Komputerowi może przeszkadzać w pracy wiele czynników: wyładowania atmosferyczne, maszyny elektryczne a nawet przejeżdżający w pobliżu samochód.

Wrogiem może być również elektrownia, która dostarcza energię o parametrach niezgodnych z założeniami technicznymi.

Jak Kuba Bogu, tak Bóg Kubie

Zanik napięcia w sieci (blackout) to tylko jeden z siedmiu typów zakłóceń groźnych dla komputera. Co najmniej równie poważne zagrożenie płynie z chwilowych przepięć (transient), zbyt niskiego lub zbyt wysokiego napięcia, zakłóceń o częstotliwościach radiowych (radio disturbances), obecności stałej składowej napięcia zasilającego (common-mode noise), a także zmian częstotliwości napięcia zasilającego.

Jest to tylko jedna strona medalu. Komputer często bowiem nie pozostaje dłużny zasilającej go sieci, generując zakłócenia, które mogą przeszkadzać w pracy innym urządzeniom, w tym również innym komputerom. Zwłaszcza dziś zasilacze nowoczesnych komputerów często bywają dość uciążliwe dla sieci. Pobierają bowiem prąd w postaci krótkich impulsów o bardzo dużej, sięgającej setek amperów, amplitudzie (tzw. switched-mode supplies - zasilacze z przełączaniem). Problem ten jest tym poważniejszy, im większy jest pobór mocy, a więc im większy komputer albo też im więcej komputerów pracuje jednocześnie, zwłaszcza w sieci. Przykładowo, sieć Novell wymaga, by wszystkie komputery działające w ramach LAN (Local Area Network - sieć lokalna) były zasilane z jednej fazy. Tak więc budowa sieci LAN bez specjalnych zabezpieczeń prowadzi do przeciążenia jednej z faz, czego bardzo nie lubią pracownicy dozoru energetycznego. Polska norma zabrania, by jeden użytkownik pobierał (bez specjalnych instalacji) więcej niż 5 kVA z jednej fazy, co de facto limituje wielkość sieci lokalnej do ok. 20 stanowisk. Z kolei impulsowy pobór prądu, rozłożony w czasie nieproporcjonalnie do zmian napięcia zasilania, wprowadza do sieci dodatkowe harmoniczne, (tzn. częstotliwości różne od 50 Hz) powodując zmianę kąta fazowego między prądem i napięciem.

Wszystkie wymienione powyżej problemy, albo przynajmniej ich część, może rozwiązać urządzenie zwane UPS (Uninterruptible Power Supply - nieprzerywalny zasilacz mocy). Nazwa UPS sugeruje więc, że zadaniem urządzenia jest uodpornienie systemu na przerwy w dostawach energii elektrycznej. Rzeczywiście, zadanie wielu typów UPS-ów sprowadza się do zabezpieczenia komputera przed niespodziewanym zanikiem napięcia w sieci. W chwili zaniku zasilacz przejmuje na siebie rolę sieci dając kilka lub kilkanaście minut czasu na przygotowanie systemu do bezpiecznego wyłączenia. Badania statystyczne wykazują jednak, że zaniki napięcia to zaledwie kilka procent rzeczywiście występujących, groźnych dla działania komputera zakłóceń. Znaczną większość nieprawidłowości zasilania stanowią przepięcia, zakłócenia o częstotliwościach radiowych oraz przedostające się różnymi drogami do sieci napięcie stałe. Tak więc nazwa "UPS" trochę się dziś już zdezaktualizowała, bowiem wiele współcześnie proponowanych rozwiązań tego typu ma na celu walkę ze wszystkimi niekorzystnymi zjawiskami, a przynajmniej ich znaczną częścią.

Budujemy nowy dom...

