UPS – zasada działania oraz zastosowanie w szafach rack i elektrotechnice

UPS – zasada dzia­ła­nia, zasto­so­wa­nie
Mimo że maga­zy­no­wa­nie ener­gii elek­trycz­nej na dłuż­szy okres jest jesz­cze nie­moż­liwe i jako ludz­kość potrze­bu­jemy zapew­nie­nia jej cią­głej dostawy, to jed­nak obec­nie sto­so­wane aku­mu­la­tory potra­fią zasi­lać urzą­dze­nia elek­tryczne i elek­tro­niczne w bar­dzo wydajny spo­sób. Do zna­nych od wielu lat i powszech­nie sto­so­wa­nych należą mię­dzy innymi UPS.

Co to jest UPS?
Popu­lar­nie sto­so­wane okre­śle­nie UPS jest skró­tem od angiel­skiego zwrotu unin­ter­rup­ti­ble power sup­ply czyli dosłow­nie nie­prze­rwany zasób mocy. Jest to urzą­dze­nie lub cały zespół urzą­dzeń, któ­rych zada­niem jest zapew­nie­nie sta­łego zasi­la­nia innych urzą­dzeń elek­trycz­nych lub elek­tro­nicz­nych, jak rów­nież zapew­nie­nie odpo­wied­nich jego para­me­trów.

UPS wypo­sa­żony jest w aku­mu­la­tor i w przy­padku zaniku zasi­la­nia, dostar­cza ener­gię podłą­czo­nym do niego urzą­dze­niom. Duże zespoły UPS zasi­lane są cza­sami z dodat­ko­wych źró­deł zewnętrz­nych takich jak agre­gaty prą­do­twór­cze obwo­dami nie­wraż­li­wymi na warunki zewnętrzne takie jak wyła­do­wa­nia atmos­fe­ryczne (a więc nie­wraż­li­wymi przede wszyst­kim na prze­pię­cia). Dużą zaletą nowo­cze­snych UPS jest moż­li­wość tzw. zim­nego startu, czyli uru­cho­mie­nie bez zapew­nie­nia zasi­la­nia zewnętrz­nego, co ma zna­cze­nie w przy­padku nie­wiel­kich jed­no­stek włą­cza­nych doraź­nie w przy­padku zaniku zasi­la­nia i koniecz­no­ści dokoń­cze­nia okre­ślo­nej pracy wyma­ga­ją­cej ener­gii elek­trycz­nej.

Zasi­la­nie rezer­wowe i gwa­ran­to­wane
Mając do czy­nie­nia z elek­tro­ener­ge­tyką choć w nie­wiel­kim stop­niu, prę­dzej czy póź­niej spo­tkamy się z okre­śle­niem „zasi­la­nie rezer­wowe”. Czy ten ter­min toż­samy jest z UPS, o któ­rym czy­tamy w dzi­siej­szym arty­kule? Nie­ko­niecz­nie. Ponie­waż każde przed­się­bior­stwo ener­ge­tyczne przy­łą­cza­jąc odbiorcę do sieci, co do zasady gwa­ran­tuje cią­głość dostaw ener­gii elek­trycz­nej, zwy­kle przy­łą­cze zasi­lane jest z jed­nej linii kablo­wej nale­żą­cej do przed­się­bior­stwa. Na ogół jest to kabel niskiego napię­cia, choć dla dużych zakła­dów przy­łą­cze może sta­no­wić nawet sta­cja trans­for­ma­to­rowa zasi­lana ze śred­niego, a nawet w rzad­kich przy­pad­kach wyso­kiego napię­cia. W szcze­gól­nych oko­licz­no­ściach, jeśli mamy do czy­nie­nia z budyn­kami, w któ­rymi prze­rwa­nie zasi­la­nia na dłu­żej np. na sku­tek awa­rii jest nie­do­pusz­czalne (szpi­tale, hiper­mar­kety, banki etc.) – sto­suje się tzw. zasi­la­nie rezer­wowe, czyli po pro­stu dodat­kowe zaopa­trze­nie przy­łą­cza w ener­gię elek­tryczną z innego miej­sca sieci przed­się­bior­stwa ener­ge­tycznego takiego, żeby moż­li­wie naj­le­piej zapew­nić w danym miej­scu cią­głość dostawy ener­gii elek­trycz­nej. Nie­kiedy zasi­la­nie rezer­wowe może sta­no­wić rów­nież agre­gat prą­do­twór­czy.

Warto jed­nak wie­dzieć, że nawet zasi­la­nie rezer­wowe nie gwa­ran­tuje jego nie­za­wod­no­ści – jeśli awa­ria obej­muje więk­szy obszar i należy do poważ­niej­szych, a dostawy ener­gii nie gwa­ran­tuje agre­gat lecz wła­śnie zasi­la­nie dru­go­stronne, nie­stety obiekt pozba­wiony zostaje ener­gii elek­trycz­nej defi­ni­tyw­nie. Prze­łą­cza­nie na zasi­la­nie rezer­wowe ma rów­nież jesz­cze jeden man­ka­ment – sam moment „przej­ścia” z zasi­la­nia pod­sta­wo­wego na rezerwę nie jest natych­mia­stowy, lecz trwa okre­śloną ilość czasu. Oczy­wi­ście może być ona naprawdę nie­wielka i nie­zau­wa­żalna dla czło­wieka, jed­nak pewne urzą­dze­nia elek­tro­niczne nie tole­rują żad­nej prze­rwy, nawet naj­krót­szej i wyma­gają cią­głego zasi­la­nia. Należą do nich np. ser­we­row­nie – z uwagi na bez­pie­czeń­stwo infor­ma­tyczne i urządzenia zamontowane wewnątrz szaf rackowych, a także medyczne urzą­dze­nia pod­trzy­mu­jące funk­cje życiowe.
To wła­śnie dla­tego pro­jek­tant insta­la­cji elek­trycz­nych czę­sto wydziela pewne obwody i zasila je przez UPS, który jest obec­nie jedy­nym zna­nym i spo­pu­la­ry­zo­wa­nym spo­so­bem uzy­ska­nia zasi­la­nia gwa­ran­to­wanego.

