دلایل استفاده از UPS چیست؟

دلایل استفاده از UPS چیست؟

یوپی ­اس­ ها برای مقابله با مشکلات برق AC سیستم­ها طراحی و ساخته می­شوند. این وسایل می­توانند از محدوده چند صد ولت­آمپر (VA) برای حفاظت رایانه شخصی و معمولی تا چند میلیون ولت­آمپر(MVA) برای مراکز رایانه ­ای، مخابراتی و صنعتی بزرگ طراحی، ساخته و به بازار عرضه شوند.

مشکلات موجود در برق شهر:

قطع برق شهر (Black Out)

در صورت بروز چنین مشکلی،UPS با استفاده از باتری می تواند تا زمان وجود انرژی ذخیره­شده در آن، توان مصرفی تجهیزات را فراهم آورد.

کاهش ناگهانی ولتاژ (power sag)

معمولاً این پدیده بر اثر راه ­اندازی بارهای الکتروموتور در شبکه برق به وجود می­ آیدکه باعث خطای عملکرد،Crash کردن،Reset شدن سیستم­ های کامپیوتری و قفل کردن صفحه­ کلید می­شود. در صورت بروز چنین پدیده­ ای در شبکه برق،USP به­ صورت لحظه­ای عمل کرده و توان مصرفی تجهیزات را با استفاده از باتری تأمین می­کند و پس از رفع اشکال در برق شهر به وضعیت عادی برمی­ گردد.

افت طولانی ولتاژ (Brown out)

در صورت بروز چنین مشکلی، عملکرد UPS مشابه حالت قطع برق است. برای رفع این نقص، از استابیلایزر (تثبیت­کننده ولتاژ) استفاده می­شود تا کاهش ولتاژ را جبران نماید و مصرف­کننده­ هایی را که حتی به UPS متصل نیستند، تحت پوشش قرار دهد.

افزایش شدید و ناگهانی ولتاژ(Spike & Surge)

این پدیده در اثر رعدوبرق و عمل سوئیچینگ در شبکه برق به وجود می ­آید که در اثر آن ممکن است ولتاژ به­ صورت ناگهانی تا چندین برابر ولتاژ نامی شبکه بالا رود. معمولاً در UPSها، مدارهای محافظتی قرار داده می­شود تا انرژی ناشی از این افزایش ولتاژ را حذف کرده و از اعمال آن به تجهیزات جلوگیری شود.

افزایش طولانی ولتاژ (Over Voltage)

اگر افزایش ولتاژ مدت­ زمان زیادی ادامه داشته باشد، ممکن است به بعضی از قطعات حساس سیستم­ های سخت­افزاری آسیب وارد کند. در این وضعیت،UPS تأمین­ کننده برق مصر ف کننده ­ها خواهد بود و از اتصال برق شهر به مصرف­ کننده­ ها ممانعت می­کند. در ضمن،معمول­ترین روش برای رفع این معضل استفاده از استابیلایزر است.

نویز (Noise)

معمولاً در شبکه برق مصرف­کننده­ هایی نظیر اجاق­ های ماکروویو وجود دارند که باعث ایجاد نویز و تداخل الکترومغناطیسی در خطوط برق شهر می­شوند. برای پیشگیری از این مشکل، در UPSها بخشی به نام فیلتر در نظر گرفته می­شود تا اثرات ناشی از نویز و تداخل را تا حد زیادی کاهش دهد.

معرفی دستگاه UPS

مخفف کلمات Uninterruptible Power Supply یا همان منبع تغذیه بدون وقفه است. وسیله الکترونیکی که برای حفاظت بارهای حساس و نیز سیستم‌های الکترونیکی، مخابراتی و غیره مورد استفاده قرار می­گیرد.

