Puhvertoiteallikas

Back-UPS RS 500

Puhvertoiteallikas ehk katkematu toite allikas ehk UPS on seade, mille eesmärk on kaitsta elektritarbijaid erinevate elektrivõrgus esinevate probleemide eest. Elektrivõrgus (Euroopas 230 V) võib esineda 9 erinevat süsteemisisest probleemi, mis võivad häirida elektriga töötavate seadmete töökvaliteeti või füüsiliselt seadmeid rikkuda. Lisaks on olemas süsteemivälised probleemid, kus kas loodusliku õnnetuse või inimtegevuse tagajärjel saavad elektriliinid või muud elektripaigaldised nõnda kannatada, et tarbijateni jõudev elektrivool puudub üldse või ei vasta nõuetele.

Kõige levinumad elektrivõrgu süsteemisisesed probleemid 1-faasilistes süsteemides on:

  1. Pingelohk – kõige ohtlikum ja rahalist kahju toovam [1][2]
  2. Süsteemiavarii ehk voolukatkestus – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov [1][2]
  3. Impulsspinge – mitte väga ohtlik ja vähe rahalist kahju toov [1][2]
  4. Liigpinge ehk ülepinge – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov[1][2][3]
  5. Alapinge – mitte väga ohtlik ja keskmiselt rahalist kahju toov[1][2][4]
  6. Voolutõuge [1][2]
  7. Müra [1][2]
  8. Sagedushälbed [1][2]
  9. Suhteline harmoonikute sisaldis[1][2]

[5][6]

Nendest probleemidest tulenevate kadude (riistvaralised kaod, andmete kustumine ja lisatöö kaotatu kompenseerimiseks) leevendamiseks ja vältimiseks on välja mõeldud mitmesuguseid töövõtteid ja kaitseseadmeid. Üks võimalus kaitsta oma elektriga töötavaid seadmeid ja nendega seotud ressursse on kasutada sellist riistvaralist lahendust nagu UPS (inglise keelest uninterruptible power supply), mida eesti keeles kutsutakse katkematu toite allikaks või puhvertoiteallikaks. Kuigi kirjanduses kasutatakse eespool mainitud termineid ning nendest on võimalik konstrueerida ka suupäraseid lühendeid eesti keelde (näiteks KTA ehk KATA või PTA ehk PETA), on professionaalne katkematute toiteallikatega töötav personal inseneride ja müügiinimeste näol üle võtnud siiski mugava lühendi UPS. Seda moodi järgib ka antud artikkel.

UPS-i peamine ülesanne on seadmeid kaitsta toitepinge katkemise ja tugevate pingekõikumiste eest. UPS ühendatakse oma elektrilise sisendi ja väljundi abil kaitstava seadme sisendi ning elektrivõrgust (või mingist muust vahelduvvoolu energiaallikast) tuleva väljundi vahele (sellest tuleb ka sõna "puhver"). IEC (International Electrotechnical Commission) avaldas 1999. aastal standardi, mille alusel saab UPS-id jagada kvaliteediklassidesse. Standard IEC 62040-3[7] defineerib UPS-id kolme klassi – klass 1, klass 2 ja klass 3. UPS-e iseloomustavad paljud parameetrid (millest paljusid hoiavad tootjad enda teada) ning uuemate mudelitega kaasnevad uued ja täiendavad lisafunktsioonid.

2010. aasta seisuga on UPS-i iseloomustavad peamised parameetrid, mida tuleks UPS-i valikul kindlasti uurida, järgmised:

  • võimsus – kui suure võimsusega tarbijat me saame UPS-i abil kaitsta
  • kvaliteediklass – kui kvaliteetset kaitset me tahame ja kui palju me oleme nõus raha maksma
  • töötamise aeg pärast süsteemiavarii ehk voolukatkestuse saabumist – kui kaua suudab UPS toita kaitstavaid tarbijaid pärast süsteemiavarii saabumist
  • pinge – kas UPS-i sisendpinge vastab antud riigis vastavale toitepinge väärtusele ning kas UPS-i väljundpinge kvaliteet vastab tarbija sisendpinge nõuetele.
  • kasutegur – kui palju läheb energiat raisku (kiirgub soojusena ümbritsevasse ruumi)
  • töötingimused – UPS-i ümbritseva ruumi õhuniiskus, temperatuur, harvem kõrgus merepinnast.

Klass 1 – Online ehk Double Conversion ehk VFI (IEC 62040-3.2.16)

Pilt 1.1 ONLINE UPS-i plokkskeem

VFI tuleb inglise keelest – Voltage and Frequency Independent from mains supply, mille all peetakse silmas, et UPS-i väljundpinge amplituud ja sagedus ei sõltu UPS-i sisendpinge amplituudist ja sagedusest. Eesti keeles pole head nimetust välja kujunenud ning seetõttu on üle võetud lühike ja hästi kõlav Online UPS. Online UPS pakub klassi 1 kuuludes paremaid tulemusi võrreldes klassi 2 ja klassi 3 UPS-idega. Erinevate tootjate sõnul peaks abi olema kõigi elektritoites esinevate süsteemisiseste probleemide vastu.[5]

Parim kaitse toob endaga kaasa ka puuduseid. Online UPS-id maksavad rohkem kui teised UPS-id, kuna nende koostamiseks läheb füüsiliselt rohkem materjali ja aega. Rohkemate probleemide vastu võitlemine eeldab ka rohkem funktsioone ja reaalseid koostisosasid, millest tuleb elektrivoolul läbi minna, et UPS-i sisendist UPS-i väljundisse jõuda. Seetõttu saab pärsitud ka seadme kasutegur (%) võrreldes lihtsamate tehnoloogiatega. Halvema kasuteguriga kaasneb suurem soojuslik kadu, mistõttu on vajalik seadmete ventileerimisele kaasa aidata. 2010. aasta seisuga on kõige levinumad jahutusseadmed ventilaatorid, mis tekitavad palju akustilist müra. Kasuteguriga on korrelatsioonis ka elektriarved, mis kahjuks madalama kasuteguri juures on suuremad.

