Az online és a vonal interaktív kialakítású UPS rendszerek gyakorlati összehasonlítása Írta: Jeffrey Samstad Michael Hoff
79. tanulmány
Vezetői összefoglaló Az 5000 VA-nál alacsonyabb teljesítményű UPS eszközöknek két fajtája van: léteznek vonal interaktív és kettős átalakítású online rendszerek. Ez a tanulmány összefoglalja mindkét típus előnyeit és hátrányait, továbbá megpróbál tisztázni néhány, a gyakorlati alkalmazás során felmerülő, a követelményekkel kapcsolatos félreértést.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
2
Bevezetés A UPS rendszerek kiválasztásánál figyelembe vett szempontok többsége szembetűnő és könnyen értelmezhető, például az átkapcsolási idő, az ár, a méret, a gyártó, a csatlakozók száma, a kezelhetőség. Azonban van néhány kevésbé szembetűnő, nehezen értelmezhető paraméter is. A topológia az a tulajdonság, amelyik a legkevésbé érthető, mégis erről esik a legtöbb szó. A UPS viselkedését a különböző helyzetekben a topológiája (belső felépítése) határozza meg. A megfelelő felépítésű eszköz kiválasztását megnehezítik azok a bonyolult állítások, melyek az egyes topológiák fölényéről, vagy a teljesítménykritikus felhasználás esetén való nélkülözhetetlenségéről szólnak. Nehéz csak ezekre a kijelentésekre alapozva döntést hozni, mivel általában minden gyártó saját gyártmánya felsőbbrendűségét hirdeti. Ennek a tanulmánynak a célja a két legfőbb felépítés előnyeinek és hátrányainak tárgyilagos számbavétele: a vonal interaktív és kettős átalakítású online rendszerek tulajdonságait vizsgáljuk. A teljesítményspektrum magas és alacsony végénél nem vitás melyik felépítés használata az előnyösebb1. 5000 VA felett a vonal interaktív kialakítás használata történeti okokból nem praktikus, annak nagysága és költségessége miatt. Az alacsony kapacitásoknál, 750 VA alatt, a kettős átalakítású online rendszerek használata kerül ritkán szóba, mivel kis terhelés mellett a többi felépítés (beleértve a vonal interaktív rendszereket is) jobban használható. A kettős átalakítású és a vonal interaktív rendszerek között dúló harc többnyire a 750 VA és 5000 VA közötti sávra korlátozódik. Ez az a terület, ahol egyik felépítés sem rendelkezik egyértelmű funkcionális és gazdasági fölénnyel, hogy melyik a jó választás, az leginkább a beépítés körülményeitől függ. Bár a vonal interaktív rendszereket gyártják és alkalmazzák szélesebb körben, a félvezető technológia és ipar fejlődése lecsökkentette a kettős átalakítású felépítés magasabb árát, így a döntés most nehezebb, mint valaha. Az „átfedő” sávban a megfelelő felépítésű eszköz kiválasztásához mindenképp szükséges a különböző topológiákkal együtt járó kompromisszumok maradéktalan ismerete.
1
Nagyon magas teljesítmény– 200 000 VA vagy még több – esetén egy ettől eltérő vita folyik, a kettős átalakítású online és a delta átalakítású online rendszerek előnyeiről. Ennek a két online típusnak az összehasonlító vizsgálatát az APC „The Different Types of UPS Systems” című 1. számú tanulmányában találja az olvasó. 2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
3
Ismerjük fel igényeinket Mielőtt az UPS rendszerrel kapcsolatban bármilyen döntést hoznánk, fontos, hogy megértsük a UPS leendő felhasználási környezete és az általa kiszolgálandó eszközök követelményeit. Az alapvető követelmények ismerete elengedhetetlen a felhasználási területhez legjobban illeszkedő UPS topológia kiválasztásához.