یک UPS از چهار بخش اصلی تشکیل می‌شود:

1-یکسوکننده/ شارژ

1.Rectifire/Charger

2- باتری

2.Battery

3- مبدل DC به AC

3.Inverter

4- کلیدها

4.Static Switch

اصول کار یک UPS در ساده­ترین حالت بدین‌صورت است که بار در حالت عادی از ورودی AC تغذیه می­کند و هم­زمان شارژر با یکسوسازی ورودی AC و تبدیل آن به جریان DC باتری را شارژ می­کند. به محض اینکه ورودی AC قطع شود، اینورتر با تبدیل ولتاژ DC باتری به برق AC، ولتاژ بار را بدون ایجاد وقفه در تغذیه بار تأمین می­کند. در حال حاضر، طبق استاندارد UPSها دارای تکنولوژی­ های ساخت زیر هستند:

●Passive Stand by

●Line – Interactive

●Double Conversion


UPSبا توپولوژیPassive standby

شکل زیر، نوع UPS با تکنولوژی نامبرده را نشان می­دهد. همان­طور که دیده می­شود، اینورتر به­صورت سری وصل شده است و به­ سادگی کمک­ کننده پشتیبانی تغذیه اصلی خواهد بود.

وقتی ولتاژ تغذیه ورودی AC از محدوده­ های مشخص ­شده خارج/قطع شود، اینورتر UPS با استفاده از باتری فعال شده و تداوم تغذیه بار را با زمان سوئیچینگ خیلی کوتاه (عموماً کمتر از 10 میلی­ثانیه) در حالت انرژی ذخیره­شده تضمین می­کند. بار مستقیماً به اینورتر یا از طریق سوئیچ UPS(که می­تواند الکترونیکی/الکترومکانیکی باشد) منتقل می­شود.

UPSدر مدت ­زمان پشتیبانی روی تغذیه باتری به کار ادامه می­دهد. زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی AC به محدوده­ های مشخص­ شده تبدیل/وصل شود،UPS به حالت عادی خود برمی­گردد.

مزایای این نوع UPS عبارت­ اند از:

● طراحی ساده

● قیمت پایین

● اندازه کوچک

معایب آن عبارت ­اند از:

● عدم ایزولاسیون واقعی بار از سیستم توزیع برق اصلی

● زمان سوئیچ زیاد

● عدم تنظیم ولتاژ و فرکانس خروجی

● عدم تنظیم فرکانس خروجی که به تغذیه اصلی ورودی AC بستگی دارد.

این نوع UPS در بازار اغلب به UPS نوع Off-Line معروف شده است.

این نوع توپولوژی فقط برای نرخ­های توان پایین (کمتر از 10KVA) قابل استفاده است و برای تبدیل و تغییر فرکانس نمی­تواند استفاده شود.

UPSبا توپولوژیLine – interactive

شکل زیر،UPS با توپولوژی Line – interactive را نشان می­دهد. در این توپولوژی، اینورتر به­صورت موازی وصل شده است و با استفاده از منبع تغذیه پشتیبان عمل نموده و باتری را شارژ می­کند. به ­واسطه عملکرد برگشت­ پذیر با منبع تغذیه اصلی به ­صورت متقابل عمل می­کند. از این نظر، توپولوژی­های Delta Conversion,AVR, Boot/Buck رایج در بازار در گروه Line-Interactive قرار می­گیرند.


برای این نوع UPS،استانداردها سه حالت عملکرد را تعریف می­کنند:

● حالت عادی

بار با تغذیه اصلی محدودشده از طریق اتصال موازی اینورتر UPS با تغذیه AC اصلی تغذیه می­شود. در این حالت، فرکانس خروجی به فرکانس ورودی اصلی AC وابسته است.

● حالت انرژی ذخیره

وقتی‌که ولتاژ تغذیه ورودی AC از محدوده­های از قبل تنظیم­ شده UPS خارج/قطع شود، اینورتر و باتری تداوم تغذیه بار را حفظ می­کند. سوئیچ (برای مثال، یک سوئیچ استاتیک) تغذیه ورودی AC را برای پرهیز از تغذیه برگشتی از اینورتر قطع می­کند. در این حالت،UPSدر مدت­زمان انرژی ذخیره­ شده کار می­کند تا زمانیکه تغذیه ورودی AC وصل و یا به محدوده ­های طراحی UPS بازگردد. در این حالت،UPS به حالت عادی عملکرد خود برمی‌گردد.

