Puhvertoiteallikas

Back-UPS RS 500

Puhvertoiteallikas ehk katkematu toite allikas ehk UPS on seade, mille eesmärk on kaitsta elektritarbijaid elektrivõrgus esinevate probleemide eest. Elektrivõrgus (Euroopas 230 V) võib esineda 9 süsteemisisest probleemi, mis võivad häirida elektriseadmete töökvaliteeti või seadmeid füüsiliselt rikkuda. Samuti on olemas süsteemivälised probleemid, kus kas loodusliku õnnetuse või inimtegevuse tagajärjel saavad elektriliinid või muud elektripaigaldised nõnda kannatada, et tarbijateni jõudev elektrivool puudub või ei vasta nõuetele.

Kõige levinumad elektrivõrgu süsteemisisesed probleemid 1-faasilistes süsteemides on:

1. Pingelohk – kõige ohtlikum ja rahalist kahju toovam
2. Süsteemiavarii ehk voolukatkestus – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov
3. Impulsspinge – mitte väga ohtlik ja vähe rahalist kahju toov
4. Liigpinge ehk ülepinge – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov
5. Alapinge – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov
6. Voolutõuge
7. Müra
8. Sagedushälbed
9. Suhteline harmoonikute sisaldis

Nendest probleemidest tulenevate kadude (riistvaralised kaod, andmete kustumine ja lisatöö kaotatu kompenseerimiseks) leevendamiseks ja vältimiseks on välja mõeldud töövõtteid ja kaitseseadmeid. Üks võimalus kaitsta oma elektriga töötavaid seadmeid ja nendega seotud ressursse on kasutada riistvaralist lahendust UPS (ingl. uninterruptible power supply), mida eesti keeles kutsutakse katkematu toite allikaks või puhvertoiteallikaks. Kuigi kirjanduses kasutatakse eespool mainitud termineid ning nendest on võimalik konstrueerida ka suupäraseid lühendeid eesti keelde (näiteks KTA ehk KATA või PTA ehk PETA), on professionaalne katkematute toiteallikatega töötav personal inseneride ja müügiinimeste näol üle võtnud siiski mugava lühendi UPS.

UPS-i peamine ülesanne on seadmeid kaitsta toitepinge katkemise ja tugevate pingekõikumiste eest. UPS ühendatakse elektrilise sisendi ja väljundi abil kaitstava seadme sisendi ning elektrivõrgust (või muust vahelduvvoolu allikast) tuleva väljundi vahele (sellest tuleneb sõna "puhver"). IEC (International Electrotechnical Commission, Rahvusvaheline Elektrotehnikakomisjon) avaldas 1999. aastal standardi IEC 62040-3 UPS-ide jagamiseks kolme kvaliteediklassi. UPS-e iseloomustavad paljud parameetrid (millest paljusid tootjad ei avalikusta) ning uuemate mudelitega kaasnevad uued lisafunktsioonid.

2010. aasta seisuga on UPS-i iseloomustavad peamised parameetrid järgmised:

• võimsus – kui suure võimsusega tarbijat me saame UPS-i abil kaitsta
• kvaliteediklass – kui kvaliteetset kaitset me tahame ja kui palju me oleme nõus raha maksma
• töötamise aeg pärast süsteemiavarii ehk voolukatkestuse saabumist – kui kaua suudab UPS toita kaitstavaid tarbijaid pärast süsteemiavarii saabumist
• pinge – kas UPS-i sisendpinge vastab antud riigis vastavale toitepinge väärtusele ning kas UPS-i väljundpinge kvaliteet vastab tarbija sisendpinge nõuetele.
• kasutegur – kui palju läheb energiat raisku (kiirgub soojusena ümbritsevasse ruumi)
• töötingimused – UPS-i ümbritseva ruumi õhuniiskus, temperatuur, harvem kõrgus merepinnast.

Klass 1 – Online ehk Double Conversion ehk VFI (IEC 62040-3.2.16)

Pilt 1.1 ONLINE UPS-i plokkskeem

VFI tuleb inglise keelest – Voltage and Frequency Independent from mains supply, mille all peetakse silmas, et UPS-i väljundpinge amplituud ja sagedus ei sõltu UPS-i sisendpinge amplituudist ja sagedusest. Eesti keeles pole nimetust välja kujunenud ja on üle võetud nimi Online UPS. Online UPS pakub klassi 1 kuuludes paremaid tulemusi võrreldes klassi 2 ja klassi 3 UPS-idega. Tootjate andmetel peaks abi olema kõigi elektritoites esinevate süsteemisiseste probleemide vastu.

