Η λειτουργία ενός Line Interactive UPS

Ένα UPS όπως είπαμε και σε προηγούμενη ανάρτηση είναι μια συσκευή που κατασκευάστηκε για να δίνει στην έξοδό της αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για τα φορτία της. Μια συσκευή δηλαδή που παρεμβάλλεται ανάμεσα στην πρίζα μας και π.χ. στον υπολογιστή μας για να εξασφαλίσουμε οτι σε περίπτωση διακοπής ρεύματος εκείνος θα συνεχίσει να τροφοδοτείται από ηλεκτρικό ρεύμα για κάποιο χρόνο ακόμα ώστε να προλάβουμε να προβούμε στις απαραίτητες ενέργειες και να μην χάσουμε μη αποθηκευμένα δεδομένα ή να ολοκληρώσουμε την εργασία που εκείνη την ώρα κάνουμε.

Αυτή τη δουλειά λοιπόν κάνει με επιτυχία ένα UPS Line Interactive. Γράφω συνοπτικά τα χαρακτηριστικά ενός UPS line interactive και θα τα αναλύσω στην συνέχεια.

• Χαμηλό κόστος
• Αθόρυβη λειτουργία
• Υπαρκτός χρόνος μεταγωγής σε περίπτωση διακοπής και επαναφοράς τάσης
• Βαθμιδωτή σταθεροποίηση τάσης εξόδου.
  
• Σχετικά μικρής ισχύος συσκευές
• Μικρό χρόνο αυτονομίας (10 περίπου λεπτά με το μισό ονομαστικό φορτίο)
  
• Τα περισσότερα μοντέλα δεν έχουν τάση εξόδου ημιτονικής μορφής.

 

Ξεκινάμε λοιπόν να αναλύουμε και θα προσπαθήσω να αναφέρω όσες λεπτομέρειες μπορώ.

Το line interactive UPS είναι μια συσκευή που κατα γενική προσέγγιση τροφοδοτείται από την τάση του δικτύου (ΔΕΗ) και αφενός παρέχει τροφοδοσία στις άλλες ηλεκτρικές συσκευές που συνδέονται πάνω του (φορτία), αφετέρου φορτίζει τις μπαταρίες του για να μπορεί να διαθέσει ηλεκτρική ενέργεια για τα φορτία μόλις η τάση του δικτύου διακοπεί.

Στο παραπάνω μπλοκ διάγραμμα βλέπουμε αναλυτικότερα όλα τα κυκλώματα ενός line interactive UPS.

Αριστερά έχουμε την είσοδο του κυκλώματος (AC mains) η οποία είναι η τάση του δικτύου 230V εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50Hz. Η τάση αυτή κατευθύνεται στο μωβ τετράγωνο που είναι ένας αυτοματοποιημένος σταθεροποιητής τάσης. Αυτό το κύκλωμα ελέγχει το πλάτος της τάσης του δικτύου και αποφασίζει εάν θα χρειαστεί να επέμβει ανυψώνοντας την τάση ή υποβιβάζοντας την κατά ένα ποσοστό. Στην συνέχεια με το ροζ παραλληλόγραμμο ακολουθούν τα φίλτρα ΕΜΙ τα οποία είναι υπεύθυνα για να φιλτράρουν κατά ένα ποσοστό τον θόρυβο και τις αρμονικές συνιστώσες που θα προσπαθήσουν να περάσουν από την είσοδο προς τα φορτία ή και ανάποδα. Συνεχίζοντας δεξιότερα βλέπουμε ένα αυτοματοποιημένο διακόπτη. Το ρελέ εξόδου το οποίο επιλέγει εάν θα τροφοδοτήσει τα φορτία μέσω των κυκλωμάτων που περιγράψαμε (ΔΕΗ) ή  μέσω του inverter (μπαταρίες).

 

Πως δημιουργείται λοιπόν αυτή η δεύτερη επιλογή?