● حالت بای­ پس

این حالت UPS می­تواند شامل یک مسیر بای­پس نگه­داری باشد. در هنگام بروز عیب داخلی در UPS، بار می­تواند مستقیماً و از طریق این مسیر بای­پس به ورودی­های بای­پس وصل شود.

ویژگی­ ها:

-عموماًنسبت به مدل­های مشابه آنلاین ارزان­تر (بین 30 تا 60 درصد)هستند.

-در صورت وجود برق شهر، خروجی یو­پی­اس مستقیماً از برق شهر تأمین می­شود؛ با این تفاوت که یک ترانس افزاینده و کاهنده وظیفه تنظیم دامنه ولتاژ خروجی را بر عهده دارد.

-در حالت باتری، تقریباًمشابه مدل آنلاین کار می­کند.

-این مدل برای کاربردهایی مانند کامپیوترهای شخصی، دوربین، درب برقی و غیره استفاده می­شود.

-عموماً تک­فاز ورودی و تک­فاز خروجی هستند.

UPSبا توپولوژیDouble Conversion

شکل زیر،UPS با توپولوژی Double Conversion را نشان می­دهد. اینورتر به­صورت سری در بین ورودی AC و بار وصل شده است.تغذیه بار به­ صورت پیوسته و از طریق اینورتر ادامه می­یابد. 


برای این نوع UPS،استانداردها سه حالت عملکرد را تعریف می­کنند:

● حالت عادی

به­ طور پیوسته تغذیه از طریق ترکیب یکسوساز/ شارژ-اینورتر که تبدیل دوگانه AC-DC-AC را انجام می­دهند،صورت می­گیرد که دلیل نام­گذاری آن نیز از این قسمت مشخص می­شود.

● حالت انرژی ذخیره ­شده

وقتی‌که ولتاژ ورودی AC از محدوده­ های از قبل تنظیم ­شده UPS خارج شود/قطع شود، اینورتر و باتری برای پشتیبانی تغذیه بار به کار ادامه می­دهد. در این حالت،UPS تا مدت­ زمان انرژی ذخیره­ شده به کار ادامه می­دهد و یا تا زمانیکه تغذیه ورودی AC به محدوده­ های از قبل تنظیم­ شده UPS بازگردد. در این صورت، به حالت عادی خود برمی­گردد.

● حالت بای ­پس

این نوع UPS، عموماً به یک مسیریابی بای­ پس استاتیک (اغلب به نام یک سوئیچ استاتیک) تجهیز می­شود. اگر این بای­ پس استاتیک در UPS وجود داشته باشد، بار از این طریق می­تواند بدون قطعی و تحت شرایط زیر به بای­ پس AC منتقل شود:

● عیب داخلی UPS

● ناپایداری­ های جریان بار

● اضافه ­بارها

● اتمام زمان پشتیبانی باتری

به­ هر­حال، وجود یک بای­ پس دلالت بر این داردکه باید فرکانس­های ورودی و خروجی معادل باشند و ترانسفورماتور در بای­ پس نصب شود درحالی­که ولتاژهای ورودی و خروجی یکسان نباشند.UPSباید با منبع تغذیه AC بای ­پس برای تضمین انتقال بار بدون قطعی تغذیه هم­زمان شود. لازم به ذکر است که معمولاًمدار دیگری به نام بای ­پس نگه­داری برای تضمین انتقال بار بدون قطعی تغذیه و با هدف نگه­داری UPS ارائه می­شود که عملکرد آن توسط یک سوئیچ دستی انجام می­گیرد.

● مزایا

این نوع UPS دارای مزایای بسیاری به شرح ذیل است:

● حفاظت پیوسته بار از طریق اینورتر فراهم می­شود؛ خواه تغذیه بار از ورودی ACیا از باتری نشئت گرفته باشد.

