انواع سیستم های برق بدون وقفه (UPS) – بخش اول
سردرگمی زیادی در بازار در مورد انواع متفاوت سیستم های برقبدون وقفه (UPS) و مشخصات آن ها وجود دارد. در این مطلب سعی می گردد تا هر نوع از این UPS ها به نحو مطلوب معرفی شوند، کاربردهای عملی هر کدام تشریح و مزایا و معایب آن ها لیست گردد. با این اطلاعات، در صورت نیاز به این سیستم ها می توان تصمیمی درست برای انتخاب توپولوژی و ساختار مناسب (Uninterruptible Power Supply) UPS اتخاذ نمود.
تعریف
انواع مختلف UPS و ویژگی های آن ها اغلب باعث ایجاد سردرگمی در انتخاب مدل مناسب برای مراکز داده (Data center) می شود. به عنوان مثال، در این صنعت به طور شایعی به این اعتقاد دارند که تنها دو نوع سیستم UPS به نام های standby UPS (یو پی اس استندبای یا آماده به کار) و on-line UPS (یو پی اس آنلاین یا در مدار) وجود دارد. این دو اصطلاح رایج مورد استفاده، بسیاری از سیستم های UPS موجود را به درستی توصیف نمی کنند.
خیلی از کج فهمی ها در مورد سیستم های UPS، زمانی که انواع مختلف توپولوژی سیستم های UPS به درستی تعریف شوند برطرف می شود. در اینجا رویکردهای طراحی مرسوم شامل توضیح مختصری در مورد اینکه هر توپولوژی چگونه کار می کند مرور می شود. این موضوع به شما کمک می کند که سیستم ها را به درستی شناسایی و مقایسه کنید.
انواع UPS
رویکردهای طراحی متفاوتی برای پیاده سازی سیستم های UPS مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام دارای ویژگی های متمایز عملکردی هستند. رایج ترین انواع آن ها عبارتند از:
- Standby
- Line Interactive
- Standby on-line hybrid
- Standby-Ferro
- Double Conversion On-Line
- Delta Conversion On-Line
Standby UPS
UPS استندبای یا یو پی اس آماده به کار، رایج ترین نوع مورد استفاده برای رایانه های شخصی می باشد. در بلوک دیاگرام به تصویر کشیده شده زیر، ترانسفر سوییچ (کلید تغییر وضعیت) در حالت عادی، برای انتخاب ورودی برق AC فیلتر شده به عنوان منبع برق اصلی تنظیم شده است (مسیر خط ممتد)، و در زمان قطع منبع برق اصلی، به وضعیت باتری/اینورتر به عنوان منبع پشتیبان (backup source) تغییر وضعیت می دهد. وقتی این اتفاق رخ می دهد، سوییچ تغییر وضعیت یا همان ترانسفر سوییچ (Transfer Switch) برای تغذیه بار از طریق منبع برق پشتیبان باتری/اینورتر (مسیر خط چین) باید عمل نماید و تغییر وضعیت دهد. اینورتر تنها زمانی شروع به کار می کند که برق ورودی (شهر) قطع شود و بنابراین نام این نوع سیستم “Standby” می باشد.
Line Interactive UPS
UPS خط تعاملی یا Line Interactive، به تصویر کشیده شده در شکل زیر، رایج ترین طرح مورد استفاده برای کارهای کوچک، سرورهای وب و اداری می باشد. در این طراحی، مبدل باتری به برق AC (battery-to-AC power converter) یا همان اینورتر (Inverter) به طور دائمی و پیوسته به خروجی UPS (بار) متصل می باشد. زمانی که برق ورودی AC در وضعیت نرمال قرار دارد (برق شهر وصل است)، اینورتر به صورت معکوس عمل نموده و شارژ باتری را تأمین می نماید.
زمانی که برق ورودی قطع می شود (برق شهر)، ترانسفر سوییچ یا سوییچ تغییر وضعیت، باز می شود و برق از طریق باتری به سمت خروجی UPS جریان می یابد. با اینورتر همیشه روشن و متصل به خروجی، این طراحی فیلترینگ مضاعفی فراهم می آورد و در نتیجه در مقایسه با توپولوژی UPS استندبای منجر به کاهش حالات گذرای ناشی از سویچینگ می شود.