Számítástechnikai berendezések és a váltóáram: A kapcsolóüzemű tápegység (SMPS – Switch-Mode Power Supply) Az elektromos energia általában váltóáram formájában jut el hozzánk, akár a villamos közműhálózatról, akár a készenléti generátortól. A váltóáram feszültsége pozitív és negatív értéke között változik – ideális esetben tökéletes szinusz-hullám szerint - periódusonként kétszer érintve a nulla potenciált. Szabad szemmel nem észrevehető, hogy egy villanykörte másodpercenként 100 vagy 120 alkalommal alszik ki (megfelelően az 50 vagy 60 váltóáramú periódusnak), amint a feszültség értéke előjelváltás közben a nulla potenciálon halad át. Hogyan látják el a számítástechnikai eszközök feldolgozóegységeiket a váltóáram felhasználásával? Másodpercenként 100 alkalommal „kikapcsolnak”, amint a feszültség értéke előjelet vált? Jól látható problémába ütköztünk, amelyet a számítástechnikai eszközöknek meg kell oldaniuk. E célból jóformán minden modern számítástechnikai eszköz egy kapcsolóüzemű tápegységet (SMPS2) használ. Az SMPS egység először a váltóáramot, annak minden ideálistól eltérő komponensével (például kiugró feszültségértékek, torzulások, frekvenciaváltozások) együtt egyenárammá alakítja. Ezt egy, a váltóáramú bemenet és a tápegység többi része között található, kondenzátornak nevezett energiatároló töltésével teszi. A kondenzátort a váltóáram a periódusonként két lökéssel tölti fel, amikor a szinusz-hullám csúcsaihoz (pozitív és negatív) ér, és a számítástechnikai eszközök fogyasztása által meghatározott sebességgel sül ki. A kondenzátort úgy tervezik, hogy élettartama során elviselje a váltóáram szabályos és az attól eltérő feszültséglökéseit. A villogó villanykörtével szemben tehát a számítástechnikai eszközök a villamos közműrendszer váltóárama helyett egyenáramról működnek. Ezzel azonban még nem jutottunk a történet végéhez. A mikroelektronikai áramköröket nagyon alacsony feszültségű egyenárammal kell ellátni (3,3 V, 5 V, 12 V, stb.), ezzel szemben a fent említett kondenzátor fegyverzetei közt mérhető feszültség akár 400 V is lehet. Az SMPS eszközök a nagyfeszültségű egyenáramot átalakítják szigorúan stabilizált alacsonyfeszültségű egyenárammá.
2
A „kapcsolóüzemű” jelző a tápegység belső áramkörének egy olyan jellegzetességére utal, amelyet ez a tanulmány nem ismertet.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
4
A feszültéség csökkentése során az SMPS eszköz egy másik fontos funkciót is betölt: biztosítja a galvanikus szigetelést. A galvanikus szigetelés az áramkör fizikai szigetelése, amely két feladatot lát el. Az első feladata az áramütés elleni védelem. A második feladata az eszköz megóvása a közös módusú (föld bázisú) feszültség vagy a zaj okozta károktól. A földelésről és a közös módusú feszültségről az APC 9-es („Common Mode Susceptibility of Computers”) és 21-es („Neutral Wire Facts and Mythology”) számú tanulmányaiban több információt talál. Az első ábra UPS által védett számítástechnikai eszközt mutat (ebben az esetben ez egy szerver). A szerver összetevői, többek közt az SMPS egység is látható az ábrán.
1. ábra – Tipikus UPS alkalmazás: UPS és szerver Szerver
Közmuhálózat vagy generátor
Váltóáram
UPS
Váltóáram
SMPS
Egyenáram
Alaplap
Egyenáram
Merevlemez
Egyenáram
Más elektronikus eszközök
A váltóáram szinusz-hullámának csúcspontjai között lévő intervallum áthidalásához hasonlóan az SMPS a váltóáram rövid kihagyásait és a más rendellenességeket is áthidal. Ez nagyon fontos szempont a számítástechnikai eszközök gyártói számára, mivel szeretnék, ha berendezéseik úgy is működnének, ha nincs UPS a rendszerben. Egyik gyártó sem veszélyezteti az általa gyártott berendezések minősége és teljesítménye miatt kialakult jó hírnevét azáltal, hogy az eszköz nem viseli el a váltóáramú ellátásban bekövetkező legkisebb rendellenességet sem. Ez különösen igaz a minőségi hálózati és számítástechnikai berendezésekre, amelyeket emiatt jobb minőségű tápegységekkel gyártanak.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
5
Azért, hogy az áthidalás képességét bemutassuk, egy átlagos számítógépbe való tápegységet alaposan leterheltünk, majd lekapcsoltuk a váltóáramot a bemenetéről. A tápegység kimenetét figyeltük, hogy megállapíthassuk, hogy mennyi ideig marad elfogadható az egyenáram feszültsége, miután a váltóáram-ellátás megszűnik. Az eredmények a 2. ábrán láthatók. A tápegység bemenetén lévő feszültséget, az áramfelvételt és a kimeneti egyenáram feszültségét ábrázoltuk a grafikonon.
