Avbruddsfri strømforsyning - Uninterruptible power supply

En tårnetype UPS med en IEC 60320 C14 inngang og tre C13 uttak
En stor UPS i datasenterstørrelse blir installert av elektrikere

En avbruddsfri strømforsyning eller avbruddsfri strømkilde ( UPS ) er et elektrisk apparat som gir nødstrøm til en last når inngangskilden eller nettstrømmen svikter. En UPS skiller seg fra et tilleggs- eller nødstrømsystem eller standby-generator ved at den gir nær øyeblikkelig beskyttelse mot inngangseffektavbrudd, ved å levere energi lagret i batterier, superkondensatorer eller svinghjul . Batteritiden for de fleste avbruddsfrie strømkildene er relativt kort (bare noen få minutter), men tilstrekkelig til å starte en standby-strømkilde eller slå av det beskyttede utstyret på riktig måte. Det er en type kontinuerlig kraftsystem .

En UPS brukes vanligvis til å beskytte maskinvare som datamaskiner , datasentre , telekommunikasjonsutstyr eller annet elektrisk utstyr der en uventet strømbrudd kan forårsake skader, dødsulykker, alvorlige forretningsforstyrrelser eller datatap. UPS-enheter varierer i størrelse fra enheter designet for å beskytte en enkelt datamaskin uten videomonitor (rundt 200 volt ampere ) til store enheter som driver hele datasentre eller bygninger. Verdens største UPS, 46 megawatt Battery Energy Storage System (BESS), i Fairbanks, Alaska , driver hele byen og nærliggende bygdesamfunn under strømbrudd.

Vanlige strømproblemer

Hovedoppgaven til en hvilken som helst UPS er å gi kortsiktig strøm når inngangskilden mislykkes. Imidlertid er de fleste UPS -enheter også i varierende grad i stand til å korrigere vanlige strømproblemer:

  1. Spenningstopp eller vedvarende overspenning
  2. Øyeblikkelig eller vedvarende reduksjon i inngangsspenningen
  3. Spenningssakk
  4. Støy, definert som en høyfrekvent transient eller svingning , injiseres vanligvis i linjen av utstyr i nærheten
  5. Ustabilitet i nettfrekvensen
  6. Harmonisk forvrengning , definert som en avvik fra den ideelle sinusformede bølgeformen som forventes på linjen

Noen produsenter av UPS-enheter kategoriserer produktene sine i henhold til antall strømrelaterte problemer de tar opp.

En UPS -enhet kan også introdusere problemer med elektrisk strømkvalitet . For å forhindre dette, bør en UPS velges ikke bare etter kapasitet, men også av strømkvaliteten som kreves av utstyret som leveres.

Teknologier

De tre generelle kategoriene av moderne UPS-systemer er online , interaktive og standby :

  • En online UPS bruker en "dobbel konvertering" -metode for å akseptere AC-inngang, rette opp til DC for å passere gjennom det oppladbare batteriet (eller batteristrengene), og deretter invertere tilbake til 120 V/230 V AC for å drive det beskyttede utstyret.
  • En linjeinteraktiv UPS holder omformeren på linje og omdirigerer batteriets likestrømbane fra normal lademodus til strømforsyning når strømmen går tapt.
  • I et standby-system ("off-line") drives belastningen direkte av inngangseffekten, og sikkerhetskopieringskretsen blir bare påkalt når strømmen brytes.

De fleste UPS-er under en kilo volt-ampere (1 kVA) er av line-interaktive eller standby-varianter som vanligvis er billigere.

For store kraftenheter brukes noen ganger dynamiske avbruddsfrie strømforsyninger (DUPS). En synkron motor/generator er tilkoblet strømnettet via en drossel . Energi lagres i et svinghjul . Når nettstrømmen svikter, opprettholder en virvelstrømregulering effekten på lasten så lenge svinghjulets energi ikke er oppbrukt. DUPS blir noen ganger kombinert eller integrert med en dieselgenerator som slås på etter en kort forsinkelse, og danner en diesel -roterende avbruddsfri strømforsyning (DRUPS).

En brenselcelle -UPS ble utviklet av selskapet Hydrogenics ved å bruke hydrogen og en brenselcelle som en strømkilde, noe som potensielt gir lange kjøretider på et lite rom.

Frakoblet/ventemodus

UPS uten nett/standby: Den grønne linjen illustrerer strømmen av elektrisk kraft. Typisk beskyttelsestid: 5–20 minutter. Kapasitetsutvidelse: Vanligvis ikke tilgjengelig.

