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