Welk UPS systeem?

Vormen en gevolgen van netstoringen:
Direct na het punt van opwekking is de kwaliteit van de elektrische energievoorziening in Nederland zeer goed te noemen, maar tijdens transport, distributie en gebruik kunnen er allerlei verstoringen optreden. Deze storingen zullen in meer of mindere mate invloed uitoefenen op het functioneren van de op de netspanning aangesloten apparatuur.

De meest voorkomende storingen zijn hoogfrequente (parasitaire) storingen. Deze komen in iedere omgeving voor en worden onder andere veroorzaakt door TL-buizen, schakelende voedingen lichtdimmers en andere fase- aansnijdende regelingen. Deze storingen zullen de levensduur van elektronische apparatuur verkorten, maar kunnen zelfs tot gevolg hebben dat er dataverminking optreedt.

Een extreme vorm van een korte parasitaire storing is blikseminslag. Deze kan direct op het betreffende pand, maar ook indirect plaatsvinden. Bij een directe inslag zal, door het optredende elektromagnetische veld, niet alleen het elektriciteitsnet, maar ook andere kabels en geleiders beïnvloed worden. Een indirecte inslag heeft meestal alleen een kortstondige, maar soms zeer hoge, netspanningpiek tot gevolg.

Spanningsfluctuaties komen meestal voort uit een overbelasting van het elektriciteitsnet. Het gelijktijdig inschakelen van zware verbruikers kan voor spanningsdalingen van enkele tientallen Volts zorgen. Dit komt bijvoorbeeld voor op industrie terreinen waar de aanpassing van de elektriciteitsvoorziening achterloopt ten opzichte van de groei van het energieverbruik. De sterkte van het net is hier de bepalende factor. Bij (te) lange leidingen of het gebruik van krap- of onder gedimensioneerde noodstroom aggregaten kan men reeds vooraf met spanningsfluctuaties (voornamelijk spanningsdalingen ofwel "sags") rekening houden.

Frequentievariaties komen in de Nederlandse netspanning niet voor. Echter bij het gebruik van noodstroom aggregaten die slecht geregeld en/of te klein zijn voor de aangesloten belasting kunnen frequentieschommelingen optreden. Deze zullen negatieve invloed hebben op de werking van de aangesloten apparatuur.

Micro-onderbrekingen ontstaan vaak door het schakelen van de energieleveranciers in het distributienetwerk, maar ook door kortsluitingen op het net. De eventuele gevolgen zijn afhankelijk van de duur van de onderbreking en de (condensator-)reserve in de netvoeding van het aangesloten apparaat. In den regel zullen onderbrekingen korter dan een kwart periode (5 m.s.) geen directe invloed hebben op de continuïteit.

Ten slotte bestaat het fenomeen van duidelijk constateerbare netonderbrekingen, ofwel netspanninguitval. De gevolgen zijn duidelijk. Alle apparatuur die van de netspanning afhankelijk is valt volledig uit.

Onbereikbaarheid via telefoon en fax, alsmede dataverlies, bestandsverminking en zelfs hardwareschade zoals het beschadigen van lees/schrijfkoppen van automatiseringsapparatuur, maar uiteraard ook het afbreken van soms langdurige analyses of experimenten, kunnen hiervan het gevolg zijn. Dit betekent tijdverlies door het herstarten en/of herstellen van apparatuur alsmede het herinstalleren van programmatuur en informatie. Daarmee zal dit voor iedere organisatie een financieel-economische gevolgschade betekenen en in de gezondheidszorg kan het zelfs een kwestie van leven of dood zijn.

De oplossingen:
Algemeen kan gesteld worden dat door het toepassen van een UPS veel van voornoemde netstoringen voorkomen kunnen worden. De UPS markt is echter zeer ondoorzichtig en er bestaan verschillende technische principes die ieder een bepaalde graad van beveiliging waarborgen en voor toepassing in een bepaalde situatie geëigend zijn. De keuze van een bepaalde UPS is in de praktijk veelal geen technische overweging, maar afhankelijk van commerciële en financiële aspecten. Vooral op basis van commerciële uitingen kan men niet goed doorgronden met welk type UPS men te maken heeft en zeker niet welke kwaliteit het product heeft.

