Zasilacze awaryjne UPS

1. Wady i zalety zasilaczy awaryjnych UPS

2. Testy zasilaczy awaryjnych line-interactive

3. Cechy dobrego zasilacza awaryjnego

4. Wyposażenie i funkcje dodatkowe zasilaczy UPS

5. Jak dobrać zasilacz awaryjny?

6. Jak testować zasilacze UPS?

Ad 1 WADY I ZALETY ZASILACZY AWARYJNYCH UPS:

Zasilacze awaryjne UPS ogólnie dzielimy na dwie grupy ze względu na ich zasadę działania:

• Zasilacze awaryjne off-line,

• Zasilacze awaryjne on-line.

Zasilacz awaryjny off-line podczas pracy z poprawną siecią zasilającą mierzy jej parametry i ładuje wewnętrzne akumulatory. Podczas zaniku lub spadku napięcia w sieci zasilającej przechodzi na pracę awaryjną. W momencie przejścia na pracę awaryjną zasilacz uruchamia swój wewnętrzny falownik zasilany akumulatorami generując na wyjściu napięcie zmienne 220V jednocześnie odłączając się od wadliwej sieci zasilającej (rys.1).

Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego off-line.

Szczególną odmianą zasilaczy off-line są zasilacze line-interactive, w których transformator główny pełni podwójną rolę pracując w układzie prostownika ładującego akumulatory (opcjonalnie, również stabilizatora napięcia wyjściowego AVR) w trakcie pracy z poprawną siecią zasilającą oraz w układzie falownika podczas awarii zasilania (rys. 2).

Rys. 2. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego line-interactive.

Odmiana line-interactive zasilaczy UPS występuje częściej na rynku ze względu na swe korzystne parametry przełączania na pracę awaryjną i powrotu. Praca w trybie line-interactive umożliwia szybkie przejście na pracę awaryjną i z powrotem przy stosunkowo małych zaburzeniach w przebiegu zasilającym w momencie przełączania. Jeżeli zasilacz line-interactive spełnia cechy dobrego zasilacza UPS to nie wymaga dodatkowych zewnętrznych elementów zabezpieczających i jest łatwy w instalacji i obsłudze.
Zasilacz awaryjny on-line zapewnia całkowitą separację zasilanych urządzeń od sieci zasilającej. Separacja jest wynikiem podwójnego przetwarzania. Zmienne napięcie sieciowe 220V przetwarzane jest na napięcie stałe, z którego jednocześnie ładowane są akumulatory, a następnie ponownie wytwarzane jest napięcie zmienne na wyjściu zasilacza o kontrolowanych parametrach. Zmiany napięcia wejściowego nie mają bezpośredniego wpływu na napięcie wyjściowe (rys. 3).

Rys. 3. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego on-line.

Odmianą zasilaczy on-line są zasilacze redundantne. W uproszczeniu są to zasilacze pracujące równolegle, w których jedna z gałęzi jest nadmiarowa (rys. 4).

Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza awaryjnego redundantnego.

Przy wykorzystaniu ich nadmiarowości tj. obciążaniu wyjścia np. połową mocy znacznie zwiększa się niezawodność systemu zasilania, ponieważ uszkodzenie jednej gałęzi nie powoduje przerwy w zasilaniu.

Na podstawie przedstawionego powyżej orientacyjnego podziału zasilaczy awaryjnych zostaną zaprezentowane poniżej dwie odmienne typowe aplikacji UPS'ów. Posłużą one do wyeksponowania zalet i wad poszczególnych rozwiązań. Za wzorce przyjęto zasilacze ETA z rodziny line-interactive oraz on-line. Ekonomiczne kryteria doboru zasilaczy awaryjnych omówiono w oddzielnym opracowaniu.

Centralne zasilanie awaryjne (rys. 5).

Ten sposób zabezpieczenia sieci komputerowej stosowany jest w przypadku instalacji zamkniętych, przeznaczonych do określonych zadań. Zapewnione jest wydzielone (klimatyzowane) pomieszczenie dla UPS'a oraz specjalna dedykowana instalacja elektryczna do zasilania komputerów. W takich zastosowaniach koszty inwestycji nie są istotne, natomiast istotny jest łatwy nadzór nad zasilaczem oraz separowany od sieci przebieg zasilający dla zabezpieczanych komputerów.

Rys. 5. Centralne zasilanie awaryjne.

Rozproszone zasilanie awaryjne (rys. 6).

Ten sposób zabezpieczania komputerów pracujących w sieci komputerowej stosowany jest w przypadkach jej dynamicznego, nieprzewidywalnego rozwoju oraz w sytuacjach, gdzie istotne są niskie koszty inwestycji. Zastosowanie zasilaczy line-interactive nie wymaga modyfikacji istniejącej instalacji zasilającej. Zasilacze tego typu ze względu na swoje małe rozmiary i odpowiednią konstrukcję odporną na warunki zewnętrzne nie wymagają wydzielonych klimatyzowanych pomieszczeń. Zabezpieczenie rozwijającej się sieci komputerowej polega na zastosowaniu nowego zoptymalizowanego pod względem mocy zasilacza line-interactive dopasowanego do nowo zainstalowanego stanowiska komputerowego.

Rys. 6. Rozproszone zasilanie awaryjne.

Pewnym szczególnym przypadkiem rozproszonego zasilania awaryjnego jest zabezpieczenie sieci komputerowej z wydzielonym serwerem, na którym gromadzone są dane o strategicznym znaczeniu (rys. 7). Taki serwer wymaga nadzwyczajnego zabezpieczenia zasilania i wtedy do jego ochrony wykorzystuje się zasilacz redundantny on-line. Zasilacz ten zapewnia pełną separację chronionego serwera od sieci zasilającej oraz poprzez konstrukcję nadmiarową (tj. równoległą pracę poszczególnych gałęzi - rys. 4, z których każda samodzielnie jest w stanie zasilić serwer) znacząco zwiększa się niezawodność systemu ochrony zasilania serwera. Ponieważ zasilacz redundantny zabezpiecza tylko sam serwer to zbędna jest dedykowana instalacja elektryczna, a uwzględniając stosunkowo małą moc zasilacza UPS jego podłączenie do sieci zasilającej jest równie proste jak zasilaczy line-interactive i nie wymaga specjalnie wykwalifikowanej obsługi.

