Porównanie parametrów tech nicznych zasilaczy UPS on.pdf

Porównanie parametrów technicznych zasilaczy UPS on-line

i zasilaczy o topologii „line interactive"

Zasilacze UPS o mocy poniżej 5000 VA są dostępne w dwóch podstawowych

odmianach: o topologii „line interactive" lub „on-line" z podwójną konwersją.

W niniejszym dokumencie opisano zalety i wady tych rozwiązań oraz wyjaśniono

niektóre często spotykane błędne założenia dotyczące wymagań w zastosowaniach

rzeczywistych.

Większość czynników mających wpływ na wybór kupowanego zasilacza UPS

jest oczywista i zrozumiała: czas podtrzymania, koszt, moc, producent, liczba gniazd

wyjściowych, łatwość zarządzania itp. Istnieją jednak także czynniki mniej

oczywiste, których znaczenie nie jest tak zrozumiałe. Jednym z najmniej

rozumianych, a przy tym najczęściej omawianych, jest topologia. Topologia

(wewnętrzna architektura) zasilacza UPS ma wpływ na jego działanie w różnych

środowiskach.

Ponieważ na ogół producenci starają się sprzedać zasilacze o swojej „lepszej"

topologii, trudno podjąć świadomą decyzję tylko na podstawie takich twierdzeń.

Celem tego dokumentu jest obiektywne przedstawienie zalet i wad dwóch najczęściej

spotykanych rozwiązań: o topologii „line interactive" oraz on-line z podwójną

konwersją.

W górnym i dolnym zakresie mocy nie ma specjalnych wątpliwości co do przewagi

jednej topologii nad drugą. 1 Powyżej 5000 VA, zasilacze o topologii „line

interactive" są tradycyjnie niepraktyczne ze względu na większe rozmiary i wyższy

koszt. W przypadku niskich mocy zaś, poniżej 750 VA, typ on-line z podwójną

konwersją jest rzadko brany pod uwagę, ponieważ inne rozwiązania (w tym

o topologii „line interactive") są bardziej praktyczne w przypadku mniejszych

obciążeń.

W przypadku bardzo dużych mocy — 200 000 VA i więcej — toczy się natomiast inny spór dotyczący wad i zalet zasilaczy on-line z podwójną

konwersją oraz on-line z konwersją delta. Porównanie tych topologii można znaleźć w dokumencie White Paper 1 firmy APC „Różne typy

zasilaczy UPS"

Spór o wyższość topologii on-line z podwójną konwersją lub topologii „line

interactive" nad drugą dotyczy zazwyczaj zakresu mocy pomiędzy 750 VA a 5000

VA. Tutaj właśnie przewaga funkcjonalna i ekonomiczna jednej topologii nad drugą

nie jest tak oczywista i zależy od określonej instalacji. Podczas gdy zasilacze

o topologii „line interactive" stały się najczęściej produkowanymi oraz

wykorzystywanymi w tym zakresie mocy, postęp w technologii półprzewodnikowej

i technikach produkcyjnych zmniejszył różnicę kosztów między obydwoma

rozwiązaniami, czyniąc wybór trudniejszym niż przedtem.

Przed podjęciem jakiejkolwiek decyzji dotyczącej typu zasilacza UPS, należy

poznać wymagania środowiska, w którym zostanie on zainstalowany oraz

wymagania chronionego sprzętu. Znajomość tych podstawowych informacji jest

kluczem do podjęcia świadomej decyzji dotyczącej wyboru zasilacza o topologii

optymalnej dla danego zastosowania.

Urządzenia IT i zasilanie prądem zmiennym: zasilacze impulsowe (SMPS)

Energia elektryczna jest zwykle dostarczana w postaci prądu zmiennego z sieci

zewnętrznej i agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego. Napięcie prądu

zmiennego oscyluje między wartościami dodatnią i ujemną — w idealnej sytuacji

sinusoidalnie — osiągając wartość zerową dwa razy w jednym cyklu. Trudno to

zauważyć gołym okiem, ale żarówka podłączona do prądu miga 100 lub 120 razy na

sekundę (dla częstotliwości prądu zmiennego 50 lub 60 Hz), kiedy napięcie

przekracza zero i zmienia polaryzację.

W jaki sposób urządzenia IT wykorzystują prąd zmienny do zasilania

obwodów obliczeniowych? Czy też „wyłącza się" 100 lub więcej razy na sekundę,

kiedy napięcie sieci zmienia polaryzację? Jest to pewien problem, z którym

urządzenia IT muszą sobie radzić. Sposobem, w jaki niemal wszystkie nowoczesne

urządzenia IT radzą sobie z tą kwestią, jest zastosowanie zasilacza impulsowego

(Switch-Mode Power Supply — SMPS). 2 Zasilacz impulsowy najpierw przekształca

Termin „impulsowy" odnosi się tutaj do funkcji wewnętrznych obwodów zasilacza, niezwiązanej z tematem tego dokumentu.

prąd zmienny (AC) ze wszystkimi jego niedoskonałościami (skokami napięcia,

zniekształceniami sygnału, odchyleniami częstotliwości itp.) w prąd stały (DC).

W trakcie tego procesu ładowany jest element magazynujący energię, zwany

kondensatorem, który znajduje się pomiędzy wejściem zmiennoprądowym a resztą

zasilacza. Kondensator jest ładowany impulsowo dwa razy w ciągu każdego cyklu

zmian napięcia, kiedy sinusoida osiąga lub zbliża się do szczytu (zarówno

dodatniego, jak i ujemnego), a następnie rozładowywany zgodnie z potrzebami

urządzeń znajdujących się za kondensatorem. Kondensator jest zaprojektowany

w taki sposób, aby przez cały swój cykl eksploatacji pochłaniać te normalne pulsacje

prądu zmiennego wraz ze skokami napięcia. W przeciwieństwie do migającej

żarówki, urządzenia IT mogą więc działać korzystając ze stabilnego przepływu prądu

stałego, a nie pulsującego prądu zmiennego z sieci energetycznej.

