A szünetmentes tápegység (angolul: Uninterruptible Power Supply, röviden: UPS) olyan eszköz, mely villamos energiát biztosít számítógépeknek és egyéb berendezéseknek, akkor is, ha a villamos hálózaton bármilyen ok miatt megszűnik a készülék működéséhez szükséges tápfeszültség (pl. feszültségingadozás, feszültségletörés vagy tápfeszültség kimaradás lép föl). Eredetileg olyan helyeken alkalmazták, ahol olyan eszközök üzemelnek, amelyek folyamatos működése kiemelten fontos (pl. telekommunikációs létesítmények, telefonközpontok, rádióadók, forgalomirányító rendszerek stb.). Az 1960-as évektől kezdődően gyorsan terjedtek a számítógépek, a korai számítógépek esetén nem csak adatvesztést, hanem hardvermeghibásodásokat is okozhatott a tápfeszültség zavara. A számítógépek fejlődésével már nem elsősorban a hardvermeghibásodás kivédése, hanem a rendellenes leállásból adódó adatvesztések és üzemzavarok elkerülése a cél. A 20. század utolsó évtizedeitől kezdődően egyre több, a tápláló feszültség zavaraira érzékeny elektronikus eszközt használunk. Rohamosan terjednek a beágyazott számítógépet tartalmazó eszközök. Számtalan esetben találkozunk ilyenekkel kritikus helyeken, pl. orvosdiagnosztikai eszközöknél, ipari automatikáknál, a forgalomirányításnál, általában az ún. kritikus infrastruktúra elemeinél. Ezeknél az alkalmazásoknál egy rövid idejű (akár néhány másodperces) feszültségletörés, vagy feszültségkimaradás is komoly zavarokat, károkat, baleset- és életveszélyes helyzeteket okozhat. A tápfeszültség zavaraiból adódó következmények kockázatát csökkentik az UPS berendezések és az UPS berendezésekkel felépített szünetmentes energiaellátó rendszerek.
Általános leírás A legtöbb elektronikus eszköz a működéséhez szükséges energiát a közcélú villamosenergia hálózatból kapja. Ez a hálózat nem képes arra, hogy az év 365 napján, napi 24 órában folyamatosan rendelkezésre álljon, az elvárt szolgáltatási jellemzőket elsősorban a villamosenergiáról szóló törvény (VET), a hozzá csatlakozó jogszabályok, a szolgáltatók üzletszabályzatai, illetve az MSZ EN 50160 szabvány szabályozza. Tervezett karbantartások, bővítések esetén a szolgáltató (előzetes bejelentés után) lekapcsolhat fogyasztókat, fogyasztói csoportokat, valamint felléphetnek üzemzavarok is. Ezekben az esetekben megszűnik az adott létesítménynek a villamos energiaellátása. A közcélú hálózathoz csatlakozik a létesítmény belső hálózata, ezen is szükséges időszakosan karbantartásokat elvégezni, illetve ezen a hálózatrészen is bekövetkezhetnek üzemzavarok. A két rendszer együttes rendelkezésre állása határozza meg annak a csatlakozási pontnak a tényleges rendelkezésre állását, amelyhez csatlakozik az adott készülék. Ha ez a rendelkezésre állás nem megfelelő az adott készülék üzeme szempontjából, akkor szükséges telepíteni szünetmentes tápegységet.
A „szünetmentes tápegység” a tápegységben tárolt energiát (tipikusan gondozásmentes akkumulátorokban), a tápláló feszültség zavara esetén a helyi szabványnak (Magyarországon MSZ 1 illetve az MSZ EN 50160 szabványok szerint: , , szinuszos) megfelelő feszültségre alakítja. A gyakorlatban a szinuszos kimenet nem mindig teljesül maradéktalanul.
Áthidalási idő A szünetmentes tápegységek egyik legfontosabb jellemző adata. Megadja, hogy névleges terhelés esetén mennyi ideig képes a berendezés a rákapcsolt fogyasztókat villamos energiával ellátni. Ez az idő felépítéstől függően néhány 10 másodperctől a néhány óráig terjed. A ténylegesen tapasztalható áthidalási időt befolyásolja a táplált fogyasztók tényleges energia igénye, és az energiatároló pillanatnyi állapota (pl. öregedés miatti kapacitás csökkenés).