UPSen offline/standby tilbyr bare de mest grunnleggende funksjonene, og gir overspenningsbeskyttelse og batteribackup. Det beskyttede utstyret er normalt koblet direkte til innkommende strøm. Når den innkommende spenningen faller under eller stiger over et forhåndsbestemt nivå, slår UPS-en på den interne DC-AC-omformerkretsen, som drives av et internt lagringsbatteri. UPS-en slår deretter mekanisk på det tilkoblede utstyret til DC-AC-omformeren. Omkoblingstiden kan være så lang som 25 millisekunder, avhengig av hvor lang tid det tar i standby-UPS-en for å oppdage tapt nettspenning. UPS -en er konstruert for å drive bestemt utstyr, for eksempel en personlig datamaskin, uten at det er noe som kan støte på eller falle ned på enheten.

Linje-interaktiv

Linje-interaktiv UPS: Den grønne linjen illustrerer strømmen av elektrisk kraft. Typisk beskyttelsestid: 5–30 minutter. Kapasitetsutvidelse: flere timer.

Linje-interactive UPS er lik i operasjon med en standby UPS, men med tillegg av en multi-tap variabel spenning autotransformator . Dette er en spesiell type transformator som kan legge til eller trekke fra elektriske trådspoler, og dermed øke eller redusere magnetfeltet og utgangsspenningen til transformatoren. Dette kan også utføres av en buck -boost -transformator som er forskjellig fra en autotransformator, siden den første kan være kablet for å gi galvanisk isolasjon .

Denne typen UPS er i stand til å tåle kontinuerlig underspenning spenningsfall og maksimal overspenning uten å forbruke den begrensede reserve batteristrøm. Den kompenserer i stedet ved automatisk å velge forskjellige strømkraner på autotransformatoren. Avhengig av utformingen kan endring av autotransformatorkranen forårsake en veldig kort avbrudd i utgangseffekten, noe som kan føre til at UPS-er utstyrt med en strømtapalarm "kvitrer" et øyeblikk.

Dette har blitt populært selv i de billigste UPSene fordi det drar fordel av komponenter som allerede er inkludert. Hovedtransformatoren på 50/60 Hz som brukes til å konvertere mellom nettspenning og batterispenning, må ha to litt forskjellige svingningsforhold: En for å konvertere batteriets utgangsspenning (vanligvis et multiplum på 12 V) til nettspenning, og en andre til å konvertere ledningsspenningen til en litt høyere batteriladningsspenning (for eksempel et multiplum på 14 V). Forskjellen mellom de to spenningene er fordi lading av et batteri krever en deltaspenning (opptil 13–14 V for lading av et 12 V batteri). Videre er det lettere å bytte på transformatoren på nettspenningssiden på grunn av de lavere strømningene på den siden.

For å få buck/boost -funksjonen er alt som kreves to separate brytere slik at AC -inngangen kan kobles til en av de to hovedkranene, mens lasten er koblet til den andre, og dermed bruke hovedtransformatorens primære viklinger som en autotransformator. Batteriet kan fortsatt lades mens du "bukker" en overspenning, men mens du "øker" en underspenning, er transformatorutgangen for lav til å lade batteriene.

Autotransformatorer kan konstrueres for å dekke et bredt spekter av varierende inngangsspenninger, men dette krever flere kraner og øker kompleksiteten, så vel som kostnadene til UPS -en. Det er vanlig at autotransformatoren kun dekker et område fra omtrent 90 V til 140 V for 120 V strøm, og deretter bytter til batteri hvis spenningen går mye høyere eller lavere enn det området.

Under lavspenningsforhold bruker UPSen mer strøm enn normalt, så den kan trenge en høyere strømkrets enn en vanlig enhet. For eksempel, for å drive en 1000-W-enhet på 120 V, vil UPSen trekke 8,33 A. Hvis det oppstår en brunbrudd og spenningen synker til 100 V, vil UPSen trekke 10 A for å kompensere. Dette fungerer også omvendt, slik at UPSen i en overspenningstilstand trenger mindre strøm.

Online/dobbel konvertering

I en online UPS er batteriene alltid koblet til omformeren, slik at ingen strømoverføringsbrytere er nødvendige. Når strømbrudd oppstår, faller likeretteren rett og slett ut av kretsen og batteriene holder strømmen jevn og uendret. Når strømmen gjenopprettes, fortsetter likeretteren å bære mesteparten av lasten og begynner å lade batteriene, selv om ladestrømmen kan være begrenset for å forhindre at høyeffektretteren gjør skade på batteriene. Den største fordelen med en online UPS er dens evne til å tilby en "elektrisk brannmur" mellom innkommende strøm og sensitivt elektronisk utstyr.