To jednak jeszcze nie koniec. Obwody mikroelektroniczne wymagają prądu

stałego o bardzo niskim napięciu (3,3 V, 5 V, 12 V itd.), jednak napięcie w opisanym

powyżej kondensatorze może wynosić nawet 400 V. Zasilacz impulsowy

przekształca również ten prąd stały o napięciu sieciowym w bardzo ustabilizowany

wyjściowy prąd stały o niskim napięciu.

Wykonując tę redukcję napięcia, zasilacz impulsowy spełnia też inną ważną

funkcję — zapewnia separację galwaniczną. Jest to fizyczne rozdzielenie obwodów

mające dwa cele. Po pierwsze, bezpieczeństwo — ochrona przed porażeniem prądem.

Po drugie — ochrona przed uszkodzeniem sprzętu lub nieprawidłowym działaniem

spowodowanymi napięciem współbieżnym (odniesionym do ziemi) lub szumem.

Informacje na temat uziemienia i napięcia współbieżnego są dostępne

w dokumentach firmy APC White Paper 9 „Common Mode Susceptibility of

Computers" i White Paper 21 „Neutral Wire Facts and Mythology".

Rys.1. przedstawia urządzenie IT (tutaj jest to serwer) chronione przez zasilacz UPS.

Pokazano również wewnętrzne elementy serwera, w tym zasilacz impulsowy.

Rys.1. Schemat blokowy przedstawiający typowe zastosowania zasilacza UPS.

Zasilacz impulsowy niweluje nie tylko interwały między szczytami sinusoidy

wejściowego prądu zmiennego, ale także anomalia i krótkie przerwy w zasilaniu. Ta

cecha jest bardzo ważna dla producentów urządzeń IT, ponieważ ich celem jest

zapewnienie działania sprzętu nawet w sytuacji, gdy zasilacz UPS nie jest dostępny.

Żaden producent urządzeń IT nie zaryzykuje swojej reputacji w zakresie jakości

i wydajności, produkując zasilacze, które miałyby problemy z przetrwaniem nawet

najmniejszych zakłóceń sieci elektrycznej. Odnosi się to szczególnie do urządzeń

sieciowych i komputerowych wysokiej klasy, które są zwykle produkowane

z użyciem zasilaczy o dobrej jakości. Aby zademonstrować możliwości w zakresie

niwelowania zakłóceń, mocno obciążono zasilacz komputera, a następnie odłączono

jego zasilanie. Monitorowano wyjście zasilacza, aby zmierzyć, jak długo po utracie

dopływu prądu może on dostarczać akceptowalne napięcie wyjściowe. Wyniki

przestawiono na rysunku 2. Poszczególne przebiegi odpowiadają napięciu

wejściowemu zasilacza, natężeniu prądu wejściowego oraz napięciu wyjściowemu

DC. Przed wyłączeniem, napięcie wejściowe ma postać sinusoidy widocznej w lewej

części rysunku 2. Prąd wejściowy — wykres impulsowy poniżej wygładzonej

krzywej napięcia — składa się z krótkiego impulsu przy dodatnim szczycie napięcia

wejściowego oraz kolejnego krótkiego impulsu przy ujemnym szczycie. Kondensator

zasilacza impulsowego jest ładowany tylko w czasie trwania tych impulsów. Przez

resztę czasu pobierana jest energia z kondensatora, aby zapewnić zasilanie obwodom

obliczeniowym. 3 Stałemu napięciu na wyjściu zasilacza impulsowego odpowiada

wykres w górnej części rys.2. Należy zwrócić uwagę, że napięcie wyjściowe

Niektóre zasilacze impulsowe dokonują także omawianej dalej korekcji współczynnika mocy (Power Factor Correction - PFC) i pobierają prąd

wejściowy w postaci sinusoidy. One także zawierają wysoko-napięciowy kondensator dokonujący takiej samej stabilizacji.

pozostaje ustabilizowane przez 18 milisekund od momentu odłączenia zasilania

z wejścia prądu zmiennego. Firma APC przetestowała wiele zasilaczy pochodzących

od różnych producentów urządzeń komputerowych i innych urządzeń IT. Uzyskane

wyniki były bardzo podobne. W przypadku małego obciążenia, napięcie na wyjściu

utrzyma się znacznie dłużej, ponieważ wolniejszy będzie proces rozładowywania

kondensatora.

Rys.2. Wykresy obrazujące działanie zasilacza po utracie zasilania.

Międzynarodowe normy dotyczące kompatybilności zasilaczy UPS z

obciążeniami SMPS

Zostało pokazane, że zasilacz impulsowy musi być w stanie przetrwać krótkie

zakłócenia zasilania, aby możliwe było pobieranie mocy z sinusoidalnie

zmieniającego się napięcia wejściowego. Ale co to znaczy „krótkie"?

Rys.3 pokazuje specyfikacje międzynarodowej normy IEC 62040-3. Określono

w niej dopuszczalne zakresy amplitudy i czas trwania zakłóceń napięcia wyjściowego

UPS dla urządzeń z zasilaczami impulsowymi. Jak widać po kształcie zaznaczonej

„strefy komfortu", im mniejsza amplituda zakłócenia, tym dłużej może one być

obecne na wyjściu zasilacza UPS. Należy zwrócić uwagę, że norma ta dopuszcza

stałe wahania napięcia — od +10 % do -20 % napięcia nominalnego. Inaczej

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: