Według normy PN-EN 62040-3 (Systemy bezprzerwowego zasilania (). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań) ze względu na sposób działania wyróżnia się trzy główne topologie zasilaczy : (Voltage Frequency Dependent), (Voltage Frequency Independent), (Voltage Independent).

1.1 UPS typu VFD

Najprostszym rozwiązaniem jest zasilacz typu VFD. W trybie normalnej pracy – gdy napięcie zasilania utrzymuje się w granicach tolerancji odbiory zasilane są bezpośrednio z sieci, przy czym jej parametry są cały czas kontrolowane. Jeśli wystąpi zanik napięcia sieciowego lub też jego wartość wyjdzie poza granice tolerancji urządzenia, to wówczas odbiory zasilane będą energią pobieraną z akumulatorów. Zasilacze typu VFD charakteryzują się zwartą budową, niewielką masą, niewielkimi wymiarami, wysoką sprawnością i niską ceną. Jednak brak separacji odbiorów od zakłóceń napięcia sieciowego, regulacji napięcia wyjściowego jak również jego częstotliwości podczas normalnej pracy, krótkotrwała przerwa w zasilaniu czy brak filtracji wyższych harmonicznych stanowią poważne ograniczenie w ich stosowaniu w praktyce, szczególnie w przypadku aplikacji o dużej mocy.

Ogólny schemat UPS’a typu VFD

1.2 UPS typu VFI

Urządzenia wykonane w topologii VFI zwane często UPS’ami typu online dokonują podwójnej konwersji energii. Najpierw wejściowy prąd zmienny (a w zasadzie przemienny) (AC) wraz ze wszystkimi jego zniekształceniami i innymi anomaliami przekształcany jest w prąd stały (DC), a następnie prąd stały przekształcany jest z powrotem w zmienny, który podlega precyzyjnej stabilizacji. Gdy sygnał wejściowy wykracza poza tolerancję, zasilacz UPS pobiera energię z akumulatorów. W wielu konstrukcjach tego typu czas przejścia między zasilaniem z sieci, a zasilaniem akumulatorowym trwa kilka milisekund, jednak dzięki zastosowaniu kondensatora w stopniu pośredniczącym prądu stałego napięcie na wyjściu zasilacza pozostaje niezmienione. UPS’y tego typu charakteryzują się sprawnością w zakresie od 85 do 94-96%, a ponieważ w trybie normalnej pracy elementy zasilacza bez przerwy przetwarzają całą moc pobieraną przez zasilane urządzenia przyczynia się to do znacznych strat energii.

Ogólny schemat UPS’a typu VFI

1.3 UPS typu VI

Zasilacz UPS o topologii VI zwanej również line interactive kondycjonuje i stabilizuje parametry sieci zasilającej, wykorzystując na ogół pojedynczy przetwornik energii. Układ regulacji sprawia, że wartość skuteczna napięcia wyjściowego ma wartość praktycznie stałą, o częstotliwości zsynchronizowanej z siecią. W przypadku gdy napięcie na wejściu UPS’a wykracza poza dopuszczalny zakres tolerancji, falownik zasila wyjście zmiennoprądowe energią zgromadzoną np. w akumulatorach. W przypadku silnych wahań lub zniekształceń napięcia wejściowego UPS typu VI na ogół częściej korzysta z energii zgromadzonej w zasobniku, co przy stosowaniu akumulatorów chemicznych może przyczynić się do ich szybszego zużycia. Urządzenia tego typu charakteryzują się wysoką sprawnością i niezawodnością. Istnieje kilka wariantów zasilaczy bezprzerwowych zbudowanych w oparciu o właściwości topologii VI do których należą zasilacze UPS typu standby-ferro, DELTA, UPS’y dynamiczne (pokrótce omówione już wcześniej) i tak zwane UPS’y kinetyczne.

1.3.1 UPS typu standby-ferro

Konstrukcja zasilaczy UPS typu standby-ferro oparta jest o specjalny transformator działający na zasadzie ferrorezonansu z trzema uzwojeniami. Zapewnia on separację od przebiegów przejściowych prądu zmiennego, jednak generuje poważne zniekształcenia i przebiegi nieustalone napięcia wyjściowego. Do wad tego rozwiązania należy zaliczyć także wysokie straty cieplne, znaczną masę i gabaryty. Charakteryzuje się ono także niestabilnością w przypadku współpracy z zespołami prądotwórczymi i zasilaniu nowoczesnych komputerów, które korzystają z zasilaczy z korekcją współczynnika mocy. Natomiast atutami tej konstrukcji jest duża niezawodność i doskonałe filtrowanie.