UPS-principes:
De volgende uitleg van de bestaande UPS-principes en hun specifieke voor- en nadelen verstrekt inzicht in het aanbod op de UPS-markt en dient tevens als leidraad voor een weloverwogen keuze van het juiste systeem in specifieke situaties.

Off-Line UPS:
Een Off-Line UPS geeft de netspanning direct door aan de aangesloten apparatuur. Meestal is er een eenvoudig netfilter ingebouwd bestaande uit een RFI-filter en een piekspanning beveiliging (b.v. een Voltage Dependant Resistor). Zodra de ingangspanning beneden een bepaalde, soms instelbare, ondergrens komt zal het systeem omschakelen naar noodstroom bedrijf. De uitgangspanning zal dan geleverd worden vanuit een batterij via een omvormer. Zodra de netspanning weer binnen de tolerantie is zal de batterij herladen worden.
Voordelen Off-Line UPS:
De voordelen en tevens reden van bestaan voor een dergelijke technologie zijn voornamelijk de lagere bouwkosten. De omvormer werkt alleen gedurende de autonomietijd. Dit is meestal slechts zo'n 10 minuten. Derhalve kunnen de componenten kleiner gedimensioneerd worden en is een geforceerde koeling niet noodzakelijk. Dit heeft dus ook een reductie van afmetingen en gewicht tot gevolg. Verder zal er om dezelfde reden nauwelijks sprake zijn van dissipatie.
Nadelen Off-Line UPS:
Een van de nadelen van Off-Line systemen is het feit dat de uitgangspanning in batterijbedrijf meestal kanteel- of trapezoïdevormig is en dus niet geschikt is voor bijvoorbeeld lineaire voedingen. Het systeem heeft een netspanning uitvaldetectie- en omschakeltijd. Bij de kwalitatief betere fabrikaten zal deze omschakeltijd (engels: transfer time) 2ms tot 4 m.s bedragen. Bij sommige fabrikaten kan dit echter oplopen tot zelfs 20ms (één hele periode). Verder vindt de omschakeling naar batterijbedrijf niet bij ieder fabrikaat vlekkeloos plaats en kunnen er zelfs spanningsfluctuaties optreden.Door de geringe filteringcapaciteit en het ontbreken van enige vorm van netstabilisatie zal een Off-Line systeem geen bescherming bieden tegen ernstige piekspanningen en/of spanningsfluctuaties. Hierdoor is een Off-Line systeem ook absoluut ongeschikt om gevoed te worden door een aggregaat, ook vanwege het ontbreken van een frequentieregeling. Bij een onstabiele ingangsfrequentie zullen de betere Off-Line systemen omschakelen naar batterijbedrijf. Deze zal dan echter snel uitgeput zijn. Tegen een te hoge netspanning is veelal totaal geen bescherming ingebouwd.
Conclusie Off-Line UPS:
Een Off-Line UPS is bedoeld als goedkope basisbescherming voor minder bedrijfskritische automatiseringsapparatuur tegen voornamelijk netspanninguitval in omgevingen met een stabiele en betrouwbare netspanning.