Névleges teljesítmény A névleges teljesítmény az a villamos teljesítmény, amivel terhelhető a berendezés. Alapvetően három teljesítmény kategóriát szokás megkülönböztetni, a kategóriák határai gyártónként eltérőek lehetnek: Kis teljesítményű UPS-ek: néhány teljesítményig, Közepes teljesítményű UPS-ek: -től kb. -ig Nagy teljesítményű UPS-ek: -től -ig
Az egyes méretkategóriák az alkalmazott technológiákban és felépítésben is különbséget mutatnak. A közepes és nagy teljesítményű berendezések szinte kizárólag csak háromfázisú kivitelben léteznek. Kis teljesítményű UPS-ek esetén találkozhatunk egyfázisú készülékekkel is.
Tipikus felépítés A szünetmentes tápegységek legelterjedtebben három alapvető felépítési móddal készülnek: Off-line (más néven Stand-by) UPS Vonali-interaktív (angolul Line-interactive) UPS On-line vagy más néven kettős konverziójú UPS
Az UPS-eknek három lényeges szerkezeti egységük van: Egyenirányító: Ez az egység a hálózati váltakozó feszültségből egyenfeszültséget állít elő. Ennek felépítése az UPS kialakításától (egy vagy háromfázisú) és a teljesítményétől függően változik. Régebbi háromfázisú típusok eseténA technológiaváltás jellemzően 2005-2010 környékén következett be. vezérelt tirisztoros egyenirányítót, újabban IGBT-s egyenirányítót használnak. Energiatároló: Ez az egység biztosítja a tápláló hálózat kimaradása esetén a fogyasztók működéséhez szükséges energiát. Ez leggyakrabban akkumulátor, ritkábban forgógép lendkereke, vagy kondenzátor. Inverter: Ez az egység állítja elő az egyenirányító, illetve az energiatároló egyenfeszültségéből a fogyasztók számára szükséges váltakozó feszültséget. Az inverter felépítése határozza meg, hogy az UPS kimeneti feszültségének milyen a jelalakja, mennyire képes megközelíteni az ideális szinuszos jelalakot. Kisebb teljesítmények és olcsóbb kivitel esetén ez kevésbé szinuszos. Ezt módosított szinuszhullámú inverternek nevezik. Ezek az egyszerűbb kivitelű berendezések főleg számítógépek táplálására használhatóak. Elsősorban nagyobb teljesítménytartományban, vagy olyan helyeken, ahol követelmény a pontos szinuszos kimeneti feszültség, általában impulzusszélesség-modulációt (PWM) használó inverterekkel építik fel az UPS-t. A PWM inverterek nagy teljesítmény tartományban is jól megközelítik a szinuszos jelalakot. Szintén a drágább UPS-ek kimenetén az inverterhez csatlakoztatnak egy szűrőtagot (tipikusan LC szűrő), vagy egy transzformátort. Bár ezek kis mértékben csökkentik a hatásfokot, de a kimeneti jel jelalakját pontosítják. A transzformátor elválasztást is tud biztosítani. Így ezek forgógépeknél, illetve olyan helyeken is alkalmazhatóak, ahol a táplált fogyasztók érzékenyek a jelalakra.
Az off-line és a vonali-interaktív berendezések egy gyors működésű elektronikus kapcsoló elemet is tartalmaznak (statikus átkapcsoló). Ezen felépítések esetén ez a kapcsoló gondoskodik arról, hogy a tápláló hálózat kimaradása esetén átkapcsoljon akkumulátoros üzemre.
Off-line UPS
Az Off-line UPS-ek egyszerű felépítésűek.https://www.riello-ups.com/questions/29-what-is-an-offline-ups Egy vagy néhány számítógép, és a hozzájuk tartozó monitor biztonsági energiaellátásra szolgálnak. Olyan telepítési helyszíneken javasolt az ilyen felépítésű berendezések telepítése, ahol nincsenek magas elvárások, a cél csak annyi, hogy rövid idejű feszültségletörések káros hatását kivédje. Leggyakrabban - névleges teljesítménytartományban gyártanak ilyen felépítésű eszközöket. Energiatárolójuk jellemzően néhány darab feszültségű akkumulátor. Áthidalási idejük viszonylag rövid, néhány perc, maximum negyed óra. Ez a viszonylag rövid áthidalási idő általában arra elegendő, hogy a számítógép szabályosan leállítható legyen az adatvesztések elkerülésére. Gyakori, hogy az arra alkalmas UPS egy kommunikációs kábellel (régebben RS-232, újabban USB) csatlakozik a számítógéphez, és az UPS gyártója által biztosított szoftverAPC PowerChute szoftver gondoskodik a számítógép automatikus leállításáról.