Den elektroniske UPS -en er ideell for miljøer der elektrisk isolasjon er nødvendig eller for utstyr som er veldig følsomt for kraftsvingninger. Selv om den på en gang var forbeholdt svært store installasjoner på 10 kW eller mer, har teknologiske fremskritt nå tillatt at den er tilgjengelig som en vanlig forbrukerenhet, som leverer 500 W eller mindre. Den elektroniske UPS-en kan være nødvendig når strømmiljøet er "bråkete", når strømbrudd, strømbrudd og andre uregelmessigheter er hyppige, når beskyttelse av sensitiv IT-utstyrsbelastning er nødvendig, eller når drift fra en utvidet driftsgenerator er nødvendig.

Den grunnleggende teknologien til den elektroniske UPS-en er den samme som i en standby- eller linjeinteraktiv UPS. Imidlertid koster det vanligvis mye mer, på grunn av at den har en mye større strøm AC-til-DC batterilader/likeretter, og med likeretteren og omformeren designet for å kjøre kontinuerlig med forbedrede kjølesystemer. Det kalles en dobbeltkonvertering UPS på grunn av at likeretteren driver omformeren direkte, selv når den drives av normal vekselstrøm.

Online UPS har vanligvis en statisk overføringsbryter (STS) for å øke påliteligheten.

Andre design

Hybrid topologi/dobbel konvertering på forespørsel

Disse hybrid roterende UPS -designene har ikke offisielle betegnelser, selv om ett navn som brukes av UTL er "dobbel konvertering på forespørsel". Denne UPS-stilen er målrettet mot høyeffektive applikasjoner, samtidig som funksjonene og beskyttelsesnivået ved dobbel konvertering opprettholdes.

En hybrid (dobbel konvertering på forespørsel) UPS fungerer som en off-line/standby-UPS når strømforholdene er innenfor et bestemt forhåndsinnstilt vindu. Dette gjør at UPS -en kan oppnå meget høy effektivitet. Når strømforholdene svinger utenfor de forhåndsdefinerte vinduene, bytter UPS-en til online/dobbel konvertering. I dobbeltkonverteringsmodus kan UPSen justere for spenningsvariasjoner uten å måtte bruke batteristrøm, kan filtrere ut støy og kontrollere frekvens.

Ferroresonant

Ferroresonante enheter fungerer på samme måte som en standby UPS -enhet; de er imidlertid online med unntak av at en ferroresonant transformator brukes til å filtrere utgangen. Denne transformatoren er designet for å holde energi lenge nok til å dekke tiden mellom å bytte fra strøm til batteristrøm og effektivt eliminere overføringstiden. Mange ferroresonante UPS-er er 82–88% effektive (AC/DC-AC) og tilbyr utmerket isolasjon.

Transformatoren har tre viklinger, en for vanlig strøm, den andre for utbedret batteristrøm og den tredje for utgangsstrøm til lasten.

Denne gangen var den dominerende typen UPS og er begrenset til rundt 150 kVA -området . Disse enhetene brukes fremdeles hovedsakelig i noen industrielle omgivelser (olje og gass, petrokjemiske, kjemiske, nytte- og tungindustrimarkeder) på grunn av UPS 'robuste karakter. Mange ferroresonante UPS-er som bruker kontrollert ferroteknologi kan samhandle med strømfaktorkorrigerende utstyr. Dette vil resultere i svingende utgangsspenning til UPS -en, men kan korrigeres ved å redusere lastnivåene eller legge til andre lineære laster.

Likestrøm

En UPS designet for å drive likestrømsutstyr ligner veldig på en online UPS, bortsett fra at den ikke trenger en utgangsomformer. Hvis UPS -batteriets spenning samsvarer med spenningen enheten trenger, vil heller ikke enhetens strømforsyning være nødvendig. Siden ett eller flere effektkonverteringstrinn elimineres, øker dette effektiviteten og kjøretiden.

Mange systemer som brukes i telekommunikasjon bruker et ekstra lavt spenning " vanlig batteri " 48 V likestrøm, fordi det har mindre restriktive sikkerhetsforskrifter, for eksempel å være installert i ledninger og koblingsbokser. DC har vanligvis vært den dominerende strømkilden for telekommunikasjon, og AC har vanligvis vært den dominerende kilden for datamaskiner og servere.

Det har vært mye eksperimentering med 48 V DC -strøm for dataservere, i håp om å redusere sannsynligheten for feil og kostnaden for utstyr. For å levere samme mengde strøm, vil imidlertid strømmen være høyere enn en tilsvarende 115 V eller 230 V krets; større strøm krever større ledere, eller mer energi går tapt som varme.

Høyspenning likestrøm (380 V) finner bruk i noen datasenterapplikasjoner, og gir mulighet for små strømledere, men er underlagt de mer komplekse regler for elektrisk kode for sikker inneslutning av høyspenninger.

Rotary

En roterende UPS bruker tregheten til et svinghjul med høy masse ( svinghjulsenergilagring ) for å gi kortvarig gjennomkjøring i tilfelle strømtap. Svinghjulet fungerer også som en buffer mot kraftpinner og sakk, siden slike kortsiktige krafthendelser ikke i vesentlig grad kan påvirke rotasjonshastigheten til svinghjulet med høy masse. Det er også en av de eldste designene, tidligere vakuumrør og integrerte kretser.

Det kan anses å være på nett siden det spinner kontinuerlig under normale forhold. I motsetning til en batteribasert UPS gir svinghjulsbaserte UPS-systemer vanligvis 10 til 20 sekunders beskyttelse før svinghjulet har bremset og effektuttaket stopper. Den brukes tradisjonelt i kombinasjon med standby -generatorer, og gir reservekraft bare i en kort periode motoren trenger for å begynne å kjøre og stabilisere effekten.

Den roterende UPS -en er vanligvis forbeholdt applikasjoner som trenger mer enn 10 000 W beskyttelse, for å rettferdiggjøre utgiftene og dra nytte av fordelene roterende UPS -systemer gir. Et større svinghjul eller flere svinghjul som opererer parallelt, vil øke reservetiden eller kapasiteten.

Fordi svinghjulene er en mekanisk kraftkilde, er det ikke nødvendig å bruke en elektrisk motor eller generator som mellomledd mellom den og en dieselmotor designet for å levere nødstrøm. Ved å bruke en girkasse for gir kan svinghjulets rotasjons treghet brukes til å starte en dieselmotor direkte, og når den er i gang, kan dieselmotoren brukes til å dreie svinghjulet direkte. Flere svinghjul kan på samme måte kobles parallelt gjennom mekaniske motaksler , uten behov for separate motorer og generatorer for hvert svinghjul.

De er normalt designet for å gi svært høy strømutgang sammenlignet med en rent elektronisk UPS, og er bedre i stand til å gi startstrøm for induktive belastninger som motoroppstart eller kompressorbelastning, samt medisinsk MR- og katlaboratorieutstyr . Det er også i stand til å tolerere kortslutningsforhold opptil 17 ganger større enn en elektronisk UPS, slik at en enhet kan slå en sikring og svikte mens andre enheter fortsatt fortsetter å være drevet fra den roterende UPS-en.

Livssyklusen er vanligvis langt større enn en rent elektronisk UPS, opptil 30 år eller mer. Men de krever periodisk nedetid for mekanisk vedlikehold, for eksempel bytte av kulelager . I større systemer sikrer redundans av systemet tilgjengeligheten av prosesser under dette vedlikeholdet. Batteribaserte design krever ikke nedetid hvis batteriene kan byttes ut , noe som vanligvis er tilfelle for større enheter. Nyere roterende enheter bruker teknologier som magnetiske lagre og luft-evakuerte skap for å øke standby-effektiviteten og redusere vedlikeholdet til svært lave nivåer.

Vanligvis brukes svinghjulet med høy masse sammen med et motorgeneratorsystem . Disse enhetene kan konfigureres som:

  1. En motor som driver en mekanisk tilkoblet generator,
  2. En kombinert synkron motor og generator viklet i vekslende spor i en enkelt rotor og stator,
  3. En hybrid roterende UPS, designet på samme måte som en online UPS, bortsett fra at den bruker svinghjulet i stedet for batterier. Likeretteren driver en motor for å snurre svinghjulet, mens en generator bruker svinghjulet til å drive omformeren.

I tilfelle nr. 3 kan motorgeneratoren være synkron/synkron eller induksjon/synkron. Motorsiden av enheten i tilfelle nr. 2 og 3 kan drives direkte av en vekselstrømskilde (vanligvis ved omformeromkobling), en 6-trinns dobbeltkonverteringsmotordrift eller en 6-puls inverter. Sak nr. 1 bruker et integrert svinghjul som en kortsiktig energikilde i stedet for batterier for å gi tid til at eksterne, elektrisk koblede generatorer kan starte og bringes på nett. Case nr. 2 og 3 kan bruke batterier eller et frittstående elektrisk koblet svinghjul som kortsiktig energikilde.