Καθώς τα φορτία μας τροφοδοτούνται σε κανονική λειτουργία όπως περιγράψαμε παραπάνω, υπάρχουν τρεις ακόμα διατάξεις που λειτουργούν στο παρασκήνιο. Στο μπλε παραλληλόγραμμο βλέπουμε έναν μετατροπέα τάσης. Αυτό το κύκλωμα μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου (AC) σε συνεχή (DC). Είναι λοιπόν ένας ανορθωτής που στην πραγματικότητα εκτελεί χρέη φορτιστή για την μπαταρία μας! Αυτό το κύκλωμα είναι υπεύθυνο για να φορτίζει την μπαταρία με ελεγχόμενο ρεύμα φόρτισης.

Η μπαταρία (ή οι μπαταρίες) είναι ένα άλλο πολύ σημαντικό κομμάτι του συστήματος. Είναι υπεύθυνη για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας και την άμεση παροχή αυτής σε περίπτωση που της ζητηθεί. Στην αγορά για την ώρα η συντριπτική πλειοψηφία των UPS περιέχουν μία ή δύο μπαταρίες μολύβδου (PB) 12V / 4.5~9Ah (αμπερώρια). Σε κάποια μοντέλα μεγαλύτερης ισχύος συναντάμε και τρεις και τέσσερις.

Στην συνέχεια του μπλοκ διαγράμματος με το πράσινο παραλληλόγραμμο και παράλληλα με την μπαταρία και την έξοδο του φορτιστή βλέπουμε συνδεδεμένο τον inverter. Ίσως το πιο απαιτητικό για πολλούς λόγους κύκλωμα στα UPS αυτού του είδους. Ο inverter στα ελληνικά ονομάζεται αντιστροφέας και κάνει αυτό ακριβώς. Παίρνει την συνεχή τάση της μπαταρίας και την μετατρέπει σε εναλλασσόμενη τάση 230V 50Hz όπως ακριβώς και η τάση του δικτύου της ΔΕΗ. Δημιουργεί λοιπόν από την τάση της μπαταρίας, την τάση την οποία θα χρειαστεί το PC μας για να συνεχίσει να λειτουργεί σε περίπτωση διακοπής ρεύματος. Την τάση αυτή λοιπόν την στέλνει στο ρελέ που περιγράψαμε και νωρίτερα στα δεξιά του διαγράμματος το οποίο αποφασίζει εάν θα τροφοδοτήσει τα φορτία από τον πάνω ή από τον κάτω δρόμο.

 

Standby mode

Όσο λοιπόν υπάρχει τάση δικτύου στην είσοδο του UPS με πλάτος κοντά στα 230V τότε το ρελέ της εξόδου επιλέγει τον πάνω δρόμο  τροφοδοτώντας τα φορτία  μέσω του σταθεροποιητή τάσης και των φίλτρων.Αυτή είναι μια διαδικασία που δεν έχει μετατροπές ισχύος κι έτσι η συσκευή μας ούτε ζεσταίνεται ιδιαίτερα (κάποια μοντέλα ζεσταίνονται λόγο φθίνων υλικών) ούτε υπάρχει κάποια αξιοσημείωτη αυτοκατανάλωση. Ταυτόχρονα βέβαια ο φορτιστής φορτίζει και διατηρεί φορτισμένη την μπαταρία ενώ ο inverter δημιουργεί εναλλασσόμενη τάση η οποία βέβαια δεν καταναλώνεται κάπου και είναι σε αναμονή. Σε κάποια μοντέλα UPS που έχουν ανεμιστηράκι εσωτερικής ψύξης, αυτό μπορεί να είναι σταματημένο τελείως ή να λειτουργεί σε πολύ μικρή ταχύτητα ώστε να είναι σχεδόν αθόρυβο.

Battery mode (ή inverter mode)

Μόλις η τάση εισόδου διακοπεί, τότε το ρελέ της εξόδου αναλαμβάνει να κάνει μεταγωγή των φορτίων από την θέση στην οποία βρισκόταν προς τον inverter. Η τάση λοιπόν που δημιουργεί ο inverter ξεκινάει να τροφοδοτεί τα φορτία και η ενέργεια ρέει από την μπαταρία προς τον inverter και στην συνέχεια προς την έξοδο και τα φορτία του UPS. Σε αυτήν λοιπόν την περίπτωση έχουμε μετατροπή ενέργειας από DC σε AC και ο inverter ζεσταίνεται. Εκτός από τα μικρά UPS τα οποία μπορεί να μην έχουν ανεμιστηράκι, αυτή είναι η στιγμή που χρειάζεται η εσωτερική ψύξη της συσκευής και το ανεμιστηράκι θα δουλέψει σε μεγαλύτερη ταχύτητα. Το UPS θα ηχεί με έναν διακοπτόμενο ήχο για να μας προειδοποιήσει οτι έχουμε μερικά λεπτά λειτουργίας ακόμα μέχρι η μπαταρία να εξαντληθεί. Καθ' όλη τη διάρκεια του battery mode προφανώς ο φορτιστής της μπαταρίας είναι ανενεργός.

Τι παρατηρούμε? 

Υπάρχει ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα κατά το οποίο το ρελέ εξόδου μεταφέρει τα φορτία από την μία επαφή στην άλλη. Αυτό το χρονικό διάστημα μπορεί να είναι πολύ μικρό της τάξης των 2-10 msec (χιλιοστά του δευτερολέπτου) αλλά είναι πολύ σημαντικό για τα φορτία. Υπάρχουν συσκευές που ακόμη και αυτό το μικρό χρονικό παράθυρο χωρίς τροφοδοσία μπορεί να τις επηρεάσει. Συστήματα ήχου, ιατρικά μηχανήματα κτλ. Για τέτοιου είδους φορτία δεν μπορούμε να επιλέξουμε line interactive UPS. Επιλέγουμε υποχρεωτικά online UPS τα οποία δεν έχουν καθόλου χρόνο μεταγωγής. Υπάρχουν όμως και συσκευές που δεν επηρεάζονται όπως ένα PC, μια τηλεόραση, ένας καυτήρας, μια σόμπα ο φωτισμός κα. Μια ακόμα επίσης μικρή διακοπή αναμένεται και κατα την επαναφορά της τάσης του δικτύου. Τότε το ρελέ εξόδου αποφασίζει να επιστρέψει την τροφοδότηση των φορτίων από την ΔΕΗ. Ξεκουμπώνει λοιπόν από την επαφή του inverter και επανέρχεται στην πρώτερη κατάσταση (Standby mode). Ο φορτιστής ξεκινάει να φορτίζει την μπαταρία και μετά από λίγες ώρες (ανάλογα πόσο αποφορτίστηκε) θα είναι και πάλι πλήρως φορτισμένη.

Αυτός ήταν ένας κύκλος λειτουργίας ενός UPS τύπου Line Interactive. Παρακάτω θα αναλύσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες κάθε μια από τις βαθμίδες που αναφέραμε.

Σταθεροποιητής τάσης

Όπως προαναφέραμε  η βαθμίδα αυτή ελέγχει το πλάτος της τάσης εισόδου του UPS και αποφασίζει εάν θα παρέμβει για να την διορθώσει προσπαθώντας να προσεγγίσει τα ιδανικά 230V. Την λειτουργία αυτή την πετυχαίνει με την χρήση ενός αυτομετασχηματιστή ο οποίος με κάποιες παρατυπίες αναπαριστάται στην παρακάτω εικόνα.

Βλέπουμε λοιπόν οτι υπάρχουν τυλίγματα για κάποιες τάσεις γύρω από την ιδανική τάση λειτουργίας που είναι τα 230V. Σε περίπτωση που ανιχνευθεί τάση εισόδου μεγαλύτερη ή μικρότερη τότε επιλέγεται μια από τις άλλες επαφές ώστε η τάση του αυτομετασχηματιστή στην έξοδο να προσεγγίσει τα 230V. Καταλαβαίνουμε λοιπόν οτι σε περίπτωση ανύψωσης ή βύθισης της τάσης του δικτύου κατά ποσοστό της τάξης του 10 με 15% το UPS έχει την δυνατότητα να ρυθμίσει την τάση εξόδου προσεγγίζοντας έτσι την ιδανική. Παρακάτω εικονίζονται μια περίπτωση ανύψωσης και μία περίπτωση βύθισης της τάσης εισόδου και η αντίστοιχη λειτουργία του UPS.