● ایزولاسیون بار از سیستم توزیع برق که نتیجه انتقال هرگونه نوسانات مانند جهش­های جریان و اضافه ­ولتاژ را به طرف بار حذف می­کنند.

● محدوده­ های وسیع ولتاژ ورودی و تنظیم دقیق ولتاژ خروجی

● تنظیم دقیق فرکانس ورودی و امکان عملکرد UPS به­ عنوان مبدل فرکانس (اگر که با این منظور پیکربندی شود) با غیرفعال کردن سوئیچ استاتیک

● سطوح کارایی بسیارعالی تحت شرایط حالت گذار و حالت دائم

● انتقال آنی به حالت انرژی ذخیره­ شده در هنگام بروز خرابی در منبع تغذیه AC

● انتقال بدون وقفه به حالت بای ­پس

عیب این نوع UPSها در قیمت بالای آن­هاست که با وجود مزایای زیاد جبران می­شود.

کامل­ترین توپولوژی به­ منظور حفاظت بار، امکانات تنظیم و سطوح کارایی بالا توپولوژیDouble Conversionاست که در بازار به تکنولوژی ON-LINE معروف است. این نوع توپولوژی، عملکرد بدون وقفه را در انتقال ­های بار از حالت نرمال به حالت بای­پس و برعکس ممکن می­سازد که این کار با استفاده از سوئیچ استاتیک انجام می­شود. همچنین،این نوع UPS عدم وابستگی کامل ولتاژ و فرکانس خروجی را به ولتاژ و فرکانس ورودی تضمین می­کنند. به­واسطه مزایای زیاد این­گونه UPSها، اغلب برای حفاظت بارهای بحرانی و کاربردهای حساس با نرخ­های توان بالا استفاده می­شوند.


پارامترهای مهمی که لازم است در هنگام خرید UPS به آن توجه شوند، کدام هستند؟

بازه ولتاژ و فرکانس ورودی

هرچقدرمحدوده ورودی ولتاژ و فرکانس بیشتر باشد، نشان­دهنده توانایی UPS در رفع مشکلات عنوان ­شده درورودی برق شهر است.

شکل­ موج خروجی

UPSهای موجود در بازار دارای سه نوع شکل ­موج هستند:

1. شکل ­موج مربعی

2. شکل ­موج شبه­سینوسی

3. شکل­ موج سینوسی

درمورد مصارف قدرت کم و متوسط و دستگاه­های غیرحساس، شکل ­موج­ های مربعی یا شبه ­سینوسی تا اندازه­ای قابل­ قبول است. برای مصارف قدرت زیاد و دستگاه­ های حساس شکل موج سینوسی یا نویز پایین لازم است.

فرکانس خروجی

هرچقدر فرکانس خروجی 50HZ نزدیک­تر و دارای تلورانس کمتری باشد،UPS به ایده ­آل نزدیک­تر خواهد بود.

رگولاسیون ولتاژ خروجی

رگولاسیون به معنای تثبیت ولتاژ خروجی است. به­ طور مثال، رگولاسیون 220V± 2% یعنی ولتاژ خروجی بین 215.6V-242.4Vاست.

(THD) Total Harmonic Distortion

THD معیاری برای تشابه بین شکل ­موج سیگنال با شکل­ موج اصلی است. هرچه مقدار THD کمتر باشد، کیفیت شکل­ موج خروجی اینورتر بیشتر است. جهت بهبود کیفیت شکل­ موج خروجی اینورتر می­توان از فیلترها استفاده کرد و درواقع، هارمونیک اصلی را از دیگر هارمونیک ­ها جدا نمود. وجود بارهایی که از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می­کنند، به دلیل ایجاد هارمونیک در شبکه، باعث داغ شدن سیم ­های نول و به دنبال آن باعث بروز گرما در سیستم برقی می­شوند؛ بنابراین،درمکان‌هایی که تعداد دستگاه ­های کامپیوتری زیادی دارند، توصیه می­شود از UPS با THD جریان ورودی پایین مثلاً کمتر از 10% استفاده شود.

