Co rozumiemy pod pojęciem sprawności? Otóż zgodnie z definicją jest to skalarna i bezwymiarowa wielkość fizyczna, która określa w jakim stopniu dane urządzenie przekształca energię występującą w jednej postaci w inny rodzaj energii (np. energia elektryczna -> energia cieplna). W przypadku zasilaczy bezprzerwowych mamy jednak na myśli po prostu stosunek mocy użytecznej do mocy pobranej.

W chwili obecnej parametr ten ma bardzo duże znaczenie przy wyborze systemów zasilania gwarantowanego. Każdy jeden punkt zbliżający, do niestety niemożliwej do osiągnięcia wartości 100%, przekłada się na realne oszczędności, szczególnie w przypadku obiektów typu Data Center.

Często w kartach katalogowych producentów zasilaczy bezprzerwowych sprawność podawana jest jedynie dla przypadku pracy urządzenia w ściśle określonych warunkach (zwykle znamionowych wartości napięcia i obciążenia). Czy to wystarcza w praktyce? Zacznijmy od tego, że każdy zasilacz typu UPS może pracować przy pełnym obciążeniu, jednak żaden nie powinien być w taki sposób dobierany na etapie projektu. Zawsze konieczne jest zachowanie pewnego zapasu mocy na wypadek pomyłki obliczeniowej lub nie do końca przewidywalnej pracy zabezpieczanych za jego pomocą urządzeń. Generalnie chodzi o to by nie dopuszczać do konieczności ciągłej pracy na tak zwanym by-pass’ie gdyż to w zasadzie pozbawia nas podstawowej funkcji zasilacza – zapewnienia zasilania gwarantowanego. I tak w przypadku pojedynczego urządzenia poziom rezerwy rzędu 10-20% mocy znamionowej wydaje się być wartością optymalną (to oczywiście duże uproszczenie, gdy np. konieczne jest zabezpieczenie zasilania maszyn elektrycznych – silników należy uwzględnić ich sposób rozruchu a co za tym idzie nawet znacznie zwiększyć wspomniany zapas szczególnie przy tak zwanym rozruchu bezpośrednim, podobnie jest w przypadku urządzeń medycznych np. angiografów). Pomimo, że urządzenia IT nie stwarzają tak wielkich zagrożeń to jednak jak mówi przysłowie „przezorny zawsze ubezpieczony”.

Przykład teoretyczny nr 1:

Projektowana moc obciążenia IT: ~180kW
Maksymalna moc wyjściowa zasilacza UPS: 250kVA/225kW
Poziom obciążenia: 80%
Sprawność w zadanych warunkach: 95%

Straty mocy obliczamy korzystając z poniższego wzoru:

Wzór na obliczanie strat mocy

Obliczone powyżej straty mocy skutkują powstawaniem ciepła wewnątrz urządzenia i jego emisji, co skutkuje oczywiście wzrostem temperatury w pomieszczeniu, w którym dany zasilacz został zainstalowany. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne chociażby dla magazynu energii w postaci baterii akumulatorów wymagających utrzymania stałej wartości temperatury. Konieczna jest zatem neutralizacja powyższych „zysków ciepła” – instalacja klimatyzacji, która przecież także jest urządzeniem elektrycznym.

Przyjmując nawet stosunkowo niski współczynnik (0,3) umożliwiający przeliczenie mocy chłodniczej urządzenia na niezbędną moc elektryczną przez nie pobieraną otrzymana wartość jest stosunkowo wysoka 9,47kW x 0,3 = ~2,84kW.

Suma wyników powyższych obliczeń to 12,31kW i z taką nadwyżką w stosunku do mocy odbiorów IT należałoby się liczyć (oczywiście pomijając moc niezbędną do ewentualnego ładowania magazynu energii).

Pójdźmy jednak nieco dalej. Jeśli przemnożymy otrzymaną wartość przez ilość godzin w roku (365 dni x 24 godziny = 8760) to otrzymamy ilość energii elektrycznej za którą będziemy musieli dodatkowo zapłacić chcąc by nasze odbiory IT miały zapewnione zasilanie gwarantowane. Wynik: 107 835,6kWh. Przy założeniu kosztu jednej kilowatogodziny na poziomie np. 0,4zł zapłacimy za tę nadwyżkę aż 43 134,24 zł rocznie. A jeśli dostarczana do obiektu energia elektryczna wytwarzana jest w elektrociepłowni węglowej to przyczynimy się również do wyemitowania do atmosfery (wskaźnik 0,5kg CO2/kWh x 107 835,6kWh) niemal 54 ton dwutlenku węgla, natomiast jeżeli wspomniana energia wytwarzana jest np. w bloku gazowo-parowym to emisja tego szkodliwego związku chemicznego będzie na szczęście nieco niższa, jednak i tak przekraczająca 25 ton (wskaźnik 0,24kg CO2/kWh).

Analogicznie gdyby sprawność zasilacza była wyższa jedynie o 1 punkt procentowy i wynosiła 96% to wyniki wcześniejszych obliczeń kształtowałyby się w następujący sposób: straty mocy 7,5kW; klimatyzacja 2,25kW; łącznie 9,75kW; ilość energii 85 410kWh; koszt 34 164,00 zł; emisja CO2 ponad 42 tony (elektrociepłownia węglowa), ponad 20 ton (blok gazowo-parowy).
Zatem im wyższa sprawność tym mniejsze zużycie energii, niższe koszty wynikające z instalacji i eksploatacji klimatyzacji, a nawet niższa emisja dwutlenku węgla – a to wszystko da się w miarę dokładnie oszacować.

Przykład teoretyczny nr 2:

W praktyce, w obiektach typu Data Center spotykamy się jednak najczęściej z systemami zasilania gwarantowanego zapewniającymi wyższy poziom niezawodności – pewności działania. Budowane są różnego rodzaju układy redundantne np. typu 2N, gdzie całkowita moc obciążenia podzielona jest na dwa tory zasilania, których zasilacze w normalnych warunkach pracują znacznie poniżej 50% swoich możliwości.

Załóżmy, że całkowita moc odbiorów IT to 800kW.
Zaprojektowano dwa niezależne tory zasilania, z których każdy w normalnych warunkach pracy zasila połowę maksymalnego obciążenia.
W każdym torze zainstalowano po trzy identyczne zasilacze UPS o maksymalnej mocy wyjściowej równej 500kVA/450kW w układzie N+1 (w sytuacji awaryjnej jeden tor przejmie pełną moc równą 800kW – do tego celu wystarczą oczywiście tylko dwa zasilacze, zatem trzeci według przyjętych założeń ma pełnić rolę jednostki redundantnej).

A) Praca normalna:

Praca normalna

Jak wynika z powyższego rysunku, w normalnych warunkach pracy poziom obciążenia każdego z zasilaczy to około 30% jego mocy maksymalnej. Sprawność w tych warunkach wynosi 91,5%, zatem suma strat mocy obu torów zasilania osiąga wartość 74kW (klimatyzacja około 22kW). 74kW + 22kW = 96kW. Nadwyżka ta stanowi 12% mocy odbiorów IT.

B) Awaria jednostek redundantnych obu torów zasilania:

Awaria jednostek redundantnych obu torów zasilania

W tych warunkach poziom obciążenia poszczególnych zasilaczy to około 45%, przy czym sprawność wynosi 93%. Straty mocy: 60kW. Moc klimatyzacji: 18kW. Łącznie 78kW (9,75% mocy odbiorów IT).

C) Awaria jednego z dwóch torów zasilania:

Awaria jednego z dwóch torów zasilania

W tym przypadku poziom obciążenia każdego z zasilaczy to około 60% mocy maksymalnej. Jeżeli sprawność w tych warunkach wynosi powiedzmy 94% to suma strat mocy obu torów zasilania osiągnie wartość 51kW (klimatyzacja około 15kW). 51kW + 15kW = 66kW. Nadwyżka ta stanowi 8,25% mocy odbiorów IT.

D) Awaria jednego z dwóch torów zasilania i jednostki redundantnej toru sprawnego:

Awaria jednego z dwóch torów zasilania i jednostki redundantnej toru sprawnego

Jak wynika z powyższego rysunku, w tych warunkach pracy poziom obciążenia to 90%. Sprawność 95%. Straty mocy: 42kW. Moc klimatyzacji: 13kW. Łącznie 55kW (9,875% mocy odbiorów IT).

Jak wynika z powyższej analizy parametr określający sprawność urządzenia podany jedynie dla wartości bliskich znamionowym to jednak nie wszystko. Ważna jest wiedza o tym jaką wartość przyjmie on dla mniejszego obciążenia, gdyż zwykle jest ona znacznie niższa.

Oczywiście wspomniane straty mocy nie są tak do końca związane tylko i wyłącznie z emisją ciepła, gdyż składają się na nie: straty bezobciążeniowe (związane z zasilaniem wewnętrznych elementów zasilacza takich jak np. transformatory, kondensatory, płyty sterowników czy też karty komunikacyjne), straty proporcjonalne do obciążenia (związane np. z przełączaniem elementów półprzewodnikowych) oraz straty cieplne (proporcjonalne do iloczynu kwadratu prądu przepływającego przez elementy zasilacza i ich rezystancji).

Producenci zasilaczy UPS proponują różne rozwiązania mające na celu zwiększenie sprawności produkowanych przez nich urządzeń: technologia (zastąpienie tyrystorów SCR – Silicon-Controlled Rectifier tranzystorami IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor w układach przełączających, zastosowanie modulacji szerokości impulsów PWM – Pulse With Modulation czy też cyfrowych/mikroprocesorowych sterowników), topologia (promowanie zasilaczy typu VI i ich pochodnych – UPS’y dynamiczne, UPS’y kinetyczne, UPS’y z konwersją Delta itp.), modułowość (sposoby na optymalny dobór mocy i przyszłą rozbudowę).

Podsumowując – sprawność jest parametrem, który należy brać pod uwagę przy wyborze zasilacza bezprzerwowego.

Dla zainteresowanych:

– R. L. Sawyer, White Paper 108 “Making Large UPS Systems More Efficient”, APC 2011
– I.F. Bitterlin, White Paper “The importance of ‘partial load’ efficiency for power systems in critical data-centre applications”, UK, BSc(Hons) DipDesInn MCIBSE MIEE