 

 

Στις δυο παραπάνω περιπτώσεις βλέπουμε πως θα λειτουργήσει ο σταθεροποιητής τάσης του UPS εάν η τάση του δικτύου κινηθεί  σε ένα σχετικά μικρό ποσοστό έξω από τα φυσιολογικά πλαίσια. Τι θα γίνει όπως όταν η τάση υπερβεί ή πέσει κάτω από αυτά τα όρια?

Και στις δύο περιπτώσεις το UPS θα συμπεριφερθεί με τον ίδιο τρόπο. Εάν η τάση του δικτύου ανέβει σε επικίνδυνα πλέον επίπεδα ή πέσει ακόμα χαμηλότερα από τα επιτρεπτά όρια τότε το UPS κόβει την είσοδό του!

Αφού κόψει την είσοδο τότε ανιχνεύεται διακοπή από το κύκλωμα που οδηγεί το ρελέ εξόδου και το UPS μεταβαίνει σε Battery mode. Εάν η τάση κατέβει ή ανέβει και πάλι εντός φυσιολογικών ορίων τότε το UPS επιστρέφει σε Stundby mode.

Η βαθμίδα του σταθεροποιητή δεν εμφανίζει συχνά βλάβες. Εάν όμως εμφανίσει είναι δύσκολο να εντοπιστεί χωρίς να τοποθετήσουμε ελεγχόμενη τάση στην είσοδο και να εξετάσουμε την λειτουργία σε όλο το εύρος τάσης.

 

Αυτή η βαθμίδα μπορεί να μην υπάρχει σε πολύ φθηνά UPS. Την θεωρώ απαραίτητη από την στιγμή που θέλουμε να παρέχουμε μια πρώτη προστασία στα φορτία μας,

Φιλτρα EMI- Electromagnetic interference Filters

Πρόκειται για παθητικά φίλτρα υψηλών συχνοτήτων για την απόσβεση κυματώσεων σε συχνότητες πολύ πιο πάνω από τα 50Hz της τάσης του δικτύου. Αποσβαίνουν αρμονικές από τα φορτία και θόρυβο γραμμής που μπορεί να επηρεάσει τηλεπικοινωνίες και υπολογιστικά συστήματα. Τα φίλτρα αυτά μπορούν υπο συνθήκες να τοποθετηθούν και μετά το ρελέ εξόδου ώστε να φιλτράρουν και την έξοδο του inverter.

 Ανορθωτής - Φορτιστής

 

Πρόκειται για το κύκλωμα το οποίο είναι υπεύθυνο για την φόρτιση των συστοιχιών των μπαταριών. Ανάλογα με το μοντέλο και την ονομαστική του ισχύ το UPS μπορεί να λειτουργεί με μία, δύο, ή τρεις μπαταρίες 12V σε σειρά. Αυτό σημαίνει οτι ο φορτιστής του θα είναι 12V, 24V ή 36V αντιστοίχως. Αυτές οι τιμές είναι ονομαστικές. Εάν μετρήσουμε την τάση ενός φορτιστή 12V έχοντας αποσυνδέσει την μπαταρία από πάνω του θα πρέπει να βρούμε τάση 13,6V περίπου. Αυτή είναι και η τάση φόρτισης μίας μπαταρίας μολύβδου. Εάν έχουμε δύο μπαταρίες η τάση του φορτιστή θα πρέπει να είναι 27.2V κ.ο.κ. Ετσι μπορούμε να ελεγξουμε και εάν ο φορτιστής δουλεύει σωστά. Σε κάθε άλλη περίπτωση  υπάρχει πρόβλημα. Εάν οι μπαταρίες είναι πολλών αιτών ο φορτιστής είναι πιθανόν να έχει ταλαιπωρηθεί. Αυτός είναι και ο πιο συνήθης λόγος βλάβης του φορτιστή.

