Кіріспе

Электр қуатының үзілуін болдырмау үшін батареяларды пайдаланатын электр құрылғысы. Үзілмейтін электр қуатымен жабдықтау (UPS) немесе үзілмейтін электр көзі – кіріс электр көзі немесе желілік қуат бұзылған кезде жүктемеге автоматты түрде резервтік электр қуатын беретін үздіксіз электр жүйесінің бір түрі. UPS, дәстүрлі қосалқы/төтенше жағдайдағы қуат жүйесінен немесе күту генераторынан өзгешелігі, кіріс қуатының үзілуінен батареялар, суперконденсаторлар немесе инерциялық дөңгелектерде сақталған энергияға ауысу арқылы дерлік бірден қорғау мүмкіндігін береді. Көптеген UPS құрылымдарының батареямен жұмыс істеу уақыты салыстырмалы түрде қысқа (әдетте бірнеше минут), бірақ күту режиміндегі қуат көзін іске қосу немесе қорғалған жабдықты дұрыс өшіру үшін "уақытты ұзартуға" жеткілікті. Көбінесе барлық UPS құрылымдарында шығыс құрылғыларын кернеудің өсуінен қорғау үшін интеграцияланған қорғау құрылымы бар. UPS әдетте компьютерлер, деректер орталықтары, телекоммуникациялық жабдықтар немесе күтпеген электр қуатының үзілуі жарақаттарға, өлімге, бизнестің ауыр бұзылуына немесе деректердің жоғалуына әкелуі мүмкін басқа да электр жабдықтарын қорғау үшін қолданылады. UPS құрылымдарының мөлшері, бейнемониторсыз бір компьютерді қорғауға арналған (шамамен 200 вольт-амперлік) кішкентай құрылғылардан бастап, толыққанды деректер орталықтарын немесе ғимараттарды қуаттандыруға арналған үлкен құрылғыларға дейін өзгереді. Әлемдегі ең ірі UPS, 46 мегаваттты Батареялық Энергия Сақтау Жүйесі (BESS), Аляска штатының Фэрбанкс қаласында, тоқтау кезінде бүкіл қала мен жақын маңдағы ауылдық аймақтарға қуат береді.

Желіден тыс/сақтық режимде

Оффлайн/күту режиміндегі UPS тек ең қарапайым мүмкіндіктерді ұсынады, яғни қысқа тұйықталудан қорғау және батареядан қуат беруді қамтамасыз етеді. Қорғалған жабдық әдетте кіріс желісіне тікелей қосылады. Кіріс кернеуі белгіленген шектен төмен түскен немесе артқан кезде, UPS ішкі DC-AC инвертор тізбегін қосады, ол ішкі аккумулятордан қуат алады. Содан кейін UPS қосылған жабдықты DC-AC инвертор шығысына механикалық түрде ауыстырады. Ауысу уақыты күту режиміндегі UPS-тің желідегі кернеудің жоғалуын анықтауына кеткен уақытқа байланысты 25 миллисекундқа дейін созылуы мүмкін. UPS белгілі бір жабдықтарды, мысалы, жеке компьютерді, осы құрылғыда қандай да бір тоқылдау немесе кернеудің төмендеуінсіз қамтамасыз ету үшін жасалған.