Működés A bemeneti hálózati feszültség egy vonali szűrőn keresztül táplálja a berendezést. Ennek a szűrőnek a feladata a kisebb zavarok (pl. EMI/RFI) szűrése. A hálózati feszültség egy egyenirányító és egy akkumulátor töltő áramkörön keresztül tölti a beépített akkumulátort. Az akkumulátorhoz csatlakozik egy egyszerű DC-AC inverter, amely ezeknél a típusoknál jellemzően négyszög- vagy módosított szinuszhullámú inverter. A hálózati feszültség egy kapcsoló elemen keresztül csatlakozik a kimenethez is. Normál üzem esetén a bemeneti feszültség jelenik meg a kimeneten. Abban az esetben, ha a bemeneti feszültség jellemzői nem megfelelőek, akkor a bekapcsolja az invertert, majd a berendezés automatikusan, rövid idő alatt átkapcsol inverteres üzemmódba, és a kimenetre csatlakoztatott fogyasztót onnantól kezdve az inverter táplálja. Az átkapcsoló kapcsolási ideje típustól függően . Az átkapcsolási idő alatt a fogyasztó tápellátás nélkül marad, azonban ez a rövid idejű kimaradásA hálózati váltakozó feszültség periódus ideje . Sok alkalmazásnál a félperiódus idő(), vagy annál rövidebb kimaradás nem okoz zavart a fogyasztó működésében. általában nem okoz a számítógépek működésében zavart. Olyan alkalmazásoknál, amelyeknél ez az átkapcsolási idő sem elfogadható, más felépítésű UPS-t kell választani. Az átkapcsoló elem vagy tisztán elektronikus (félvezetős) felépítésű, vagy egy félvezetős átkapcsolót még kiegészítenek egy elektromechanikus kapcsolóval (relé vagy mágneskapcsoló).
Vonali-interaktív (angolul Line-interactive) UPS
A vonali-interaktív UPS-ek hasonló felépítésűekhttps://www.riello-ups.co.uk/questions/3-what-is-a-line-interactive-ups az off-line UPS-ekhez. A legjelentősebb eltérés, hogy tartalmaznak egy automatikus feszültség szabályzó (angol rövidítéssel AVR Automatic Voltage Regulator) áramkört. Ez általában egy sok megcsapolású autotranszformátor,https://www.cyberpowersystems.com/feature_focus/automatic-voltage-regulation/ amely olyan kialakítású, hogy alkalmas le- és feltranszformálásra is. A megcsapolások közül egy elektronikus áramkör választja ki a szükségest. Általában néhány kVA, néhány 10 kVA teljesítménytartományban használják ezt a kialakítást.
Működés A működés teljesen hasonló mint az off-line UPS működése. Az eltérés összesen annyi, hogy hálózati üzemben a beépített feszültségszabályzó áramkör képes a feszültségszintet stabilizálni. Az inverter általában módosított szinuszhullámú. A többi jellemzője megegyezik az off-line UPS-ekével.
On-line vagy más néven kettős konverziójú UPS
A három felépítésmód közül a legösszetettebb, legbonyolultabb felépítés. Ennek következménye, hogy azonos teljesítmény esetén az ilyen készülék ára a legmagasabb. Jellemzően -től teljesítménytartományban gyártanak ezzel a felépítéssel UPS-eket. Nem csak számítógépek, hanem szinte bármilyen eszköz tápellátását biztosíthatják (megfelelően gondos kiválasztás és méretezés után). Ilyen felépítésű gépeket használhatnak kórházakban, TV stúdiókban, ipari létesítményekben, stadionokban a világítás táplálására is. A kimeneti inverter szinte minden gyártmány esetén egy pontos, szabályozott szinuszos PWM inverter. Akkumulátoros kialakítás esetén a nagyobb akkumulátortelep miatt az áthidalási idejük általában hosszabb, legalább 10 perc, az akkumulátorok darabszámának növelésével szinte korlátlanul növelhető.
Működés