 

 

Μπαταρία

 

Η αποθήκη και πηγή ενέργειας της συσκευής. Από αυτήν εξαρτάται αν το UPS θα λειτουργήσει εκεί που θα το χρειαστούμε. Αυτό και μόνο λέει πολλά για την σημασία της καλής ποιότητας και υγείας της μπαταρίας. Οι μπαταρίες σε αυτά τα UPS καταπονούνται πιο πολύ από κάθε άλλο τύπο. Παραμένουν φορτισμένες πλήρως και συνήθως σε υψηλή θερμοκρασία. Τα ενεργά μέρη του UPS ανεβάζουν την θερμοκρασία στο εσωτερικό και  σε συνδιασμό με την ελάχιστη έως μηδενική ψύξη που μπορεί να κάνει το UPS με χρήση κάποιου fan παραμένει σε αυτή τη θερμοκρασία για όλη την διάρκεια της ζωής της. Γι αυτό και είναι σημαντικό για εμένα το UPS να έχει fan το οποίο να λειτουργεί σε χαμηλή ταχύτητα κατα την διάρκεια της standby λειτουργίας. Οι μπαταρίες μολύβδου έχουν διάρκεια ζωής σε καλές συνθήκες (20°C) περίπου 4 χρόνια ανάλογα με τον κατασκευαστή. Στις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στο UPS εάν κρατήσουν 3 χρόνια θα είναι ευχής έργον. Ο χρόνος ζωής της μπαταρίας αναγράφεται και στα τεχνικά χαρακτηριστικά του datasheet της κάθε μπαταρίας.

 

Μια συχνή ερώτηση είναι εάν μπορεί κανείς να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες μπαταρίες με λίγο μεγαλύτερες (ή μικρότερες) από πλευράς αμπερωρίων. Η απάντηση είναι ναι από την στιγμή που μπαταρίες 4,5Ah και 5Ah έχουν πολύ κοντινά χαρακτηριστικά, όπως και οι 7Ah με τις 9Ah. Αυξάνοντας τα αμπερώρια της μπαταρίας αυξάνεται και η αυτονομία του UPS. Επίσης πολύ γενικά οι μπαταρίες μεγαλύτερων αμπερωρίων έχουν λίγο μεγαλύτερο ρεύμα φόρτισης αλλά και αποφόρτισης. Αυτό σημαίνει οτι αν αντικαταστήσουμε τις 7Ah μπαταρίες του UPS μας με 9Ah:

1. αυξάνουμε την αυτονομία
2. παίρνουμε λίγο μεγαλύτερο ρεύμα φόρτισης το οποίο ο φορτιστή δεν θα έχει κανένα πρόβλημα να μας το δώσει
3. Καταπονούμε λιγότερο τις μπαταρίες κατά την αποφόρτιση σε σχέση με τις 7Ah

Άρα εάν επιλέγουμε καινούριο UPS ή θέλουμε να αντικαταστήσουμε παλαιές μπαταρίες προτιμούμε τα περισσότερα αμπερώρια. Σε αυτήν την περίπτωση λοιπόν οι μπαταρίες 4,5Ah μπορούν να αντικατασταθούν με 5Ah και οι 7Ah μπορούν να αντικατασταθούν με 9Ah.

Inverter

Έχουμε να πούμε αρκετά και σε αυτό το κομμάτι. Όπως είπαμε ο inverter είναι το κύκλωμα που παίρνει την ηλεκτρική ενέργεια από την μπαταρία, την μετατρέπει σε εναλλασσόμενη τάση και με αυτήν τροφοδοτεί τα φορτία. Είναι το πιο κρίσιμο κύκλωμα του UPS και αυτό που καταπονείται πιο πολύ από πλευράς ρεύματος και θερμότητας.