Желілік интерактивті

Желілік интерактивті ЖБҚ (UPS) жұмыс істеу принципі бойынша күту режиміндегі ЖБҚ-ға ұқсас, бірақ көп бұрышты ауыспалы кернеулі автотрансформатормен жабдықталған. Бұл трансформатордың магниттік өрісі мен шығыс кернеуін арттыруға немесе төмендетуге мүмкіндік беретін сым орамдарын қосу немесе алып тастау арқылы жұмыс істейтін трансформатордың ерекше түрі. Бұл функцияны автотрансформатордан өзгеше болып табылатын, кернеуді арттыру/төмендету (buck-boost) трансформаторы арқылы да жүзеге асыруға болады, себебі соңғысы гальваникалық оқшаулауды қамтамасыз ету үшін арнайы сымдалған болуы мүмкін. Осы типтегі ЖБҚ шектеулі резервтік батарея қуатын жұмсамай, үздіріліссіз кернеудің төмендеуіне (brownout) және кернеудің артуына (surge) төтеп беруге қабілетті. Оның орнына, ол автотрансформатордағы әртүрлі қуаттық қосылымдарды автоматты түрде таңдап, өтемақы береді. Дизайнға байланысты, автотрансформатордың қосылымын ауыстыру өте қысқа уақытқа шығыс қуатының тоқтауына себеп болуы мүмкін, бұл қуат жоғалту туралы ескертуі бар ЖБҚ-ны бір сәтте дыбыстатуға (chirp) әкелуі мүмкін. Бұл мүмкіндік тіпті ең арзан ЖБҚ-ларда да кең таралған, себебі ол құрамында бар компоненттерді пайдаланады. Желілік кернеу мен батарея кернеуі арасындағы түрлендіруді жүзеге асыратын негізгі 50/60 Гц трансформатор екі түрлі бұрылыс қатынасын қамтамасыз етуі керек: біреуі батареяның шығыс кернеуін (әдетте 12 В-тың еселігі) желілік кернеуге, ал екіншісі желілік кернеуді батареяны зарядтау үшін сәл жоғары кернеуге (мысалы, 14 В-тың еселігі) түрлендіруге арналған. Екі кернеу арасындағы айырмашылық батареяны зарядтау үшін дельта кернеудің қажеттілігімен байланысты (12 В батареяны зарядтау үшін 13–14 В дейін). Сонымен қатар, трансформатордың желілік кернеу жағында коммутация жасау ыңғайлы, себебі сол жақтағы ток төмен. Кернеуді арттыру/төмендету мүмкіндігін іске қосу үшін екі жеке коммутатор қажет, сонда AC кірісі екі негізгі қосылымның біріне, ал жүктеме екіншісіне қосылады, осылайша негізгі трансформатордың негізгі орамдарын автотрансформатор ретінде пайдалануға болады. Батареяны кернеуді төмендету кезінде зарядтауға болады, бірақ кернеуді арттыру кезінде трансформатордың шығысы батареяны зарядтау үшін жеткіліксіз болады. Автотрансформаторлардың кіріс кернеуінің кең ауқымын қамтуы үшін конструкциялануы мүмкін, бірақ бұл көптеген қосылымдарды қажет етеді және ЖБҚ-ның күрделілігі мен құнын арттырады. Автотрансформатордың 120 В желілік кернеу үшін 90 В-тан 140 В-қа дейінгі ауқымды қамтуы жиі кездеседі, содан кейін кернеу осы ауқымнан жоғары немесе төмен болса, батареяға ауысады. Кернеудің төмендеуі кезінде ЖБҚ әдеттегіден көп ток пайдаланады, сондықтан оған қалыпты құрылғыға қарағанда жоғары ток схемасы қажет болуы мүмкін. Мысалы, 1000 Вт қуатты 120 В желілік кернеуде пайдалану үшін ЖБҚ 8,33 А ток алады. Егер кернеудің төмендеуі орын алып, кернеу 100 В-қа төмендесе, ЖБҚ өтемақы ретінде 10 А ток тартады. Бұл керісінше де жұмыс істейді, сондықтан кернеудің артуы кезінде ЖБҚ-ға азырақ ток қажет болады.

Онлайн/екі еселенген түрлендіру

Онлайн ЖБЖ-да батареялар инверторға үнемі қосылып тұрады, сондықтан қуат беруді ауыстыру коммутаторлары қажет емес. Электр қуаты жоғалған кезде, түзетуші схемадан шығып кетеді, ал батареялар қуатты тұрақты және өзгермейтін күйде ұстап тұрады. Электр қуаты қалпына келтірілгенде, түзетуші жүктеменің басым бөлігін қайтадан өз мойнына алады және батареяларды зарядтай бастайды, бірақ зарядтау тогы жоғары қуатты түзетушінің батареяларды зақымдауына жол бермес үшін шектелуі мүмкін. Онлайн ЖБЖ-ның басты артықшылығы – кіріс желілік қуат пен сезімтал электрондық жабдықтар арасында "электрлік қабырға" құру қабілеті. Онлайн ЖБЖ электрлік оқшаулау қажет болған жағдайларда немесе қуат құбылуларына өте сезімтал жабдықтар үшін өте қолайлы. Бұрын ол 10 кВт немесе одан жоғары қуатты үлкен қондырғылар үшін ғана қолданылса, технологияның дамуы қазір оны 500 Вт немесе одан аз қуатты тұтынушылық құрылғы ретінде де қолдануға мүмкіндік берді. Желілік ЖБЖ қуат беру ортасы "шулы" болғанда, желілік қуаттың құлдырауы, тоқтауы және басқа да аномалиялар жиі кездескенде, сезімтал IT жабдықтарын қорғау қажет болғанда немесе ұзақ резервтік генератордан жұмыс істеу қажет болғанда қажет болуы мүмкін. Онлайн ЖБЖ-ның негізгі технологиясы күту режиміндегі немесе желілік интерактивті ЖБЖ-дағыдай. Дегенмен, түзетуші мен инвертордың үздіксіз жұмыс істеуі үшін жақсартылған салқындату жүйелерімен жабдықталған және жоғары токпен аккумуляторді зарядтай алатындықтан, әдетте оның құны жоғарырақ болады. Түзетуші инверторды тікелей басқаратындықтан, тіпті қалыпты AC тогымен қуатталғанда да, ол "қос түрлендірулі ЖБЖ" деп аталады. Онлайн ЖБЖ-да сенімділікті арттыру үшін әдетте статикалық ауыстырғыш (СТС) орнатылады.