Ferro-Resonante UPS:
De Ferro-Resonante UPS is een principe dat men steeds minder tegenkomt. Een van de belangrijkste oorzaken hiervan is de technische moeilijkheden om dit principe aan de CE-norm (EMC) te laten voldoen. Dit type UPS werkt met een grote transformator die in verzadiging gestuurd wordt (Constant Voltage Transformer principe). Het systeem lijkt wat betreft lijnschema op de Off-Line UPS, echter door de magnetische traagheid van het systeem zal de omschakeling onderbrekingsvrij plaatsvinden.
Voordelen Ferro-Resonante UPS:
De voordelen van de Ferro-Resonante techniek zijn de relatief lage bouwkosten. Deze worden echter enigszins tenietgedaan door de transformator. Verder is er door het CVT principe van de transformator sprake van enige spanningstabilisatie. De uitgangspanning is veelal sinusvormig en dus universeel toepasbaar.
Nadelen Ferro-Resonante UPS:
Bij een kortsluiting in de groep waarop deze UPS is aangesloten zal er een onderbreking plaatsvinden voor de omschakeling naar batterijbedrijf. De transformator zal slechts een beperkt filterende werking tegen parasieten en piekspanningen hebben en in sommige gevallen zelfs versterkend werken. Dit geldt ook bij een te hoge netspanning. Bij belastingvariaties zal het systeem uitgang-spanningfluctuaties vertonen. Dit type UPS is niet geschikt voor apparatuur met een "power factor" correctie. Net als de Off-Line UPS is dit principe niet geschikt voor voeding vanuit een noodstroomaggregaat of een onstabiele ingangsfrequentie. Een van de belangrijke nadelen van een Ferro-Resonante UPS is de warmtedissipatie in de transformator, vooral bij niet lineaire belastingen. Verdere nadelen zijn ook het relatief grote gewicht en de afmetingen.
Conclusie Ferro-Resonante UPS:
De Ferro-Resonante UPS is een type dat in steeds mindere mate voorkomt. De technologie is in feite achterhaald. Voor de toepassingen geldt hetzelfde als voor de Off-Line UPS.

Line Interactive UPS:
De Line Interactive UPS of Mains Interactive UPS is een doorontwikkeling van de Off-Line UPS. We onderscheiden twee soorten Line Interactive systemen. De ene soort is in feite een Off-Line systeem voorzien van een transformator met de mogelijkheid verschillende uitgangswikkelingen te kiezen. Hierdoor kan de ingangspanning binnen zekere grenzen gestabiliseerd worden. De andere soort wordt ook wel Single Conversion, Reversible UPS of Real Interactive UPS genoemd en zorgt met behulp van een microprocessor voor een nauwkeurige en directe reactie op ingangspanningvariaties. Helaas wordt het laatste type UPS ook veelal onterecht als On-Line UPS betitelt.
Voordelen Line Interactive UPS:
De techniek is goedkoper dan die van de echte On-Line UPS, maar biedt bijvoorbeeld wel al de mogelijkheid tot het reduceren van spanningsfluctuaties binnen bepaalde toleranties. De uitgangspanning in batterijbedrijf is bij de betere fabrikaten sinusvormig en derhalve universeel inzetbaar. De efficiency van een Line Interactive UPS systeem is bijzonder hoog bij een lineaire belasting en bij 100% belasting.
Nadelen Line Interactive UPS:
De efficiency van de meeste Line Interactive UPS systemen is bij lagere of niet lineaire belastingen slechter. De in de transformator gedissipeerde warmte wordt dan hoger. Verder biedt ook dit systeem geen bescherming tegen frequentievariaties en zal in dat geval naar batterijbedrijf omschakelen. Bij sommige systemen is er zelfs sprake van een omschakeltijd.
Conclusie Line Interactive UPS:
De belangrijkste argumenten voor het Line Interactive principe zijn de relatief lage bouwkosten en de hoge efficiency. Dit laatste argument gaat echter alleen op bij 100% (lineaire) belasting, maar dit is geen reële praktijksituatie. Bij lagere belastingen zal de efficiency ook slechter worden. Wat betreft toepassing kunnen we de Line Interactive UPS vergelijken met de Off-Line UPS en indien de uitgangspanning bij batterijbedrijf sinusvormig is voor alle soorten belastingen inzetbaar.

