Brez elektrike nam živeti ni

Objavljeno: 31.5.2016 | Avtor: Matjaž Klančar | Kategorija: Dosje | Revija: Junij 2016

Vsa elektronika, ki nas zabava, izobražuje, razvaja, včasih drži pri življenju in tu in tam jezi, je brez elektrike neuporaben kos bakra, silicija in plastike. Problematični pa so že kratkotrajni sunki in nihanja omrežne napetosti, saj lahko povzročijo okvare in izgubo podatkov. Zato smo si ogledali, kako delujejo akumulatorski sistemi za zagotavljanje brezprekinitvenega napajanja (UPS) za računalniško opremo.

Kdor uporablja prenosni računalnik, se ob omembi UPS verjetno zgolj prizanesljivo nasmehne, ker imajo prenosniki akumulatorje, zato jih prekinitev napajanja ne prizadene. To seveda ni čisto res, ker UPS filtrira visoke frekvence in varuje pred napetostnim nihanjem, tokovnimi konicami ter drugimi neobičajnimi in škodljivimi dogodki v omrežju. A resnici na ljubo je treba priznati, da ljudi, ki bi prenosnike poganjali prek UPSa, skorajda ni.

UPSi so se od zadnjega večjega preizkusa pred osmimi leti (Ko zmanjka elektrike, Monitor 02/08) pocenili, postali zmogljivejši in prijaznejši do uporabnika, večje revolucije pa nismo dočakali. Še vedno gre za težke črne škatle, ki prav nadležno piskajo ob izpadu električne energije ter brnijo ob akumulatorskem napajanju, še vedno imajo v drobovju svinčene akumulatorje (litij-ionske baterije so predrage in preveč občutljive za takšne hece) in še vedno se polnijo sila počasi.

Pogled v notranjost

UPS ima tri bistvene sestavne dele: usmernik, akumulatorje in razsmernik. Poleg teh vsebuje še vrsto pomožnih elementov, kot so razni filtri in prenapetostne zaščite, krmilna elektronika in preklopna stikala. Glavna naloga UPSa je zagotavljanje brezprekinitvenega napajanja, izvedbe pa so različne.

Shema linijskega interaktivnega UPS

Shema preklopnega UPS

Shema priključnega UPS

Najcenejši so tako imenovani preklopni UPSi (stand-by), ki jih dandanes tudi med najcenejšimi skorajda ne najdemo več. Ko je omrežna napetost ustrezna, jo vodijo skozi prenapetostno zaščito in gladijo s filtrom visokih frekvenc ter z njo neposredno napajajo porabnike. Akumulatorji se ob ustrezni omrežni napetosti polnijo prek usmernika, ki izmenično napetost transformira (navadno na 12 V) in spremeni v enosmerno. Kadar omrežna napetost zaide onkraj nastavljenih toleranc, preklopijo na akumulatorsko napajanje. Tedaj usmernik in transformator skrbita za transformacijo enosmerne napetosti iz baterij v izmenično napetost, kakršna je sicer v omrežju.

Taki UPSi so primerni za uporabo le na območjih, kjer so prekinitve dobave električne energije redke, napetost pa kakovostna. Ker ob vsakem nihanju onkraj toleranc preklapljajo na akumulatorje, se lahko hitro iztrošijo. Linijski interaktivni UPSi (line-interactive) imajo na vhodu transformator, ki omrežno napetost tudi ob manjših nihajih onkraj toleranc transformira v pričakovanih 230 V, ne da bi uporabil akumulatorje. Tak UPS preklaplja na akumulatorsko napajanje le ob zelo visokem nihanju napetosti ali izpadu, to pa blagodejno vpliva na življenjsko dobo akumulatorjev.

Najdražji so priključni UPSi (on-line), kjer se bremena vedno napajajo iz akumulatorjev. Ti vhodno napetost vedno vodijo na usmernik, ki napaja baterijo, porabniki pa energijo vedno prek razsmernika črpajo iz baterij. UPSi iz prvih dveh skupin imajo lahko tudi cenejše in manj kakovostne razsmernike (glej poglavje o izmenični napetosti), ker se porabniki prek njih napajajo le izjemoma, priključni UPSi pa imajo kakovostne razsmernike. Ne glede na dogajanje v omrežju je napetost na porabnikih enaka.