Formfaktorer

Mindre UPS -systemer kommer i flere forskjellige former og størrelser. De to vanligste formene er imidlertid tårn og stativfeste.

Tårnmodeller står oppreist på bakken eller på et skrivebord eller en hylle, og brukes vanligvis i nettverksstasjoner eller stasjonære datamaskinprogrammer. Rack-mount modeller kan monteres i standard 19-tommers rack skap og kan kreve alt fra 1U til 12U ( rack enheter ). De brukes vanligvis i server- og nettverksapplikasjoner. Noen enheter har brukergrensesnitt som roterer 90 °, slik at enhetene kan monteres vertikalt på bakken eller horisontalt som det ville finnes i et stativ.

applikasjoner

N  + 1

I store forretningsmiljøer hvor pålitelighet er av stor betydning, kan en stor UPS også være et enkelt feilpunkt som kan forstyrre mange andre systemer. For å gi større pålitelighet kan flere mindre UPS -moduler og batterier integreres sammen for å gi redundant strømbeskyttelse tilsvarende en veldig stor UPS. " N  + 1" betyr at hvis lasten kan leveres av N -moduler, vil installasjonen inneholde N  + 1 -moduler. På denne måten vil feil i en modul ikke påvirke systemdriften.

Flere redundanser

Mange dataservere tilbyr muligheten for redundante strømforsyninger , slik at hvis en strømforsyning svikter, kan en eller flere andre strømforsyninger drive strømmen. Dette er et kritisk punkt - hver strømforsyning må kunne drive hele serveren selv.

Redundans forsterkes ytterligere ved å koble hver strømforsyning til en annen krets (dvs. til en annen effektbryter ).

Redundant beskyttelse kan utvides ytterligere ved å koble hver strømforsyning til sin egen UPS. Dette gir dobbel beskyttelse mot både strømbrudd og UPS -feil, slik at fortsatt drift er sikret. Denne konfigurasjonen kalles også 1 + 1 eller 2 N redundans. Hvis budsjettet ikke tillater to identiske UPS -enheter, er det vanlig praksis å koble den ene strømforsyningen til nettstrømmen og den andre til UPS -en.

Utendørs bruk

Når et UPS -system er plassert utendørs, bør det ha noen spesifikke funksjoner som garanterer at det tåler vær uten at det påvirker ytelsen. Faktorer som temperatur, fuktighet , regn og snø bør blant annet tas i betraktning av produsenten når de designer et utendørs UPS -system. Driftstemperaturområder for utendørs UPS-systemer kan være rundt -40 ° C til 55  ° C .

Utendørs UPS -systemer kan enten være stang, bakke (sokkel) eller vertsmontert. Utemiljø kan bety ekstrem kulde. I så fall bør UPS -systemet utendørs inneholde en batterivarmer eller ekstrem varme, i så fall bør UPS -systemet utendørs inneholde et viftesystem eller et klimaanlegg.

Intern visning av en solcelleinverter. Legg merke til de mange store kondensatorene (blå sylindere), som brukes til å lagre energi kort og forbedre utgangsbølgeformen.

En solar inverter , eller PV inverter , eller solar converter , konverterer variabel likestrøm (DC) utgang fra et fotovoltaisk (PV) solcellepanel til en nyttefrekvens vekselstrøm (AC) som kan mates inn i et kommersielt elektrisk nett eller brukes av et lokalt, elektrisk nettverk utenfor nettet. Det er en kritisk BIM- komponent i et fotovoltaisk system , som tillater bruk av vanlig AC-drevet utstyr. Solcelleomformere har spesialfunksjoner tilpasset bruk med fotovoltaiske matriser, inkludert maksimal sporing av strømpunkter og beskyttelse mot øya .

Harmonisk forvrengning

UPS -utgangsbølgeform (gul) sammenlignet med normal 120 VAC 60 Hz effektbølgeform (fiolett)

Utgangen fra noen elektroniske UPSer kan ha en betydelig avvik fra en ideell sinusformet bølgeform. Dette gjelder spesielt rimelige enfasede enheter av forbrukerklasse designet for hjemmebruk og kontorbruk. Disse bruker ofte enkle vekslende vekselstrømforsyninger, og utgangen ligner en firkantbølge rik på harmoniske. Disse harmoniske kan forårsake interferens med andre elektroniske enheter, inkludert radiokommunikasjon, og noen enheter (f.eks. Induktive belastninger som vekselstrømsmotorer) kan utføre med redusert effektivitet eller ikke i det hele tatt. Mer sofistikerte (og dyre) UPS -enheter kan produsere nesten ren sinusformet vekselstrøm.