On-Line UPS:
De (True) On-Line UPS werkt anders dan alle voorgaande typen. In feite is dit het enige principe dat de naam UPS waarmaakt. UPS staat voor Uninterruptible Power Supply ofwel onderbrekingsvrij voedingssysteem. De uitgangspanning wordt volledig elektronisch gegenereerd door een omvormer. Bij moderne On-Line UPS gebeurt dit met hoogfrequente pulsbreedte modulatie. De ingangspanning wordt gelijkgericht en er wordt een batterij onder bufferlading gehouden. Bij netspanninguitval zal het systeem de batterij gaan ontladen in plaats van opladen. Er is dus geen sprake van een omschakeltijd.Omdat het uitgangsvermogen van de omvormer gelimiteerd is, zal in het geval van een (kortstondige) overbelasting bij de betere On-Line UPS de omvormer in zijn kortsluitbeveiliging gaan. Dit betekent echter een daling van de uitgangspanning. Om dit te voorkomen en als extra fail/save mechanisme zal een goede On-Line UPS voorzien zijn van een statische bypass schakelaar. Deze statische schakelaar kan, dankzij netsynchronisatie van de omvormer, zorg dragen voor een onderbrekingsvrije omschakeling naar de netspanning.
Doordat de uitgangspanning en -frequentie volledig onafhankelijk zijn van die aan de ingang van de UPS, beschermt dit principe tegen alle vormen van netstoringen.
Voordelen On-Line UPS:
De belasting is gevrijwaard van alle vormen van netstoringen, zelfs frequentievariaties. Derhalve is dit systeem ook als enige geschikt voor aggregaatspanning. Ondanks dat de efficiency van een On-Line UPS bij 100% belasting vaak enkele procenten ongunstiger is dan die van een Line Interactive UPS, heeft deze wel een relatief vlakke efficiency curve. Bij lagere belastingen (dit is meestal de praktijk) zal de efficiency veel hoger zijn dan die van een Line Interactive UPS systeem.Door de vele conversie- en filteringstappen tussen de in- en uitgang van het systeem is de belasting ook gevrijwaard van spanningspieken.De omvormer werkt continu en men hoeft dus niet pas bij een netspanninguitval er achter te komen dat de omvormer niet meer functioneert, zoals dit bij alle voorgaande systemen het geval kan zijn.
Nadelen On-Line UPS:
Het enige "nadeel" dat aan een True On-Line UPS kleeft zijn de hogere initiële kosten.
Conclusie On-Line UPS:
De On-Line UPS is universeel inzetbaar en biedt een optimale bescherming tegen alle vormen van netstoringen. Voor bedrijfskritische apparatuur is dit dus de uitgelezen oplossing.De hogere kosten wegen ruim op tegen de zekerheden die een dergelijke UPS biedt.

Algemene adviezen voor de keuze van een UPS:
Bij de keuze van een UPS(-principe) kunnen, naast algemene commerciële en servicetechnische aspecten, een aantal zaken van belang zijn. Hier volgt een opsomming van een aantal aandachtspunten die de keuze kunnen vereenvoudigen.

•Welk aangesloten vermogen dient beveiligd te worden en hoe ziet de eventuele groei eruit?

Een kwalitatief goede UPS heeft een technische levensduur van meer dan 5 jaar. Bij de keuze van het vermogen van de UPS is het dus verstandig om rekening te houden met de groei van de organisatie. Uiteraard is het ook van belang om de gewenste autonomie (batterij backup tijd) te bepalen.

•Welke connectivity mogelijkheden zijn er?

Veel UPS systemen bieden de mogelijkheid om te communiceren met aangesloten automatiseringsapparatuur. Hierdoor kunnen bijvoorbeeld file-servers volledig automatisch veilig afgesloten worden. Momenteel zijn er zelfs mogelijkheden om de communicatie volledig via het netwerk te laten verlopen met het SNMP protocol.

•Heeft het systeem een automatische batterijtest?

Indien een UPS een automatische batterijtest heeft bestaat er altijd zekerheid omtrent de beschikbaarheid van de batterij en daarmee de UPS. Deze staat bij ieder principe alleen onder (buffer-)lading bij normaal netspanningbedrijf. De batterij kent een (chemische) veroudering en zal in capaciteit teruglopen.