Ko zmanjka elektrike …

Uničeni računalniki in izgubljeni podatki so pogosto posledica odpovedi ali nepravilnega delovanja električnega omrežja … Zanimalo nas je, kako delujejo in kako uporabni so današnji brezprekinitveni napajalniki za domače uporabnike in podjetja. Se nakup izplača? Katero vrsto izbrati? Ga lahko izdelamo tudi sami?

APC Back UPS Pro 500 z litijevo baterijo

V petdesetih letih preteklega stoletja so začele nastajati prve naprave, ki so jih takrat imenovali »napajalniki brez prekinitev«. Delovale so po načelu vrtenja električnega vodnika v elektromagnetnem polju. Sestavljali so jih: enosmerni elektromotor, alternator (generator izmenične napetosti), akumulator in usmernik. Pri normalnem delovanju je usmernik pretvoril izmenično električno napetost v enosmerno in polnil akumulator ter poganjal enosmerni elektromotor, ki je poganjal alternator, ki je rabil kot brezprekinitveni vir energije. Ob prekinitvi napajanja iz električnega omrežja se je enosmerni elektromotor napajal iz akumulatorja.

Kljub razvoju veliko manjših in učinkovitejših usmernikov iz germanijevih diod, so v šestdesetih letih postali priljubljeni statični brezprekinitveni napajalniki (UPS, angl. uninterruptable power supplies) na podlagi tiristorjev. Kombinacija usmernika in polnilnika akumulatorjev je omogočila gradnjo statičnih brezprekinitvenih napajalnikov brez gibljivih delov, ki so bili manjši, tišji, učinkovitejši in zanesljivejši ter enostavnejši za vzdrževanje.

Kljub temu je razvoj obeh vrst brezprekinitvenih napajalnikov vzporedno tekel naprej. Rotacijski brezprekinitveni napajalniki so ostali v rabi za napajanje večjih bremen. Kljub temu so z leti napajalni sistemi postajali vse manjši. Obenem so jih vedno pogosteje uporabljali pri telekomunikacijski opremi in v računalniških sistemih.

Varna zaustavitev

Zaloga energije v akumulatorskih baterijah brezprekinitvenih napajalnikov so omejene. Zato potrebujemo mehanizem, ki zaznava stopnjo izpraznjenosti akumulatorskih baterij in v kritičnem trenutku sproži varno zaustavitev računalnika ali računalniškega sistema.

Računalniški sistemi z večjo porabo energije imajo za morebiten izpad napajanja iz električnega omrežja navadno na voljo le manjšo zalogo energije, zato morajo takoj začeti priprave na varno zaustavitev. Manjši sistemi imajo dovolj energije, da lahko še nekaj časa delujejo. Kljub temu je zaustavitev neizbežna, ko se akumulatorji izpraznijo.

Za izvajanje varne zaustavitve moramo v računalnik namestiti ustrezno programsko opremo izdelovalca brezprekinitvenega napajalnika. Slednja ima možnost samodejne izdaje ukaza računalniku, da preide v stanje zaustavitve (angl. shutdown) ali hibernacije (angl. hibernation), ko za ohranjanje podatkov ne potrebuje električnega napajanja.

Starejši brezprekinitveni napajalniki so z računalnikom komunicirali prek vrat RS-232, današnji pa so povezani prek priključka USB ali ethernetnega priključka, ki poleg varne zaustavitve omogočajo spremljanje vseh funkcij brezprekinitvenega napajalnika, tudi stopnjo iztrošenosti akumulatorske baterije. Nekateri izdelovalci v svojih rešitvah za komunikacijo računalnika v brezprekinitveni napajalnik ponudijo odprtokodne rešitve in/ali odprtokodne protokole. Zato je mogoča tudi močna integracija v informacijski sistem. Drugi se zanašajo na lastniške komunikacijske protokole in programske rešitve.

Vrste brezprekinitvenih napajalnikov

Največjo priljubljenost so brezprekinitveni napajalniki dosegli v osemdesetih in devetdesetih letih preteklega stoletja, ko se je močno povečala prodaja cenenih pasivnih brezprekinitvenih napajalnikov (angl. offline UPS). Njihova osnovna pomanjkljivost je, da začnejo rabiti akumulatorsko baterijo takoj, ko so se razmere v električnem omrežju poslabšajo, četudi bi lahko vhodno napetost preoblikovali v ustrezno obliko. Zato so uporabni predvsem za kakovostna električna omrežja z redkimi prekinitvami dobave energije. Prepogosto praznjenje in polnjenje namreč močno skrajšata trajanje akumulatorske baterije.