2. ábra – Egy tápegység áthidaló képessége
Bemeneti feszültség Bemeneti áramerősség
Az egyenáramú kimenet összeomlik 18 ms
A bemeneti váltóáram megszakad
A felső vonal: A tápegység kisfeszültségű, egyenáramú kimenete Középső vonalak: Bemeneti feszültség és áram
A számítógép alaposan leterhelt tápegységének kimenetén a feszültség csökken, de csak a váltóáram megszűnése után jelentős idő elteltével. A 2. ábra bal oldali részén megfigyelhető, hogy míg le nem kapcsoltuk, a bemeneti feszültség szinuszosan változott. A felvett áram – a folytonos görbe alatt látható tüskés vonal – a feszültség szinuszhullámának pozitív és negatív csúcsánál található rövid impulzusokból áll. Az SMPS kondenzátorát csak ezek az impulzusok töltik. A fennmaradó időben a feldolgozó áramkörök energiaellátását a kondenzátor biztosítja3. Az SMPS eszköz kimeneti egyenáramának feszültségét a 2. ábrán a felső vonal mutatja. Jól látható, hogy a kimeneti feszültség a váltóáramú ellátás megszűnése után még 18 ezredmásodpercig a szabályos szinten marad. Az APC több, számítógépeket és egyéb informatikai berendezéseket gyártó cég tápegységét megvizsgálva hasonló eredményekre jutott. Ha a tápegység kisebb mértékben van leterhelve, az áthidalható időtartam megnövekszik, mert a kondenzátor lassabban sül ki.
3
Néhány SMPS eszköz javítja a teljesítménytényezőt (PFC – power factor correction) – amelyet később tárgyalunk – és az áramot szinusz-hullám formájában veszi fel. Ezekben két kondenzátor hozza létre az áthidaló hatást. 2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
6
Az UPS eszközök és SMPS terhelések kompatibilitásáról szóló nemzetközi szabványok Ahogy láttuk, az SMPS eszköznek át kell hidalnia az áramellátásban bekövetkező rövid zavarokat, hogy a szinuszos váltóáramból tudja biztosítani az energiát. De mit értünk „rövid zavar” alatt? A 3. ábra egy nemzetközi szabvány, az IEC 62040-3 előírásait szemlélteti. Ez meghatározza a UPS kimeneti feszültségében bekövetkező, az SMPS terhelések által még elviselhető zavarok nagyságát és időtartamát. Ahogy a színezéssel jelzett „komfort zóna” alakján is látszik, minél kisebb a tranziens nagysága, annál hosszabb ideig lehet jelen a UPS kimenetén. Érdemes megfigyelni, hogy a szabvány a feszültségek széles sávjának folytonos jelenlétét engedélyezi – a névleges értéknél 10 %-kal nagyobbtól a 20 %-kal kisebb feszültségig. Más szóval a UPS kimeneti feszültsége egy értékhatáron belül időkorlát nélkül változhat anélkül hogy káros hatása lenne az SMPS működésére. Ennek az oka az, hogy az SMPS eszközökre vonatkozó hasonló szabványok előírják még az UPS kimeneti feszültségére meghatározottnál nagyobb feszültségingadozás áthidalását is. 4
3. ábra - 62040-3 IEC szabvány: a váltóáram SMPS terhelésekkel való kompatibilitás szempontjából elfogadható ingadozásának mérete és időtartama Feszültingadozás (%) A vonlafeszültség kétszerese
Túlfeszültségű tranziens zóna
Névleges vonalfeszültség
„Komfort zóna” A megfelelő tápegységek számára minden ebbe a zónába eső méretű és idejű tranziens elfogadható. Alacsonyfeszültségű tranziens zóna
Nulla feszültség
A tranziens időtartama (ms) A zöld színnel jelölt „komfort zónába” eső méretű és időtartamú feszültségingadozás („tranziens”) az SMPS terhelésekkel kapcsolatban álló UPS kimenetén megengedett, az azon kívül esők azonban nem.
4
Az „ITI/CBEMA görbe” és az IEC 61000-4-11 az SMPS rendszerek által elfogadott eltérésekről szóló hasonló szabványok.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
7
A 3. ábra alapján megállapíthatjuk, hogy egy 120 V váltóáramú kimenettel rendelkező UPS kompatibilitási megkötései a következők:
•
1 ezredmásodperces időkorláton belül a UPS kimenetének feszültsége akár 240 V-ra is emelkedhet
•
10 ezredmásodpercig a UPS kimenetének feszültsége akár nulla is lehet!
•
100 ezredmásodpercig kisebb ingadozások lehetnek jelen – a megengedett időtartam a zavar mértékétől függ
•
100 ezredmásodpercen túl (beleértve a folytonos működést is) a UPS kimenetének feszültsége 96 V és 132 V közé kell essen
A világ legtöbb táján, néhány fejlődő országot kivéve, az áramellátás viszonylag stabil. Egy átlagos napon a feszültség a névleges értéktől maximum 5 %-kal tér el, amely jócskán beleesik a 3. ábrán látható megengedett tartományba. Miután az SMPS eszközök ilyen tulajdonságokkal rendelkező váltóáramról is képesek üzemelni, rendelkeznek azzal a teherbíró képességgel, amely lehetővé teszi számukra a villamos közműhálózatról működést.