Online UPS-i ülevaatlik tööpõhimõte on lihtne. Vahelduvvool kulgeb UPS-i sisendisse, kus sellel on võimalus liikuda edasi kolme üksusse ehk seadmesse. Kui UPS on töökorras, juhitakse elektrivool edasi kahte üksusse – akulaadijasse ja alaldisse. Kui aga süsteem avastab mõne kriitilise vea (ülekuumenemine või mõne üksuse riknemine), juhitakse vool automaatselt kogu UPS-i sees olevatest seadmetest nn. ringiga mööda ja otse UPS-i väljundisse. Sellises olukorras on kaitstav seade otseses elektrilises ühenduses toitesüsteemiga enne UPS-i ehk teisisõnu UPS-i kaitsefunktsioonid ei tööta enam.[5]

Alaldi ülesanne on UPS-i sisendisse antud vahelduvvool muundada alalisvooluks ja reeglina viiakse ka pinge madalamale tasemele. Alaldi väljundist tuleb alalisvool, mis juhitakse edasi inverterisse. Tähele tuleb panna, et joonisel on visuaalselt sama juhtme küljes ka muunduri väljund, aga ühenduste vahele pandud dioodid keelavad alaldist tuleval voolul minna muunduri väljundisse ning vastupidi, muundurist tuleval voolul keelatakse minna alaldi väljundisse.[5]

Akulaadija on teine seade, mille sisend on vahetus elektrilises kontaktis UPS-i sisendiga. Akulaadija ülesanne on UPS-i sisendisse antud vahelduvvool muundada alalisvooluks (laadijale on alaldi sisse ehitatud) ning laadida (plii)akut ning teostada aku parameetrite mõõtmisi ning analüüsida saadud tulemusi, teostamaks kvaliteetsemat laadimist, et pikendada aku eluiga ning suurendada süsteemi kasutegurit. Laadija väljundist tuleb alalisvool, mille täpseid parameetreid hoiavad tootjad enda teada. Suure tõenäosusega kasutatakse juba täis oleva (plii)aku laengu säilitamiseks tilklaadimist ( trickle charging) ehk pulsimodulatsiooni. Tähele tuleb panna, et ka siin on diood, mis keelab akust voolu kulgemist akulaadija sisendisse.[5]

2010. aasta seisuga on UPS-ides enim kasutatud aku pliiaku. Aku(paki) ülesandeks on endas säilitada energiat ja samaaegselt UPS-i sisendisse antava elektrienergiaga toita kaitstavat seadet. Teisisõnu – et täielikult välistada süsteemiavariid ehk voolukatkestust, toidetakse kaitstavaid seadmeid korraga nii UPS-i sisendisse antava energiaga kui ka energiaga, mis tuleb akudest.[5]

Aku(paki) väljundist tulev vool suunatakse muunduri sisendisse. Muunduri ülesanne on sisendisse antud varieeruva alalispinge muundamine stabiilse väärtusega alalispingeks. Nimelt süsteemiavarii ehk voolukatkestuse olukorras, kui akulaadija enam akut ei lae, hakkab akudes oleva pinge väärtus langema. Nõnda tagatakse järgmise astme üksuse sisendile antava alalispinge stabiilsus.[5]

Inverter on seade, mille ülesanne on sisendisse antud alalisvool muundada võimalikult ideaalseks sinusoidseks vahelduvvooluks. Online UPS-i sees saab inverter oma sisendisse nii alaldist kui ka muundurist tuleva elektrivoolu.[5]

Lihtsama skeemi järgi ongi inverter Online UPS-i viimane üksus, mille väljund on otseses elektrilises ühenduses UPS-i väljundiga ehk inverter toidab otseselt seadmeid, mida me UPS-iga kaitsta soovime. Reaalsuses on süsteemid märksa keerukamad, kus esimesed üksused kohe UPS-i sisendi juures on erinevad filtrid, mille ülesanne on maksimaalselt leevendada toitepinges esinevaid probleeme, millest on juttu artikli alguses. Samuti võidakse neid filtreid lisaks sisendi poolele panna ka inverteri väljundisse ning samuti võivad need olla ka sisse ehitatud kõigisse eespool nimetatud üksustesse.[5]

Teistes keeltes
Bahasa Indonesia: Suplai daya bebas gangguan
বাংলা: ইউপিএস
Ελληνικά: UPS
עברית: אל-פסק
မြန်မာဘာသာ: အင်ဗာတာ
Nederlands: Noodstroomvoeding
ਪੰਜਾਬੀ: ਯੂ.ਪੀ.ਅੈਸ
پنجابی: یو۔پی۔ایس
suomi: UPS
Tiếng Việt: UPS