Maktfaktor

Se også: Effektfaktor

Et problem i kombinasjonen av en dobbelkonvertering UPS og en generator er spenningsforvrengningen som UPSen skaper. Inngangen til en UPS med dobbel konvertering er egentlig en stor likeretter. Strømmen trukket av UPS er ikke-sinusformet. Dette kan føre til at spenningen fra vekselstrømnettet eller en generator også blir ikke-sinusformet. Spenningsforvrengningen kan da forårsake problemer i alt elektrisk utstyr som er koblet til den strømkilden, inkludert UPS -en selv. Det vil også føre til at mer strøm går tapt i ledningene som leverer strøm til UPS på grunn av toppene i strømmen. Dette nivået av "støy" måles som en prosentandel av " total harmonisk forvrengning av strømmen " (THD I ). Klassiske UPS -likerettere har et THD I -nivå på rundt 25%–30%. For å redusere spenningsforvrengning krever dette tyngre nettledninger eller generatorer som er mer enn dobbelt så store som UPS -en.

Det er flere løsninger for å redusere THD I i en dobbeltkonvertering UPS:

Klassiske løsninger som passive filtre reduserer THD I til 5% –10% ved full belastning. De er pålitelige, men store og fungerer bare ved full belastning, og presenterer sine egne problemer når de brukes sammen med generatorer.

En alternativ løsning er et aktivt filter. Ved bruk av en slik enhet kan THD I falle til 5% over hele effektområdet. Den nyeste teknologien i UPS-enheter med dobbel konvertering er en likeretter som ikke bruker klassiske likeretterkomponenter (tyristorer og dioder), men bruker høyfrekvente komponenter i stedet. En UPS med dobbel konvertering med en bipolar transistor- likeretter og induktor med isolert gate kan ha en THD I så liten som 2%. Dette eliminerer fullstendig behovet for å overdimensjonere generatoren (og transformatorer), uten ekstra filtre, investeringskostnader, tap eller plass.

Kommunikasjon

Strømstyring (PM) krever:

  1. UPS -en skal rapportere sin status til datamaskinen den driver via en kommunikasjonskobling som en seriell port , Ethernet og Simple Network Management Protocol , GSM/ GPRS eller USB
  2. Et undersystem i operativsystemet som behandler rapportene og genererer varsler, PM -hendelser eller kommandoer en beordret nedleggelse. Noen UPS -produsenter publiserer sine kommunikasjonsprotokoller, men andre produsenter (for eksempel APC ) bruker proprietære protokoller .

De grunnleggende datamaskin-til-UPS-kontrollmetodene er beregnet på en-til-en-signalering fra en enkelt kilde til et enkelt mål. For eksempel kan en enkelt UPS koble til en enkelt datamaskin for å gi statusinformasjon om UPS -en, og la datamaskinen kontrollere UPS -en. På samme måte er USB -protokollen også ment å koble en enkelt datamaskin til flere eksterne enheter.

I noen situasjoner er det nyttig for en enkelt stor UPS å kunne kommunisere med flere beskyttede enheter. For tradisjonell serie- eller USB -kontroll kan det brukes en signalreplikasjonsenhet , som for eksempel lar en UPS koble til fem datamaskiner ved hjelp av serielle eller USB -tilkoblinger. Imidlertid er splittelsen vanligvis bare en retning fra UPS til enhetene for å gi statusinformasjon. Returkontrollsignaler kan bare tillates fra et av de beskyttede systemene til UPS -en.

Ettersom Ethernet har økt i vanlig bruk siden 1990 -tallet, blir kontrollsignaler nå ofte sendt mellom en enkelt UPS og flere datamaskiner ved hjelp av standard Ethernet -datakommunikasjonsmetoder som TCP/IP . Status- og kontrollinformasjonen er vanligvis kryptert slik at for eksempel en ekstern hacker ikke kan få kontroll over UPS -en og beordre den til å slå av.

Distribusjon av UPS -status og kontrolldata krever at alle mellomliggende enheter som Ethernet -svitsjer eller serielle multiplexere drives av ett eller flere UPS -systemer, for at UPS -varslene skal nå målsystemene under strømbrudd . For å unngå avhengighet av Ethernet -infrastruktur, kan UPS -ene kobles direkte til hovedkontrollserveren ved å bruke GSM/GPRS -kanal også. SMS- eller GPRS -datapakkene som sendes fra UPS -er, utløser programvare for å slå av PC -ene for å redusere belastningen.