Összefoglalva az SMPS eszközök előnyeit:
Mese vagy valóság? MESE: Teljesítménykritikus alkalmazások esetén olyan UPS-re van szükség, melynek átviteli ideje nulla, hogy elkerülhessük például a hálózati kapcsolók lefagyását vagy a csomagvesztést. VALÓSÁG: SMPS eszközöket használnak majdnem minden teljesítménykritikus berendezésben. Ezek a nemzetközi szabványoknak megfelelően legalább 10 ezredmásodpercnyi áthidalási idővel kell rendelkezzenek (lásd a 3. ábrát). Az az eszköz, amelyik nem rendelkezik ennyi áthidalási idővel, rossz kialakításúnak számít és meglehetősen ritka – leginkább speciális célú (például nem számítástechnikai) eszközökben találhatunk ilyet.
•
A teljesítmény romlása nélkül képesek megbirkózni a bemeneti feszültség és frekvencia nagy változásaival is.
•
Váltóáramú bemenetük és egyenáramú kimenetük között beépített galvanikus szigeteléssel rendelkeznek, így feleslegessé teszik a régimódi, közös módusú (nullavezeték földelésével járó) szigetelést.
•
Az élettartamuk vagy megbízhatóságuk csökkenés nélkül képesek a bemeneti feszültségben fellépő észlelhető mennyiségű zavart fogadni.
•
Rövid áramkimaradások elviselésére beépített „áthidalási” idővel rendelkeznek.
Értsük meg saját UPS rendszerünket Az APC 1., „Az UPS rendszerek típusai” című tanulmánya a következő öt ma használatos UPS felépítést említi:
•
Készenléti
•
Vonal interaktív
•
Ferro-készenléti
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
8
•
Kettős átalakítású online
•
Delta átalakítású online
A 750 VA-tól 5000 VA-ig terjedő teljesítménykategóriában, az informatikában alkalmazott UPS rendszerek nagy többsége vonal interaktív, vagy kettős átalakítású online felépítésű. Más felépítésű UPS eszközöket ebben a tartományban ritkán használnak, azonban ennek okait ez a tanulmány nem vizsgálja.
Vonal interaktív UPS A vonal interaktív UPS általában egy fő áramátalakító használatával szabályozza a közüzem által szolgáltatott váltóáramot. A 4. ábra ennek a felépítésnek az IEC 62040-3 szabvány szerinti leírását szemlélteti.
4. ábra – IEC 62040-3 szerinti vonal interaktív UPS topológia A blokkdiagram egy hálózati illesztőegységet és a fő átalakító blokkot mutatja
Váltóáramú bemenet
Egyenáramú kimenet
Áramfelvevő felület
Normál működés
Inverter
Akkumulátoros működés
IEC 488/99 62040-3© IEC:1999
Akkumulátor
Ha a bemeneten váltóáram van jelen, a 4. ábrán látható hálózati illesztőegység feladata annak szűrése, a feszültségtüskék kiegyenlítése és a fent említett előírásoknak megfelelően szabályozott feszültség előállítása. Ezt legtöbbször passzív szűrőelemekkel és egy feszültségszabályzó transzformátorral oldják meg. A fő áramátalakító (az „inverter” egység) megfelelő áramellátás idején az általa felvett teljesítmény egy részét az akkumulátorok töltésére fordítja, hogy biztosítsa azok teljes feltöltöttségét. Ez általában a UPS névleges teljesítményének csak 10 %-át teszi ki, így ebben a működési módban a berendezések nem melegednek fel. Egy 3000 W teljesítményű vonal interaktív UPS inverter egysége 300 W teljesítményt (a kapacitás egy tizedét), vagy annál is kevesebbet használ fel az akkumulátorok töltésére. A legtöbb teljes leterheltségre tervezett összetevő hőmérséklete épp hogy csak meghaladja a környezet hőmérsékletét a legáltalánosabb működési módban, azaz amikor az áramellátás megfelelő. Amikor a közüzemi váltóáram feszültsége a hálózati illesztőegység bementén megengedett tartományon kívül esik, az inverter az akkumulátorokból biztosítja a kimeneti váltóáramot. A hálózati illesztő megengedett bemeneti tartománya legtöbbször egy rögzített intervallum, általában a névleges teljesítményhez képest -30 %-tól +15 %-ig terjed. Egy 120 V névleges kimeneti feszültségű UPS 107 V és 127 V közötti feszültségértéket tart a kimenetén, miközben a bemeneti feszültség 84 V-tól 138 V-ig változhat. 2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
