První beztransformátorové konstrukce se objevily u UPS s menším výkonem zhruba před dvaceti lety. Nyní je bez transformátoru velká většina konstrukcí s výkonem pod 30kVA. Beztransformátorová konstrukce znamená, že UPS neobsahuje magnetické prvky pracující s kmitočtem elektrorozvodné sítě (transformátory ani tlumivky). Trend bez použití transformátorů se rozšiřuje směrem k vyšším výkonům, protože magnetické prvky pro síťový kmitočet jsou jak pracné, tak materiálově náročné. Je však třeba říci, že výkonové prvky pracující při vysokých kmitočtech, které jsou pro beztransformátorová řešení potřebné, jsou technologicky náročné. Technologická řešení jsou dnes nicméně dostatečně přizpůsobená k tomu, aby zákazník obdržel vyšší užitnou hodnotu, aniž by byla obětována potřebná spolehlivost. Technologický pokrok měl podobné důsledky i ve spínaných napájecích zdrojích osobních počítačů.


Beztransformátorové UPS: prohlubující se tendence
Při vyšších výkonových úrovních přesahujících 30kVA a nyní dosahujících až 1,1MVA je hlavním problémem rychlé spínání vysokých proudů při vysokých napětích, aniž by docházelo k výkonovým ztrátám nebo nadměrným napěťovým špičkám. Během posledních deseti let se výkonové prvky typu IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – bipolární tranzistory s izolovaným hradlem) zdokonalily tak, že umožňují použít přepínací kmitočet 10kHz a vyšší, aniž by při těchto výkonových úrovních docházelo k neúměrnému snížení účinnosti. Některé sofistikované způsoby řízení a ovládání těchto prvků umožňují navíc dále snížit komutační ztráty na úroveň, která činí beztransformátorové UPS konkurenceschopné vůči klasickým řešením UPS starou technologií – a to i v případě, že se tato konkurenceschopnost poměřuje pouze systémovou energetickou účinností.


Beztransformátorové řešení v porovnání s klasickou konstrukcí UPS
Na Obr. 1 jsou schematicky znázorněny základní topologie klasického a beztransformátorového řešení výkonového řetězce UPS. Fázově řízený usměrňovač, i když má nízké ztráty a je nákladově výhodný, produkuje značné harmonické zkreslení vstupního proudu a též snižuje vstupní účiník, což je v mnoha případech nepřípustné a neslučitelné s některými typy motorgenerátorů. Ke snížení celkového nelineárního (harmonického) zkreslení (THD) na hodnotu 5-10% a zvýšení vstupního účiníku (PF) na hodnotu 0,99 jsou zapotřebí velké vstupní tlumivky a filtry harmonických. Tyto prvky zvyšují finanční náklady, celkovou hmotnost i zaujímanou podlahovou plochu. Navíc nejsou schopny udržet nízkou hodnotu THD a vysokou hodnotu PF v širokém rozsahu výkonů. Typicky jsou účinné pouze při zatížení nad 60% maxima. Při nízkém zatížení, zhruba pod 40%, může vstupní účiník nabýt kapacitní charakter a způsobit problémy při napájení z motorgenerátoru. Hodnota účiníku se též mění se vstupním napětím, udává se však obvykle pouze pro napětí jmenovité.



Jak je znázorněno na Obr. 2, nová beztransformátorová technologie s usměrňovačem s IGBT prvky sama o sobě udržuje vysokou hodnotu účiníku (PF) a nízkou hodnotu nelineárního zkreslení (THD) v rozsahu 10 – 100% provozního zatížení. Technologie je bezproblémově slučitelná s motorgenerátory a nevyžaduje předimenzování motorgenerátoru obecně nutné ve spojení s klasickým řízeným křemíkovým usměrňovačem (SCR). Špičkové vstupní parametry s IGBT usměrňovačem jsou udržovány v celém rozsahu provozních vstupních napětí.




THD (celkové harmonické zkreslení) a beztransformátorová konstrukce UPS
Z hlediska harmonického zkreslení je závažnost jeho hodnoty závislá na konkrétním použití a lokalitě. Např. 10% hodnota harmonické složky zkreslení s nízkým kmitočtem vyvolává mnohem menší napěťové zkreslení, než stejná hodnota harmonické s vysokým kmitočtem. Bez patřičné vstupní filtrace vyvolá rychlá proudová špička (špička s vysokou derivací di/dt) způsobená sepnutím SCR prudký pokles vstupního napětí a interferenci v přilehlých zařízeních. Přitom je pro pokles účiníku pod hodnotu 0,99 vlivem samotného harmonického zkreslení (THD) nutné dosáhnout THD nad 14%. (viz Obr. 4).



Výkonový řetězec na Obr. 6 ukazuje, jak může být na výstupu bez použití transformátoru vytvořen nulový vodič spolu s fázovými. Zatímco pro online režim činnosti je nutný pouze třífázový vstup o třech vodičích, pro bypass režim nulový vodič nutný je. V klasické topologii se pro vytvoření nulového vodiče na výstupu používá transformátor trojúhelník – hvězda.