Mišice vseh UPSov pa so seveda svinčevi akumulatorji, podobni kot v avtomobilih. Ti so poceni, sorazmerno neobčutljivi in imajo nizko gostoto energije. Slednje z drugimi besedami pomeni, da so veliki in težki, zato so takšni tudi UPSi. Svinčeni akumulatorji nimajo spominskega učinka, jih pa poškodujeta popolna izpraznitev in prenapolnjenje. Krmilna elektronika v UPSu skrbi, da jih pravočasno odklopi in se to ne zgodi. Proti manjšanju zmogljivosti, ki je posledica tako običajnega staranja kot tudi števila ciklov praznjenja in polnjenja, pa ne morete storiti nič. Večina izdelovalcev zato omogoča zamenjavo akumulatorjev.

UPS ni vsemogočen

UPS ni čarobna paličica, ki bi lahko odpravila vse težave z napajanjem vseh naprav. Vsi izdelovalci opozarjajo, da na UPS ne smemo priključevati laserskih tiskalnikov. To velja tako za priključke, ki so povezani na baterijo, kot tudi tiste, ki so zgolj ščiteni pred nihanjem omrežne napetosti. Razlog je v načinu delovanja laserskih tiskalnikov, ki pri ogrevanju in tiskanju za kratek čas trošijo izjemno visoke moči (več kot kilovat). To je bistveno več, kot so sposobni zagotoviti običajni UPSi. Ti imajo zaščito pred previsokim vhodnim tokom ali napetostjo, zaščita pred previsokimi tokovi na izhodni strani pa je slabša ali je ni. Laserski tiskalniki zato poškodujejo UPSe. Tudi ob primerni tokovni zaščiti UPSa ga laserski tiskalniki kvarijo, ker nenaden visok električni tok povzroča nihanje napetosti, zaradi česar UPS po nepotrebnem preklaplja na akumulatorsko napajanje.

Laserski tiskalniki pri delovanju potrebujejo kratke pulze visokih moči, ki jih UPSi ne zmorejo. Slika: John Dearmond

UPS tudi varuje pred udari strele, za kar so navadne varovalke in odklopniki prepočasni. Ščiti priključene naprave pred nihanjem napetosti in tokovnimi konicami, ki so posledica udara strele v bližini (indirektni udar) in nevihtnih razelektriktev v ozračju. Če je zaradi udara strele sunek izjemno močen, ga bo UPS po ozemljitvi preusmeril v zemljo in lahko tudi izdihnil, da zaščiti varovane naprave. Če pa strela udari v električno napeljavo na vašem dvorišču, vam ne bo pomagala nobena zaščita, a tedaj bo uničena elektronika vaš najmanjši problem (k sreči je to izjemno redek primer).

Cenejši UPSi ne proizvajajo sinusne izmenične napetosti, temveč boljši ali slabši približek (npr. stopničasto ali kvadratno napetost). Večina elektronskih naprav s tem nima večjih težav, nekatere bolj izbirčne pač. Načeloma so preprostejše naprave bolj občutljive za slabo napetost. Zadnja potencialna težava, ki pa je tudi pri najcenejših UPSih že izkoreninjena, je preklopni čas. Po prekinitvi omrežnega napajanja morajo UPSi najkasneje v 20 milisekundah preklopiti na akumulatorsko napajanje, drugače računalniški napajalniki zaznajo padec napetosti, računalniki pa se znova zaženejo. Večina UPS­ov preklop izvede v 10 milisekundah.

Delovna in jalova moč

Ne bomo na dolgo in široko razpredali o elektrotehniki, nekaj osnov pa za razumevanje delovanja UPSov in rezultatov testa kljub vsemu moramo poznati (lahko pa to poglavje mirno preskočite). V omrežju imamo sinusno izmenično napetost, kar pomeni, da napetost (potencialna razlika med vodnikoma) sinusno niha od –325 do 325 V. En vodnik ima enak potencial kakor zemlja (to je ničla), napetost v drugem pa sinusno niha (to je faza). Ker se napetost ves čas spreminja, definiramo efektivno napetost (325 V/√2 = 230  V) kot ekvivalentno enosmerno napetost, ki bi opravljala enako delo na ohmskem bremenu (npr. grelcu) kot izmenična napetost. Vse domače naprave so prilagojene na takšno napetost. Četudi njihovi sestavni deli zahtevajo drugačne napetosti, so na omrežno napetost prilagojeni napajalniki s transformatorji in usmerniki.