9
Apró, de fontos részlet a vonal interaktív UPS működésével kapcsolatban, hogy míg szűri és szabályozza a terheléshez juttatott feszültséget, a fogyasztó által felvett áram hullámformáját nem változtatja meg. Ezért, ha a fogyasztó javított teljesítménytényezőjű (PFC – Power Factor Correction) SMPS egységgel rendelke5 zik , a vonal interaktív UPS nem zavarja a teljesítménytényező korrekcióját. Ha az SMPS nem rendelkezik
javított teljesítménytényezővel, azaz a 2. ábrán látható módon az áramot tüskék formájában veszi fel, a vonal interaktív UPS sem változtatja meg a hullámformát. Elméletileg az összetevők kis száma és fő áramátalakító egység (a 4. ábrán az „inverter” egység) alacsony üzemi hőmérséklete is hozzájárul a hosszú élettartamhoz és a megbízhatósághoz. A gyakorlatban ezzel szemben a megbízhatóságot más szempontok szerint ítélik meg, ezeket majd később, a Megbízhatóságot
befolyásoló tényezők című fejezetben írjuk le. A vonal interaktív UPS rendszereket alacsony áruk és hosszú élettartamuk miatt világszerte informatikai rendszerek millióiban sikerrel alkalmazzák. Figyelembe veendő tényezők (vonal interaktív UPS esetén): A fejlődő országokban vagy egyéb infrastrukturális gondokkal küzdő területeken, ahol a villamos közmű feszültsége instabil, erősen ingadozik vagy nagyon torzult, a vonal interaktív UPS naponta egyszer-kétszer vagy akár többször is átválthat akkumulátoros üzemre. Ennek az oka az, hogy a vonal interaktív felépítésű UPS csak korlátozott mértékben képes megvédeni a rá csatlakoztatott fogyasztókat a feszültségingadozástól vagy torzulástól, ezért lekapcsolódik a közműről és akkumulátoros üzemmódba vált. Habár a vonal interaktív UPS eszközök, ameddig akkumulátorai le nem merülnek, az IEC által meghatározott keretek (lásd a 3. ábrát) közé eső feszültséget biztosítanak, az akkumulátorok sűrű használata csökkenti azok kapacitását, így közvetve lerövidíti az áthidalható áramkimaradás időtartamát. Ha nem is merülnek le teljesen az akkumulátorok, sűrű használat esetén azok gyakori cseréje szükséges. A vonal interaktív felépítés előnyei:
•
•
•
Kisebb áramfogyasztás (alacsonyabb működési költség) – Hatékonyabb működés, mivel megfelelő váltóáram jelenlétekor kevesebb átalakításra van szükség Elméletileg megbízhatóbb működés – Kevesebb összetevő, alacsonyabb működési hőmérséklet (lásd lejjebb a Megbízhatóságot befolyásoló tényezők című fejezetet) A géppark hőmérsékleti terhelése csökken – A UPS kevesebb hőt termel
Mese vagy valóság? MESE: A vonal interaktív UPS nem szabályozza az áramot - a zaj és a tüskék átjutnak rajta, ez a tápegységek idő előtti elhasználódásához vezet. VALÓSÁG: A jó minőségű vonal interaktív eszközök beépített zaj és tranziensszűréssel rendelkeznek, hogy megfelelő kimenetet állítsanak elő, amely nem befolyásolja a fogyasztók megbízható működését.
5
A javított teljesítménytényezővel rendelkező eszközök az áramot szinusz-hullám formájában veszik fel váltóáramú bemenetükről, nem pedig lökések formájában. A 2. ábrán egy PFC nélküli berendezés kimenete látható. 2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
10
Azok a dolgok, amire figyelnünk kell: A vonal interaktív UPS nem a megfelelő választás a következő esetekben:
•
Ha a váltóáram instabil vagy nagyon torz, mert az UPS sűrűn használja akkumulátorait a követelményeknek megfelelő kimenet előállításához.
•
Ha a teljesítménytényező javítása szükséges és a fogyasztó azt nem végzi el.