Nie­wiel­kie UPS dla ser­we­rów
Jed­nostki UPS można podzie­lić naj­pro­ściej na duże i małe. Podział ten jest oczy­wi­ście umowny, jed­nak można przy­jąć, że małym UPS jest taki o mocy wyj­ścio­wej 5 czy 10 kVA. Za pośred­nic­twem UPS o nie­wiel­kiej mocy zasila się zwy­kle nie­wiel­kie ser­wery i urzą­dze­nia sie­ciowe a także poje­dyn­cze sta­cje robo­cze. Małe UPS skon­stru­owane naj­czę­ściej tak, że mogą być usta­wiane bez­po­śred­nio na podło­dze jako osobne jed­nostki, jed­nak pra­wie zawsze są pro­du­ko­wane jako modu­łowe i mają moż­li­wość łącze­nia (naj­czę­ściej do kilku modu­łów) ze sobą oraz insta­la­cji w sza­fach rack (posia­dają odpo­wied­nie para­me­try wymia­rów dosto­so­wa­nych do stan­dar­do­wych szaf). Są to więc roz­wią­za­nia bar­dzo ela­styczne i sto­so­wane sze­roko.

UPS dla dużych obiek­tów i szaf sterowniczych
Wspo­mniane już wyżej duże obiekty uży­tecz­no­ści publicz­nej czy też Data Cen­ters (a więc całe budynki ser­we­rowni lub duże pomiesz­cze­nia wydzie­lone w obrę­bie obiek­tów na ten cel) wyma­gają czę­sto zasi­la­nia rezer­wowego. I tak reali­zuje się wła­śnie dostawę ener­gii tzw. odbio­rom II kate­go­rii, czyli mniej waż­nym z punktu widze­nia ochrony życia, zdro­wia oraz danych. Naj­czę­ściej do odbio­rów II kate­go­rii zali­cza się gniazda zwy­kłe, insta­la­cję cieplną, pod­grze­wa­nie wody itp.). Nato­miast wszyst­kie inne odbiory takie jak ser­wery, urzą­dze­nia pod­trzy­mu­jące życie czy całe pomiesz­cze­nia takie jak sale ope­ra­cyjne, zasila się przez UPS.

Ponie­waż w takich przy­pad­kach czę­sto mamy do czy­nie­nia z obiek­tami dużymi, UPS o nie­wiel­kiej mocy wspo­mniane w poprzed­nim aka­pi­cie nie nadają się tu do zasto­so­wa­nia. W szpi­ta­lach czy dużych Data Cen­ter pla­nuje się UPS o mocach się­ga­ją­cych 500, 800 czy nawet 1200 kVA zabu­do­wa­nych nie­kiedy w kil­ku­na­stu stojących sza­fach rack 19 cali.

Zasto­so­wa­nia prze­my­słowe
Sytu­acją ide­alną jest, jeśli możemy zain­sta­lo­wać UPS w wydzie­lo­nych pomiesz­cze­niach. Cza­sami jed­nak, zwłasz­cza w roz­wią­za­niach prze­my­sło­wych, oka­zuje się to nie­moż­liwe. Co wtedy? W takich sytu­acjach z pomocą przy­cho­dzą odpo­wied­niej jako­ści wspo­mniane wyżej szafy rack.

Dostępne są one na rynku w róż­nych wer­sjach i kon­fi­gu­ra­cjach. Umoż­li­wiają na przy­kład mon­taż UPS w pomiesz­cze­niach nara­żo­nych na szko­dliwe dla elek­tro­niki warunki takie jak zapy­le­nie, wil­got­ność czy skrajne tem­pe­ra­tury. Szafy rack o IP54 zapew­niają odpo­wied­nią pyłosz­czel­ność, są zwy­kle przysto­so­wane rów­nież do mon­tażu kli­ma­ty­za­tora, co zapew­nia odpo­wied­nią tem­pe­ra­turę i wil­got­ność wewnątrz szafy a zatem umoż­li­wia mon­taż UPS w bez­po­śred­niej bli­sko­ści chro­nio­nych urzą­dzeń prze­my­sło­wych.

UPS jest, co nie­za­prze­czalne, roz­wią­za­niem koniecz­nym w przy­pad­kach zwią­za­nych z ochroną danych i ochroną zdro­wia i życia ludz­kiego i przy­dat­nym w wielu innych sytu­acjach zwią­za­nych np. z zapew­nie­niem cią­gło­ści pro­duk­cji. Poza gwa­ran­cją zasi­la­nia, zapew­nia rów­nież inne pożą­dane para­me­try takie jak nie­do­pusz­cze­nie do restartu urzą­dzeń wsku­tek chwi­lo­wego zaniku napię­cia, czy też ochrona przed sko­kami napię­cia nie­po­żą­da­nymi w przy­padku czu­łej elek­tro­niki