Crest Factor

نسبت مقدار اوج Peak به مقدار RMS (مقدار مؤثر شکل­ موج) یک کمیت متناوب است که آن را ضریب اوج گویند. این ضریب در جریان با شکل ­موج مربعی برابر با 1،در یک موج سینوسی برابر با 1/4 و در منابع تغذیه کامپیوتر­های معمولی بین 2 تا 3 است.

نسبت مقدار پیک به مقدار مؤثر شکل موج را Crest Factor می­گویند.

با توجه به نوع جریان کامپیوتر، عموماً در این­گونه از مدارات جریان متوسط بار کمتر از جریان نامی ترانزیستور بوده ولی جریان لحظه ­ای عموماً از جریان نامی بالاتر و محدود به جریان تکرارشونده می­شود. حال، در­صورتی­که بتوان به نحوی پیک جریان بار را محدود و یا هارمونیک ­های فرکانس بالای آن را حذف نمود، می­توان محدودیت فوق را کاهش داد. عموماًاین فیلترها در یو­پی­ اس ­هایDouble Conversion وجود دارد اما ترانسفورماتور در یو­پی ­اس ­های Double Conversion(که طراحی آن­ها بر اساس ترانس صورت گرفته) می­تواند به­ طور خاص به­ عنوان بهترین فیلتر عمل نموده و این هارمونیک­ را تا حدود زیادی کاهش دهد. این کار در عمل یعنی بالارفتن Crest Factor خروجی یوپی ­اس و نیز ایمنی بیشتر سوئیچ­ های قدرت اینورتر.

زمان انتقال Transfer Time

مدت­ زمانی است که UPS از برق شهر به اینورتر سوئیچ می­نماید که هرچقدر به صفر نزدیک­تر باشد، ایده ­آل ­تر خواهد بود. این زمان برای UPS های Double Conversion صفر است.

Efficiency

نسبت انرژی دریافتی به انرژی برگشتی که در­واقع همان ضریب بهره ­وری UPS است.

Backup time

زمان موردنیاز برای وضعیتی است که برق شهر قطع شده و لازم است برای تغذیه بار مصرفی از انرژی ذخیره­ شده در باتری استفاده شود که بسته به باتری،این زمان کم و زیاد می­شود. UPS ممکن است دارای باتری داخلی یا خارجی با محفظه باتری باشد.

Weight & Size

 سایز و حجم دستگاه براساس مکان استفاده می­تواند متفاوت و در بحث حمل­ و نقل/خدمات مهم باشد.

Wave Shape & Technology

یکی از پارامترهای مهم در انتخاب UPS مناسب، تکنولوژی ساخت آن بوده که توضیحات آن در قسمت قبل بصورت کامل بیان شد.

چنانچه بخواهیم منابع تغذیه دستگاه­ های مورد استفاده بسیار حساس باشد، هیچ­گونه نویز یا اعوجاجی به آن وارد نشود و شکل­ موج خروجی به­ صورت سینوسی کامل، بدون قطعی و بدون وابستگی به ولتاژ ورودی لازم باشد، توصیه می­شود که از UPSهای آنلاین استفاده شود.چنانچه ورود نویز یا تغییر شکل موج خروجی سیستم از درجه اهمیت کمتری برخوردار است،UPSهای Line-Interactive توصیه می­شود.

Rated power(VA)

توان نامی دستگاه، پارامتری است که از دو راه می­توان مقدار آن را محاسبه و سپس دستگاه مناسب را خریداری نمود.

روش اول: مجموع مقادیر توان دستگاه ­های مصرفی بر حسب وات را محاسبه نموده و برPower Factorدستگاه تقسیم می­نماییم. عدد به ­دست­ آمده مقدار توان مصرفی بر حسب ولت‌آمپر (VA)خواهد بود.

روش دوم:ولتاژ شبکه برق (230 ولت)* جریان فیوز دستگاه