W użyciu są dwa podstawowe typy UPS-ów, określane jako on- line i off-line, przy czym znaczenie tych określeń różni się nieco od tego, do czego przyzwyczaili się informatycy. Terminem off-line określa się te urządzenia, w których w trybie normalnej pracy moc jest przekazywana bezpośrednio z sieci do komputera. UPS więc "nic nie robi", dopóki nie pojawi się sytuacja awaryjna, głównie zanik napięcia ale nie tylko. W zależności bowiem od wmontowanej w urządzenie logiki, reagować może UPS również na zmianę amplitudy lub częstotliwości). Wówczas rolę zasilacza przejmuje na siebie układ złożony z akumulatora i falownika (obwód służący do przetwarzania napięcia stałego na przemienne) i pełni ją tak długo, aż nie wyczerpie się energia akumulatora. W literaturze fachowej zasilacze off-line są nazywane SPS (Standby Power Supply).

UPS on-line wykorzystuje zasadę przeciwną do off-line. Tu bowiem adresat mocy, czyli komputer, ani przez chwilę "nie widzi" sieci energetycznej, jest od niej całkowicie odseparowany. Cała energia pobierana z sieci służy wyłącznie ładowaniu akumulatora, którego stałe napięcie jest od nowa przetwarzane na napięcie przemienne. Obwód główny UPS-a on- line składa się więc co najmniej z trzech części: prostownika, akumulatora i falownika. Widać od razu, że jest to rozwiązanie o wiele bardziej radykalne, za co skomplikowane i drogie. Również ograniczenia normatywne, związane z dopuszczalnym obciążeniem jednej fazy, dają się w tym przypadku łatwo ominąć, gdyż nie ma żadnego powodu, aby obwód wejściowy nie był trójfazowy, zaś wyjściowy jednofazowy.

Rozwój USP-ów typu on-line, pracujących w układzie prostownik-akumulator-falownik, przez wiele lat był hamowany wielkością i masą transformatorów. Od dawna jest to zresztą utrapieniem energetyki. Im bowiem większą moc transformatory te mają przenosić, tym bardziej masywny rdzeń trzeba zastosować. Przykładowo, transformator o mocy ok. 60 kVA musi ważyć ok. 1 tony. Nie można tu oczekiwać żadnych rewelacji technologicznych, jako że proporcja ta wynika z dość fundamentalnych praw fizyki magnetyków. Praktycznie jedynym sposobem zmniejszania rozmiarów transformatora jest stosowanie zwiększonej częstotliwości, jeżeli tylko okoliczności na to pozwalają. W UPS-ach on-line od paru lat stosuje się przetwornice wykorzystujące zasadę tzw. Pulse Width Modulation - modulacja (amplitudy - PWM) szerokością impulsu. Z grubsza biorąc, metoda PWM polega na tym, że na wejście transformatora wprowadza się ciąg impulsów prądowych o stałej amplitudzie, lecz szerokości zmieniającej się w takt sinusoidy. Wówczas, na wyjściu transformatora pojawi się napięcie o sinusoidalnym kształcie. W rezultacie zastosowania PWM transformator, mimo iż na jego wyjściu pojawia się przebieg sinusoidalny o częstości 50 Hz, pracuje na znacznie wyższych częstotliwościach, a więc może mieć znacznie mniejsze wymiary. Dokładniejsze objaśnienie mechanizmu zjawiska nie jest możliwe bez wspomożenia się analizą Fouriera.

Nowoczesne UPS-y on-line wyposażone są w wykorzystujące zasadę PWM przetwornice. Pracują one z częstotliwością do kilkudziesięciu kHz i masą zmniejszoną o ponad połowę. Trzeba też dodać, że oparte na technice PWM możliwości rozwojowe są na razie dalekie od wyczerpania.

