Dynamiczny UPS

Zasilanie awaryjne – gdzie się je stosuje.

W dzisiejszych czasach pojęcie urządzenia UPS nie jest niczym tajemniczym dla większości osób. Skrót oznacza z angielskiego: Uninterruptible Power Supply, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza: Niezakłócone Zasilanie Energią. Prościej mówiąc chodzi o zasilacze awaryjne UPS.

Coraz częściej spotykamy się na co dzień z tego typu rozwiązaniami. Rozwój elektroniki sprawił, że dzisiaj chronimy naszą cenną elektronikę nawet w domach bojąc się, że w wyniku przepięcia dojdzie do uszkodzenia naszego telewizora, komputera czy przestaną funkcjonować systemy sterowania inteligentnego domu.

Tak więc zasilacze UPS odgrywają coraz większą rolę w naszym życiu i już niejeden przekonał się o ich zaletach. Mają one jednak i swoje wady. Główną jest ogniwo bateryjne, odpowiedzialne za gromadzenie energii. Jak każdy akumulator ma ono swoją żywotność i pojemność, która spada z upływem czasu. Użytkownik powinien cyklicznie wymieniać taką baterię chcąc zapewnić pełną sprawność techniczną urządzenia. Najczęściej kończy się na tym, że dochodzi do awarii zasilania i …? . Bateria powinna być już dawno wymieniona, jej pojemność spadła praktycznie do zera i urządzenie nie spełniło swojego zadania. Wyższej klasy zasilacze awaryjne same potrafią kontrolować stan baterii i ostrzegać nas, jeśli dojdzie do ich uszkodzenia lub sprawność spadnie do krytycznego poziomu.

Data Center i zasilacze UPS.

W przypadku takich obiektów jak Data Center nie można doprowadzić do tego typu sytuacji. Tam 100% sprawność wszystkich systemów i urządzeń to podstawa funkcjonowania obiektu. Nie można doprowadzić do sytuacji, w której przez uszkodzoną baterię dojdzie do awarii sprzętu i utraty cennych danych. Oczywiście każdy system można dublować i tak się też robi, jednak nie zwalnia to od ich utrzymywania w pełnej sprawności i gotowości. W tym celu wprowadza się specjalne procedury techniczne, które określają dokładnie harmonogram przeglądów i wymian elementów, których żywotność dobiega końca, zgodnie z gwarancjami określanymi przez ich producenta.

Proszę wyobrazić sobie potężny system zasilania awaryjnego UPS, który składa się z ogromnej ilości akumulatorów. W przypadku obiektów Data Center taki system zasilania awaryjnego musi udźwignąć zasilanie całej serwerowni przez kilka minut, do czasu uruchomienia systemu zastępczego wytwarzania anergii.

Ciekawostka.

Planowana jest budowa największego Data Center na świecie w Norwegii – „KOLOS”. 600 tyś. metrów kwadratowych powierzchni, 3000 ludzi obsługujących obiekt, 1000MW zapotrzebowania na energię, 100% odnawialnej energii z elektrowni wodnych i wiatrowych co da 60% oszczędności utrzymania obiektu w stosunku do zwykłych źródeł energii.

Serwerownia "KOLOS" w Norwegi

Takiego ogromnego UPS-a trzeba cały czas doglądać, kontrolować i oczywiście miejsce na zgromadzenie wszystkich tych akumulatorów. Załóżmy, że już mamy całą taką infrastrukturę i wszystko działa. Zbliża się okres żywotności akumulatorów określony przez producenta i pojawia się problem. Trzeba je wszystkie wymienić, co wymuszają względy bezpieczeństwa. Tego typu działania są bardzo kosztowne. Cena akumulatorów razy ich ilość to nie są małe koszty w budżecie takiej serwerowni. Do tego wszystkiego dochodzą kwestie ekologiczne. Akumulatory najpierw trzeba było wyprodukować a teraz trzeba je zutylizować. Ich wewnętrzna zawartość to materiały, które nie mają zbyt wiele wspólnego z ekologią.

Genialna fizyka – energia kinetyczna

Już wiele lat temu dostrzeżono ten problem. Mimo, że produkuje się coraz to lepsze akumulatory, ich żywotność wydłuża się, są coraz to mniejsze i lżejsze to problem cały czas pozostaje. Wtedy pojawił się pomysł, aby zastąpić ogniwa bateryjne czymś innym.

W całym zasilaniu awaryjnym z wykorzystaniem urządzeń UPS chodzi o to, żeby dosłownie przez kilka minut podtrzymać zasilanie. W tym czasie należy bezpiecznie wyłączyć urządzenia lub uruchomić zastępcze generatory prądu.

Z pomocą przyszła fizyka. Stworzono bardzo prosty system, który gromadzi energię elektryczną w postaci energii kinetycznej. Energi kinetyczna to nic innego jak wprawiony w ruch przedmiot. Im szybciej będzie się on poruszał i im większa będzie jego masa, tym więcej jest w stanie zgromadzić w sobie energii. Rozwiązanie bardzo proste w założeniach i jak się okazało w realizacji. Co Ważne, tą energię można w bardzo prosty sposób odzyskać i przetworzyć na energię elektryczną.

Jak tego dokonano?

Zasada działania dynamicznego UPS-a.

Cała konstrukcja takiego dynamicznego UPS-a składa się z trzech modułów. Dwa z nich tworzą standardowy agregat prądotwórczy, który jest wyposażeniem każdego obiektu wymagającego długotrwałego zastępczego źródła zasilania na wypadek awarii. W jego skład wchodzą:

• Alternator, odpowiadający za wytwarzanie energii. Obracający się wirnik w polu magnetycznym indukuje napięcie, które po przejściu przez dodatkowe układy elektroniczne może zasilić obiekt.
• Silnik na paliwo stałe, typ diesel, odpowiada za napędzanie wirnika alternatora.
• Ostatni element to tak zwana „wirująca masa”, która ma zastąpić baterie stosowane w

Cała zasada działania dynamicznego UPS-a polega na tym, że w przypadku normalnego zasilania obiektu z sieci, prąd doprowadzony do urządzenia napędza „wirującą masę”, czyli ciężki wał, gromadząc w jego strukturze energię kinetyczną. Napędzanie odbywa się za pomocą zwykłego silnika elektrycznego. Wał jest cały czas podłączony z alternatorem. Drugi koniec „wirującej masy” jest połączony za pomocą sprzęgła z silnikiem diesla. W normalnym trybie sprzęgło jest rozłączone i napęd nie jest przekazywany na wał silnika.

Gdy dochodzi do zaniku napięcia z sieci, to silnik elektryczny przestaje napędzać masywny wał. I tu pojawia się fizyka. Rozpędzona do dużej prędkości obrotowej masa wału posiada w sobie spore ilości energii kinetycznej, dzięki której układ będzie obracał się jeszcze przez długi czas. Łożyska magnetyczne dbają o to, aby wytracanie energii było jaka najmniejsze. Wał cały czas jest podłączony z alternatorem, który mimo zaniku napięcia nadal pracuje i wytwarza energię. Wszystko to dzieje się bez najmniejszej przerwy.

W czasie, kiedy obracająca się masa zaczyna powoli wytracać swoją prędkość następuje rozruch silnika diesla. Ma on sporo czasu na osiągnięcie swoich parametrów i kiedy jest gotowy do pełnej pracy następuje załączenie sprzęgła łączącego silnik z wałem pozostałej części urządzenia. Od tego momentu silnik diesla przejmuje całą pracę utrzymując układ nadal w ciągłym ruchu.

Kiedy pojawia się z powrotem zasilanie z sieci, sprzęgło rozłącza silnik diesla a silnik elektryczny zwiększa obroty wirującego wału (wirującej masy). W ten sposób następuje bardzo szybkie naładowanie układu energią kinetyczną i układ ponownie jest gotowy do pracy.

To co jest najważniejsze w tym rozwiązaniu, to:

• cały układ zajmuje znacznie mniej miejsca niż w przypadku standardowych układów bateryjnych,
• serwis sprowadza się do przeglądów kilku elementów mechanicznych i układu sterowania elektronicznego.
• nie ma potrzeby wymiany drogich i mało ekologicznych baterii akumulatorowych.
• serwis silników diesla i alternatorów jest również w standardowych rozwiązaniach więc tutaj nic się nie zmienia.
• układ agregatu i baterii w formie wirującej masy, stanowią zwarty układ, który łatwo wymienić czy rozbudować o kolejne moduły. Może on występować w zwartej formie kontenera do zainstalowania poza serwerownią.

Tak więc genialne rozwiązanie stało się dzisiaj podstawą nowoczesnych systemów zasilania w obiektach „Data Center” i innych większych systemach wymagających systemów gwarantowanego zasilania.

Oczywiście w naszych domach i w przypadku niewielkich systemów pozostają nam nadal rozwiązania tradycyjne, wykorzystujące akumulatory. W UPS-ach dynamicznych siła tkwi w ciężarze i trudno było by zastosować takie rozwiązanie w warunkach domowych.