Tekniska aspekter på UPS

För dig som är intresserad har vi nedan förklarat olika UPS teknologier och dess funktionalitet. Hör av dig om något är oklart eller om vi kan stå till tjänst.

Online

Detta är den säkraste teknologin. Den första bilden visar hur strömmen går under normaldrift. Spänningen från nätet görs först om till likspänning i likriktaren. Denna matar växelriktaren som åter ger ut växelspänning. Den grova linjen visar vilken väg strömmen går. Batteriet är kopplat efter likriktaren och får laddning när det finns spänning på ingången.

Den andra bilden visar läger vid batteridrift. Vi ser att det nu är batteriet som matar ström till växelriktaren och utgången. Tack vare att batteriet är direkt kopplat till växelriktarens ingång kan batteridrift starta utan avbrott om nätspänningen skulle försvinna.

‍

‍

Efter växelriktaren finns något som kallas statisk bypass. Den består i detta fall av fyra tyristorer som kopplar antingen växelriktaren eller matning från nätet till utgången. En tyristor leder ström endast åt ett håll, i pilens riktning. Därför används två i s.k. anti parallell koppling. På detta sätt kan växelström passera när båda tyristorerna är ledande. Växelriktaren synkroniseras med nätets spänning. Detta är en förutsättning för att man skall kunna växla mellan nät och växelriktare utan avbrott.‍

Den tredje bilden nedan visar vilken väg strömmen går vid bypass-drift. Detta kan vara aktuellt om växelriktaren blir överbelastad eller om ett fel uppstår i den. Observera att batteriet fortfarande kan laddas, förutsatt att likriktaren fungerar.

‍

Statisk Bypass har elektronisk logik (mjukvara i senare UPS) som övervakar växelriktarens spänning. Om fel uppstår och nätspänningen är OK, då kopplas nätspänning ut till lasten. Detta sker utan avbrott. Under normal drift sker alltså en dubbel omvandling av energin. Detta kostar mer i förluster och kräver mer komponenter, men det ger istället en ökad säkerhet. Störningar från elnätet (t.ex. överspänningar vid åskväder) isoleras effektivt från att nå fram till datorerna eller den kritiska lasten.

‍

Servicebypass är ytterligare en funktion som används på Online UPS åtminstone av större format. En servicebypass är en omkopplare som manuellt kopplar förbi den elektroniska matningen. Denna omkopplare kan finnas både i UPS och som en separat enhet utanför.

‍

Följande är dock viktigt att tänka på. För att man skall kunna göra en omkoppling utan avbrott till lasten så måste den nya grenen slutas innan den andra bryts. En kort stund ligger två matningar parallellt.

Statisk bypass klarar av en snabb och reglerad övergång mellan växelriktare och bypass (nätdrift) eller tillbaka. Servicebypass får kopplas in först när statisk bypass är aktiverad. Det är då två olika vägar av nätdrift som kopplas parallellt.

När servicebypass är inkopplad kan övriga UPS slås ifrån. Matningen går nu via denna omkopplare. Om man skulle koppla in servicebypass medan växelriktaren matar ut ström, då parallellkopplas växelriktaren och nätet. Hur lasten delas är inte väl definierat och det kan medföra överlast.

En UPS ger kontinuerlig ström till datorer och andra kritiska laster så att störningar i elnätet inte påverkar driften. Energi lagras i batterier, som kan vara inbyggda eller externa.

Mängden batterier bestämmer hur länge driften kan upprätthållas vid ett nätbortfall. Storleken på UPS (kVA) bestämmer hur mycket last som kan anslutas.

Off line

Denna typ av UPS arbetar efter en enklare princip. Nätspänningen matas via ett filter till utgången. Den första nedan bilden visar vilken väg strömmen går under normal drift. Batteriet laddas via en batteriladdare. Växelriktaren är inte igång. Det filter som ligger mellan ingång och utgång tar bort vissa störningar med det är inte ett lika effektivt skydd som Online UPS erbjuder. Denna typ av UPS rekommenderas inte för anslutning till ett industrinät där motordrifter förekommer.

‍

Om nätets spänning försvinner startas växelriktaren och börjar med hjälp av batteriet att mata ut ström till utgången (Andra bilden nedan). Uppstarten sker snabbt. På 2-5 mS är matningen igång. Datorerna klarar korta avbrott då de har energi lagrat i sina matningsdon.

‍

Fördelen med denna typ av UPS är att det är både mindre förluster och mindre komponenter, alltså en billigare apparat att köpa och driva. Nackdelen är att skyddet mot nätstörningar är sämre.

Line interactive

Funktionen är ungefär som Off Line, men utspänningen under nätdrift justeras automatiskt i steg. Det finns en transformator med olika steg för detta ändamål. På detta sätt klarar denna typ av UPS driften i nät med stora spänningsvariationer.

Online utan transformator

Detta är den nya generationens UPS. Principen är samma som Online. Tack vare ny teknologi med möjlighet till högre switchfrekvens har växelriktaren kunnat göras utan transformator på utgången. Tack vare att transformatorn elimineras slipper man förluster i denna och man kan då komma upp i verkningsgrad 95 - 97%.