Гибридті топология/сатып алу бойынша қос түрлендіру

Бұл гибридті ротациялық ЖБЖ құрылымдарының ресми атаулары жоқ, бірақ UTL қолданған атаулардың бірі – «талап бойынша қос түрлендіру». Осы стильдегі ЖБЖ жоғары тиімділік қажет болатын қолданыстарға арналған, сонымен бірге қос түрлендіру ұсынатын мүмкіндіктер мен қорғау деңгейін сақтайды. Гибридті (талап бойынша қос түрлендіру) ЖБЖ электр қуаты белгілі бір алдын ала орнатылған диапазонда болғанда желіден тыс/күту режимінде жұмыс істейді. Бұл ЖБЖ-ға өте жоғары тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Электр қуатының жағдайы алдын ала орнатылған диапазондардан шығып кеткенде, ЖБЖ желілік/қос түрлендіру режиміне ауысады. 5 В кернеумен жұмыс істейтін төмен қуатты құрылғылар үшін кейбір портативті аккумуляторлар ЖБЖ ретінде қолданылуы мүмкін.

N + 1

Ірі бизнес орталарында, сенімділік аса маңызды болғанда, бір үлкен UPS көптеген басқа жүйелерді тоқтатып тастайтын жалғыз қателік нүктесі болуы мүмкін. Сенімділікті арттыру үшін бірнеше кіші UPS модульдері мен батареяларын біріктіріп, бір үлкен UPS-қа тең артық қуат қорғауын қамтамасыз етуге болады. "N+1" дегеніміз, жүктеме N модульмен қамтамасыз етілсе, орналымда N+1 модуль болады. Осылайша, бір модульдің істен шығуы жүйе жұмысына кедері келтірмейді.

Көп реттік артықшылық

Көптеген компьютерлік серверлер артық қуат көздерін ұсынады, сондықтан бір қуат көзі істен шыққан жағдайда, бір немесе бірнеше басқа қуат көздері жүктемені қуаттауға қабілетті болады. Бұл өте маңызды тұс: әрбір қуат көзі сервердің барлық бөліктерін өздігінен қуаттандыра алуы керек. Артықшылықты әр қуат көзін әртүрлі тізбекке (яғни, әртүрлі автоматты қосқышқа) қосу арқылы күшейтуге болады. Артық қорғауды одан әрі арттыру үшін әр қуат көзін жеке UPS-ке қосуға болады. Бұл қуат көзінің де, UPS-тің де істен шығуынан қос қорғаныш береді, соның арқасында үздіріссіз жұмыс қамтамасыз етіледі. Бұл конфигурация 1+1 немесе 2N артықшылығы деп те аталады. Егер бюджет екі бірдей UPS құрылымын алуға мүмкіндік бермесе, қуат көздерінің біреуін тікелей желіге, екіншісін UPS-ке қосу қалыпты жағдай.

Сыртқы пайдалану

UPS жүйесі сыртқы ортада орналастырылған кезде, оның жұмысына ешқандай әсер етпей, ауа райына төзімділігін қамтамасыз ететін арнайы мүмкіндіктері болуы керек. Өндіруші сыртқы UPS жүйесін жобалау кезінде температура, ылғал, жаңбыр және қар сияқты факторларды ескеруі тиіс. Сыртқы UPS жүйелерінің жұмыс температурасы -40 °C-тан +55 °C-қа дейін болуы мүмкін. Сыртқы UPS жүйелері тіреуге, жерге (тұғырға) немесе жабдыққа орнатылуы мүмкін. Сыртқы ортада суық болуы мүмкін, онда сыртқы UPS жүйесінде аккумуляторды жылыту төсегі болуы керек, немесе ыстық болуы мүмкін, онда сыртқы UPS жүйесінде желдеткіш жүйесі немесе кондиционерлік жүйе болуы керек. Күн инверторы, PV инверторы немесе күн түрлендіргіші фотоэлектрлік (PV) күн панелінен алынған өзгермелі тұрақты токты (DC) коммерциялық электр желісіне немесе жергілікті, автономды электр желісіне жіберілетін ауыспалы токқа (AC) түрлендіреді. Бұл фотоэлектрлік жүйедегі маңызды BOS-компоненті болып табылады, ол стандартты ауыспалы токпен жұмыс істейтін жабдықты пайдалануға мүмкіндік береді. Күн инверторлары фотоэлектрлік тізімдермен пайдалануға бейімделген арнайы функцияларға ие, соның ішінде максималды қуат нүктесін іздеу және желіден оқшауланудан қорғау.