Εδώ πρέπει να εξηγήσουμε οτι ανάλογα με τον inverter τα Line Interactive UPS χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. 

•  Προσέγγισης / προσομοιωμένου ημιτόνου - Modified / Simulated Sinewave
  
  
• Καθαρού ημιτόνου - True Sinewave
  

Πρόκειται για πολύ σημαντικό στοιχείο που καθορίζει πολύ και την χρήση του UPS.

Τα line interactive προσομοιωμένου ημιτόνου είναι τα συνηθέστερα. Όταν λειτουργούν σε battery mode στην έξοδό τους δεν δίνουν ημιτονικής μορφής τάση όπως η ΔΕΗ. Δίνουν παλμό η μορφή του οποίου είναι έτσι φτιαγμένη ώστε να προσεγγίζει την ημιτονική.

 

Αυτό είναι ένα στοιχείο που μπορεί να μην επηρεάζει PC, switching τροφοδοτικά, συσκευές φωτισμού. σώματα θέρμανσης και πολλά ακόμη είδη φορτίων, επηρεάζει όμως φορτία με μετασχηματιστές  και φορτία με ηλεκτροκινητήρες. Οι μετασχηματιστές και οι ηλεκτροκινητήρες ΑC εάν δεν τροφοδοτηθούν με ημιτονικής μορφής τάση ζεσταίνονται πολύ περισσότερο και είναι πιθανό να καταστραφούν εάν τροφοδοτηθούν με ένα UPS τετραγωνικού παλμού. Αυτό συμβαίνει γιατί ο τετραγωνικός παλμός περιέχει πολλές αρμονικές συχνότητες πέρα από την βασική των 50Hz οι οποίες μετατρέπονται σε θερμότητα στα τυλίγματα και στον πυρήνα των παραπάνω συσκευών.

 

Έτσι εάν θέλουμε να τροφοδοτήσουμε μία σόμπα pellet, έναν κυκλοφοριτή, έναν τελικό ενισχυτή ήχου κ.α. θα πρέπει να επιλέξουμε UPS καθαρού ημιτόνου. Αυτά τα UPS είναι πιο ακριβά σε σχέση με τα απλά του τετραγωνικού παλμού αλλά κάνουν σχεδόν για όλες τις εφαρμογές. Λέω σχεδόν γιατί όπως είπαμε και παραπάνω υπάρχουν φορτία που δεν πρέπει να έχουν χρόνο μεταγωγής και άρα δεν είναι κατάλληλο ένα line interactive UPS, ακόμα και ημιτονικό.

Προσεγγίζοντας λοιπόν το θέμα από την πλευρά του αγοραστή - καταναλωτή

Το Line Interactive είναι κατά κύριο λόγο το UPS που θα πάρουμε για ένα PC, ένα router ή για κάποια απλή εφαρμογή για το σπίτι μας. Είναι τα οικονομικότερα UPS, με την χαμηλότερη αυτοκατανάλωση ρεύματος και τα πιο αθόρυβα. Βγαίνουν σε ισχύ συνήθως από 650VA  έως 3KVA και  έχουν αυτονομία περίπου 10λεπτά με το μισό από το ονομαστικό τους φορτίο. Χρειάζονται αλλαγή μπαταριών συνήθως κάθε 2 χρόνια για να είμαστε καλυμμένοι σε κάθε περίπτωση και ένα ακόμη προτέρημα είναι οτι δεν μαζεύουν εσωτερικά πολλή σκόνη κι έτσι δεν χρειάζονται συχνό καθάρισμα.

Έχουν χρόνο μεταγωγής 2-10 milisecond και στην πλειοψηφία τους είναι Modified Sinewave, στοιχεία που τα κάνουν μη συμβατά σε κάποιες εφαρμογές.

Προσωπικά λατρεύω τα Line Interactive καθαρού ημιτόνου για οικιακές εφαρμογές. Όχι βέβαια οτι τα άλλα δεν κάνουν σωστά την δουλειά τους...