Avbrottsfri kraftförsörjning

UPS med kapacitetet på 500 VA ; 230 V

Batteribank

Avbrottsfri kraftförsörjning (eng. UPS, ”uninterruptible power supply”) är en elektrisk apparat som tillhandahåller en hög kvalitet på lik- eller växelspänning till elförbrukare, även då ett strömavbrott eller andra störningar uppstår. Apparaten installeras mellan den ingående kraftmatningen ("vägguttaget") och elförbrukaren (exempelvis en dator).

Störningar som kan uppträda på det externa kraftnätet är till exempel mer eller mindre långa avbrott, kraftiga spikar/störningar eller en kraftigt modifierad sinusvåg. Vanliga störningskällor på det externa kraftnätet är till exempel åsknedslag (främst inom distributions- eller lokalnätet), högfrekventa fyrkantvågor från frekvensomvandlare (för variabel motorhastighet), transienter (uppstår vid omkopplingar) eller tillfälliga överbelastningar. Transmissionsnätet med spänningsnivåer uppemot 400 kV (som förbinder vatten- och atomkraftverken med storstadsområdena) är dock alltid skyddat med åskledare i form av en stållina ovan de spänningsförande ledningarna.

UPS-enheten innehåller ett batteri (per definition alltid likspänning), där spänningen omvandlas till växelspänning med en s.k. växelriktare (eng. "Inverter"). Batteriet laddas kontinuerligt med batteriladdare vid normal drift från den vanliga nätspänningen. Inverterns "kärna" består av tre stycken så kallad Half-bridge-kopplingar som styrs av mikroprocessorn via galvaniskt isolerade förbindelser. På så vis kan en liten mikroprocessor för 20 SEK (2010) styra en växelriktare i megawatt-klass. Ett alternativ till batterier är ett konventionellt svänghjul, som under åtskilliga sekunder kan leverera elström via en generator, tills dieselmotorerna eller gasturbinerna till reservgeneratorerna hunnit starta.

Vid större anläggningar brukar batterier och växelriktare/styrutrustning inrymmas i skåp, stora som garderober och med vikter på drygt 3000 kg per styck.

Tidigare, då transistorer/tyristorer hade betydligt längre stig- och falltider, var så kallade modifierade fyrkantvågor vanliga. Dessa hade ej en sinusformad våg utan en trappstegsformad sådan. Nackdelarna med fyrkantformade vågor är flera, då de även innehåller högfrekventa vågor. Högfrekventa vågor kan till exempel värma upp elmotorer och i vissa fall även skada elutrustning. Därför bör man noga ta reda på hur den utgående vågen ser ut (med andra ord se upp för så kallad "Modified Sine Wave").

Tidigare användes analoga kretsar (operationsförstärkare med Error Amplifier/Komparator-koppling) i växelriktaren för att bilda en reglerad växelspänning men under senare år har mikrokontrollers ersatt den analoga tekniken. Fördelarna med digital teknik (dvs mikroprocessorer) istället för analog är lägre tillverkningskostnader samt bättre stabilitet på sikt (färre komponenter som ändrar värden pga ålder och värme). Likaså ersätts transistorer och tyristorer (högre effektområden) numera av sk IGBT. IGBT:er har mycket små switchingförluster samtidigt som spänningsfallet är lägre, vilket tillsammans minskar värmeutvecklingen, vilket i sin tur bidrar till längre livslängd.

De UPS:er som brukar användas lokalt vid persondatorer klarar dock sällan mer än några minuters drift, vilket gör att man om dessa brukar tala om "kontrollerad nedkoppling" (till skillnad mot en abrupt avstängning, med risk för förlorad data). En del klenare UPS:er är beräknade på att driftstiden från batteri är begränsad eftersom de överhettas i det fall man utökar batteriets kapacitet för att kunna köra längre.

Ibland används även reservkraftverk, oftast dieselelektriska sådana, som startar då batteriet börjar ta slut. Det brukar dock ta åtskilliga sekunder för att starta ett sådant kraftverk, varför batterier måste finnas till hands (medicinsk utrustning som används vid t ex sjukhus är mycket känslig för avbrott).

För kontors- och sjukhusbyggnader brukar bränslevolymen räcka till 2 – 3 dagar, medan vissa försvarsanläggningar klarar uppemot 3 månader. De dieselelektriska kraftverken brukar ha en toppeffekt på några 100 kilowatt, men det finns även exempel på effekter uppemot megawatt. I USA har även en ny generation dieselelektriska lastbilar lanserats, som i nödfall även kan användas för att leverera 460 volt 60 Hz elström för till exempelvis sjukhus eller flygfält.

Typiska utgående spännings- och frekvensnivåer är 115/200 volt 60 Hz (Nordamerika, Japan), 230/400 volt 50 Hz (övriga världen) samt 115/200 volt 400 Hz (militären). Vid ännu högre effekter används 460 eller 600 volt (60 Hz). Observera att det även finns UPS med in- och utgående likspänning. Tre standardspänningar brukar användas på utgångarna; 28 volt (fordon), 155 volt (u-båtar) och 270 volt (flygplan). Inom telekom är 48 volt likspänning vanligt. Fördelen med likspänning istället för växelspänning är lägre induktiva förluster, nackdelarna är att omvandling av spänningen till en lägre nivå blir mer komplicerad då högfrekventa switchade DC-DC-omvandlare krävs.

Observera: Ibland används förkortningen UPS även i betydelsen utility power supply, vilket betyder ungefär det allmänna kraftnätet, vilket ju är just den kraftkälla vars pålitlighet man vill göra sig oberoende av med hjälp av en UPS-enhet.

Störningar

Beroende på konstruktion så kan en UPS skydda mot:

• Elavbrott
• Underspänning
• Överspänning
• Frekvensförändringar
• Övertoner

Stora elavbrott i Västeuropa är relativt ovanliga. Men inkoppling eller urkoppling av stora laster kan ge oavsiktliga återverkningar på elnätet. Till exempel kan startströmmen hos svetsaggregat och stora elektriska motorer ge spänningsdippar. Urkoppling av stora laster eller långväga blixtnedslag. Känslig utrustning kan skadas eller fungera sämre. Elnätets spänning och frekvens regleras konstant vid ingångspunkterna till elnätet, men bara i summan av störningarna. En UPS kan kompensera för lokala variationer och fel genom utrustning som får sin elenergi från batterier som konstant laddas upp från det ordinarie elnätet.

Se även

• Reservkraftverk
• Motorgenerator

• Wikimedia Commons har media som rör Avbrottsfri kraftförsörjning
  Bilder & media