Ogólny schemat UPS’a typu standby-ferro

1.3.2 UPS typu DELTA

W porównaniu do urządzeń VFI wykorzystujących podwójną konwersję energii, UPS typu DELTA charakteryzuje się większą sprawnością uzyskaną poprzez obniżenie strat transformacji i wysoką jakość energii dzięki utrzymaniu stałej wartości skutecznej napięcia wyjściowego oraz obniżenie zawartości wyższych harmonicznych. Urządzenie jest wyposażone w dwa przekształtniki przyłączone do jednego magazynu energii. Przekształtnik pierwszy typu DELTA ma moc znamionową wynoszącą około 20% mocy znamionowej urządzenia i jest połączony z transformatorem włączonym szeregowo pomiędzy wejściem a wyjściem UPS’a. Przekształtnik typu DELTA jest źródłem napięcia różnicowego, które powstaje w uzwojeniu pierwotnym transformatora, niwelując różnicę napięć pomiędzy napięciem na wyjściu i wejściu zasilacza. Dodatkowo koryguje on współczynnik mocy utrzymując jego wartości bliską jedności. Przekształtnik główny ma moc znamionową równą mocy zasilacza. W normalnych warunkach pracy, gdy napięcie zasilania jest równe napięciu znamionowemu, a obciążenie ma charakter rezystancyjny to wartość skuteczna napięcia uzwojenia pierwotnego transformatora szeregowego jest równa zeru. Przekształtnik DELTA oraz przekształtnik główny nie są obciążone, a całkowita moc przepływa bezpośrednio z sieci do odbiorników. Przy obciążeniu reaktancyjnym oraz prądach odkształconych falownik koryguje współczynnik mocy oraz odfiltrowuje wyższe harmoniczne.

Ogólny schemat UPS’a typu DELTA

1.3.3

Wspomniane w poprzednich artykułach tego cyklu urządzenia nazywane potocznie UPS’ami dynamicznymi (określenie to związane jest bezpośrednio ze sposobem wytwarzania napięcia – za pomocą maszyn elektrycznych, w odróżnieniu do zasilaczy statycznych, które wytwarzają przebiegi przemienne za pomocą przetwornic częstotliwości – falowników), również bazują na topologii VI. W większości przypadków oprócz elektromechanicznego magazynu energii i maszyny elektrycznej typu silnik/prądnica – pełniącej także rolę kompensatora synchronicznego, integralną częścią tego typu zasilacza jest silnik spalinowy. UPS’y dynamiczne w zależności od konstrukcji wykorzystują zasobnik energii (flywheel), który wiruje z prędkością synchroniczną bądź też jest niezależną maszynę asynchroniczną.

Ogólny schemat UPS’a dynamicznego z synchronicznym magazynem energii

Ogólny schemat UPS’a dynamicznego z asynchronicznym magazynem energii

1.3.4 UPS z synchroniczną maszyną silnik/prądnica w torze głównym zasilania

Urządzenie to jest rozwiązaniem pośrednim pomiędzy klasycznym zasilaczem typu VI a UPS’em dynamicznym. Zastosowanie w torze głównym synchronicznej maszyny typu silnik/prądnica skutkuje uzyskaniem wysokiej jakości energii elektrycznej na wyjściu i izolacją galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem.

Ogólny schemat UPS’a dynamicznego z maszyną elektryczną typu silnik/prądnica w torze głównym zasilania

1.3.5 UPS kinetyczny

Zasilacz zwany kinetycznym jest kolejną ewolucją omówionych wcześniej UPS’ów dynamicznych, z tym, że w rozwiązaniu tym zrezygnowano z synchronicznej maszyny typu silnik/prądnica, a elektromechaniczny zasobnik energii jest samodzielną trójfazową, asynchroniczną maszyną elektryczną, której wirnik wiruje z dużą prędkością w próżni technicznej. Charakteryzuje się niewielkimi gabarytami, wysoką sprawnością, mniejszą liczbą ruchomych elementów, wysoką niezawodnością, łatwością obsługi i pełną współpracą z zespołem prądotwórczym.

Ogólny schemat UPS’a kinetycznego

Dla zainteresowanych:

– Systems Data Sheet „UPS Types and Topologies”, CATERPILLAR® 2010
– J. Bilich „Delta Przetwarzanie Online UPS – zasada działania”
– N. Rasmussen, White Paper 1 „Różne typy zasilaczy UPS”, APC 2004
– J. Samstad, M. Hoff, White Paper 79 „Porównanie parametrów technicznych zasilaczy UPS on-line i zasilaczy o topologii line interactive”, APC 2004