Nihanje napetosti (U), toka (I), trenutne navidezne moči (P) in prenesene energije (∫Pdt) pri a) ohmskem bremenu, b) kapacitivnem bremenu, c) induktivnem bremenu in d) realnem bremenu. V primeru a) teče energija samo v eno smer (moč je ves čas pozitivna, njen integral po času monotono raste), v primerih b) in c) pa sistem ne opravlja dela, ker energija teče v obe smeri enako.

Realni porabniki pa nimajo le ohmskih bremen, temveč tudi induktivne in kapacitivne elemente. Ti povzročijo, da tok in napetost ne nihata več v fazi, temveč s faznim zamikom (pri kodenzatorjih tok prehiteva napetost, pri tuljavah pa zaostaja). Posledica je, da pri izmeničnem toku vedno govorimo o delovni moči (merimo v vatih, W), ki opravlja delo, in jalovi moči (merimo v varih, VAr), ki ne opravlja dela, se pa pretaka iz omrežja do porabnikov in nazaj ter omogoča vzpostavljanje električnih in magnetnih polj. Njuna vsota je navidezna moč (merimo v voltamperih, VA), razmerje med delovno močjo in navidezno močjo pa faktor moči (cos φ). Navidezna moč je pomembna, ker glede nanjo konstruiramo omrežja in UPSe, čeprav koristno delo opravlja le delovna moč, ki se gospodinjskim odjemalcem tudi edina zaračunava. Industrijski odjemalci pa drago plačujejo tudi jalovo moč, zato uporabljajo kompenzacijske naprave za povečanje faktorja moči.

Preprost računalniški napajalnik je daleč od idealnega ohmskega bremena. Zato bi ustvarjal visoke jalove tokove, ki ustrezajo višjim harmonikom osnovne omrežne frekvence (50 Hz). Za napajalnike računalniške opreme je relevanten evropski standard EN61000-3-2, ki predpisuje meje za jalove tokove za napajalnike z močjo vsaj 75 W. V praksi to pomeni, da morajo imeti napajalniki večje potrošne elektronike faktor moči vsaj 0,97. Na voljo so tudi napajalniki s pasivnim in aktivnim popravljanjem faktorja moči (PFC). Prvi imajo preproste filtre in kondenzatorje, ki dvigujejo faktor moči. Drugi, ki so v EU dandanes izključno v rabi, imajo aktivno vezje, ki zviša faktor moči skoraj na 1. Od tega neposredno nimate nič, je pa to blagodejno za omrežje.

Ni vsaka izmenična napetost dobra

Ko UPS preklopi na akumulatorsko napajanje, ima na voljo enosmeren vir napetosti. Računalniške komponente v končni fazi resda prav tako zahtevajo enosmerno napetost, a je zasnova taka, da se ti napajajo iz centralnega napajalnika, ki pričakuje sinusno izmenično napetost z efektivnimi 230 V. UPS ima zato razsmernik (s tujko, inverter), ki enosmerno napetost iz akumulatorjev spremeni v izmenično. Tu so razlike velike.

Razlike med pravo sinusno napetostjo in približki

Dražji UPSi uporabljajo sinusne razsmernike, ki ustvarjajo sinusno nihajočo izmenično napetost ustrezne frekvence. Ta je čistejša od omrežne, naprave pa se na njej počutijo odlično. Cenejši UPSi pa imajo v drobnem tisku napisano, da ustvarjajo »modificirano« ali »približno« sinusno napetost (modified ali approximated sine wave). V tem primeru je četrtinko nihaja (5 milisekund) napetost konstanta, četrtinko enaka nič, naslednjo četrtinko konstantna in negativna, potem pa spet nič (glej sliko). Ta napetost ni prav nič sinusna, temveč stopničasta ali kvadratasta, zato je njeno poimenovanje zavajajoče, a žal standardno.

Nekateri porabniki s tako napetostjo nemoteno delujejo, nekateri delujejo, a se bolj grejejo, tretji pa sploh ne. Večina računalniške opreme sodi v drugo kategorijo, lahko pa v internetu preberemo tudi poročila o napajalnikih, ki z modificirano sinusno napetostjo sploh ne delujejo.

