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 (från några tiotal kilowatt) används främst trefas växelspänning; i USA 480 V och i övriga världen 400 V.

UPS med en effekt på 500 VA och spänning 230 V
Batteribank

Avbrottsfri kraft används många gånger även inom olika typer av farkoster. Större passagerarplan matas normalt med 115/200 volt växelspänning med frekvensen 400 hertz men vissa funktioner får aldrig sluta att fungera (till exempel flyginstrumenten) varför ett 28 volt likspänningsnät med separata batterier många gånger används. Även t ex tåg måste hela tiden ha en viss begränsad belysning invändigt om den externa kraftmatningen skulle sluta att fungera, där vanliga batterispänningar är 24, 36 eller 110 V DC.

Typ av störningar på elnätetRedigera

Störningar som kan uppträda på det allmänna kraftnätet är 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.

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. Som exempel på den begränsade kapaciteten hos ett blybatteri så har det ett energiinnehåll på mindre än 1 kWh (vikt cirka 10 kg).

Den stora utmaningenRedigera

Den stora utmaningen vid konstruktionen av nya UPS- anläggningar (avbrottsfri kraft) är att modern elutrustning numera är mycket känslig, även för kortare störningar. En persondator kan t ex skadas permanent av ett plötsligt avbrott och livsuppehållande utrustning vid t ex en intensivvårdsavdelning är till stora delar "datoriserad" och kräver en hög kvalitet på elnätet. Därför är en allt vanligare lösning att strömmen till känslig utrustning likriktas, stabiliseras och omformas på nytt till växelström. Vid en eventuell störning är ett batteripaket (oftast bly-syra-batteri) 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 merkostnader för elströmmen, samt 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 snabbt och fungerar då under något tiotal sekunder som en generator. Efter denna period måste dock någon form av ersättning kopplas in, ofta bestående av ett dieseldrivet kraftaggregat.

UppbyggnadenRedigera

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 trefas växelspänning. Sedan omvandlas likspänning till en ännu högre nivå, t.ex. 900 V DC. Sedan omvandlas likspänningen åter 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 eller galvaniskt isolerade transformatorer). 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 uppemot 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 (främst mikroprocessorer) istället för analog är lägre tillverkningskostnader samt bättre stabilitet på sikt (färre komponenter som ändrar värden på grund av 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). 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 aggregatRedigera

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 eller svänghjul initialt måste finnas till hands.

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.

För att ge en uppfattning om energiinnehållet i ett bly-syra-batteri respektive dieselbränsle så innehåller batteriet cirka 0,03 kWh per kg[1] medan dieselbränslet innehåller cirka 9,0 kWh per kg. Dock kan en dieselmotor endast utvinna en tredjedel av bränslets energi för el- generering vilket innebär cirka 3,0 kWh per kg eller 100 gånger mer än batteriet.

Typiska spännings- och frekvensvärden vid växelströmRedigera

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 (ubåtar) 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.

StörningarRedigera

Beroende på konstruktion så kan en UPS skydda mot:

Stora elavbrott i Västeuropa är relativt ovanliga. Däremot kan inkoppling eller urkoppling av stora laster eller åskväder ge kortvariga störningar på elnätet, vilket kan störa eller skada känslig utrustning. En UPS kan kompensera för lsådana störningar.

ReferenserRedigera

  1. ^ May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (February 2018). ”Lead batteries for utility energy storage: A review”. Journal of Energy Storage 15: sid. 145–157. doi:10.1016/j.est.2017.11.008. 

Se ävenRedigera

Externa länkarRedigera