Kettős átalakítású online UPS Ahogy a nevéből is kitűnik, a kettős átalakítású online UPS két lépésben alakítja át az áramot. Először a bemeneti váltóáramot az összes feszültségugrásával, torzulásaival és egyéb ingadozásával együtt egyenárammá alakítja. Ez az informatikai eszközökbe szerelt SMPS eszköz fent leírt feladatához hasonlít. További hasonlóság, hogy ugyanúgy, mint az SMPS eszközök, a kettős átalakítású UPS is egy kondenzátor segítségével tárolja el a váltóáram energiáját és stabilizálja az egyenáram feszültségét. A második lépésben az egyenáramot a UPS szabályozott váltóárammá alakítja vissza. A kimeneti váltóáram frekvenciája akár el is térhet a bemenet frekvenciájától – erre egy vonal interaktív UPS nem képes. A fogyasztókhoz jutó összes áram ezen a kétfázisú átalakításon megy át, amikor a váltóáram jelen van a bemeneten. Amikor a bemeneti áram kilép a meghatározott tartományból, a UPS az akkumulátoraiban tárolt áramra kapcsol át, így mindez nincs hatással a kimenetre. Sok kettős átalakítású felépítésű UPS számára a váltóáramú bemenet és az akkumulátorai közötti átváltás több ezredmásodpercet vesz igénybe. Az átmeneti időszakok alatt ismét a „egyenáramú összekötő” (lásd az 5. ábrán) kondenzátora látja el az invertert az abban tárolt energiával. Így nem zavarja meg a UPS kimeneti feszültségét az „egyenáramú összekötőt” ellátó áram rövid kihagyása. A mai berendezések többségébe egy akkumulátortöltő egység is be van építve, tehát a kettős átalakítású UPS eszközök az áramot igazából legalább három lépésben alakítják át. Az 5. ábra ezt a 62040-3 számú IEC szabvány szerinti felépítést mutatja be.
5. ábra – IEC 62040-3 szerinti kettős átalakítású online UPS topológia A blokkdiagram négy átalakító egységet mutat Váltóáramú bemenet
Váltóáramú bemenet
Elkerülő ág (primer vagy készenléti)
Egyenirányító
Egyenáramú összekötő
Elkerülő átkapcsoló
Egyenáramú kimenet
Inverter
Az akkumulátor áramát egyenárammá átalakító egység
Váltóáramú bemenet
Akkumulátortöltő (opcionális) Akkumulátor
Normál működés Akkumulátoros működés Elkerülő ági működés
IEC 487/99 62040-3© IEC:1999
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
11
A váltóáram egyenárammá alakításán felül az egyenirányító egység korrigálja a teljesítménytényezőt is (PFC), ami azt jelenti, hogy az áramot szabálytalan impulzusok helyett szabályos szinusz-hullám alakban veszi fel (a 2. ábrán egy PFC nélküli eszköz áramfelvétele látható). Miután a PFC „kijavítja” a felvett áram hullámformáját – beleértve a magas frekvenciájú felharmonikusok csillapítását is –, csökken az áramfelvétel. Ez akkor is bekövetkezik, ha a UPS által ellátott (nem PFC) számítástechnikai eszköz impulzusok formájában veszi fel az áramot. A teljesítménytényező javításáról és a semleges harmonikusokról több információt az APC 26-os, „Hazards of Harmonics and Neutral Overloads” című tanulmányában talál. Teljes leterheltség esetén a kettős átalakítású online UPS számára elfogadható bemeneti váltóáram tulajdonságai megegyeznek a vonal interaktív kialakítású eszközökkel kapcsolatban leírtaknak. A vonal interaktívval szemben a kettős átalakítású online UPS alacsonyabb bemeneti feszültség esetén is képes tovább működni, amennyiben nincs teljesen leterhelve. Eszerint egy átlagos, 120 V-os kettős átalakítású UPS eszköz kis terheléssel ugyan, de akkor is képes a villamos közműről üzemelni, mikor a bemeneti feszültség csak a névleges érték fele (60 V). Habár ez érdekes tény az online felépítéssel kapcsolatban, nem sűrűn látjuk hasznát (kivéve a bemutatókon), mivel az ilyen méretű zavarok nagyon ritkák, és mert a gyakorlatban a terhelés mértéke változó. Adott teljesítmény esetén az online UPS általában kisebb, mint a vonal interaktív kialakítású. Ezzel szemben általában háromszor annyi alkatrészből áll, és az alkatrészei kisebbek. Ez különösen igaz a 2200 VA-t meghaladó, nagyteljesítményű egységek esetén, kiváltképp, ha egy működése közben is bővíthető vonal interaktív UPS berendezéshez viszonyítunk. Az online felépítés általában tartalmaz egy elkerülő áramkört is, amelyet akkor használnak, amikor hosszan tartó túlterhelésre kell számítani, vagy ha gond van a két átalakító áramkör közül az egyikkel. Az elkerülő és az inverter működése közti átváltáskor, a vonal interaktív UPS akkumulátorra kapcsolásához hasonlóan a kimenetben néhány ezredmásodpercnyi szakadás lehet. Emiatt sok online berendezés az SMPS egységre támaszkodva hidalja át a UPS kimenetén megjelenő zavarokat. A vonal interaktív felépítéshez hasonlóan ez nem okoz gondot, amíg a UPS kimenetének kihagyása
Mese vagy valóság?