Glede na način preklopa iz omrežnega napajanja na akumulatorsko napajanje poznamo različne izvedbe pasivnih napajalnikov. Preprostejši pasivni napajalniki imajo vgrajen močnostni rele, s katerim preklopijo iz enega režima napajanja v drugega. Čas vklopnega prekopa (ko vključimo tuljavo releja) je zelo kratek; praviloma okoli 10 ms. Približno še enkrat krajši je čas izklopnega preklopa (ko tuljavo releja izključimo); tipično okoli 5 ms. Zato ni bojazni, da bi računalnik med preklopom na akumulatorsko napajanje »zamrznil«.

Veliki zasilni dizelski električni generator

V dražje, feromagnetne izvedbe pasivnih brezprekinitvenih je namesto preklopnega releja vgrajen močnostni transformator z dvema primarnima in enim sekundarnim navitjem. Pri normalnem delovanju transformator napaja omrežna napetost, pri tem pa se energija prenaša prek prvega primarnega navitja in feromagnetnega jedra na sekundarno navitje, ki napaja računalnik ali drugo elektroniko. Pri odpovedi napajanja iz električnega omrežja se transformator napaja iz drugega primarnega navitja, ki dobiva energijo iz enosmerno/izmeničnega pretvornika, ki iz enosmerne akumulatorske napetosti proizvede sinusno izmenično napetost. Transformator je lahko obenem tudi pretvornik med nizko izmenično napetostjo in visoko izmenično napetostjo (omrežna napetost). Zato so lahko skoraj vse notranje komponente brezprekinitvenega napajalnika, razen vhodnega dela polnilnika akumulatorja, nizkonapetostne.

Linijski interaktivni brezprekinitveni napajalniki (angl. Line interactive UPS) so podobni pasivnim, le da stalno spremljajo razmere v omrežju. Imajo tudi možnost delnega prilagajanja na odstopanja napajalne napetost od standardizirane višine in oblike. Ob pomoči samodejne regulacije napetosti omogočajo porabo energije iz omrežja tudi ob daljši podnapetosti (navadno do –10 %) ali nadnapetosti (navadno do +10 %). Pri večjih odstopanjih omrežne napetosti ali prekinitvi napajanja preklopijo na akumulatorsko napajanje.

Delujejo ob pomoči dvosmernega napetostnega pretvornika iz omrežne napetosti v enosmerno napetost in nazaj. Pri normalnem delovanju napetostni pretvornik polni akumulator, pri odpovedi napajanja iz omrežja pa akumulator napaja pretvornik z enosmerno napetostjo. Pretvornik iz enosmerne napetosti proizvede optimalno sinusno izmenično napetost.

Veliki 500 kVA brezprekinitveni napajalnik

Napajanje neposredno iz akumulatorja

Večina napajalnikov ATX lahko deluje tudi pri enosmerni napetosti okoli 325 V=, saj je to napetost, ki jo dobijo neposredno z usmerjanjem in stabilizacijo izmenične omrežne napetosti 230 V~. Računalniki za ameriški trg (za 115 V~) lahko delujejo pri približno polovici te napetosti, 162 V=.

To lastnost s pridom izkoriščajo v nekaterih računalniških središčih, kjer vse računalnike napajajo z enosmernim tokom, ki ga lahko pri izpadu električnega napajanja iz omrežja zagotovijo neposredno iz velikih akumulatorskih baterij.

Tako napajanje je manj potratno, saj ne zahteva pretvorbe v izmenično napetost in nazaj v enosmerno. Kljub temu moramo vedeti, da enosmerni tok ne more potovati na dolge razdalje brez velikih izgub. Zato je napajanje z enosmerno napetostjo primerno kvečjemu za strežniške sobe.

Aktivni brezprekinitveni napajalniki z dvojno pretvorbo so zasnovani povsem drugače. Po delovanju so podobni rotacijskim brezprekinitvenim napajalnikom, le da nimajo gibljivih delov. Vsebujejo pretvornik iz omrežne napetosti na enosmerno napetost za polnjenje akumulatorja (-jev) in napajanje inverterja, ki iz enosmerne napetosti spet naredi idealno izmenično napetost (110 V~ ali 230 V~) za napajanje računalniške opreme. Možno je tudi, da namesto klasičnega inverterja vgradijo pretvornik iz enosmerne napetosti v enosmerno napetost, če se lahko računalnik napaja samo iz enega enosmernega napetostnega vira.

Aktivni brezprekinitveni napajalniki z dvojno pretvorbo, podobno kot rotacijski, zelo dobro varujejo električne porabnike. Trajanje akumulatorskih baterij je glede na druge vrste brezprekinitvenih napajalnikov najdaljše.

Najnovejši aktivni brezprekinitveni napajalniki s pretvorbo delta ob pomoči diferencialnega transformatorja iz omrežja črpajo energijo, kakršnakoli je pač na voljo, in po potrebi prilagajajo izhodno napetost, tako glede višine kot tudi oblike. Ker izkoristijo vso energijo iz omrežja, so tudi najbolj optimalni. Poleg transformatorja jih sestavljajo še: pretvornik delta iz enosmerne v izmenično napetost, akumulatorska baterija in glavni inverter, ki pretvarja omrežno napetost v enosmerno napetost za polnjenje akumulatorja, ob izpadu napajanja iz električnega omrežja pa ravno nasprotno.

Notranjost aktivnega brezprekinitvenega napajalnika APC Smart UPS 2200

Sistem za napajanje z gorivnimi celicami

Akumulatorske baterije in električni generatorji

Zmogljivost akumulatorskih baterij je neposredno povezana s časom neodvisnosti, ki ga lahko zagotavlja sistem za nepretrgano napajanje, in z največjo dovoljeno tokovno obremenitvijo. Danes so še vedno najpogosteje v rabi cenene industrijske ali avtomobilske svinčeno-kislinske (svinčeve) akumulatorske baterije, katerih prednosti sta visoka največja tokovna obremenitev in da v primerjavi z nikelj-kadmijevimi in mangan-oksidnimi nimajo t. i. spominskega učinka. Zato ni treba, da jih pri uporabi v celoti spraznimo, temveč lahko začnemo polnjenje takoj, ko je na voljo energija iz električnega omrežja. Popolno izpraznitev potrebujemo le za ugotavljanje preostale zmogljivosti akumulatorja. Trajnost svinčenih akumulatorskih baterij je približno od tri do pet let.

Sodobne svinčeve akumulatorske baterije so zaprtega tipa. Zato jih ni treba preverjati in dolivati elektrolita. Enako velja za druge vrste baterij, ki so večinoma izdelane tako, da ne vsebujejo tekočin.

V zadnjem času se na trgu računalniške strojne opreme že dobijo tudi brezprekinitveni napajalniki z litijevimi akumulatorskimi baterijami, ki za polnjenje baterij uporabljajo tehnologijo iz notesov. Litijeve baterije so manjše in lažje. Podobno kot svinčene baterije naj ne bi imele znatnega spominskega učinka, kar pomeni, da jih lahko načeloma skoraj brez slabe vesti dopolnimo. Kljub temu je za ohranjanje zmogljivosti dobro, če baterijo tu in tam kdaj tudi povsem izpraznimo (do varne meje) in nato povsem napolnimo. Serijski brezprekinitveni napajalniki z litijevimi baterijami so za enkrat namenjeni predvsem napravam z manjšo priključno močjo, do približno 300 W. Bistvena prednost litijevih baterij v primerjavi s svinčenimi baterijami je približno dvakrat daljša trajnost, od 8 do 10 let.

Litijeve baterije večinoma ne smemo uporabljati nad 3000 metri nadmorske višine. Na sliki je uničena letalska akumulatorska baterija.

Za daljše obdobje neodvisnosti ob izpadu napajanja iz električnega omrežja (več nekaj ur) potrebujemo električni generator. Pretežni del generatorjev za večje računalniške sisteme je dizelskih, v približno 2500 sistemih po vsem svetu pa namesto njih uporabljajo sodobnejše gorivne celice.

Dizelski motor in alternator potrebujeta nekaj časa, da začneta proizvajati kakovostno električno energijo. V vmesnem času (od 10 do 20 sekund) je treba zagotoviti napajanje iz akumulatorskih baterij ali iz mehanskega vztrajnika. V večjih rotacijskih brezprekinitvenih napajalnikih je zelo pogost vztrajnik, ki prek avtomatske mehanske sklopke zažene dizelski motor, obenem pa še naprej vrti alternator, ki neprekinjeno proizvaja električno energijo. Pri napajanju iz omrežja vzdržuje vrtenje vztrajnika elektromotor ali pa kar alternator/elektromotor.

Prednost mehanskih rotacijskih brezprekinitvenih napajalnikov je njihova doba uporabnosti, ki je praviloma 30 let in več, a zato zahtevajo veliko rednega vzdrževanja (npr. menjava olja).

Velika akumulatorska litijeva baterija

Električne generatorje v novejšem času pogosto uporabljamo skupaj s statičnimi sistemi za brezprekinitveno napajanje, ki zahtevajo manj rednega vzdrževanja kot rotacijski. Kljub temu moramo na približno pet let menjavati akumulatorske baterije. Paziti je treba tudi, da zaradi jalove električne energije, ki jo ustvarjajo predvsem preklopni usmerniki brezprekinitvenih napajalnikov (praviloma imajo harmonična popačenja od 25 % do 30 %), ne preobremenimo električnega generatorja. Priporočljivo je uporabiti vsaj dvakrat zmogljivejši agregat od potreb brezprekinitvenega napajalnika ali pa v omrežje vgraditi blažilnik motenj, ki zmanjša harmonična popačenja (THD, angl. total harmonic distortion) pod 5 %.

S pretvornikom

Številni sodobni majhni računalniki potrebujejo za delovanje le enonapetostno enosmerno napajanje. Zato je zanje veliko bolj učinkovit in cenejši brezprekinitveni napajalnik, ki ima namesto inverterja pretvornik iz enosmerne napetosti v enosmerno (angl. DC/DC converter; DC = direct current, slov. enosmerni tok). Namesto da bi enosmerno napetost iz akumulatorja pretvorili nazaj v izmenično in potem z originalnim napajalnikom računalnika spet v enosmerno, jo raje pretvorimo kar iz enosmerne v enosmerno, ki jo uporabimo neposredno za napajanje. S tem dosežemo bistveno manjšo porabo energije in daljši čas neodvisnosti od električnega omrežja.

Zanimivo, da na trgu računalniške opreme brezprekinitvenih napajalnikov z enosmerno/enosmernim pretvornikom (skoraj) ne najdemo; verjetno tudi zato, ker lahko napaja samo računalnik, ne pa tudi monitorja, ki je narejen za napajanje iz omrežne napetosti. Kljub temu lahko tako brezprekinitveno napajanje uporabimo povsod tam, kjer potrebujemo samo računalnik.

Osnovne komponente aktivnega brezprekinitvenega napajalnika z enosmerno/enosmernim pretvornikom so: pretvornik iz izmenične napetosti 230 V~ (ali 110 V~ za ameriški trg) v enosmerno napetost (npr. preklopni napajalnik ali transformatorski napajalnih s stabiliziranim usmernikom z vhodnim filtrom električnih motenj), primeren za stalno polnjenje svinčene akumulatorske baterije, 12-voltna akumulatorska baterija z želeno zmogljivostjo in tokovno zmogljivostjo ter enosmerno/enosmerni pretvornik.

Vhodni stabilizirani napajalnik za akumulator lahko sicer izdelamo sami, vendar potrebuje kakovosten filter motenj iz električnega omrežja. Obenem so transformatorji dragi in si je veliko ceneje omisliti kar že izdelan industrijski preklopni napajalnik z nominalno enosmerno izhodno napetostjo 12 V=, ki jo lahko reguliramo navzgor ali navzdol za nekaj voltov. Pomembno je, da napetost nastavimo nekoliko više; s tem zagotovimo, da bo akumulator stalno poln. Izdelovalci industrijskih svinčenih akumulatorjev vselej navajajo najvišjo polnilno napetost, na katero je lahko akumulator stalno priključen (npr. 13,6 V=). Tak režim delovanja sicer omogoča le počasnejše polnjenje, vendar ne zahteva uporabe regulatorja polnjenja. Dobra lastnost je tudi daljša življenjska doba akumulatorja.

Še najbolj zapleten se zdi enosmerno/enosmerni pretvornik, vendar ga lahko kupimo v vsaki bolje založeni trgovini s potrošno elektroniko kot pretvornik za priklop notesa na avtomobilsko napajanje (nominalno 12 V=, sicer navadno med 10 V= in 16 V=). Potrebujemo le še močnostno usmerniško diodo (npr. 10 A, odvisno od največjega dovoljenega toka napajalnika), s katero preprečimo, da bi ob prenehanju napajanja iz omrežja tok iz akumulatorja tekel skozi katero do vezij napajalnika.

Več o tem, kako doma izdelati kakovosten brezprekinitveni napajalnik za mikro in mini PC, ki lahko napaja tudi notes in vse druge naprave, ki potrebujejo le eno enosmerno napajalno napetost, si lahko preberete na tej spletni strani.

Soba z akumulatorskimi baterijami za rezervno napajanje računalniškega centra mora biti dobro prezračena in izolirana zaradi nevarnih kemikalij v akumulatorskih baterijah.

Kako kupiti?

Pri odločitvi za nakup brezprekinitvenega napajalnika moramo dobro poznati ključne parametre svojega računalnika ali računalniškega sistema. Vedeti moramo, kateri računalniki bodo priključeni na rezervno napajanje, kakšno priključno moč potrebujejo, kakšen čas neodvisnosti od električnega omrežja želimo in kako hitro se akumulatorske baterije spet popolnoma napolnijo.

Električno moč merimo v volt-amperih (VA) in vatih (W). Čeprav je fizikalno volt (V) krat amper (A) enako vat (W), v elektrotehniki z oznako VA označimo skupno moč (z jalovo vred) na vhodu brezprekinitvenega napajalnika, z W pa samo izhodno moč, ki jo lahko izkoristi priključena naprava. Pred nakupom brezprekinitvenega napajalnika moramo poznati obe vrednosti.

Poznati moramo tudi razmere v električnem omrežju. Nekakovostna omrežja z veliko motnjami oblike napetosti, napetostnimi konicami ter prenapetostmi in podnapetostmi zahtevajo uporabo aktivnega brezprekinitvenega napajalnika, ki se dobro prilagaja razmeram v omrežju, še preden začne uporabljati energijo iz akumulatorske baterije. V stabilnih omrežjih z redkimi prekinitvami napajanja (manj kot desetkrat na leto) bodo skoraj enako učinkoviti tudi ceneni pasivni brezprekinitveni napajalniki.

Tehten razmislek velja še posebej, če se odločamo za nakup brezprekinitvenega napajalnika z litijevo baterijo. Pri nas ga bomo težko kupili, saj prevladujejo brezprekinitveni napajalniki s hermetično zaprtimi svinčenimi akumulatorskimi baterijami, ki ne potrebujejo vzdrževanja. Nakup brezprekinitvenega napajalnika z litijevo baterijo se izplača predvsem, če so izpadi napajanja iz električnega omrežja pogosti ali če želimo manjši računalnik, ki nima lastne baterije (npr. mini PC), krajši čas uporabljati tam, kjer nimamo stalnega dostopa do električnega omrežja, denimo na jadrnici ali v počitniški prikolici.

Ne nazadnje je lahko pri nakupu odločilna tudi cena. Za pasivni ali cenejši linijski interaktivni brezprekinitvenih napajalnik z največjo izhodno močjo od 350 W do 1500 W bomo pri slovenskih trgovcih z računalniško opremo odšteli od 50 do 150 evrov. Na ceno vpliva predvsem čas avtonomije oziroma zmogljivost akumulatorske baterije in moč napajalnika.

Dražji modeli z več avtonomije in večjo izhodno močjo stanejo do 500 evrov. So linijski interaktivni ali aktivni z dvojno konverzijo. Nekatere izvedbe že omogočajo vgradnjo v računalniško omaro. Dobro se je pozanimati tudi, ali je mogoč priklop dodatnih zunanjih akumulatorskih baterij.

V višjem cenovnem razredu, od 500 evrov navzgor, najdemo predvsem opremo za strežniške sobe. Pregovor pravi: »Več denarja, več muzike!« In res je! Najzmogljivejši statični brezprekinitveni napajalniki zmorejo tudi do 5 kW priključne moči in omogočajo menjavo pokvarjenih akumulatorskih baterij kar med delovanjem.

Da bi odločitev o izbiri pravega brezprekinitvenega napajalnika le ne bila pretežka, imajo izdelovalci na svojih spletnih straneh pogosto tudi pripomočke za izbiro ustreznih brezprekinitvenih napajalnikov glede na strojno opremo, ki jo nameravamo uporabljati.

Cene električnih agregatov z električnim zagonom z močjo od 1 kW do 5 kW se začno pri okoli 1000 evrih. Za nakup agregata se večinoma odločajo le podjetja, še posebej tista, ki ponujajo računalniške storitve v oblaku ali storitev digitalne hrambe. Druga se večinoma zadovoljijo z baterijsko podprtimi brezprekinitvenimi napajalniki, ki omogočajo varno zaustavitev računalniških strežnikov.

Aplikacija za nadzor brezprekinitvenega napajalnika, ki omogoča tudi varno zaustavitev, gapcmon UPS Monitor

Prihodnost je v vesoljskih tehnologijah

S prihodom nanotehnologij bomo dobili nove, veliko boljše materiale, ki bodo omogočili gradnjo vse zmogljivejših in trajnejših akumulatorskih baterij. Za daljše obdobje »električne« neodvisnosti bomo namesto dizelskih agregatov raje uporabljali gorivne celice …