Oprócz on-line i off-line, istnieje jeszcze trzecia zasada konstrukcyjna UPS-ów. W literaturze określa się ją jako "tri-port". Podstawę jego konstrukcji stanowi transformator sieciowy o trzech uzwojeniach. Dwa z nich tworzą zwyczajny transformator sieciowy, natomiast dodatkowe uzwojenie, umieszczone po stronie pierwotnej, pełni rolę kontrolno- interwencyjną. W jego obwodzie znajduje się akumulator oraz specjalny układ elektryczny, który w jedną stronę działa jako falownik, a w drugą jako prostownik. Uzwojenie to służy do wprowadzania napięcia korekcyjnego - które dodając się (lub odejmując) od napięcia zasilania - pozwala utrzymać stabilny poziom 220 V. W przypadku zaniku napięcia sieci obwód dodatkowy przejmuje na siebie obowiązek pełnego zasilania odbiornika. Po ustaniu zaniku napięcia akumulator zostaje doładowany przez układ falownik/prostownik.

Istnieje pewna niezgodność opinii, czy tri-port jest "on- line" czy "off-line". Z tego powodu do urządzeń on-line przylgnęła nazwa true on-line - prawdziwe on-line. Natomiast zasadę działania opisaną powyżej określa się często mianem interactive on-line.

Istnieje również odmiana tri-portu tzw. tri-port ferrorezonansowy, w której na uzwojeniu wyjściowym dołączono kondensator. Wraz z indukcyjnością wyjściową tworzy on układ rezonansowy o częstotliości własnej równej 50 Hz, a więc częstotliwości sieci. Zadaniem tego kondensatora jest krótkotrwałe podtrzymywanie napięcia po jego zaniku do chwili, gdy włączy się umieszczony w dodatkowym uzwojeniu układ trwałego podtrzymywania. Konstrukcja ta znacznie łagodzi stany przejściowe, eliminując krótkotrwały całkowity zanik napięcia, występujący w przypadku stosowania UPS-ów typu off-line.

Wady i zalety

Podstawowe wady i zalety poszczególnych typów UPS wynikają wprost z ich konstrukcji. I tak, UPS-om off-line przeważnie brak odporności na zmiany napięcia i częstotliwości, zakłócenia przemysłowe i obecność składowej stałej, aczkolwiek wady te mogą być częściowo usunięte przez rozbudowane układy towarzyszące oraz obecność filtrów sieciowych. Brak również zabezpieczeń sieci przed zakłóceniami generowanymi przez komputer. Przełączanie zasilania na wewnętrzny zasobnik energii zabiera trochę czasu, na ogół kilka lub kilkanaście tysięcznych sekundy, co już może spowodować nieprawidłowość w pracy komputera. Do zalet można zaliczyć wysoką, bliską 100% sprawność prznoszenia energii w trybie normalnym, a także, z uwagi na prostotę konstrukcji, niską cenę. Jest on więc odpowiedni w tych przypadkach, gdy komputer pobiera niewielką moc, zaś sieć energetyczna działa na ogół poprawnie.

Wśród zalet tri-portów należy wymienić przede wszystkim to, że układ nie tylko podtrzymuje pracę komputera przy zaniku napięcia w sieci, lecz jest również zdolny stabilizować jego wysokość. Tri-port ma też dużą sprawność przenoszenia energii w stanie normalnym, (która jednak znacznie spada w awaryjnym trybie pracy, o czym zwykle zapominają autorzy prospektów reklamowych). Podobnie jak off-line, nie eliminuje zakłóceń i zmian częstości. Konieczność stosowania dużego transformatora praktycznie ogranicza jego możliwości do kilku kVA mocy, gdyż stosowanie PWM nie jest w tri-porcie możliwe).

Z czysto technicznego punktu widzenia, UPS-y typu true on- line to skarbnice zalet. Wynika to z faktu pełnego oddzielenia obwodu wejściowego od wyjściowego, dzięki czemu nie są przenoszone żadne zakłócenia z zewnątrz, i co chroni sieć przed wpływem komputera. Z tego samego powodu urządzenia te mają wiele korzystnych cech eksploatacyjnych. Między innymi, pozostawiając konstruktorowi znaczną swobodę w projektowaniu elektrycznych parametrów wejścia i wyjścia, w znacznie mniejszym stopniu niż off-line "psują cosinus fi" nie obciążając sieci prądem jałowym, (czego bardzo nie lubią energetycy nadzorujący pracę elektrowni).

