Avbrottsfri kraftförsörjning

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
UPS med kapacitetet på 500 VA ; 230 V
Batteribank

UPS[redigera | redigera wikitext]

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). Vid större anläggningar (uppemot 1 megawatt) används trefas växelspänning; i USA 480 V och i övriga världen 400 V.

Typ av störningar på elnätet[redigera | redigera wikitext]

Störningar som kan uppträda på det allmänna kraftnätet är till exempel mer eller mindre långa avbrott, kraftiga spikar/störningar eller störda sinusvågor. Vanliga störningskällor är till exempel åsknedslag (främst inom distributions- eller lokalnätet), högfrekventa fyrkantvågor från frekvensomvandlare (främst för variabel styrning av elmotorer), transienter (uppstår vid omkopplingar) eller tillfälliga överbelastningar. Det nationella transmissionsnätet med spänningsnivåer uppemot 400 kV (som förbinder vatten- och kärnkraftverken med storstadsområdena) är dock alltid skyddat med åskledare i form av en stållina ovanför de spänningsförande ledningarna.

Störningarna kan variera från bara några millisekunder till flera dygn. Batterierna (av ackumulatortyp) klarar dock normalt endast en kortare tid, kanske uppemot en halvtimme. Sedan måste någon ny kraftkälla (oftast en kolvmotor som drivs av dieselolja eller naturgas) kopplas in.

Den stora utmaningen[redigera | redigera wikitext]

Den stora utmaningen vid konstruktionen av nya UPS- anläggningar är modern elutrustning numera är mycket känslig, även för kortare störningar. Därför är en allt vanligare lösning att all ström likriktas, stabiliseras och omformas på nytt till växelström. Vid en eventuell störning är ett batteripaket kopplat till mellansteget, det vill säga den likriktade strömmen. Nackdelen är att verkningsgraden hos en UPS kanske bara ligger i intervallet 90...95 %, vilket innebär stora kostnader och problem med att föra bort all överskottsvärme.

En gammal metod som har fått en renässans är att använda ett svänghjul, som vid normala förhållanden hålls igång med en elmotor. Vid ett eventuellt spänningsbortfall kopplas motorn om och fungerar då som en generator. Tekniken har vidareutvecklats av UPS- tillverkaren Caterpillar (se http://www.cat.com/en_US/power-systems/electric-power-generation/ups-flywheel.html) och tillverkaren erbjuder effekter uppemot 1,2 MVA (motsv 960 kW).

Uppbyggnaden[redigera | redigera wikitext]

Den elektriska versionen med batteri hos UPS-anläggningen innehåller en ackumulator (per definition alltid likspänning). Vid större UPS-anläggningar är en vanlig spänningsnivå 480 V. Sedan omvandlas likspänning till en ännu högre nivå, t ex 900 V DC. Sedan omvandlas likspänningen till växelspänning med en s.k. växelriktare (eng. "Inverter").

Batteriet laddas kontinuerligt med batteriladdare vid normal drift från den likriktade nätspänningen.

Inverterns "kärna" består av tre stycken så kallad Half-bridge-kopplingar som styrs av mikroprocessorn via galvaniskt isolerade förbindelser (optolänk och isoleringstransformatorer). På så vis kan en liten mikroprocessor styra en växelriktare i megawatt-klassen.

Ett alternativ till batterier, som nämndes ovan, 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 med vikter på tre ton 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 bland annat 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") innan utrustning ansluts.

Tidigare användes analoga kretsar (främst s k operationsförstärkare i växelriktaren för att styra 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.

Dieselelektriska aggregat[redigera | redigera wikitext]

Ibland används även reservkraftverk, oftast dieselelektriska sådana, som startar då batterierna börjar ta slut. Det brukar dock ta åtskilliga sekunder för att starta ett sådant kraftverk, varför batterier måste finnas till hands. Företaget Caterpillar erbjuder en serie dieselelektriska aggregat, upp till effekten flera megawatt (se http://www.cat.com/en_US/products/new/power-systems/electric-power-generation/diesel-generator-sets.html).

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 hundra kilowatt, men det finns även exempel på effekter uppemot megawatt.

Typiska spännings- och frekvensvärden vid växelström[redigera | redigera wikitext]

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.

Bygga en egen UPS?[redigera | redigera wikitext]

UPS- anläggningar är dyrbar utrustning och på Internet finns flera beskrivningar på hur man själv kan bygga en UPS. Tekniken är i grunden enkel men fallgroparna är dock många, liksom även de direkta riskerna. Det handlar om utrustning med livsfarlig högspänning och många gånger är även strömstyrkorna, främst inom batteridelen, mycket höga. Batterierna innehåller även frätande syra, och måste därför behandlas med försiktighet. UPS-system innehåller såväl avancerad digitalteknik (mikroprocessorer) som analog teknik med höga effekter.

Inom industrin, fastigheter (styrutrustning) och försvarsmateriel (stridsvagnar, flygplan) används dock ofta likspänningen 24 volt (civilt) eller 28 volt (militärt). Den tekniken är betydligt enklare för den normalhändige att använda och det finns ett stort utbud av produkter inom området på marknaden. I princip behövs bara ett tillräckligt stort batteripaket samt en DC/DC- omvandlare, den senare för att stabilisera den utgående spänningen till utrustningen.

Störningar[redigera | redigera wikitext]

Beroende på konstruktion så kan en UPS skydda mot:

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[redigera | redigera wikitext]