Гармониялық бұрмалау

Кейбір электронды UPS-тердің шығысы идеалды синустық толқыннан айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Бұл, әсіресе, үй мен кеңседе пайдалануға арналған арзан, тұтынушылық деңгейдегі бір фазалы құрылғыларға қатысты. Олар көбінесе қарапайым импульстік қуат көздерін қолданады және шығысы гармоникаларға толы, тікбұрышты толқынға ұқсайды. Бұл гармоникалар радиобайланыс сияқты басқа электронды құрылғылармен кедергі тудыруы мүмкін, сондай-ақ кейбір құрылғылар (мысалы, индуктивтік жүктемелер, АЖ қозғалтқыштары сияқты) тиімділігін жоғалтуы немесе мүлдем жұмыс істемеуі мүмкін. Күрделірек (және қымбат) UPS құрылғылары дерлік таза синусоидты айнымалы ток өндіре алады.

Батареялар

UPS батареясының үш негізгі түрі бар: клапанмен реттелетін қорғасын қышқылы (VRLA), ашық қорғасын қышқылы немесе VLA батареялары және литий-ионды батареялар. Батареямен жұмыс істейтін UPS-тің жұмыс істеу уақыты батареяның түрі мен мөлшеріне, разрядталу жылдамдығына және инвертордың тиімділігіне байланысты. Қорғасын-қышқыл батареяның жалпы сыйымдылығы оның разрядталу жылдамдығына байланысты, бұл Пейкерт заңы арқылы сипатталады. Өндірушілер жинақталған UPS жүйелері үшін жұмыс істеу уақытын минуттармен көрсетеді. Ірі жүйелер (мысалы, деректер орталықтары үшін) қажетті төзімділікке қол жеткізуді қамтамасыз ету үшін жүктемені, инвертордың тиімділігін және батареяның сипаттамаларын егжей-тегжейлі есептеуді талап етеді.

Батареяның жалпы сипаттамалары және жүктемені сынау

Қорғасын-қышқыл аккумуляторы зарядталғанда немесе разрядталғанда, бұл бастапқыда электродтар мен электролит арасындағы интерфейсте орналасқан реакцияға түсетін химиялық заттарға ғана әсер етеді. Уақыт өте келе, интерфейстегі химиялық заттарда сақталған заряд, көбінесе "интерфейс заряды" деп аталады, осы химиялық заттардың белсенді материалдың көлемі бойынша диффузия арқылы таралады. Егер батарея толығымен разрядталған болса (мысалы, көліктің фаралары түнде қосылып қалған болса) және кейін бірнеше минутқа ғана жылдам зарядталса, онда осы қысқа зарядтау уақытында заряд тек интерфейс маңында ғана қалыптасады. Батареяның кернеуі зарядтағыш кернеуіне жақын болуы мүмкін, сондықтан зарядтау тогы айтарлықтай төмендейді. Бірнеше сағаттан кейін бұл интерфейс заряды электрод пен электролит көлеміне тарамайды, нәтижесінде интерфейс заряды соншалықты төмендейді де, ол көлікті іске қосу үшін жеткіліксіз болуы мүмкін. Интерфейс зарядының салдарынан, UPS құрылғысының бірнеше секундқа созылатын қысқаша өзін-өзі тексеру функциялары UPS-тің нақты жұмыс уақытын дәл көрсетпейді, сондықтан батареяны толығымен разрядтайтын, ұзартылған калибрлеу немесе сынақ жүргізу қажет. Терең разрядты сынау батареяларға зиян келтіреді, себебі разрядталған батареядағы химиялық заттар қайта зарядталғанда ерімейтін, өте тұрақты молекулалық құрылымдарға кристалдана бастайды, бұл зарядтау сыйымдылығын тұрақты түрде азайтады. Қорғасын-қышқыл аккумуляторында бұл сульфаттану деп аталады, бірақ терең разрядтан зақымдану басқа типтерге де, мысалы, никель-кадмий және литий аккумуляторына да әсер етеді. Сондықтан, қайталау сынақтарын жиі емес, мысалы, әр алты айдан бір жылға дейін жүргізу ұсынылады.

