Veľké systémy UPS. Dosiahnutie vyššej účinnosti (2)

Straty bez pripojenej záťaže

Pri veľkosti záťaže 0 % sa celá energia na vstupe spotrebuje v UPS – z toho je odvodený názov straty „bez záťaže“. Tieto straty sú nezávislé od záťaže a sú spojené s napájaním takých častí, ako sú transformátory, kondenzátory, logické obvody a komunikačné karty. Straty bez pripojenej záťaže môžu predstavovať viac ako 40 % všetkých strát na UPS a sú najlepšou možnosťou zvyšovania účinnosti UPS. Podrobnejšie budeme o tom hovoriť v ďalších častiach seriálu.

Proporcionálne straty

Čím väčšia záťaž je na UPS pripojená, tým väčšie množstvo energie rôznymi prvkami treba „spracovať“. Medzi proporcionálne straty patria napr. straty pri prepínaní v tranzistoroch či odporové straty na kondenzátoroch a indukčných cievkach.

Kvadratické straty

Čím väčšia záťaž je na UPS pripojená, tým viac narastá hodnota pretekajúceho prúdu cez jednotlivé komponenty UPS. To spôsobuje straty UPS priamo úmerné druhej mocnine prúdu, čo sa niekedy zvykne označovať ako straty IR. Výkonové straty sa premieňajú na teplo a sú priamo úmerné druhej mocnine prúdu. Kvadratické straty sú pri vyššej záťaži UPS už značné (1 – 4 %).
Veľmi častým prípadom porovnávania účinnosti dvoch alebo viacerých UPS systémov je porovnávanie len ich strát (červené stĺpce v obr. 2 z prvej časti seriálu; pozn. red.).

Krivka účinnosti sama o sebe nám o UPS napovie skutočne veľa vrátane jej proporcionálnych a kvadratických strát či strát bez pripojenej záťaže, a to pri všetkých rozsahoch pripojenej záťaže. Zobrazením všetkých týchto troch typov strát v závislosti od veľkosti záťaže UPS vyjadrenej v percentách získame graf výkonových strát, ktorý môže vyzerať ako graf na obr. 3.Treba si však všimnúť, že straty bez pripojenej záťaže zostávajú konštantné v celom rozsahu veľkosti pripojenej záťaže, zatiaľ čo proporcionálne straty stúpajú priamo úmerne s počtom IT zariadení pripojených k UPS.

Nie je nič výnimočné, že pracovníci, ktorí majú za úlohu vyšpecifikovať UPS systémy, neuvažujú nad možnosťou vylepšenia účinnosti pri porovnávaní viacerých UPS. V tab. 2 sú uvedené rôzne dôvody, prečo sa tieto chyby robia.

Tab. 2 Dôvody, prečo sa neuvažuje o účinnosti UPS.

Podniky platia za elektrickú energiu na základe odpočtov z merača elektrárenskej spoločnosti. Ide o jediné meradlo pri výbere akéhokoľvek zariadenia. To je dôvod, prečo by mali byť údaje výrobcu reprezentované krivkou účinnosti postavené na základe reálnych inštalácií u zákazníka. Návrh napájacieho systému pre údajové centrá by navyše mal obsahovať dosah účinnosti na celý rozvod elektrickej energie a nielen na UPS. Aby sa pri meraní zvýšila účinnosť UPS, odstraňujú sa vstupné filtre.

UPS systémy zo svojej prirodzenej podstaty vytvárajú harmonické alebo nežiaduce prúdy, ktoré zvyšujú tepelné straty v káblových prepojoch a transformátoroch, čím sa znižuje účinnosť. Vstupné filtre UPS minimalizujú tieto škodlivé prejavy potlačením harmonických zložiek striedavého prúdu. Odstránením vstupných filtrov s cieľom zvýšiť meranú účinnosť UPS výrobca v podstate len presunie tepelné straty a s nimi súvisiace náklady na elektrickú energiu inde.

Koncový používateľ nakoniec nevedome platí pokutu za nižšiu účinnosť vo výške viac ako 0,5–1 percentuálneho bodu z veľkosti celkovej záťaže. A to najmä preto, lebo UPS je bežne zaťažená len približne 30 % záťažou, pri ktorej majú fixné straty na filtroch vyššiu váhu. Napr. pri cene elektrickej energie 0,1 USD/kWh a pri 1 MW UPS so záťažou 30 % dostávame v najlepšom prípade účinnosť 89 %. Ak pridáme filter a účinnosť sa pri rovnakej záťaži zníži o 3 percentuálne body, vzrastú ročné náklady na elektrickú energiu z 32 481 USD na 42 781 USD, čo je nárast takmer o 32 %.

Pravdepodobne najefektívnejšou metódou výberu UPS z ­hľadiska účinnosti je vyžiadať si od výrobcu krivku účinnosti, ktorá jednoznačne ukáže prínosy úspor energie pri porovnaní UPS od ­rôznych výrobcov. Všimnite si, že krivka účinnosti by mohla ­vychádzať z výkonových údajov na vstupe a výstupe, vďaka čomu si možno pri použití jednoduchého excelu vypočítať účinnosť v ­každom bode pre rozsah záťaže od 0 – 100 %.