Parim kaitse toob endaga kaasa ka puuduseid. Online UPS-id maksavad rohkem kui teised UPS-id, kuna nende koostamiseks läheb füüsiliselt rohkem materjali ja aega. Rohkemate probleemide vastu võitlemine eeldab ka rohkem funktsioone ja reaalseid koostisosasid, millest tuleb elektrivoolul läbi minna, et UPS-i sisendist UPS-i väljundisse jõuda. Seetõttu on seadme kasutegur (%) lihtsamate tehnoloogiatega võrreldes viletsam. Kaasneb ka suurem soojuslik kadu, mistõttu on vajalik seadmete ventileerimisele kaasa aidata. 2010. aasta seisuga on kõige levinumad jahutusseadmed ventilaatorid, mis tekitavad palju akustilist müra. Kasuteguriga on korrelatsioonis ka elektriarved, mis aga madalama kasuteguri juures on suuremad.

Online UPS-i ülevaatlik tööpõhimõte on lihtne. Vahelduvvool kulgeb UPS-i sisendisse, kus sellel on võimalus liikuda edasi kolme üksusse ehk seadmesse. Kui UPS on töökorras, juhitakse elektrivool edasi kahte üksusse – akulaadijasse ja alaldisse. Kui aga süsteem avastab mõne kriitilise vea (ülekuumenemine või mõne üksuse riknemine), juhitakse vool automaatselt kogu UPS-i sees olevatest seadmetest nn ringiga mööda ja otse UPS-i väljundisse. Sellises olukorras on kaitstav seade otseses elektrilises ühenduses toitesüsteemiga enne UPS-i ehk teisisõnu UPS-i kaitsefunktsioonid ei tööta enam.

Alaldi ülesanne on UPS-i sisendisse antud vahelduvvool muundada alalisvooluks ja reeglina viiakse ka pinge madalamale tasemele. Alaldi väljundist tuleb alalisvool, mis juhitakse edasi inverterisse. Tähele tuleb panna, et joonisel on visuaalselt sama juhtme küljes ka muunduri väljund, aga ühenduste vahele pandud dioodid keelavad alaldist tuleval voolul minna muunduri väljundisse ning vastupidi, muundurist tuleval voolul keelatakse minna alaldi väljundisse.

Akulaadija on teine seade, mille sisend on vahetus elektrilises kontaktis UPS-i sisendiga. Akulaadija ülesanne on UPS-i sisendisse antud vahelduvvool muundada alalisvooluks (laadijale on alaldi sisse ehitatud) ning laadida (plii)akut ning teostada aku parameetrite mõõtmisi ning analüüsida saadud tulemusi, teostamaks kvaliteetsemat laadimist, et pikendada aku eluiga ning suurendada süsteemi kasutegurit. Laadija väljundist tuleb alalisvool, mille täpseid parameetreid hoiavad tootjad enda teada. Suure tõenäosusega kasutatakse juba täis oleva (plii)aku laengu säilitamiseks tilklaadimist (inglise k trickle charging) ehk pulsimodulatsiooni. Tähele tuleb panna, et ka siin on diood, mis keelab akust voolu kulgemist akulaadija sisendisse.

2010. aasta seisuga on UPS-ides enim kasutatud aku pliiaku. Aku(paki) ülesandeks on endas säilitada energiat ja samaaegselt UPS-i sisendisse antava elektrienergiaga toita kaitstavat seadet. Teisisõnu – et täielikult välistada süsteemiavariid ehk voolukatkestust, toidetakse kaitstavaid seadmeid korraga nii UPS-i sisendisse antava energiaga kui ka energiaga, mis tuleb akudest.

Aku(paki) väljundist tulev vool suunatakse muunduri sisendisse. Muunduri ülesanne on sisendisse antud varieeruva alalispinge muundamine stabiilse väärtusega alalispingeks. Nimelt süsteemiavarii ehk voolukatkestuse olukorras, kui akulaadija enam akut ei lae, hakkab akudes oleva pinge väärtus langema. Nõnda tagatakse järgmise astme üksuse sisendile antava alalispinge stabiilsus.