Батареялар/элементтер тізбектерін сынау

Көп киловаттты коммерциялық UPS жүйелері үлкен және оңай қол жетімді батарея банктерін батарея тізбегі ішіндегі жеке элементтерді оқшаулауға және сынауға қабілетті. Бұл тізбек біріктірілген элементтік батарея бірліктерінен (мысалы, 12 В қорғасын қышқыл батареялары) немесе сериялы қосылған жеке химиялық элементтерден тұруы мүмкін. Бір элементті оқшаулап, оның орнына жалғағыш орнату арқылы, бір батареяны зарядтан түсіруге сынауға болады, ал батарея тізбегінің қалған бөлігі зарядталған күйде қалып, қорғаныс үшін қолжетімді болады. Батарея тізбегіндегі жеке элементтердің электрлік сипаттамаларын өлшеуге де болады, бұл үшін әрбір элементтің қосылған жеріне орнатылған аралық сенсорлық сымдар қолданылады және олар жеке және жиынтық түрде бақыланады. Батарея тізбектері қатар-параллель қосылымда да болуы мүмкін, мысалы, 20 элементтен тұратын екі жиынтық. Мұндай жағдайда, параллель тізбектер арасындағы ток ағынын бақылау қажет, себебі ток әлсіз элементтердің, жоғары кедергісі бар немесе қысқа тұйықталған элементтердің әсерін теңестіру үшін тізбектер арасында айналуы мүмкін. Мысалы, күшті тізбектер кернеу тепе-теңдігіне қол жеткенше әлсіз тізбектер арқылы разрядтала алады, және бұл әрбір тізбектегі элементтер арасындағы өлшемдерді ескеруге тиіс.

Жаңа/ескі батареяның өзара әрекеттесу сериясы

Тіпті бір қатарда қосылған батареялардың ішінде жаңа батареялар ескі батареялармен қосылса, жағымсыз әсерлер тууы мүмкін. Ескі батареялардың сыйымдылығы төмендейді, сондықтан олар жаңа батареяларға қарағанда тез зарядтан босап, жаңа батареяларға қарағанда максималды сыйымдылыққа тез жетеді. Жаңа және ескі батареялардың аралас тізбегі тозығып кеткен кезде, тізбектің кернеуі төмендейді, ал ескі батареялар тозығып біткен кезде жаңа батареялар әлі де зарядталған болады. Жаңа элементтер тізбектің қалған бөлігі арқылы босатуды жалғастыра алады, бірақ төмен кернеуге байланысты бұл энергия ағыны тиімді болмауы және ескі элементтерде кедергілі қыздыру түрінде ысырап болуы мүмкін. Белгілі бір босату диапазонында жұмыс істеуге арналған элементтер үшін, жоғары сыйымдылығы бар жаңа элементтер сериялық тізбектегі ескі элементтерді босату диапазонының қауіпсіз ең төменгі шегінен тыс босатуға мәжбүрлеуі мүмкін, бұл ескі элементтерге зақым келтіреді. Қайта зарядталғанда, ескі элементтер тез зарядталады, кернеудің толық зарядталған күйге жақын жылдам өсуіне әкеледі, бірақ жаңа, жоғары сыйымдылығы бар элементтер толық зарядталғанша. Зарядтау контроллері жоғары кернеуді анықтап, ток ағынын азайтады. Жоғары сыйымдылығы бар жаңа элементтер енді өте баяу зарядталады, сондықтан химиялық заттар толық зарядталған күйге жетпей тұрып кристалдана бастауы мүмкін, бірнеше зарядтау/босату циклдарынан кейін жаңа элементтердің сыйымдылығы төмендеп, сериядағы ескі элементтердің сыйымдылығына жақындауы мүмкін. Осы себептерге байланысты, кейбір өнеркәсіптік UPS басқару жүйелері жүздеген қымбат батареяларды қолданатын толық батареялар массивін мерзімді түрде ауыстыруды ұсынады, себебі жаңа және ескі батареялар арасындағы, сондай-ақ сериялық және параллель тізбектердегі зиянды өзара әрекеттесулер болады.