a 3. ábrán látható határokon belül marad. Figyelembe veendő tényezők (kettős átalakítású online UPS esetén): Az online áram-átalakítás szakaszai, melyek folyamatosan működésükkel állítják elő a szabályozott kimeneti feszültséget, a névleges teljesítményük szintjéig leterhelhetők. A teljesítmény növelésének azonban ára van. A több szakaszú áram-átalakítás miatt az átlagos online UPS vonal interaktív felépítésűnél jóval több
MESE: Az online UPS eszközök jobb védelmet nyújtanak a közös módusú (CM – Common-Mode) zajjal szemben. VALÓSÁG: Habár lehetséges olyan online és vonal interaktív eszközt tervezni, amely rendelkezik galvanikus szigeteléssel, általában passzív alkatrészeket használnak a közös módusú feszültség csökkentésére, Ebben a tekintetben sem az online sem a vonal interaktív felépítés nem előnyösebb. Az SMPS eszközök rendelkeznek galvanikus szigeteléssel, így a további szigetelés felesleges. Az APC 9-es és 21-es tanulmányaiban erről a témáról több információt talál.
alkatrészből áll. Mivel ezek az összetevők, míg a
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
12
bemeneti váltóáram jelen van, folyamatosan dolgoznak a terhelések által felvett áram átalakításán, általában magasabb hőmérsékleten működnek, mint a vonal interaktív UPS alkatrészei. Elvileg mind a folyamatos működés, mind a magasabb üzemi hőmérséklet csökkenti a UPS alkatrészeinek megbízhatóságát. A gyakorlatban ezzel szemben a megbízhatóságot más szempontok szerint ítélik meg, ezeket majd később, a Megbízhatóságot befolyásoló tényezők című fejezetben írjuk le. Egy másik tényező, amit érdemes figyelembe venni, a kettős átalakítású online UPS üzemeltetéséhez szükséges többlet energia. A kettős átalakítású online UPS, a kiépítéstől függően, folyamatosan 85 % és 92 % közé eső teljesítménnyel dolgozik, míg a vonal interaktív hatásfoka 96 % és 98 % között mozog. Egy 90 %-os hatásfokú, 1000 W teljesítményű UPS például, teljes terhelés mellett 100 W energiát fogyaszt. Ez, durván becsülve átlagosan évi $100 többlet költséget jelent. A közüzemi díjak növekedésén túl ezt a 100 W hőt el kell távolítani a környezetből, ami további, a hűtőrendszer hatékonyságától függő költségeket okoz. Ez nem tűnik jelentősnek, de ha egy nagyvállalat összes UPS egysége által okozott veszteséget számoljuk össze, vagy egy UPS egység teljes élettartama alatt elfogyasztott energiát vesszük számba, a UPS birtoklási összköltségének jelentős részét kitevő tényezőt kapunk. Összehasonlításképpen egy hasonló mértékben terhelt vonal interaktív UPS az energiafogyasztás harmadakkora növekedésével jár. A kettős átalakítású online felépítés előnyei:
•
Torz vagy ingadozó bemeneti feszültség esetén ritkábban váltanak akkumulátoros üzemmódba
•
A teljesítménytényező a fogyasztók típusától függetlenül javításra kerül
•
Kisebbek, könnyebbek, különösen a magasabb teljesítménykategóriába esők
•
Mese vagy valóság?
Szabályozni tudják, vagy akár 50 Hz-ről 60 Hz-re (vagy fordítva) változtatják a kimenet frekvenciáját
Lehetne amellett érvelni, hogy a szabályozott kimeneti váltakozó feszültség az online topológia előnye. Azonban
MESE: A szigorúan szabályozott feszültség növeli a számítástechnikai eszközök teljesítményét és megbízhatóságát. VALÓSÁG: Az SMPS egységek a bemeneti váltakozó feszültséget (az ugrásokkal és torzulásokkal együtt) szabályos egyenárammá alakítják. Azután ezt az egyenáramot használják az informatikai fogyasztók ellátására szolgáló tiszta, szabályozott egyenáram előállításához. A megengedett intervallumon belül eső bemeneti feltételek NEM befolyásolják az SMPS kimenetét, vagy a berendezések teljesítményét. Különben miért volnának azok az értékek feltüntetve az SMPS burkolatán?
az SMPS egységgel rendelkező eszközök nem igénylik a váltakozó feszültség szabályozását, mivel az SMPS, ahogy feljebb leírtuk azt megteszi.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
13
Azok a dolgok, amire figyelnünk kell:
•
A kettős átalakítású online eszközöknek több alkatrésze folyamatosan magas hőmérsékleten üzemel, így ha az összes többi paraméterük megegyezik is, sűrűbben kell őket javítani, mint a vonal interaktív berendezés ugyanazon elemeit.
•
A kettős átalakítású online eszközök több áramot fogyasztanak a vonal interaktív berendezésekhez képest, mert a közüzemi elektromosság jelenlétekor is folyamatosan transzformálják a kimenetre vezetett áramot.