Výhody beztransformátorových UPS při správě baterie
Všimněte si, že konvertor zapojený jako poloviční můstek může ovládat napětí baterie nezávisle na napětí sběrnice a též připouští široký rozsah hodnot napětí baterie (např. 192 až 240 článků). Tento konvertor též dovoluje ponechat baterii v odpojeném stavu a tím vyloučit trvalé dobíjení a urychlené stárnutí baterie (zejména při vyšších teplotách) v důsledku udržování napětí baterie na hodnotě podstatně vyšší než je jeho hodnota v odpojeném stavu. Při využití těchto doplňkových možností může technologie ABM a další způsoby dobíjení mnohem efektivněji působit na prodloužení životnosti baterií. Technologie ABM je zabudována do konstrukce nabíječů Powerware.

Blok IGBT usměrňovače obsluhuje spotřebu odebíranou ze vstupního přívodu, zatímco blok invertoru obsluhuje výstupní proud. Při hodnotě vstupního účiníku PF >0,99 lze zajistit spotřebu zátěže až do 90% nominální hodnoty (kVA) a při tom ponechat rezervu postačující pro dobíjení baterie. V intervalech, kdy je na vstupním přívodu nižší napětí, e baterie nedobíjí, aby bylo zabezpečeno nepřetržité napájení výstupní zátěže. Po obnovení napěťových poměrů na napájecím přívodu se obnoví též plné, nebo zrychlené dobíjení baterie.

Je-li na vstupu UPS zařazen LC filtr SMALL (indukčnost+kapacita) typu dolní propust,
pak mírné změny typu di/dt přes vstupní tlumivky neovlivní napětí na vstupním přívodu – podobně, jako jsou filtrovány na výstupu stejným typem LC filtru.


Klasické součástky UPS v porovnání se součástkami beztransformátorových UPS
Jako příklad toho, co lze vypustit při použití beztransformátorové konstrukce je ukázáno na Fotografii 1, znázorňující "Magnetický blok" konvenčního uspořádání UPS. Je zobrazen výstupní transformátor, tlumivky ve vstupním přívodu, tlumivka stejnosměrné sběrnice (DC bus), výstupní filtrační tlumivky a indukčnosti vstupního filtru harmonických kmitočtů. Nejen, že celá sestava má vysokou hmotnost, ale též podstatně přispívá k celkovým rozměrům systému. Rozměrové a zřejmé hmotnostní rozdíly klasických součástek v porovnání s novou beztransformátorovou technologií jsou dobře patrné při paralelním porovnání obou řešení.



Tyto tlumivky jsou zapájeny do desky tištěných spojů (PCB) a připevněny do hliníkového U- šasi se zlomkem původní velikosti, hmotnosti a ceny. Výsledný obrázek je na Fotografii č. 3.


V beztransformátorových UPS se často používají konstrukce s uzavřenými magnetickými jádry. Vysoké proudy a nízké indukčnosti vyúsťují ve velké vzduchové mezery. Při vyloučení všech magnetických obvodů kromě centrálního sloupku jádra se snižuje celková permeabilita a objem centrálního jádra. Omezí-li se vinutí pouze na dvě vrstvy a zajistí-li se mezera mezi jádrem a vinutím, je možné přímě chlazení všech vinutí. Při kmitočtech nad 10kHz bude u plného drátového vodiče docházet ke ztrátám vlivem skinefektu a malé vzdálenosti vodičů. Výše uvedené dokonalé chlazení umožňuje pro vinutí použít pouze jednovrstvou licnu, jejíž cena je zlomkem ceny tradiční vícevrstvé licny. Ferritové jádro má velmi malé ztráty a není ohříváno vinutím. Při párovém řazení tlumivek lze snížit magnetické vyzařování a přitom, při antiparalelním uspořádání získat až 15% zvýšení indukčnosti (viz níže uvedený Obr. 7).




Závěr
Nová technologie s beztransformátorovým uspořádáním a malými a lehkými filtračními tlumivkami, s IGBT prvky v invertoru a usměrňovači a moderními typy ovládání a řízení přináší zlepšení parametrů a zvýšení užitné hodnoty. V porovnání s klasickými konstrukcemi UPS má beztransformátorové uspořádání pouze 25% původní hmotnosti a 60% zaujímané podlahové plochy*. Nízké hodnoty vstupního nelineárního zkreslení (<4,5% při plném zatížení) a vysoká hodnota vstupního účiníku (>0,99) jsou udržovány až do téměř 10% zatížení, aniž by bylo nutné používat přídavný vstupní filtr. Účinnost při plném zatížení navíc dosahuje 94% a více. Mechanická konstrukce UPS může být navržena tak, že kvůli chlazení či kabeláži není nutný přístup, ani volný prostor, ze strany či zezadu UPS. Tyto nové přednosti učiní z výše uvedené technologie upřednostňovanou topologii UPS.
*pro porovnání byla použita UPS Eaton 9395


Eaton představuje standard ochrany třífázového napájení pomocí UPS
Společnost Eaton po dobu více, jak 40 let vždy určovala standardy ochrany a zálohování napájení, ať již to byla prvá, komerčně dostupná UPS, nebo nejnovější UPS Eaton 9395 s vysokou energetickou účinností, která je součástí produktové řady Powerware, a která byla jmenována Produktem roku 2007 v oboru elektrického napájení. (jmenování udělil časopis Plant Engineering). Pokroková řešení produktů Powerware a jejich dokonalost pomohly společnosti Eaton také získat potřetí v řadě ocenění "Power Quality Company of the Year" (společnost roku), které uděluje Frost&Sullivan. Další informace můžete získat na naší webové stránce www.powerware.cz.

 

Článek je ukázkou sborníku L.P.Elektro č. 56
Pro členy Benefit klubu LPE je k dispozici celé znění sborníku.