Rys. 7. Rozproszone zasilanie awaryjne z zasilaczem redundantnym.

W celu optymalizacji kosztów rozproszonego zasilania awaryjnego możliwe jest wykorzystywanie jednego zasilacza line-interactive do zasilania kilku sąsiadujących ze sobą komputerów w jednym pomieszczeniu (rys.8).

Rys. 8. Wersja uproszczona rozproszonego zasilania awaryjnego.


PODSUMOWANIE

Do ochrony zasilania komputerów stosuje się jedno z wyżej przedstawionych rozwiązań wykorzystując zasilacze line-interactive, on-line i redundantne on-line. Podstawowe zalety i wady poszczególnych aplikacji wymieniono przy ich opisie. Poniżej zostaną wymienione wady i zalety stosowanych w tych rozwiązaniach zasilaczy awaryjnych.

Zasilacze line-interactive stosowane w systemie zasilania rozproszonego

ZALETY:

1. Niska cena jednostkowa zasilacza

2. Niska cena jednostki mocy (VA)

3. Zerowy koszt instalacji

4. Skalowalność (nowy komputer - nowy zasilacz)

5. Prosta optymalizacja w zakresie zapotrzebowania na moc (duży asortyment typów)

6. Niski koszt eksploatacji (mały pobór energii podczas pracy sieciowej oraz wyłączanie zasilacza wraz ze stanowiskiem komputerowym po zakończeniu pracy)

7. Duża niezawodność systemu rozproszonego

8. Brak kosztów konserwacji

9. Brak kosztów z tytułu zajmowanego miejsca (brak potrzeby adaptacji pomieszczeń)

10. Szybki start (wraz z załączanym stanowiskiem, brak potrzeby ciągłej pracy)

11. Cicha praca (brak wentylatora w małych mocach)

12. Niskie koszty serwisu (wymiana akumulatora tylko w jednym zasilaczu jednocześnie, łatwość dostarczenia do serwisu)

WADY:

1. Mała separacja od sieci zasilającej

2. Ograniczona stosowalność ze względu na przebieg quasi-sinusoidalny

3. Utrudnione zarządzanie programowe ze względu na ilość zasilaczy

Zasilacze nadmiarowe on-line stosowane w systemie zasilania rozproszonego

ZALETY:

1. Bardzo duża niezawodność wynikająca z nadmiarowości

2. Zerowy koszt instalacji w przypadku małych mocy

3. Skalowalność (przyrost stanowisk - dodatkowy moduł zasilacza)

4. Duża separacja od sieci zasilającej

5. Szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny

6. Szybki start (możliwość wyłączania na noc - oszczędność energii i akumulatorów)

WADY:

1. Wysoka cena jednostkowa zasilacza

2. Wysoka cena jednostki mocy (VA)

3. Głośna praca (szum wentylatorów)

Zasilacze on-line stosowane w systemach centralnego zasilania

ZALETY:

1. Duża separacja od sieci zasilającej

2. Szerokie zastosowanie ze względu na przebieg sinusoidalny

3. Łatwe zarządzanie programowe (jeden zasilacz)

WADY:

1. Wysoka cena jednostki mocy (VA)

2. Wysoka cena jednostkowa zasilacza

3. Ograniczona możliwość optymalizacji dostarczanej mocy (mały asortyment mocy)

4. Brak skalowalności (system zamknięty)

5. Konieczność stosowania wydzielonej instalacji elektrycznej (koszty instalacji, jej zabezpieczenia przed zastosowaniem do innych celów, oznakowanie, elementy zabezpieczenia - bezpieczniki, by-pass, wyłącznik ppoż.)

6. Koszt wydzielonego pomieszczenia lub powierzchni (koszt klimatyzacji)

7. Ograniczona możliwości optymalizacji czasu pracy (praca ciągła ze względu na brak informacji o aktualnie pracujących stanowiskach komputerowych i ograniczony dostęp do UPS'a)

8. Duży koszt energii (ograniczona sprawność i ciągły czas pracy)

9. Stosunkowo małe bezpieczeństwo (uszkodzenie zasilacza powoduje niesprawność całej sieci komputerowej i utrata efektów pracy wszystkich użytkowników)

10. Koszty konserwacji (czyszczenie wentylatorów przez wykwalifikowany personel serwisowy)

11. Duże koszty serwisu (np. wymiana jednoczesna wszystkich akumulatorów przez ekipę serwisową u użytkownika)

12. Głośna praca (szum wentylatorów)

3. Cechy dobrego zasilacza awaryjnego

Współczesne zasilacze awaryjne małej mocy realizowane są głównie w technologii line-interactive z przebiegiem quasi-sinusoidalnym na wyjściu podczas pracy awaryjnej.
W przypadku zasilaczy, o których mowa, technologię line-interactive rozumie się w następujący sposób (rys. 1):

Podczas pracy z poprawnym napięciem sieci zasilającej następuje transfer energii na wyjście UPS'a przez filtr sieciowy (F) oraz zwarty rozłącznik (P) (strzałka 2) przy jednoczesnym ładowaniu akumulatorów (strzałka 1). W przypadku wykrycia awarii zasilania UPS uruchamia rozłącznik (P) i synchronicznie do przebiegu sieciowego włącza falownik (B) dostarczający na wyjście UPS'a energię z wewnętrznych akumulatorów (strzałka 3). Pracujący w układzie UPS'a transformator główny pełni podwójną rolę: podczas pracy z prawidłowym napięciem sieciowym pełni on rolę elementu prostownika (A) doładowującego akumulatory zasilacza oraz, jeżeli UPS wyposażony jest w układ stabilizacji napięcia AVR, stanowi element stabilizatora napięcia sieciowego, a podczas pracy awaryjnej stanowi element falownika (B).