Je však dôležité, aby bola krivka od výrobcu vygenerovaná pre konfiguráciu podobnú tej, ktorá bola vyšpecifikovaná zákazníkom. V závere seriálu uvedieme podrobné porovnanie účinnosti UPS, a to pri rôznych scenároch. Nasledujúca časť opisuje spôsoby, ako dokážu výrobcovia UPS zlepšiť ich účinnosť.

Vylepšenie účinnosti veľkých UPS

Ako sme už spomenuli, existujú tri typy strát, ktoré môžu výrobcovia znížiť, aby tým zvýšili účinnosť UPS: straty bez pripojenej záťaže, proporcionálne a kvadratické straty. Výrobcovia majú na ich zníženie tri možnosti: technologické, topologické a modularitu.

Technologické možnosti

Slovo technológia má tendenciu prekrývať sa so slovom topológia a modularita, avšak v intenciách tohto seriálu bude opisovať len bloky UPS zahŕňajúce hardvér a softvér.

Technológie prepínania/spínania: IGBT nahradili SCR

Veľké „statické“ UPS systémy pracujú na princípy premeny striedavého prúdu na jednosmerný a jednosmerného na striedavý. Súčasťou tohto procesu premeny energie je rýchle prepínanie medzi zapnutým/vypnutým stavom, pri ktorom dochádza k výkonovým stratám vo forme tepla v okolí prepínača kvôli jeho vnútornému elektrickému odporu. V skutočnosti aj keď je prepínač v stave ­otvorený, stále sa vyskytujú malé tepelné straty, a to pre pretekanie prúdu.

Analógiou môže byť teplo generované pri rýchlom ťahaní lana (prúd) cez ruku človeka (prepínač). Ak je lano zovreté silno (prepínač zavretý), generuje sa teplo; ak sa lano drží voľne (prepínač otvorený), generuje sa veľmi malé množstvo tepla.

V minulosti sa proces prepínania realizoval pomocou riadených kremíkových usmerňovačov (SCR), ktoré mali vysokovýkonné/vysokonapäťové prepínacie schopnosti. SCR boli štandardom v UPS do polovice 90. rokov minulého storočia a dodnes sa používajú v ­niektorých starších systémoch. Boli relatívne cenovo dostupné a z hľadiska ich zakomponovania do návrhu jednoduché, avšak mali vážny nedostatok: keď sa vyskratovali, nastal skrat v najdôležitejšej súčasti UPS – na jednosmernej zbernici.

Bolo potrebné pridávať ochranné obvody a zariadenia, aby sa jednosmerná zbernica ochránila pred týmto stavom – čo naopak viedlo k použitiu ďalších prvkov, ktoré mohli zlyhať. SCR možno jednoducho zopnúť do stavu otvorený (dokáže to signál s úrovňou 1 – 2 V privedený na hradlo), ale už ťažšie vypnúť (tam je už potrebná napäťová špička v protifáze). Tranzistory tieto problémy nemajú – na zopnutie a ­rozopnutie ­vyžadujú menej energie. V podstate sú zopnuté (on), ak sa na hradlo privedie signál, a rozpojené (off), ak tam žiaden signál nie je.

Až do polovice 90. rokov minulého storočia bola funkčnosť tranzistorov obmedzená len na spracovanie prúdu. Tento problém sa vyriešil nástupom bipolárnych tranzistorov s oddeleným hradlom (IGBT). Tie vďaka vyšším pracovným rýchlostiam a rýchlejšiemu riadeniu výkonu umožnili, že proces premeny energie bolo možné vykonať v režime vysokofrekvenčnej šírkovo-impulznej modulácie (PWM). Vysokofrekvenčná PWM redukuje veľkosť potrebných filtrov, čo ­vedie k ďalšiemu zlepšovaniu účinnosti.

Riadenie: DSP nahradilo analógové riešenia

Mnohí výrobcovia už v súčasnosti prechádzajú z analógového riadenia na riadenie pomocou digitálnych signálnych procesorov (DSP). To je obdoba prechodu od tradičných hodiniek s ozubenými kolieskami k digitálnym hodinkám s batériou a LCD displejom. Riadenie prostredníctvom DSP je podstatne inteligentnejšie, dokáže pracovať s oveľa vyššou rýchlosťou a tým vykonať oveľa viac rozhodnutí, ­ktoré pomôžu vylepšiť účinnosť. Tento spôsob riadenia v porovnaní s ­analógovými obvodmi znižuje počet prvkov.

Pokročilejšie DSP riadenie môže zlepšiť účinnosť pomocou inteligentného adaptívneho spínania, keď hlavné vysokofrekvenčné výkonové spínače dokážu udržiavať presnosť výstupného napätia s menšími stratami vznikajúcimi pri spínaní. Pre menšie záťaže predstavuje použitie DSP zníženie prepínacích prechodov až 50 %, čo výrazne prispieva k zvýšeniu účinnosti. DSP riadenie ­navyše ­vyžaduje oveľa menej príkonu ako predchádzajúce generácie ­riadenia, čo zase prispieva k výraznému zníženiu strát bez pripojenej záťaže. Technológie IGBT a DSP patria medzi hlavné ­technologické zlepšenia, vďaka ktorým možno v moderných UPS dosiahnuť ich vyššiu účinnosť.

V ďalšom pokračovaní dokončíme opis možností, ktoré prináša ­topológia a modularita, aby sa zlepšila účinnosť UPS.

-tog-