Fourierova analiza nas poduči, a lahko vsak periodični signal zapišemo kot (neskončno) sinusno in kosinusno vrsto. Tako ima modificirana sinusna napetost poleg osnovne frekvence 50 Hz še kopico višjih frekvenc, ki jih porabniki ne morejo uporabiti, zato prispevajo le k segrevanju. Motorji, črpalke, ventilatorji bodo delovali, a se bodo bolj segrevali. Fluorescentne sijalke (varčne žarnice) bodo manj svetle. Računalniški napajalniki, ki pa jih običajno priklapljamo na UPSe, bodo načeloma delovali dobro, ne pa vsi. Če bodo delovali, pa bodo njihove komponente bolj obremenjene. Slišimo lahko tudi glasno brnenje.

Poznamo še tretjo vrsto izhoda, to je kvadratna napetost, kjer se izmenjujeta pozitivna in negativnost 230 V. Takih UPSov dandanes v Evropi ni več, ker na njih večina moderne elektronike ne teče normalno. In zakaj bi sploh uporabljali razsmernike za modificirano sinusno napetost? Ker so od dvakrat do štirikrat cenejši od sinusnih. Izdelovalci UPSov zato navajajo tudi količino, ki se imenuje skupno harmonično odstopanje (total harmonic distortion) in v eni številki podaja odstopanje napetosti od idealne sinusne.

Kakšen UPS vzeti?

Dovolj zmogljivega, da bo poganjal vse, kar boste nanj priključili. Najbolje je, da požrešnost računalnika, monitorja in drugih naprav izmerite z vatmetrom, od koder boste dobili podatek o delovni in navidezni moči. Če tega nimate, si lahko pomagate z deklaracijami na napajalniku in monitorju.

Skupno harmonično odstopanje je merilo za zastopanost višjih harmoničnih frekvenc v skupnem signalu.

Žal vam ta podatek ne pove nič o avtonomiji, ki jo bo UPS zagotavljal. Avtonomijo pri nekaj obremenitvah proizvajalci tipično navedejo, a so vrednosti bolj okvirne (kot poraba goriva pri avtomobilu).

Naš testni računalnik je porabljal okrog 120 VA energije. Ugotoviti morate, koliko naboja lahko shranijo akumulatorji (npr. 9 Ah), kolikšno napetost imajo (običajno 12 V) in s kolikšnim izkoristkom tečejo (npr. 0,9), pa si lahko izračunate približno avtonomijo kot 6 Ah * 12 V * 0,83 / 120 VA = 0,5 ure. Včasih izdelovalci navedejo kar energijsko zmogljivost akumulatorjev v voltamperurah (VAh), ki jo pomnožimo z izkoristkom in delimo z zahtevano močjo. Podatka o izkoristku seveda nimamo. Tako na oko pa velja, da imajo zmogljivejši UPSi tudi baterije večje zmogljivosti, zato lahko enaka bremena poganjajo dlje. Zanemariti pa ne gre niti drugih lastnosti (cena, priložena programska oprema, glasnost, teža itd.), ki smo jih tudi preverili na našem preizkusu.

220 ali 230 V?

V pogovornem jeziku ljudi še vedno slišimo govoriti o omrežni napetosti 220 V, meritev z voltmetrom pa nam bo pokazala vse od 215 do 240 V (v normalnih okoliščinah navadno izmerimo vrednosti med 220 in 230 V), odvisno od lokacije, kakovosti električne napeljave in seveda bližnjih porabnikov. Zato povejmo nedvoumno: v EU je nazivna omrežna napetost 230 V z dovoljeno toleranco 10 % (torej 207–253 V), kar predpisuje standard IEC 60038:1983. Navadno je nihanje napetosti pod 3 %.

Zmeda izvira iz časov, ko evropska omrežja niso bila povsem združljiva. IEC 38 je do leta 1987 predpisoval 220 V s toleranco 10 %, v letih 1988–2003 pa 230 V s toleranco +6 % in –10 %. Proces poenotenja evropskih omrežij, ki so dotlej delovala pri nazivnih napetosti 220 V, 230 V ali 240 V, so torej rešili s predpisom srednje vrednosti in širokih toleranc, ki jih morajo električni porabniki prenesti. V daljni prihodnosti se pričakuje zaostritev toleranc.