‍

För att denna konstruktion skall fungera krävs att likspänningen kan höjas till ett högre värde än vad likriktaren kan ge. Detta sker i boostern på bilden ovan.

Införandet av booster ger också en annan fördel. Boostern kan styras till hur den drar ström från nätet. Genom lämplig styrning kan man få en i huvudsak sinusformad ström från nätet. Detta reducerar övertoner i nätet.

Bypass

UPS har en elektronisk förbikopplare som kan mata ut nätspänning till lasten. Den övervakar växelriktaren och kopplar ut nätspänning om det skulle bli fel i växelriktaren och den kan även kopplas in med kommando.

Växelriktaren är alltid synkroniserad till ingången på den elektroniska bypassen för att kunna växla över vid behov. Om denna synkronisering inte kan uppnås brukar UPS ge larm för detta.

Om effektkator, kVA och kW

Storleken på UPS anges i skenbar effekt (kVA) men det som egentligen begränsar växelriktaren är den aktiva effekten (kW). Eftersom växelriktaren switchar likspänning för att skapa växelspänning krävs ett kondensatorbatteri som tar bort övertoner. Detta ger växelriktaren en kapacitiv karakteristik på utgången.

Genom att ansluta en last med induktiv karakteristik kan man eliminera reaktiv effekt till en del. Traditionellt optimeras UPS’er till en effektfaktor på 0,8 eller 0,7 (induktiv) vilket innebär att den angivna effekten i kVA endast kan tas ut för en last vars effektfaktor överensstämmer med dessa siffror.

För t.ex. resistiv last (effektfaktor 1,0) gäller att för en UPS med data 10kVA och effektfaktor 0,8 kan man bara ta ut 8 kVA (8 kW).

Kapacitiva laster

I praktiken blir lasterna allt mer av kapacitiv karakteristik. Datorer och speciellt bladservrar, som har switchade aggregat för matningen, har en kapacitiv lastkarakteristik. För UPS’en innebär detta att det blir ännu mer kapacitiv ström i växelriktaren.

Olika UPS’er klarar av detta olika bra och man börjar nu ange i specifikationerna hur en UPS kan hantera kapacitiva laster.

Verkningsgrad

Med en kontinuerlig dubbel omvandling av energin (On-Line system) förlorar man en del energi vilket drar ner verkningsgraden. En Off-Line UPS har mindre förluster.

Traditionellt har verkningsgraden för en UPS legat kring 90%. I och med att snabba IGBT transistorer kunde switcha med hög frekvens och små förluster kunde transformatorn elimineras. Detta har sparat en del förluster och verkningsgraden har kunnat höjas till c:a 95%.

Crest faktor

Det engelska ordet crest betyder vågtopp. Crest factor (eller crest faktor) avser kvoten mellan toppvärdet och effektivvärdet på strömmen till lasten.

Switchade nätaggregat drar endast ström när spänningen är som störst. Därför har strömmen en spetsig kurvform som kan ha en hög topp när spänningsvågen är som störst.

Teoretiskt sett kan toppen bli väldigt hög och väldigt smal och man har ändå samma effektivvärde på strömmen.

Dieselgenerator

Om UPS-systemet har en dieseldriven generator som tar över vid nätbortfall innebär det att frekvensen kan göra större variationer.

Om en relativt stor last kopplas in eller ur kan dieseln gå ner eller upp i varvtal tills den hinner kompensera. Detta innebär en variation av frekvensen. UPS’en försöker hela tiden synkronisera växelriktaren till inkommande frekvens, men om frekvensen ändrar sig väldigt snabbt kan inte UPS’en hänga med.

Den kan bara ändra frekvensen med en viss hastighet och detta innebär att man kan få ett larm tills UPS’en kommit ikapp. Detta påverkar inte spänningen ut. UPS’en matar hela tiden ut spänning till lasten, men det kan komma upprepade larm från UPS’en.

En lösning på detta kan vara att fördröja larm med tidrelä eller med en fördröjning i larmsystemet om en sådan funktion finns.

Jordströmmar

Filter i UPS’en är kopplade till jord och det innebär att det blir en viss ström till jord hela tiden. Om man sätter jordfelsskydd efter UPS måste den dimensioneras till att tåla dessa normala strömnivåer.

Om batterier

Batterier i ett UPS-system kan vara inbyggda i UPS eller vara placerade utanför. Man kan ha ett batteriskåp eller batteriet kan vara på en ställning.

Ur servicesynpunkt (och även för kylning) är batteriställning att föredra.

Laddningsspänning till batteriet är ganska kritiskt. Vanligtvis anges laddningsspänning vid en viss temperatur. I Europa är det vanligtvis vid 20°C medan det på batterier från USA är vid 25°C.

Batteriet åldras om laddningsspänningen är felaktig, liksom det åldras om temperaturen är för hög. Bly-syra är den vanligaste batteritypen i UPS’er.

Batterier tillverkas med olika nominell livslängd. Eurobat, en anslutning av europeiska batteritillverkare, anger följande klasser. Obs att det måste vara optimala förhållanden för att den teoretiska livslängden skall kunna uppnås.