Rys. 1. Zasada pracy zasilacza awaryjnego w trybie line-interactive.

Przebieg quasi-sinusoidalny to przebieg prostokątny z regulowaną szerokością wypełnienia w funkcji obciążenia wyjściowego UPS'a oraz stanu rozładowania akumulatorów (rys. 2).

Rys. 2. Kształt napięcia wyjściowego UPS'a podczas pracy normalnej i awaryjnej

Przebieg quasi sinusoidalny nadaje się do zasilania komputerów wraz z monitorami. W przypadku zasilania urządzeń peryferyjnych istotny jest zakres zmian amplitudy napięcia wyjściowego i jego szerokości, który zależy od szczegółów konstrukcyjnych poszczególnych zasilaczy awaryjnych.

Poniżej przedstawiono istotne cechy dobrego zasilacza awaryjnego małej mocy uwzględniając ergonomię, funkcjonalność i bezpieczeństwo.

1. Prosta obsługa
Korzystne jest wyposażenie UPS'a w jeden centralny wyłącznik zasilania. Wyłącznik taki powinien mieć odpowiednie wymiary i jednoznaczne oznaczenia stanu pracy oraz powinien być zlokalizowany w widocznym miejscu. W sąsiedztwie wyłącznika nie powinno być przycisków pełniących inną funkcję. Takie rozwiązanie nie budzi wątpliwości związanych z uruchamianiem zasilacza i zasilanego stanowiska komputerowego zapewniając użytkownikowi bezstresową obsługę.

2. Jednoznaczna sygnalizacja optyczno-dźwiękowa stanów pracy zasilacza
Odpowiednia sygnalizacja zapewnia użytkownikowi komfort pracy i gwarantuje prawidłową reakcję na awarie zasilania opierając się na jego intuicji. Sygnalizacja taka powinna w miarę możliwości uwzględniać użytkowników niepełnosprawnych np.: głuchych, daltonistów itp. Powinna również uwzględniać niekorzystną lokalizację UPS'a (poza zasięgiem wzroku). Jednocześnie sygnalizacja taka nie powinna być zbyt skomplikowana. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie trzech lampek sygnalizacyjnych ustawionych w szeregu od lewej do prawej lub od góry do dołu świecących w odpowiednich kolorach. Pierwsza zielona mogłaby sygnalizować włączenie zasilacza i napięcia na jego wyjściu w przypadku prawidłowego napięcia w sieci zasilającej. Druga żółta oznaczałaby pracę akumulatorową UPS'a na skutek awarii sieci zasilającej. Trzecia czerwona mogłaby ostrzegać przed sytuacjami krytycznymi, takimi jak rozładowane akumulatory czy przeciążone wyjście UPS'a. Sygnalizacja dźwiękowa powinna uwzględniać informację o pracy awaryjnej oraz zbliżanie się jej końca na skutek rozładowania akumulatorów. Przykładowo stan pracy awaryjnej może być sygnalizowany krótkimi piknięciami w dłuższych odstępach czasu (tak jak w telefonie komórkowym sygnalizowane są upływające minuty rozmowy) natomiast znaczne rozładowanie akumulatorów może być sygnalizowane szybkim przerywanym dźwiękiem (przypominającym budzik).

3. Konstrukcja zapewniająca wydłużenie żywotności akumulatorów
Całkowite odłączanie zasilania UPS'a wyłącznikiem wpływa korzystnie na żywotność akumulatorów. Odłączanie okresowe układu ładowania powoduje obniżenie temperatury pracy akumulatorów, wzrost, której jest wynikiem przepływu prądu ładowania przez akumulator oraz co ważniejsze wydzielaniem się ciepła w obwodach prostownika i stabilizatora. Podwyższona temperatura pracy skraca żywotność akumulatorów, a mały prąd doładowujący płynący przez już naładowane akumulatory również przyczynia się w znacznej mierze do jej skrócenia. Przeciętny czas pracy stanowiska komputerowego wynosi 1/3 doby, wyłączenie stanowiska i zasilacza powoduje, że resztę czasu akumulatory odpoczywają. Rozwiązanie takie obniża dodatkowo zużycie energii elektrycznej.

4. Wysoka sprawność zasilacza podczas pracy awaryjnej
W celu uzyskania wysokiej sprawności UPS powinien zapewniać małe zużycie energii z akumulatora na potrzeby własne podczas pracy awaryjnej. Wymusza to stosowanie nisko rezystancyjnych kluczy w obwodzie falownika (tj. odpowiedniej obsady tranzystorowej stopnia mocy), co ma niestety istotny wpływ na wzrost ceny zasilacza. Takie rozwiązanie gwarantuje jednak wydłużanie czasu podtrzymania zasilania stanowiska komputerowego podczas awarii sieci zasilającej.

5. Filtr przeciwzakłóceniowy na wejściu zasilacza
Filtr wejściowy (rys.1) tłumi zakłócające częstotliwości radiowe pojawiające się w sieci zasilającej, powinien również zawierać warystorowy tłumik przepięć impulsowych. Tłumik taki powinien charakteryzować się możliwie dużą zdolnością absorpcji energii impulsów. Ponadto filtr zapobiega przedostaniu się ewentualnych zakłóceń generowanych przez komputer do sieci zasilającej. Rozwiązanie takie eliminuje konieczność stosowania listew przeciwzakłóceniowych, obniżając koszt systemów zabezpieczających.

6. Gniazda wyjściowe w polskim standardzie z zabezpieczeniem
Gniazda w polskim standardzie eliminują konieczność stosowania specjalistycznych przewodów zasilających łączących komputer i monitor z zasilaczem. Zabezpieczenie gniazd uniemożliwia ingerencje do wnętrza metalowymi przedmiotami (gwoździami, drutem itp.) na przykład przez bawiące się w pobliżu dzieci. Korzystne jest wyposażenie zasilacza w minimum dwa gniazda wyjściowe umożliwiające jednoczesne podłączenie monitora i komputera osobnymi przewodami.

7. Zamknięta metalowa obudowa
Obudowa zasilacza awaryjnego powinna być wykonana z odpowiedniej grubości blachy zapewniając sztywność i trwałość konstrukcji z reguły masywnego UPS'a. Obudowa powinna być ocynkowana i pokryta trwałą powłoką farby oraz powinna mieć zapewniony doskonały kontakt elektryczny z systemem uziemienia ochronnego zasilacza. Ponadto nie powinna posiadać jakichkolwiek ostrych, kaleczących krawędzi. Tak zaprojektowana obudowa pełni w zasilaczu wielorakie funkcje:
a) Brak otworów w obudowie zapobiega przedostaniu się do jego wnętrza metalowych przedmiotów takich jak spinacze, zszywki, szpilki itp. Zasilacz awaryjny w odróżnieniu od innych urządzeń biurowych wyposażony jest w wydajne źródło energii elektrycznej (o prądzie zwarcia kilkaset amper), którym jest akumulator. Jakiekolwiek zwarcie w układzie mocy falownika spowodowane ingerencją metalowych przedmiotów do wnętrza zasilacza może spowodować pożar.
b) W przypadku awarii stopnia mocy UPS'a (np. na skutek obciążania go dużą indukcyjnością) zamknięta obudowa stanowi barierę przeciwpożarową. Roli tej nie spełniają obudowy plastikowe oraz metalowe z otworami wentylacyjnymi.
c) Zamknięta obudowa zabezpiecza również przedostaniu się do UPS'a innego rodzaju zanieczyszczeń mogących być przyczyną awarii w szczególności, gdy pracuje on w pomieszczeniach mocno zapylonych.
d) Metalowa obudowa pełni dodatkowo funkcję radiatora o dużej powierzchni odprowadzającego ciepło wydzielane w zasilaczu.
e) Pełni rolę ekranu elektromagnetycznego zapobiegając emisji fal zakłócających jakie mogą być generowane w obrębie stanowiska komputerowego w szczególności podczas pracy awaryjnej.

8. Dwa bezpieczniki sieciowe zabezpieczające oba przewody robocze biegun/zero
Urządzenia komputerowe wyposażone są w przewody zasilające z uziemieniem i mogą być podłączane tylko do gniazd sieciowych wyposażonych w kołek uziemiający. Brak jednoznacznego określenia fazy w gniazdach sieciowych w stosunku do kołka uziemiającego (w szczególności w gniazdach podwójnych) wymusza konieczność stosowania dwóch bezpieczników.
Szczegółowe wyjaśnienie tego zagadnienia zamieszczono przykładowo na stronach internetowych www.eta.com.pl . Zastosowanie jednego bezpiecznika nakłada na instalatora UPS'a obowiązek wyposażenia instalacji pomieszczenia w którym jest on zainstalowany w odpowiedni zewnętrzny bezpiecznik w przewodzie fazowym. Bezpiecznik zewnętrzny powinien zapewniać zadziałanie przy prądzie nie powodującym uszkodzeń w instalacji wewnętrznej UPS. W zasilaczach małej mocy bezpieczniki mają wartość od 2,5A do 6,3A i takie też zabezpieczenie powinno być w instalacji zewnętrznej (oczywiście w przypadku stosowania jednego bezpiecznika w UPS'ie). We współczesnych instalacjach elektrycznych standardowo stosuje się zabezpieczenia nie mniejsze niż 16A, z czego wynika, że zastosowanie zasilacza z jednym bezpiecznikiem jest w praktyce niedopuszczalne.

9. Dwubiegunowe odłączanie wyjścia zasilacza
Centralny wyłącznik zasilania powinien odłączać całkowicie zasilanie UPS'a oraz urządzeń do niego podłączonych. Oznacza to odłączenie dwóch biegunów zasilania fazy i zera od zasilanego sprzętu komputerowego i eliminuje niebezpieczeństwo pojawienia się niebezpiecznych potencjałów (220 V w stosunku do uziemienia) w urządzeniach zasilanych przez UPS'a. Zapobiega również przedostaniu się przepięć impulsowych (wywołanych np. przez wyładowania atmosferyczne) na wyjście zasilacza przy wyłączonym wyłączniku sieciowym gwarantując bezpieczeństwo użytkownika i zasilanego sprzętu.

10. Identyfikowalność zasilacza UPS
Zasilacz powinien posiadać jednoznaczne i czytelne oznaczenie typu. Znajdujące się w zasilaczu złącza i przełączniki powinny być opisane. Opisy występujące na zasilaczu powinny umożliwić jego bezpieczne podłączenie bez dokumentów wspomagających, a więc powinny zawierać między innymi:
- parametry dotyczące sieci zasilającej: napięcie, prąd maksymalny i częstotliwość,
- obciążalność gniazd wyjściowych: moc wyrażona w VA i W, maksymalny prąd, napięcie i częstotliwość,
- typ i wartość bezpieczników dostępnych na zewnątrz,
- przeznaczenie złączy dodatkowych.
Wszystkie wyżej wymienione opisy powinny być wykonane w sposób trwały np.: sitodruk, nalepki samoprzylepne nie spełniają tego zadania.

11. Zabezpieczenie obwodów akumulatora
Akumulator jest źródłem bardzo dużej energii, co pociąga konieczność stosowania w jego obwodzie elementów zabezpieczających o jednoznacznej charakterystyce rozłączania w przypadku zwarć. Takie wymagania spełniają bezpieczniki topikowe lub automatyczne. Stosowanie wyłącznie czynnych obwodów elektronicznych w obwodzie zabezpieczenie akumulatora nie zapewnia odpowiedniego stopnia bezpieczeństwa, ponieważ nie jest zdefiniowane ich zachowanie podczas ich awarii skutkiem, czego może być pożar zasilacza. Wynika z tego,że elektroniczne systemy zabezpieczeń obwodu akumulatora powinny być uzupełnione elementem biernym typu bezpiecznik.

Istnieją również mniej istotne cechy zasilacza małej mocy podnoszące jego funkcjonalność:

- RST - "zimny start" - możliwość uruchomienia zasilacza bez obecności sieci zasilającej,
- AVR - stopniowa stabilizacja napięcia wyjściowego przy pracy z sieci zasilającej,
- KF - możliwość współpracy z kasami fiskalnymi,
- AG - możliwość współpracy z agregatami prądotwórczymi,
- COM - możliwość zdalnego monitorowania pracy UPS'a przez komputer,
- TEL - wyposażenie zasilacza w filtr linii telefonicznej

4. Wyposażenie i funkcje dodatkowe zasilaczy UPS

Zasilacz awaryjny UPS line-interactive małej mocy może być wyposażony w szereg układów podnoszących jego funkcjonalność, komfort użytkowania i zwiększających zakres zastosowań. Należą do nich między innymi:

1. RST - układ „zimnego startu” umożliwiający uruchomienie zasilacza przy braku napięcia w sieci zasilającej. Szczególnie przydatny w sytuacji, gdy konieczne jest włączenie komputera i wykonanie krótkiego zadania przy braku napięcia w sieci. W wielu przypadkach w szczególności w zasilaczach awaryjnych małej mocy nie jest możliwe uruchomienie stanowiska komputerowego bez obecności sieci zasilającej pomimo wyposażenie UPS w ten układ.

2. AVR - układ stabilizacji napięcia wyjściowego. Regulacja napięcia wyjściowego realizowana jest z reguły skokowo przez podwyższenie lub obniżenie napięcia na wyjściu UPS odwrotnie do zmian napięcia na wejściu zasilacza awaryjnego bez przechodzenia na pracę awaryjną. Układ taki znajduje zastosowanie szczególnie w sytuacjach permanentnego obniżenia napięcia w sieci zasilającej. Sytuacja odwrotna tj. ciągłego za wysokiego napięcia w sieci zasilającej występuje bardzo rzadko, częstsze są chwilowe przepięcia, stąd AVR obniżający ma mniejsze zastosowanie a już w szczególności, gdy przyjście na AVR jest realizowane za pośrednictwem stanu pracy awaryjnej.

4. AG - układ umożliwiający współpracę zasilacza z agregatem prądotwórczym. Generowana przez agregat sinusoida jest często zniekształcona, posiada inny współczynnik szczytu niż przebieg sieciowy oraz niezbyt stabilną częstotliwość. Układ AG zapewnia mniejszą czułość zasilacza awaryjnego na tego typu odstępstwa. Zasilacz UPS z układem AG zapewnia podtrzymanie zasilania w czasie, gdy na skutek awarii zasilania realizowane jest przełączenie na zasilanie z agregatu prądotwórczego.

6. KF - układ umożliwiający zabezpieczenie zasilania urządzeń biurowych innych niż komputery, np.: kas fiskalnych, centralek telefonicznych, telefaksów itp. Mowa tu o urządzeniach, które tolerują przebieg quasi-sinusoidalny, ale z ograniczonym współczynnikiem szczytu. Układ KF umożliwia obniżenie maksymalnej wartości przebiegu quasi-sinusoidalnego przy zachowaniu wartości skutecznej. Taki przebieg toleruje większość urządzeń zasilanych konwencjonalnymi zasilaczami transformatorowymi np. drukarki, skanery, urządzenia sieciowe (koncentratory, przełączniki) itd. Tryb KF może być załączany ręcznie lub automatycznie (autoKF).

8. COM - układ złącza szeregowego do monitorowania pracy UPS przez komputer. Złącze szeregowe może być zrealizowane w standardzie RS232 lub częściowo kompatybilnym. Korzystna jest galwaniczna separacja sygnałów elektrycznych w takim złączu np. przy pomocy transoptorów. Złącze może być wykorzystywane przez zasilacz i oprogramowanie monitorujące w charakterze złącza sygnałowego tj. złącza dostarczającego sygnałów typu zero/jeden na określonych liniach sygnałowych. W tym systemie pracy zasilacz dostarcza informacji o awarii sieci zasilającej, wyczerpanych akumulatorach oraz istnieje możliwość zdalnego wyłączenia zasilacza przez komputer podczas pracy awaryjnej. Ten sposób pracy COM wykorzystywany jest przez usługi systemowe UPS zawarte w niektórych systemach operacyjnych oraz przez proste oprogramowanie monitorujące pracę zasilacza. W zasilaczach awaryjnych, w których złącze COM działa w systemie rozkazowym, komendy przesyłane są po liniach nadawczej i odbiorczej złącza szeregowego. Ten rodzaj komunikacji umożliwia znaczne rozszerzenie zakresu monitorowania pracy UPS przy pomocy specjalizowanego oprogramowania. Oprogramowanie do UPS produkują miedzy innymi takie firmy jak MegaTec, APC itd.
   Coraz częściej do komunikacji komputera z zasilaczem awaryjnym wykorzystywane jest złącze USB.

10. TEL - filtr linii telefonicznej do zabezpieczania urządzeń telekomunikacyjnych przed przepięciami w sieci telefonicznej..

12. CPM - układ ciągłego pomiaru mocy pobieranej przez zabezpieczane urządzenia. Zasilacz awaryjny może być wyposażony w układ pomiaru mocy, który działa w stanie pracy awaryjnej jak również przy poprawnej sieci zasilającej informując użytkownika o przekroczeniu dopuszczalnego obciążenia wyjścia UPS. Przy pomocy odpowiedniego oprogramowania można ocenić poziom obciążenia wnoszony przez zabezpieczany sprzęt.

13. GWA - „gorąca” wymiana akumulatorów przez użytkownika. Układ GWA powinien posiadać jednoznaczną sygnalizację zużycia akumulatorów, możliwość wymiany bez wyłączania zasilacza oraz brak możliwości błędnego podłączenia akumulatorów.

15. WBP - wyjście bez podtrzymania zasilania podczas pracy awaryjnej. Układ taki powinien posiadać następujące cechy:
    a) Napięcie na tym wyjściu powinno być załączane centralnym wyłącznikiem zasilacza.
    b) Powinno być zabezpieczone dwoma bezpiecznikami.
    c) Wyposażone w filtr RFI/EMI o odpowiednio dużym prądzie maksymalnym oraz tłumik warystorowy.
    d) Wyraźne oznaczenie (gniazdo w polskim standardzie), że jest to gniazdo bez podtrzymania
    w przypadku awarii zasilania.
    Taki układ służy jako dodatkowa listwa przeciwzakłóceniowa i umożliwia zasilanie urządzeń o zbyt dużym poborze mocy w stosunku do możliwości zasilacza, np. drukarek laserowych.

17. SOW - sekwencyjne odłączanie wyjść. Układ umożliwiający programowe odłączanie wyjść zasilacza awaryjnego w celu maksymalnego wydłużenia czasu pracy urządzeń podłączonych do wybranych wyjść UPS podczas awarii zasilania.

19. ZR - „zbiornik rezerwowy” - układ uniemożliwiający załączenie napięcia na wyjściach zasilacza awaryjnego przed naładowaniem akumulatorów do zadanego poziomu.

21. KCP - kalibracja czasu podtrzymania. Układ taki umożliwia oszacowanie czasu podtrzymania zasilania podczas awarii sieci zasilającej przy znanym obciążeniu na wyjściu UPS. Szacowanie tego czasu następuje w procesie cyklicznych testów prowadzonych przez użytkownika lub uruchamianych automatycznie przez UPS. Badany jest czas podtrzymania zasilania przy pracy awaryjnej i aktualnym obciążeniu, a wyniki zapisywane w pamięci zasilacza i wykorzystywane przez oprogramowanie monitorujące. Ponieważ testy prowadzone są cyklicznie, dane są aktualizowane na bieżąco i zawierają informacje o zużyciu akumulatorów. Elementami systemu KCP są miedzy innymi:
    - układ pomiaru obciążenia (element układu CPM), który w procesie periodycznych (programowych) testów symulujących awarię zasilania umożliwia zmierzenie aktualnego obciążenia na wyjściu zasilacza,
    - pamięć zapisywalna, trwała (np.: EEPROM) umożliwiająca zapisanie wyników testów niezbędnych do automatycznej analizy stanu zużycia akumulatora i określenia czasu podtrzymania lub też uruchomienia sygnalizatora „wymień akumulator”.

22. AS - automatyczny start zasilacza po podłączeniu do sieci zasilającej. Włożenie wtyczki zasilającej od UPS do gniazda zasilającego powoduje załączenie napięcia na wyjściu UPS, uruchomienie układu ładowania akumulatorów, oraz układu ciągłego pomiaru mocy. W przypadku awarii zasilania zasilacz przechodzi na pracę z akumulatorów pod warunkiem występowania obciążenia na wyjściu UPS. W przypadku braku obciążenia następuje wyłączenie zasilacza. Układ może być wyposażony w regulator poziomu mocy minimalnej, przy którym UPS nie podtrzymuje zasilania. Może to mieć zastosowanie przy korzystaniu z usług systemowych do monitorowania UPS, w których nie ma funkcji zdalnego wyłączania zasilacza awaryjnego. Po zamknięciu systemu w komputerze z układem ATX nastąpi wyłączenie komputera i w konsekwencji wyłączenie UPS. Zasilacz i komputer zostaną ponownie załączone, gdy wróci napięcie w sieci zasilającej (w BIOS komputera należy ustawić opcje uruchomienie komputera po powrocie napięcia zasilania).

5. Jak dobrać zasilacz awaryjny?

Dla znaczącej części użytkowników komputerów dobór zasilacza awaryjnego stanowi poważny problem. Dystrybutorzy zasilaczy awaryjnych, poza nielicznymi wyjątkami, wcale nie ułatwiają tego zadania. Na dobór zasilacza mają wpływ następujące elementy:

• Charakter obciążenia wnoszony przez zabezpieczany komputer,

• Moc pobierana przez zabezpieczane stanowisko komputerowe,

• Wymagany czas podtrzymania zasilania podczas awarii sieci zasilającej.

Charakter obciążenia ma wpływ na to jaka część mocy całkowitej (pozornej) wyrażonej w VA stanowi moc czynną (czyli użyteczną) wykorzystywaną przez stanowisko komputerowe. Dla użytkownika, który zdobył podstawy z elektrotechniki sprawa wydaje się prosta, urządzenia elektryczne wnoszą obciążenie indukcyjne, pojemnościowe lub rezystancyjne. W przypadku zasilania urządzeń nie rezystancyjnych przebiegiem sinusoidalnym następuje przesunięcie prądu w stosunku do napięcia o pewien kąt Ø. Na rysunku 1 przedstawiono graficznie przebiegi napięcia i prądu z przewagą obciążenia indukcyjnego.

Rys. 1. Przebieg napięcia i prądu z przewagą obciążenia indukcyjnego.

Moc całkowita (pozorna) Pc pobierana przez obciążenie stanowi iloczyn wartości skutecznych prądu Isk i napięcia Usk. Moc czynna P jest pomniejszona o tzw. współczynnik mocy, który w tym przypadku równa się cosØ i wyrażona jest wzorem:

P = Isk Usk cosØ

W przypadku obciążeń rezystancyjnych współczynnik mocy równa się jeden czyli moc pozorna wyrażona w VA (voltamperach) jest równa mocy czynnej wyrażonej w W (watach). Przy obciążeniach komputerowych ma to miejsce wtedy, gdy zabezpieczane urządzenia komputerowe wyposażone są w układ korekcji współczynnika mocy. Popularne komputery nie posiadają takiego układu i wtedy przebieg prądu i napięcia wygląda jak na rysunku 2.

Rys. 2. Przebieg napięcia i prądu na obciążeniu komputerowym (Duron 800 z monitorem 17').

Z rysunku 2 wynika, że przebieg prądu przy obciążeniu komputerowym jest nieliniowy i znacznie odbiega od tego z rysunku 1. Pobór prądu ma charakter impulsowy a współczynnik szczytu tj. stosunek wartości maksymalnej do skutecznej jest większy od V2 (tj. wartości dla przebiegu sinusoidalnego). Stąd chwilowa wydajność prądowa zasilacza awaryjnego dla obciążeń (nieliniowych) komputerowych powinna być większa niż dla obciążeń (liniowych) niekomputerowych. Na rysunku 3 przedstawiono porównanie przebiegów prądów podbieranych przez żarówkę 320 W oraz zestawu komputerowego opartego na procesorze Duron 800 z monitorem 17'.

Rys. 3. Przebieg prądu żarówki 320W i zestawu komputerowego (Duron 800 z monitorem 17').

Jaką moc pobiera komputer? Z pomiarów Watomierzem (wartości rzeczywistej skutecznej - True RMS) wynika, że relatywnie nie dużą, potwierdzają to również czasy podtrzymania zasilania zasilacza awaryjnego pracującego z akumulatorów. Poniżej zestawiono przykładowe wyniki pomiarów.

Tab.1.

Komputer	Moc [W]	Moc [VA]	Współczynnik mocy
C533M15'	120W	160VA	0.75
C533M17'	130W	190VA	0.68
D800M17'	145W	200VA	0.73
A2000XPM17'	195W	260VA	0.75

Oznaczenia:
C533M15' - Komputer z procesorem Celeron 533 MHz i monitorem 15 cali.
C533M17' - Komputer z procesorem Celeron 533 MHz i monitorem 17 cali.
D800M17' - Komputer z procesorem Duron 800 MHz i monitorem 17 cali.
A2000XPM17' - Komputer z procesorem Athlon 2000 XP z monitorem 17 cali.

Nie wdając się w dalsze szczegółowe dywagacje, uwzględniając powyższe wywody na temat charakteru obciążenia korzystnie jest przyjąć, że moc zasilacza awaryjnego (wyrażona w Voltamperach) powinna być dwa razy większa niż moc (w Voltamperach) zabezpieczanego zestawu komputerowego. Takie podejście zapewni dostateczny poziom bezpieczeństwa chronionego zestawu, nawet przy wykorzystaniu zasilaczy awaryjnych mniej renomowanych dostawców.

Tab.2.

Komputer	Moc komputera [VA]	Moc UPS [VA]
C533M15'	160VA	320VA
D800M17'	200VA	400VA
A2000XPM17'	260VA	520VA

Oznaczenia: jak w tabeli 1.

Na czas podtrzymania zasilania przez UPS podczas awarii sieci zasilanjącej ma wpływ pojemonść zastosowanych w zasilaczu awaryjnym akumulatorów. Typowe zastosowania akumulatorów przedstawiają się następująco:
- Akumulator 5Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 300VA do 500VA.
- Akumulator 7Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 400VA do 700VA.
- Akumulator 12Ah/12V stosowany jest w zasilaczach od 700VA do 1000VA podobnie jak 2 x 5Ah/12V.
- Akumulatory 2 x 7Ah/12V stosowane są w zasilaczach od 700VA do 1400VA.
- Akumulatory 2 x 12Ah/12V stosowane są w zasilaczach od 1200VA do 2000VA.
W zasilaczach UPS renomowanych marek stosuje się odpowiednio duże akumulatory przy małych mocach zasilaczy, w zasilaczach popularnych odwrotnie.
Poniżej przedstawiono przykładowe charakterystyki czasu podtrzymania zasilania w funkcji obciążenia dla różnych pojemności akumulatorów.

Rys. 4. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorem 5Ah/12V w funkcji obciążenia.

Rys. 5. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorem 7Ah/12V w funkcji obciążenia.

Rys. 6. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorem 12VAh/12V w funkcji obciążenia.

Rys. 7. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorami 2 x 5Ah/12V w funkcji obciążenia.

Rys. 8. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorami 2 x 7Ah/12V w funkcji obciążenia.

Rys. 9. Czas pracy awaryjnej zasilacza UPS z akumulatorami 2 x 12Ah/12V w funkcji obciążenia.

Przy pomocy prezentowanych wykresów - znając moc (czynną wyrażoną w [W]) zabezpieczanego zestawu komputerowego (Tab. 1.) oraz wyposażenie UPS w akumulatory - można oszacować czas podtrzymania zasilania podczas pracy awaryjnej.
W tabeli 3 przedstawiono przykładowe zmierzone czasy podtrzymania zasilania komputerów podczas pracy awaryjnej zasilaczy awaryjnych wyposażonych w poszczególne typy akumulatorów.

Tab.3.

Komputer	CZAS PRACY AWARYJNEJ UPS Z AKUMULATORAMI
		5Ah/12V	7Ah/12V	12Ah/12V	2x5Ah/12V	2x7Ah/12V	2x12Ah/12V
C533M15'	15 min	20 min	41 min	33 min	52 min	92 min
D800M17'	9 min	16 min	33 min	28 min	42 min	68 min

Oznaczenia: jak w tabeli 1.

7. Jak testować zasilacze UPS?

Analiza publikowanych w prasie komputerowej wyników testów zasilaczy awaryjnych skłoniła autora do zebrania praktycznych wskazówek dotyczących prowadzenia takich testów.

1. Porównywalność zasilaczy. - Ważne jest aby porównywać zasilacze tej samej klasy. Nie ma sensu porównywanie zasilaczy sinusoidalnych z quasi-sinusoidalnymi, line-interactive z on-line, 300 VA z 1000 VA itd. Porównywanie zasilaczy różnych klas wprowadza w błąd czytelnika. Odpowiednie informacje na ten temat, można uzyskać od producentów zasilaczy UPS.

2. Pozyskiwanie zasilaczy do testów. - W celu podniesienia wiarygodności wyników testu korzystnie jest badać zasilacze pozyskane w sklepach lub u redystrybutorów, ponieważ producenci lub przedstawiciele są zainteresowani możliwie dobrym wynikiem testu i mogą być skłonni dostarczać modele lepiej wyposażone, bardziej przetestowane niż tak samo oznaczone egzemplarze handlowe. Możemy uznać, że zasilacz pozyskany w sklepie jest typowym reprezentantem testowanego modelu.

3. Obciążenie testowe. (Jak testować?) - Aby wyniki pomiarów były porównywalne należy używać jako obciążenia testowego zestawu komputerowego. Obciążenie żarówkowe nie jest miarodajne, gdyż moc pobierana przez żarówki jest zależna od napięcia. Obciążenie żarówkowe może służyć np.: do pomiaru stabilności napięcia wyjściowego podczas pracy awaryjnej. Poniższy wykres obrazuje zależność mocy pobieranej przez żarówkę i komputer w zależności od napięcia.

Rys. 1. Zależność poboru mocy przez obciążenie żarówkowe i komputerowe w funkcji napięcia.

4. Pomiar czasu podtrzymania. - Czas podtrzymania zasilania (autonomia) podczas pracy awaryjnej jest jednym z najistotniejszych parametrów UPS i bezpośrednio rzutuje na komfort pracy użytkownika. Im dłuższy czas podtrzymania tym większy komfort pracy. Pomiary należy prowadzić obciążając zasilacz awaryjny zestawem komputerowym. W celu zapewnienia powtarzalnych wyników należy zapewnić stabilne parametry pracy poszczególnych komponentów zestawu komputerowego. Przykładowo ustawić średnią jasność monitora i wyświetlać na białym tle tekst w kolorze czarnym na całym ekranie (np.: wyświetlać zawartość dysku w Explorerze), nie dopuszczać do wyłączania monitora i dysków twardych i nie wykonywać żadnych prac na komputerze podczas testów. Przedstawione podejście gwarantuje względnie stały pobór mocy podczas testów. Należy pamiętać, aby pomiary czasu podtrzymania prowadzić po minimum dobowym ładowania wewnętrznych akumulatorów UPS.

5. Szybkość ładowania akumulatorów. - Ma istotny wpływ na pewność zasilania i można ją zmierzyć prowadząc kolejny test po określonym czasie (np.: po 3 godzinach) po poprzednim teście w tych samych warunkach (tj. identycznym obciążeniu). Uzyskany czas podtrzymania zasilania bezpośrednio wskazuje na efektywność układu doładowującego wewnętrzne akumulatory UPS. Stosunek czasu podtrzymania zasilania po trzech godzinach ładowania akumulatorów do czasu podtrzymania zasilania po 24 godzinach ładowania jest dobrym miernikiem efektywności ładowania a więc i pewności zasilania w szczególności, gdy oba czasy są odpowiednio długie czyli zapewniają odpowiedni komfort pracy.

6. Analiza instrukcji obsługi. - Zawartość instrukcji obsługi oraz jej forma wiele mówią o wiarygodności dostawcy UPS. Instrukcje obsługi warto przeanalizować pod kątem czytelności, zrozumiałości, kompletności i jednoznaczności.

7. Wygląd zasilacza. - Analizując wygląd zasilacza warto zwrócić uwagę na jednoznaczność i czytelność oznaczeń. Dotyczy to zarówno typu zasilacza, producenta jak i opisów elementów wyposażenia (tj. wejść, wyjść, przełączników oraz ich parametrów elektrycznych). Opisy powinny być trwałe (tj. takie, których nie można usunąć). Oznaczenia powinny zapewnić użytkownikowi poprawne podłączenie zasilacza bez instrukcji obsługi i dotarcie do producenta nawet po wielu latach eksploatacji.

8. Ergonomia. - Łatwość obsługi jest istotnym elementem eksploatacji zasilacza. Sposób włączania zasilacza powinien być oczywisty (tj. niewymagający instrukcji obsługi). Sygnalizacja stanów pracy zasilacza powinna być intuicyjna i uwzględniać inwalidów.

9. Bezpieczeństwo danych. - Jednoznaczna i powtarzalna sygnalizacja ma istotny wpływ na bezpieczeństwo danych. Dotyczy to głównie sygnalizacji stanu akumulatorów bliskiego rozładowaniu. Czas ten powinien być odpowiednio długi, aby umożliwić użytkownikowi bezpieczne zakończenie pracy na komputerze (np.: minimum 2 min), ale nie za długi, aby w pełni wykorzystać pojemność akumulatorów (np.: maksymalnie 4 min). Czas ten powinien być powtarzalny w każdych warunkach pracy (tj. m.in. po 3 godzinach ładowania).

10. Wyposażenie zasilacza. - Warto zwrócić uwagę na wyposażenie zasilacza w zakresie fizycznym i funkcjonalnym. Jeżeli np.: zasilacz wyposażony jest w gniada wyjściowe sieciowe typu komputerowego to czy posiada odpowiednią ilość sznurów połączeniowych umożliwiającą podłączenie tej ilości odbiorników lub jeżeli posiada nietypowe złącza komunikacyjne, to czy posiada w komplecie odpowiedni przewód połączeniowy itp. Wyposażenie funkcjonalne to układy AVR, KF, AG, TEL, COM, ciągły pomiar mocy, współpraca z różnym oprogramowaniem i systemami. Wyposażenie rzutuje na obszar zastosowań zasilacza

---