  

Izmenično ali enosmerno

Danes se zdi samoumevno, da imamo v EU v gospodinjstvih enofazno izmenično omrežno napetost 230 V, ki si jo elektronika s transformatorji in usmerniki pretvarja v enosmerno nizko napetost. A to je rezultat surove vojne tokov v 80. letih 19. stoletja, ko se je v ZDA dogajala elektrifikacija. Thomas Alva Edison je zagovarjal enosmerni tok, Nikola Tesla pa je verjel v prednosti izmeničnega toka. Vojna tokov je bila umazana in polna nečednosti, saj je imel Edison finančni interes za prevlado svoje rešitve.

Enosmernemu toku s transformatorji ne moremo spreminjati napetosti, zato ga niso mogli prenašati na dolge razdalje, kjer zaradi minimizacije izgub potrebujemo visoke napetosti. Edison je predlagal sistem veliko majhnih elektrarn, ki bi napajale bližjo okolico. To je bilo nepraktično, a Edison je imel s svojimi patenti finančni interes za tako rešitev.

Izmenični tok pridobivamo v elektrarnah z indukcijo in mu lahko s transformatorji preprosto spreminjamo napetost, zaradi česar ga lahko poceni proizvajamo in prenašamo na dolge razdalje. Do Teslove iznajdbe večfaznega indukcijskega elektromotorja je imel enosmerni tok še nekaj prednosti (poganjanje elektromotorjev), kasneje pa ga je nadomestil izmenični tok. Šele iznajdba polprevodnikov v drugi polovici 20. stoletja je prinesla metode za učinkovito pretvarjanje enosmernega in izmeničnega toka ter kopico elektronskih naprav, ki potrebujejo enosmerni tok. A v električnem omrežju ostaja izmenični tok.

 

Razlike med EU in ZDA

V EU imamo izmenično napetost 230 V s frekvenco 50 Hz, v ZDA pa 110 V s 60 Hz. Razlog je zgodovinske narave, saj so v ZDA prvi elektrificirali, ko so bili izolirni materiali še slabi in okorni. Ko je sledila Evropa, se je pokazala prednost višje napetosti, saj lahko isto količino energije prenesemo z manjšimi tokovi, torej po tanjših vodnikih. Razlika ni bila nikoli tako velika, da bi se v ZDA splačala astronomsko draga zamenjava sistema in vseh porabnikov.

Nekatere elektronske naprave imajo napajalnike, ki so prilagojeni na obe napetosti, zato jih lahko uporabljate kjerkoli na svetu (na njih piše 100–240 V, 50/60 Hz). Seveda boste še vedno potrebovali adapter, da boste napravo lahko fizično priključili. UPSi za evropski trg niso takšni in se z ameriško napetostjo ne razumejo.

  

UPS ne zagotavlja galvanske ločitve

Običajni UPS, tudi on-line (!), v nasprotju s pogostim mnenjem ne zagotavlja galvanske ločitve bremen od omrežja, ker ozemljitveni vodnik teče mimo transformatorja. To bi bilo nepotrebno, ker mednarodni varnostni standardi predpisujejo, da je v računalniškem napajalniku izvedena galvanska ločitev omrežne napetosti od enosmernih napetosti v računalniku. Galvansko ločitev potrebujemo, kadar želimo odstraniti nizkofrevenčni šum, ki računalnikom ne škoduje. Posebne UPSe z galvansko ločitvijo potrebujemo le za napajanje občutljivih avdio naprav, ki jih nizkofrekvenčni (visokofrekvenčnega filtri učinkovito porežejo) šum moti.

 

Tudi ob dizelskih agregatih je UPS nujen

Bolnišnice, vojska, banke, računalniški centri in druge ustanove, kjer je nujna nepretrgana dobava električne energije, imajo poleg dizelskih električnih agregatov tudi UPSe. Preden lahko dizelski agregati zagotavljajo električno energijo, preteče nekaj deset sekund, zato se kritična oprema v vmesnem času napaja iz akumulatorjev UPSa, kjer je preklopni čas zgolj nekaj milisekund.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki