Statyczny przełącznik obejściowy UPS — przełączanie tyrystorowe i transfer make-before-break

Przewodnik o DRUPS omawia, dlaczego moc zwarciowa wirującego UPS różni się od statycznego UPS. Ten przewodnik omawia kluczowy element właśnie statycznego UPS podwójnej konwersji: statyczny przełącznik obejściowy. Jest to jeden z najbardziej krytycznych — i najbardziej niedocenianych — elementów instalacji UPS, ponieważ zapewnia ciągłość zasilania w momencie, gdy sam falownik nie jest już w stanie zasilać obciążenia.

Co robi statyczny przełącznik obejściowy

W UPS podwójnej konwersji (UPS "online") obciążenie jest normalnie zasilane przez falownik: prostownik → bateria/szyna DC → falownik → obciążenie. Statyczny przełącznik obejściowy to równoległa ścieżka, zbudowana z tyrystorów (SCR, połączonych przeciwrównolegle na fazę), która łączy obciążenie bezpośrednio z siecią obejściową (zwykle tym samym zasilaniem co wejście UPS). Dopóki falownik działa normalnie, ta ścieżka jest nieaktywna (tyrystory nie przewodzą). Przy awarii lub przeciążeniu falownika układ sterowania załącza tyrystory, przenosząc obciążenie na sieć obejściową niemal natychmiastowo.

Dlaczego tyrystory, a nie przekaźnik mechaniczny

Przekaźnik mechaniczny lub stycznik ma czas przełączania rzędu dziesiątek milisekund — zbyt wolno, aby przenieść wrażliwe obciążenie IT bez przerwy w napięciu. Tyrystory załączają się w ciągu ułamka okresu sieci, zwykle w ciągu ćwierci okresu (~4-5 ms przy 50 Hz), przy czym tylko w momencie przejścia prądu przez zero, więc nie występuje gwałtowne zaburzenie prądu ani napięcia. Dzięki temu transfer jest dla obciążenia praktycznie bezszwowy.

Wymóg synchronizacji: dlaczego transfer nie zawsze jest bezszwowy

Bezszwowy transfer typu "make-before-break" jest możliwy tylko wtedy, gdy wyjście falownika i sieć obejściowa są zsynchronizowane pod względem fazy, częstotliwości i amplitudy w momencie transferu. Układ sterowania UPS stale to monitoruje i normalnie utrzymuje falownik zsynchronizowany z siecią obejściową, właśnie po to, by umożliwić natychmiastowy transfer, gdy jest to potrzebne. Jeśli jednak sieć obejściowa wykracza poza okno synchronizacji (na przykład inna częstotliwość lub zbyt duże odchylenie fazy, co może wystąpić przy zasilaniu z generatora bez właściwej synchronizacji), bezszwowy transfer nie jest możliwy i następuje albo krótka przerwa ("break-before-make"), albo transfer zostaje odrzucony do czasu przywrócenia synchronizacji.

Scenariusze automatycznego transferu

Statyczny bypass przełącza się automatycznie przy:

• Przeciążeniu falownika powyżej krótkotrwałej zdolności przeciążeniowej (na przykład przy dużym prądzie rozruchowym obciążenia lub zwarciu poniżej w obwodzie, gdy bypass tymczasowo dostarcza prąd zwarciowy, którego sam falownik nie jest w stanie dostarczyć — zob. także rozważania w przewodniku o selektywności bezpiecznika głównego dotyczące podstawowej idei wystarczającego dostępnego prądu zwarciowego do selektywnego zadziałania zabezpieczenia).
• Awarii lub wyłączeniu falownika (na przykład przegrzanie, wewnętrzna usterka).
• Ręcznym transferze wykonanym przez operatora z panelu sterowania, na potrzeby konserwacji falownika przy zachowaniu zasilania obciążenia.

Różnica względem ręcznego (mechanicznego) bypassu serwisowego

Oprócz statycznego przełącznika obejściowego, niemal każda instalacja UPS ma również ręczny przełącznik obejściowy serwisowy (maintenance bypass switch): mechaniczny, blokowalny przełącznik, który całkowicie wyłącza z toru mocy cały moduł UPS — łącznie z samym statycznym bypassem — tak aby konserwacja samego modułu UPS (w tym obwodu statycznego bypassu) mogła być przeprowadzona bezpiecznie bez przerywania zasilania obciążenia. Statyczny bypass chroni przed awariami podczas normalnej pracy; ręczny bypass serwisowy umożliwia konserwację całego UPS. Mylenie tych dwóch elementów — na przykład założenie, że statyczny bypass wystarcza do bezpiecznej pracy przy module UPS — to znana pułapka, ponieważ sam statyczny bypass pozostaje pod napięciem podczas konserwacji falownika.

Uwaga: prace przy samym module UPS (nie tylko przy bateriach) mogą być wykonywane wyłącznie po włączeniu ręcznego bypassu serwisowego i odizolowaniu modułu UPS zgodnie z obowiązującą procedurą LOTO — nie na podstawie samego statycznego bypassu.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie dostępności instalacji UPS ważne jest sprawdzenie, czy sieć obejściowa ma wystarczającą moc zwarciową i jakość napięcia, aby faktycznie zasilić obciążenie podczas transferu na bypass — przełącznik obejściowy, który przenosi obciążenie na słabą lub nieodpowiednią sieć, w rzeczywistości nie rozwiązuje problemu dostępności. Ponadto selektywność zabezpieczeń między torem bypassu a zabezpieczeniem obciążenia musi być skoordynowana, aby usterka poniżej w obwodzie podczas pracy na bypassie była poprawnie izolowana.

Typowe błędy

1. Zakładanie, że statyczny bypass przełącza się mechanicznie — przełączanie tyrystorowe jest elektroniczne i ma czas przełączania rzędu milisekund, a nie dziesiątek milisekund jak przekaźnik.
2. Mylenie statycznego bypassu z ręcznym bypassem serwisowym — tylko ten drugi umożliwia bezpieczną konserwację samego modułu UPS.
3. Zakładanie, że transfer na bypass zawsze jest bezszwowy — bez synchronizacji między falownikiem a siecią obejściową nie jest to prawdą.
4. Niesprawdzenie sieci obejściowej pod kątem wystarczającej mocy zwarciowej, przez co transfer na bypass podczas awarii nadal niewystarczająco zasila obciążenie.

Powiązane

• DRUPS — wirujące systemy UPS napędzane silnikiem diesla i moc zwarciowa
• Ciągłość UPS dla komputerów klimatycznych i procesów krytycznych
• Typy baterii UPS — VRLA a litowo-jonowe
• Okresowa kontrola instalacji UPS