Dobre dopasowanie odbiornika energii do sieci ma jeszcze jeden poważny aspekt. Otóż właściciele dużych systemów komputerowych, którym szczególnie zależy na niezawodnym i nieprzerwanym ich działaniu (banki, służby policyjne i ratownicze, itp.) zakładają często awaryjne zasilanie w postaci agregatu prądotwórczego napędzanego silnikiem Diesla. Agregaty te są znacznie mniej odporne na wprowadzane przez odbiornik przesunięcia fazowe niż komunalno- przemysłowa sieć energetyczna. Dlatego też trzeba "przewymiarowywać" agregat, tzn. stosować maszynę silniejszą (a więc droższą i bardziej kosztowną w eksploatacji) niż to by wynikało z wielkości zapotrzebowania na energię. Przykładowo, odbiornik o kącie fazowym równym 0.7 (typowy UPS off-line) wymaga przewymiarowania w granicach 200-250%. Oznacza to, że ktoś, kto potrzebuje 200 kVA mocy, musi zainstalować agregat o mocy 500 kVA! W dodatku trzeba będzie położyć przewody o dwa razy większym przekroju. W przypadku dobrze dopasowanego odbiornika o kącie fazowym rzędu 0.9, wystarczy przewymiarowanie o 30-40%.

UPS prawdę wam powie

Rynek UPS-ów jest swego rodzaju papierkiem lakmusowym racjonalności wykorzystania komputerów w skali kraju. Dealerzy UPS-ów świetnie wiedzą, że rynek tego produktu gwałtownie rośnie, gdy w instytucjach dojrzewa świadomość, że ich powodzenie naprawdę zależy od sprawności działania systemów komputerowych.

Według oceny jednego z dystrybutorów, rynek UPS w Polsce jest obecnie ok. 10 razy mniejszy niż w Niemczech. Biorąc pod uwagę potencjał ekonomiczny obu krajów, nie jest to zły wynik. Popyt na UPS-y dotychczas skupia się jednak na kilku dużych, państwowych instytucjach, m.in. PKO i Ministerstwie Finansów. Po uwzględnieniu tej okoliczności, można dojść do wniosku, że duża część komputerów w Polsce jest w gruncie rzeczy niepotrzebna.

Doświadczeni dealerzy wiedzą jednak, że koniunktura na UPS-y jest echem koniunktury na komputery (podobnie jak kopiarki). Wiele firm rozpoczyna swą informatyzację od zakupu samych komputerów, nie zawsze nawet łącznie z oprogramowaniem. Dopiero, gdy poniosą pierwsze straty na skutek utraty ważnych danych, zaczynają się rozglądać za UPS-ami.

W Polsce znane są do tej pory głównie małe UPS-y off-line. Na ogół zaspokaja one potrzeby pojedynczych stanowisk PC, których znaczenie dla właściciela nie jest "mission critical", czyli decydujące o powodzeniu. Jednak w przypadku rozbudowanych sieci, pracujących na rzecz biznesu, trzeba dokładnie przeanalizować rzeczywiste potrzeby. Ceny UPS-ów należy wówczas odnosić nie tyle do cen sprzętu i oprogramowania, ile do potencjalnych strat, wymiernych i niewymiernych, jakie mogą być wynikiem niesprawności sieci energetycznej.

Powyższy przegląd daje tylko bardzo przybliżone pojęcie o właściwościach poszczególnych typów UPS-ów, bowiem do pełnej oceny trzeba byłoby wziąć pod uwagę wiele innych cech tych urządzeń. Współczesne UPS-y pełnią również cały szereg funkcji pomiarowo-kontrolnych, zaś programowe interfejsy UPS z komputerem powodują, że są to już właściwie specjalizowane komputery pokładowe, nadzorujące system od strony bezpieczeństwa zasilania. Wreszcie, przy wyborze właściwego urządzenia bardzo istotną rolę odgrywa również cena.

W najbliższych numerach CW zamieścimy przegląd ofert producentów UPS, obecnych na polskim rynku.