Inverter on seade, mille ülesanne on sisendisse antud alalisvool muundada võimalikult ideaalseks sinusoidseks vahelduvvooluks. Online UPS-i sees saab inverter oma sisendisse nii alaldist kui ka muundurist tuleva elektrivoolu.

Lihtsama skeemi järgi ongi inverter Online UPS-i viimane üksus, mille väljund on otseses elektrilises ühenduses UPS-i väljundiga ehk inverter toidab otseselt seadmeid, mida me UPS-iga kaitsta soovime. Reaalsuses on süsteemid märksa keerukamad, kus esimesed üksused kohe UPS-i sisendi juures on erinevad filtrid, mille ülesanne on maksimaalselt leevendada toitepinges esinevaid probleeme, millest on juttu artikli alguses. Samuti võidakse neid filtreid lisaks sisendi poolele panna ka inverteri väljundisse ning samuti võivad need olla ka sisse ehitatud kõigisse eespool nimetatud üksustesse.

Klass 2 – VI Line-Interactive (IEC 62040-3.2.18)

Pilt 2.1 Line-Interactive UPS-i plokkskeem

Termin VI tuleb inglise keelest Voltage Independent from mains supply, mille all peetakse silmas, et UPS-i väljundpinge amplituud ei sõltu UPS-i sisendpinge amplituudist. Eesti keeles ei ole sellele suupärast tõlget antud. Tehnoloogiat on küll kutsutud liini-interaktiivseks süsteemiks, aga elukutseliste (insenerid ja müügiinimesed) seas levivad nimetused pigem klass 2 või Line-Interactive. Võrreldes klassi 1 ja klassi 3 UPS-idega pakub VI Line-Interactive tehnoloogia parimat kvaliteedi ja hinna suhet. Puuduseks Online UPS-i ees on asjaolu, et kui UPS-i sisendis langeb pinge alla kriitilise piiri, toimub füüsiline lülitus, mille käigus UPS-i väljund ühendatakse elektriliselt lahti UPS-i sisendist ning ühendatakse elektrilisse kontakti UPS-i sees olevast (plii)akust tuleva toitevooluga. See võtab aega 4–6 ms, mis võib tundlikumatel tarbijatel häireid esile kutsuda või isegi seadmeid rikkuda.

Klass 3 – VFD Offline ehk Passive Standby (IEC 62040-3.2.20)

Pilt 3.1 OFFLINE UPS-i plokkskeem

Lühend VFD tuleb inglise keelest Voltage and Frequency Dependent from mains supply, mille all peetakse silmas, et UPS-i väljundpinge amplituud ja sagedus on tugevas sõltuvuses UPS-i sisendpinge amplituudist ja sagedusest. Kuna Offline on suupärane väljend, kutsutaksegi seda UPS-i nii. Võrreldes klassi 1 ja klassi 2 UPS-idega, on Offline UPS kõige odavam. See on ka ainus eelis. Nagu eelpool kirjas, on UPS-i väljund tugevas sõltuvuses UPS-i sisendist. See tähendab seda, et UPS-i koostisest on välja jäetud täiendavad seadmed, mis peaksid toitekvaliteeti parandama – sisendisse antud signaali (toite) kuju on ka väljundis sama kujuga (kuigi IEC standardite järgi peab toitepinge olema sinusoidi kujuga). See võib aga kriitiliseks osutuda tundlikumate tarbijate puhul.

Nagu ka VI Line-Integrated UPS, toimub siin füüsiline ümberlülitamine, kus kriitilise piirini langenud (või tõusnud) sisendpinge amplituudi korral ühendatakse UPS-i väljund elektriliselt lahti UPS-i sisendist ning viiakse elektrilisse kontakti hoopis (plii)akust tuleva toitevooluga. Erinevate tootjate info kohaselt toimub lülitamine aga veel aeglasemalt kui klassi 2 UPS-idel, mis tähendab, ümberlülituse aeg jääb vahemikku 4–10 ms. Osalt võib see tulla majanduslikust nipist kvaliteedi klasse veel rohkem eristada, teisest küljest võib-olla dikteerib neid klasse komponentide hind.

Pilte Offline UPS-i sisemusest

Pilt 3.2 Lahtivõetud UPS koos 7Ah pliiakuga

Pilt 3.3 Inverteri trafo. Jäme traat ja peenike traat

Pilt 3.4 Võimas 40A sulavkaitse aku ja inverteri vahel

Pilt 3.5 Relee ja varistor

Pilt 3.6 Kogu elektrooniline osa

Pilt 3.7 Trafo UPS-i sisendi ja akulaadija vahel

Pilt 3.8 Pilte UPS-i avamisest

Piltidel 3.2–3.8 on näha, et isegi Offline UPS on tunduvalt keerulisema ehitusega, kui algul joonist 3.1 vaadates arvata võib.

