny.

• Optimální teplota okolí (z hlediska životnosti baterie) je 25 °C.

• K UPS mohou být připojeny spotřebiče tříd 1 a 2 způsobem odpovídajícím příslušným ČSN (v žádném případě nesmí být na výstupu propojen vodič PE a N). Za chodu musí být UPS spojen s ochranným vodičem, a proto může být připojen pouze do síťové zásuvky vybavené ochranným kolíkem.

• Je-li na výstup UPS připojen spotřebič se záběrným proudem větším, než je jmenovitý proud zdroje, režim přepne na obtok (ale i ten má konečnou přetížitelnost). Lepší variantou je použít frekvenční nebo rozběhový měnič (tzv. softstartér).

• Že se na výstup UPS nemají připojovat topné spotřebiče, chápe asi každý. Málokdo ale ví, že běžný výstup UPS není určen k napájení také např. laserových tiskáren. Laserová tiskárna je totiž spotřebič s udávaným jmenovitým příkonem, který je ale v okamžiku tisku několikanásobně překračován. Proto je k napájení laserových tiskáren třeba použít pouze takový výstup UPS, který je k tomuto účelu určen. Bývá odlišen barevně, není zálohován, ale je chráněn proti přepětí v síti. V případě výpadku při tisku asi nebude problém po obnovení dodávky energie příslušný list vytisknout znovu.

• Zcela opačný problém než u laserové tiskárny existuje u velkoplošných kreslicích zařízení (plotter), kde by při přerušení tisku mohla vzniknout časová ztráta nebo by mohl být znehodnocen drahý materiál. Zde je naopak zálohování kreslicího zařízení doporučováno při použití UPS dostatečného výkonu a především dostatečné doby zálohování (pokreslit formát A0 přece jen chvíli trvá).

• Je-li UPS dlouhodobě skladován, musí být baterie periodicky dobíjeny. Po vyčerpání jejich životnosti je nezbytné zajistit správnou a ekologickou likvidaci. (Kvalitní dodavatel likvidaci obvykle zajistí sám a vydá příslušný certifikát.)