Transformatory są kluczowymi elementami architektury zasilania gwarantowanego (UPS – Uninterruptible Power Supply, EPS – Emergency Power Supply), stanowiąc fundament niezawodności i bezpieczeństwa w infrastrukturze krytycznej. Ich rola wykracza poza prostą konwersję napięcia; działają one na polu aktywnej gwarancji stabilności, zwłaszcza w obliczu zakłóceń w sieci głównej.

 

Spis treści

• Fundamentalna rola i izolacja galwaniczna
• Kryterium wyboru a bezpieczeństwo pożarowe
• Kluczowe wyzwanie - obciążenia nieliniowe i współczynnik K
• Sprawność energetyczna i trendy rozwojowe

Fundamentalna rola i izolacja galwaniczna

Transformatory zapewniają stabilność napięcia, niezbędną dla prawidłowego funkcjonowania wrażliwych odbiorników, takich jak serwery, zaawansowane urządzenia medyczne czy systemy sterowania przemysłowego. W systemach UPS element ten funkcjonuje jako element pośredni pomiędzy magazynami energii (bateriami) a obciążeniami, umożliwiając bezpieczny i nieprzerwany transfer mocy w sytuacjach awaryjnych.

Kluczową zaletą technologiczną transformatorów separacyjnych jest izolacja galwaniczna. Izolacja ta zapewnia fizyczną separację obwodu zasilającego od odbiorników. Jej rola jest dwojaka:

• Tłumienie zakłóceń: Skutecznie przerywa drogę przenoszenia do systemu zasilania zarówno nisko-, jak i wysokoczęstotliwościowych zakłóceń typu EMI/RFI.
• Optymalizacja kosztów: Umożliwia zastosowanie w podzespołach energoelektronicznych (np. przekształtnikach) tranzystorów o niższej klasie napięciowej, które są zwykle mniej kosztowne, z dopasowaniem napięcia realizowanym przez przekładnię transformatora.

Systemy z wbudowanym transformatorem wspierają zazwyczaj topologię VFI (Voltage and Frequency Independent), zdefiniowaną w normie PN-EN IEC 62040-3. Oznacza to, że napięcie i częstotliwość wyjściowa są całkowicie stabilne i niezależne od wahań parametrów w sieci wejściowej.

Kryterium wyboru a bezpieczeństwo pożarowe

Wybór typu transformatora musi być podyktowany specyfiką instalacji, przy czym bezpieczeństwo pożarowe jest czynnikiem krytycznym.

• Transformatory Suche (Żywiczne): Są to urządzenia referencyjne dla wewnętrznej infrastruktury krytycznej (Indoor), takiej jak centra danych czy szpitale. Uzwojenia są zalewane żywicą epoksydową, co zapewnia doskonałą izolację, eliminuje potrzebę stosowania łatwopalnego oleju oraz minimalizuje ryzyko pożaru. Zapewniają również wysoką odporność na wilgoć i minimalne wymagania konserwacyjne. Są zgodne z normami takimi jak IEC 60076 i EN 50588.
• Transformatory Toroidalne: Charakteryzują się kompaktową budową (mogą być lżejsze nawet o 50% w stosunku do standardowych modeli) oraz wysoką efektywnością energetyczną. Dzięki minimalnym zakłóceniom elektromagnetycznym i cichej pracy, są idealne do precyzyjnej aparatury medycznej, takiej jak tomografy czy USG.
• Transformatory Olejowe: Choć niewskazane w większości instalacji wewnętrznych ze względu na ryzyko pożarowe, są stosowane do obsługi bardzo dużych mocy znamionowych (od 500 kVA do 10 MVA i więcej) w zewnętrznych stacjach zasilania gwarantowanego (EPS).

Kluczowe wyzwanie - obciążenia nieliniowe i współczynnik K

Nowoczesne obciążenia zasilane przez UPS, zwłaszcza serwery i sprzęt IT, wykorzystują zasilacze impulsowe (prostowniki), które pobierają prąd w sposób nieliniowy. Generuje to prądy harmoniczne, które prowadzą do nadmiernych strat cieplnych w uzwojeniach i rdzeniu transformatora. Standardowy transformator zaprojektowany dla obciążeń liniowych (K1) ulegnie przedwczesnej awarii termicznej w takim środowisku.

Dla infrastruktury IT i energoelektroniki konieczne jest stosowanie transformatorów o podwyższonej odporności cieplnej, mierzonej Współczynnikiem K (K-factor). Transformator o odpowiednim K-factor jest zaprojektowany tak, aby wytrzymać dodatkowe obciążenia termiczne spowodowane harmonicznymi.

• Wymóg techniczny dla Centrów Danych i Serwerowni: Transformatory muszą posiadać K-factor minimum K13.
• Normy: Zgodność musi być potwierdzona testami zgodnymi z IEEE C57.110 i UL 1561.

Sprawność energetyczna i trendy rozwojowe

Nowoczesne transformatory osiągają efektywność konwersji w zakresie 95% do 98%. Taka wysoka sprawność jest wynikiem dążenia do minimalizacji strat mocy (w rdzeniu i uzwojeniach), wymuszonego przez regulacje, m.in. unijne Rozporządzenie 548/2014 (Etap II). Kluczowym miernikiem jakości jest zdolność do utrzymania wysokiej sprawności nawet przy obciążeniu częściowym.

Obecne trendy technologiczne koncentrują się na:

• Miniaturyzacji: Dzięki technologii toroidalnej i zaawansowanym materiałom, transformatory są mniejsze i lżejsze, co ułatwia integrację w kompaktowych systemach UPS.
• Inteligentnym Monitorowaniu: Wdrażane są systemy IoT umożliwiające bieżącą kontrolę krytycznych parametrów pracy (temperatura, obciążenie, harmoniczne) oraz szybką diagnostykę predykcyjną.
• Cyberbezpieczeństwie: W miarę integracji systemów UPS ze sterowaniem operacyjnym (OT) i IT, wzmacniane są protokoły bezpieczeństwa i szyfrowana transmisja danych dla ochrony systemów monitorujących.

Transformator w systemie zasilania gwarantowanego to strategiczny element, którego dobór musi opierać się na dokładnej analizie obciążeń nieliniowych (K-factor), warunków środowiskowych (transformatory suche) oraz najwyższej sprawności, zgodnie z rygorystycznymi standardami technicznymi IEC 60076.