Pildil 3.2 on näha UPS ja sinise kaanega pliiaku. UPS-il on korpus eemaldatud ning seetõttu paistab selle sisu välja. Roheline on trükkplaat, millel asub kogu UPS-i reguleeriv elektroonika, sellest all pool asub pesa pliiaku jaoks ning taga on nähtav kollastes toonides trafo.

Pildil 3.3 on näha eelpool mainitud trafo, mis käib inverteri sisse. See trafo võtab osa pinge tõstmises, kus primaarile antakse tugev vool aku pealt ning sekundaarile indutseeritakse kõrgem pinge ja väiksem vool. Joonisel on punane ring ümber tõmmatud sekundaaris olevale vasktraadile ning on näha, et see on primaari omast tunduvalt peenem.

Pildil 3.4 on kahest erinevast nurgast jäädvustatud sulavkaitse, mille eesmärk on katkestada vooluring aku ja inverteri vahel, juhul kui vool ületab tootja poolt ette nähtud väärtuse. Antud näide on 40 A voolutugevusega kaitse, mis võib ära hoida tulekahju või aku plahvatamise.

Pildil 3.5 on mitme nurga alt jäädvustatud klassi 3 UPS-idele (ja ka klassi 2) kriitilise tähtsusega detail – relee (nelinurkse läbipaistva korpusega pildi keskel). Relee ülesanne on ümberlülitusploki sees voolukatkestuse ajal akust ja inverterist tulev vool lülitada elektrilisse kontakti UPS-i väljundklemmidega ning samal ajal UPS-i väljund elektriliselt lahti ühendada UPS-i sisendist (klassi 2 puhul siis lahti ühendada täiendavatest filtritest, mis jäävad UPS-i sisendi ja ümberlülitusüksuse vahele).

Pildil 3.5 paistavad tagapool hõbedastel jahutusradiaatoritel transistorid või lülitusregulaatorid või muud aktiivkomponendid, mille võtavad ilmselt ühendust toiteahela töös. Suur must seade on trafo. Sinine kandiline on kondensaator. Musta kummist mütsi seest paistab veidikene traati, seega tegemist on mähise ehk induktoriga ehk induktiivpooliga.

Pildil 3.5 on näha sinine ümmargune komponent, varistor. Seda detaili kasutatakse kõigis kvaliteetsetes toiteahelates erinevate tarbijate sees. Varistori idee seisneb selles, et kui selle kaks jalga pingestada, läheneb seadme jalgade vaheline takistus lõpmatusele. Kui aga pinge kahe jala vahel jõuab mingi kindla väärtuseni (Euroopa tarbeks toodetud varistorid keskmiselt 350 V), langeb varistori jalgade vaheline takistus eksponentsiaalselt ja läheneb nullile. Varistorid aitavad väga hästi impulsspingete vastu. Kui varistori takistus läheb väiksemaks kui tarbija takistus, millega varistor rööbiti on ühendatud, juhitakse enamus toitest tulnud energiat läbi varistori ja tarbija võib terveks jääda. Kuna varistorid on suure võimsustaluvusega erinevalt kaitsetest, joodetakse need süsteemidesse sisse ja tavakasutajad ei saa neid ise vahetada.

Pilt 3.6 toob esile kogu elektroonilise sisu, mis näidis-UPS-i sees oli.

Pilt 3.7 demonstreerib trafot, mis on UPS-i sisendi ja akulaadija vahel. Inverteri trafost on see väiksem, kuna siit liigub läbi väiksem vool (aku laadimine ei käi nii kiiresti nagu pärast tühjaks laadimine läbi inverteri ja inverteri trafo)

UPS-ide kasuteguri lihtsustatud näide, kasutades Ohmi seadust

Algandmed

Meil on samas ruumis kolm UPS-i: klass 1 kasuteguriga 90%, klass 2 kasuteguriga 98% ja klass 3 kasuteguriga 95%. Kõigi UPS-ide sisendpinged on U_s = 230 V ja väljundpinged on U_v = 230 V. Kõigi UPS-ide väljunditel on kaitstavad tarbijad võimsusega P = 5000 W. See tähendab, et iga kaitstava seadme toitekaablis jookseb elektrivool I = 5000 W / 230 V = 21,7 A.