Batterier

Batteriskap

Det er tre hovedtyper av UPS -batterier: Ventilregulert blysyre (VRLA), Flooded Cell- eller VLA -batterier og litiumionbatterier. Driftstiden for en batteridrevet UPS avhenger av batteritype og størrelse, utladningshastighet og effektiviteten til omformeren. Den totale kapasiteten til et blysyrebatteri er en funksjon av hastigheten det lades ut, som beskrives som Peukerts lov .

Produsenter leverer kjøretidsvurdering i minutter for pakkede UPS-systemer. Større systemer (som for datasentre) krever detaljert beregning av belastningen, omformerens effektivitet og batteriets egenskaper for å sikre at nødvendig utholdenhet oppnås.

Vanlige batterikarakteristikker og belastningstesting

Når et bly -syrebatteri lades eller utlades, påvirker dette først bare de reagerende kjemikaliene, som befinner seg i grensesnittet mellom elektrodene og elektrolytten. Over tid sprer ladningen som er lagret i kjemikaliene ved grensesnittet, ofte kalt "grensesnittladning", seg gjennom diffusjon av disse kjemikaliene gjennom volumet av det aktive materialet.

Hvis et batteri er fullstendig utladet (f.eks. Ble lysene på bilen satt på over natten) og den neste blir gitt en hurtiglading i bare noen få minutter, og i løpet av den korte ladetiden utvikler den bare en lading i nærheten av grensesnittet. Batterispenningen kan stige for å være nær laderspenningen, slik at ladestrømmen reduseres betydelig. Etter noen timer vil ikke denne grensesnittladningen spre seg til volumet til elektroden og elektrolytten, noe som fører til en grensesnittlading så lav at det kan være utilstrekkelig å starte en bil.

På grunn av grensesnittladningen kan det hende at korte UPS -selvtestfunksjoner som bare varer noen få sekunder ikke nøyaktig gjenspeiler den sanne kjøretidskapasiteten til en UPS, og i stedet er det nødvendig med en utvidet omkalibrering eller nedtest som dypt utlader batteriet.

Den dype utladningstesten er i seg selv skadelig for batterier på grunn av at kjemikaliene i det utladede batteriet begynner å krystallisere seg til svært stabile molekylære former som ikke vil oppløses igjen når batteriet lades opp, noe som reduserer ladekapasiteten permanent. I blybatterier er dette kjent som sulfatering, men påvirker også andre typer som nikkel -kadmiumbatterier og litiumbatterier . Derfor anbefales det ofte at nedtestingstester utføres sjelden, for eksempel hver sjette måned til et år.

Test av strenger av batterier/celler

Kommersielle UPS-systemer med flere kilowatt med store og lett tilgjengelige batteribanker er i stand til å isolere og teste individuelle celler i en batteristreng , som består av enten kombinerte cellebatterier (for eksempel 12-V blybatterier) eller individuelle kjemiske celler kablet i serier. Ved å isolere en enkelt celle og installere en jumper i stedet for den, kan det ene batteriet testes ut, mens resten av batteristrengen forblir ladet og tilgjengelig for å gi beskyttelse.

Det er også mulig å måle de elektriske egenskapene til individuelle celler i en batteristreng, ved hjelp av mellomliggende sensortråder som er installert ved hvert celle-til-celle-kryss, og overvåkes både individuelt og samlet. Batteristrenger kan også være kablet som serieparallell, for eksempel to sett med 20 celler. I en slik situasjon er det også nødvendig å overvåke strømmen mellom parallelle strenger, ettersom strøm kan sirkulere mellom strengene for å balansere effekten av svake celler, døde celler med høy motstand eller korte celler. For eksempel kan sterkere strenger utlades gjennom svakere strenger inntil spenningsubalanser er utlignet, og dette må tas med i de individuelle intercellemålingene i hver streng.

Serie-parallelle batteriinteraksjoner

Batteristrenger koblet til serie-parallelle kan utvikle uvanlige feilmoduser på grunn av interaksjoner mellom de flere parallelle strengene. Defekte batterier i en streng kan påvirke driften og levetiden til gode eller nye batterier i andre strenger. Disse problemene gjelder også for andre situasjoner der serie-parallelle strenger brukes, ikke bare i UPS-systemer, men også i elektriske kjøretøysapplikasjoner .