•
A kettős átalakítású eszközök több hőt termelnek. Ezt a hőt mindenképp el kell távolítani a környezetből a többi eszközre és a UPS saját akkumulátorára kifejtett káros hatása miatt.
A megbízhatóságot befolyásoló tényezők Mindekét felépítés esetén a felépítés egyes tulajdonságai növelhetik, vagy csökkenthetik az eszköz élettartamát és a megbízhatóságát. A vonal interaktív felépítés esetén az alkatrészek kis száma és az alacsony működési hőmérséklet növeli az élettartamot és a megbízhatóságot. A kettős átalakítású eszközök esetén a folyamatos működés és a magasabb üzemi hőmérséklet csökkenti ezeket a paramétereket. Ezzel szemben a gyakorlatban az eszköz megbízhatóságát, topológiától függetlenül az határozza meg, hogy a gyártó hogyan tervezi és állítja össze a berendezést, és hogy milyen minőségű alkatrészeket használ fel. Mivel a minőség inkább a gyártón múlik, létezik jó minőségű kettős átalakítású eszköz és rossz minőségű vonal interaktív berendezés, és fordítva.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
14
Az összehasonlítás összegzése A következő táblázat összefoglalja a vonal interaktív és a kettős átalakítású felépítés előnyeit és hátrányait.
1. táblázat – A vonal interaktív és kettős átalakítású online rendszerek összehasonlítása TOPOLÓGIA
Vonal interaktív
Megbízhatóság
Birtoklási összköltség
Kiindulási adatok:
Kimenet
Méret és súly
+
+
–
+/–
–
Kevesebb alkatrész
Alacsonyabb ár (a kevesebb alkatrész miatt)
Nincs PFC A kimeneti frekvencia beállítható határokon belül változó
Általában nagyobb és nehezebb
+
+
Alacsonyabb üzemi hőmérséklet
Alacsonyabb működési költség (kevesebb áramot fogyaszt)
Kettős átalakítású online
Nagymértékben torzult feszültség esetén sűrűn vált akkumulátoros üzemmódba
–
–
+
Sok alkatrész
Magasabb ár (a sok alkatrész miatt)
Van PFC
Magasabb üzemi hőmérséklet
Magas működési költség (áram és hűtés)
Nagymértékben torzult feszültséget is elvisel anélkül, hogy akkumulátorra kapcsolna
A kimenet frekvenciája beállítás szerint rögzített
Általában kisebb, könnyebb, különösen nagy teljesítmény esetén
Összegzés A 750 VA és 5000 VA közötti teljesítmények esetén mindkét felépítésű UPS eszköz megfelelő védelmet nyújt az informatikai berendezések számára az áramellátás zavarai ellen, így a megfelelő típust a konkrét feladat alapján kell kiválasztani. Az ár, a működési költség, a kibocsátott hő és a megbízhatóság, melyek a felhasználás szempontjából meghatározó paraméterek, mind a vonal interaktív felépítés választása mellett szólnak. A vonal interaktív rendszerek valóban az informatikai rendszerek általánosan használt a hatékony és megbízható részeivé váltak. Néhány esetben azonban a kettős átalakítású UPS jobb választásnak bizonyul. Nevezetesen az olyan helyeken, ahol a közüzemi váltóáram torz, vagy ingadozó, mert ott a kettős átalakítású UPS ritkábban fog a megfelelő kimenet előállításához az akkumulátoraira kapcsolni. Az akkumulátorok ritkább használata megnöveli az élettartamukat, és megtartja azok képességét hosszabb áramkimaradások áthidalására, Mindemellett az akkumulátorok ritkább cseréje által behozhatjuk a vonal interaktív UPS alacsonyabb működési költségén megtakarított összegeket. Az olyan ritka esetekben, amikor a teljesítménytényező javítására van szükség, a berendezés kis mérete elengedhetetlen, frekvencia átalakítás szükséges vagy különféle orvosi eszközök esetén a kettős átalakítású UPS választása előnyösebb.
Néhány szó a szerzőkről: Jeffrey Samstad az American Power Conversion vállalat Smart-UPS RT részlegének vezető mérnöke. Villamosmérnöki diplomája van és 14 év tapasztalattal rendelkezik a UPS berendezések tervezőcsapatainak vezetésében és a különböző UPS felépítésekkel kapcsolatban. Michael Hoff a Northeastern Univeristy villamosmérnöki karán, áramellátó rendszerek témájában szerezte magiszteri oklevelét, jelenleg az American Power Conversion vállalat New Technology Research kutatócsoportját vezeti. A 16 év alatt, amit az APC vállalatnál töltött, szünetmentes tápegységeket és UPS felépítéseket fejlesztett, és több fejlesztési projektet és csoportot vezetett mind az Egyesült Államokban, mind külföldön.
2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0
16