Küsimused/ülesanded

1. Arvutada iga UPS-i kohta eraldi, kui suur elektrivool (A) jookseb toitekaablis UPS-i sisendisse.
2. Arvutada iga UPS-i kohta eraldi, kui suurt võimsust (W) näitab UPS-i sisendklemmidelt mõõtmisi teostav vattmeeter.
3. Arvutada iga UPS-i kohta eraldi, kui võimas (W) on UPS-i töö tulemusena ümbritsevasse ruumi kiiratav soojusenergia.
4. Vastata küsimusele, et mida see välja kiiratava soojuse võimsus näitab ja võrrelda UPS-e selles kontekstis.
5. Vastata küsimusele, et kuidas hinnata UPS-ist välja kiiratava soojusenergia võimsust juhul, kui ei ole antud algandmeid hetkeliste voolutugevuste (A) ja võimsuste (W) kohta ning puuduvad vajalikud mõõteriistad.

Lahenduskäik

1. Kui kõigi UPS-ide väljundpinged ning väljundis tarbitavad võimsused ja elektrivoolud on võrdsed, siis UPS-ide sisenditesse kulgevad elektrivoolud sõltuvalt UPS-ide kasuteguritest on vastavalt:
   1. Klass 1: I = 21,7 A * 1,1 = 23,87 A
   2. Klass 2: I = 21,7 A * 1,02 = 22,13 A
   3. Klass 3: I = 21,7 A * 1,05 = 22,79 A
2. Nüüd, kui UPS-ide sisendites jooksvad voolutugevused on leitud ja UPS-ide sisendpinged on võrdsed, siis UPS-ide sisendklemmidelt mõõtmisi teostavad vattmeetrid näitavad vastavalt:
   1. Klass 1: P = 23,87 A * 230 V = 5490 W
   2. Klass 2: P = 22,13 A * 230 V = 5090 W
   3. Klass 3: P = 22,79 A * 230 V = 5242 W
3. Kuna kõigi UPS-ide väljunditel tarbitavad võimsused on P = 5000 W ja punktis 2 on leitud, kui suured on UPS-ide tarbitavad võimsused koos kaitstavate tarbijatega, siis saame vastavalt arvutada võimsuse, mida UPS-id ise tarbivad ehk kui suure võimsusega soojusenergiat UPS-id ümbritsevasse ruumi kiirgavad:
   1. Klass 1: P = 5490 W – 5000 W = 490 W
   2. Klass 2: P = 5090 W – 5000 W = 90 W
   3. Klass 3: P = 5242 W – 5000 W = 242 W
4. UPS-idest välja kiiratava soojuse võimsus näitab, kui hea kasuteguriga UPS-id on. Samuti näitab see, kui võimsalt need seadmed ümbritsevat ruumi kütavad. Antud näites (ja tavaliselt see suhe ka nii on) on klassi 1 UPS ehk Online UPS kõige halvema kasuteguriga ja kütab tuba, nagu seda teeks 490 W elektriradiaator. Ilmselt ei piisa antud Online UPS-ile passiivsest ventileerimisest ning kasutusele tuleb võtta aktiivne ventileerimine, mis toodab akustilist müra. UPS-i temperatuur tõuseb vastavalt välja kiiratava soojuse võimsusele ja jahutussüsteemi soojustakistusele (K/W). Kusjuures ventileerimissüsteemis mängib oma rolli lisaks ventilaatorite ka ümbritseva ruumi ruumala ja õhu temperatuur.
5. Kui tahame hinnata UPS-ist välja kiiratava soojusenergia võimsust (W), aga meil ei ole vastavaid mõõteseadmeid (voltmeeter, ampermeeter, vattmeeter), et teha vahetuid mõõtmisi, siis saame arvutada maksimaalsed väärtused, kasutades järgmisi tootjate antud parameetreid:
   1. UPS-i kasutegur (%);
   2. kaitstava tarbija maksimaalne võimsus.

Vaata ka

• Toiteplokk

Välislingid

• The Different Types of UPS Systems
• UPS HOWTO
• USTPOWER infoleht
• Leonardo ENERGY koduleht
• IEC standardite ülevaade
• IEC koduleht
• UPS-id ELFA-s
• UPS-id ORDI-s