První beztransformátorové konstrukce UPS

První beztransformátorové konstrukce UPS
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.