Tenk på et serie-parallelt batteriarrangement med alle gode celler, og en blir kortsluttet eller død:

  • Den mislykkede cellen vil redusere maksimal utviklet spenning for hele seriestrengen den er innenfor.
  • Andre seriestrenger som er koblet parallelt med den nedbrutte strengen, vil nå tømmes gjennom den nedbrutte strengen til spenningen deres samsvarer med spenningen til den nedbrutte strengen, potensielt overlading og føre til elektrolyttkoking og avgassing fra de gjenværende gode cellene i den nedbrutte strengen. Disse parallelle strengene kan nå aldri lades helt opp igjen, da den økte spenningen vil blø ut gjennom strengen som inneholder det mislykkede batteriet.
  • Ladesystemer kan prøve å måle batteristrengskapasiteten ved å måle total spenning. På grunn av den totale tømmingen av strengspenningen på grunn av de døde cellene, kan ladesystemet oppdage dette som en utladningstilstand, og vil kontinuerlig prøve å lade de serie-parallelle strengene, noe som fører til kontinuerlig overlading og skade på alle cellene i degradert seriestreng som inneholder det ødelagte batteriet.
  • Hvis bly-syrebatterier brukes, begynner alle cellene i de tidligere gode parallelle strengene å sulfatere på grunn av manglende evne til å lade dem helt opp, noe som resulterer i at lagringskapasiteten til disse cellene blir permanent skadet, selv om den skadede cellen i en degradert streng blir til slutt oppdaget og erstattet med en ny.

Den eneste måten å forhindre disse subtile serie-parallelle strenginteraksjonene er ved ikke å bruke parallelle strenger i det hele tatt og bruke separate ladestyringer og omformere for individuelle seriestrenger.

Serie nye/gamle batteriinteraksjoner

Selv bare en enkelt serie batterier som er koblet i serie, kan ha negative interaksjoner hvis nye batterier blandes med gamle batterier. Eldre batterier har en tendens til å ha redusert lagringskapasitet, og det vil både lades ut raskere enn nye batterier og også lades til maksimal kapasitet raskere enn nye batterier.

Etter hvert som en blandet rekke nye og gamle batterier er oppbrukt, vil strengspenningen synke, og når de gamle batteriene er utladet, har de nye batteriene fortsatt tilgjengelig ladning. De nyere cellene kan fortsette å slippe ut gjennom resten av strengen, men på grunn av den lave spenningen er denne energistrømmen kanskje ikke nyttig, og kan gå til spill i de gamle cellene som motstandsoppvarming.

For celler som skal operere innenfor et spesifikt utladningsvindu, kan nye celler med mer kapasitet føre til at de gamle cellene i seriestrengen fortsetter å tømmes utover den sikre bunngrensen for utslippsvinduet og kan skade de gamle cellene.

Når de lades opp, lades de gamle cellene raskere, noe som førte til en rask spenningsøkning til nær fulladet tilstand, men før de nye cellene med mer kapasitet har blitt fulladet. Ladestyringen oppdager høyspenningen til en nesten fulladet streng og reduserer strømmen. De nye cellene med mer kapasitet lades nå veldig sakte, så sakte at kjemikaliene kan begynne å krystallisere seg før de når fulladet tilstand, noe som reduserer ny cellekapasitet over flere ladnings-/utladningssykluser til deres kapasitet mer samsvarer med de gamle cellene i seriestrengen .

Av slike årsaker anbefaler noen industrielle UPS -styringssystemer periodisk utskifting av hele batteripakker som potensielt bruker hundrevis av dyre batterier, på grunn av disse skadelige interaksjonene mellom nye batterier og gamle batterier, innenfor og på tvers av serier og parallelle strenger.

Vurderinger

De fleste UPS-enheter er klassifisert i volt-ampere, noe som gir maksimal belastningseffekt som de kan støtte. Dette gir imidlertid ingen direkte informasjon om hvilken varighet av støtte som er mulig, noe som krever en indikasjon på total effekt lagret i for eksempel Joule eller kilowattimer .

Standarder

  • EN 62040-1: 2008 Uninterruptible power systems (UPS)-Del 1: Generelle og sikkerhetskrav for UPS
  • EN 62040-2: 2006 Uninterruptible power systems (UPS)-Del 2: Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) krav
  • EN 62040-3: 2011 Uninterruptible power systems (UPS)-Del 3: Metode for å spesifisere ytelse og testkrav
  • EN 62040-4: 2013 Uninterruptible power systems (UPS)-Del 4: Miljøaspekter-Krav og rapportering

Se også

Referanser

Eksterne linker