به علاوه، طراحی Line Interactive معمولاً از یک ترانسفورماتوربا قابلیت تغییر دور (tap-changing) استفاده می کند. این موضوع، تنظیم ولتاژ به وسیله تنظیم دورهای ترانسفورماتور با تغییرات ولتاژ ورودی را به سیستم اضافه می کند. زمانی که شرایط ولتاژ پایین وجود دارد تنظیم ولتاژ یک ویژگی مهم می باشد، در غیر این صورت، UPS به حالت باتری تغییر وضعیت می دهد و سپس در نهایت تغذیه بار را قطع می کند. این استفاده مکرر از باتری می تواند موجب خرابی زودرس باتری شود. به هر حال، اینورتر می تواند همچنان طوری طراحی شود که خرابی آن هنوز اجازه برقراری برق از ورودی برق AC به خروجی UPS را بدهد که احتمال وقوع خطا در یک نقطه را حذف و به طور مؤثری امکان داشتن دو مسیر برق دهی مستقل را فراهم می آورد. این ساختار ذاتاً بسیار کارآمد است که این ویژگی منجر به قابلیت اطمینان بالا همزمان با فراهم آوردن امکان حفاظتبرق مناسب می گردد.
Standby On-Line Hybrid
UPS نوع standby on-line hybrid یا نوع هیبریدی(ترکیبی) آنلاین استندبای، فناوری مورد استفاده برای بسیاری از UPS های زیر 10kVA است که تحت عنوان "on-line" نامگذاری می گردند. کانورتر یا مبدل DC به DC زمانی که قطعی برق AC (برق شهری) تشخیص داده می شود از طریق باتری روشن و برق دار می گردد، دقیقاً شبیه آنچه در یک Standby UPS وجود دارد. شارژر باتری نیز مانند UPS استندبای کوچک است. به دلیل وجود خازن هایی در UPS ، Dc Combinerهیچ تأخیر ملموسی در هنگام تغییر وضعیت با قطعی برق AC نشان نمی دهد. این طراحی گاهی اوقات با یک کلید تغییر وضعیت (Transfer Switch) به عنوان bypass (میان بر) در زمان بروز یک خطا یا اضافه بار تکمیل می گردد. تصویر زیر این ساختار را نمایش می دهد.
UPS نوع Standby On-Line Hybrid: غیر قابل فهم ترین بخش این ساختار، اعتقاد به این است که مسیر برق اصلی همیشه در مدار "on-line" است. در حالیکه در حقیقت، مسیر برق از باتری به خروجی UPS تنها به صورت نیمه آنلاین "half on-line" می باشد ( بخش اینورتر)، در حالیکه نیمه دیگر "DC-DC converter(بخش با رنگ طوسی)" در وضعیت استندبای می باشد.
Standby-Ferro UPS
UPS نوع Standby-Ferro، شکل غالب UPS در محدوده 3 تا 15kVA می باشد. این طراحی به یک ترانسفورماتور اشباع خاص (Saturating transformer) که سه سیم پیچ (اتصالات برق) دارد وابسته می باشد. مسیر برق اصلی از ورودی AC، با عبور از یک کلید تغییر وضعیت (transfer switch)، عبور از ترانسفورماتور و هدایت به سمت خروجی می باشد. در زمان قطع برق، کلید تغییر وضعیت (ترانسفر سوییچ) باز می شود و اینورتر بار خروجی را تغذیه می کند.
در طراحی UPS نوع Standby-Ferro، اینورتر در وضعیت استندبای (آماده به کار) می باشد و زمانی که برق ورودی قطع می شود و Transfer Switch باز می شود برق دار می گردد. ترانسفورماتور دارای قابلیت خاص فرو-رزونانسی "Ferro-resonant" است که تنظیم ولتاژ محدود و خروجی موجی شکل فراهم می آورد. ایزوله شدن از حالات گذرای برق AC به وسیله فرو ترانسفورماتور (Ferro Transformer) خوب یا حتی بهتر از هر فیلتر در دسترسی است. اما نکته اینجاست که خود فرو ترانسفورماتور حالات اعوجاج و گذرای شدیدی در ولتاژ خروجی به وجود می آورد که می تواند از یک اتصال AC ضعیف بدتر باشد. با اینکه طراحی آن یک UPS استندبای می باشد، این نوع UPS به دلیل اینکه ترانسفورماتور فرو رزونانس ذاتاً ناکارآمد است گرمای زیادی تولید می کند. این ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهای ایزولاسیون مرسوم بزرگ هستند و بنابراین Standby-Ferro UPS ها عموماً بزرگ و سنگین هستند.
سیستم های UPS نوع Standby-Ferro عموماً به عنوان تجهیزات آنلاین ارائه می شوند، با اینکه کلید تغییر وضعیت (Transfer Switch) دارند، اینورتر در حالت استندبای می باشد و در زمان قطعی برق تغییر وضعیت می دهند.
دلیل اصلی که چرا دیگر سیستم های UPS نوع Standby-Ferro مورد استفاده قرار نمی گیرند این است که اساساً زمانی که وظیفه تأمین برق یک رایانه مدرن را بر عهده دارند می توانند ناپایدار باشند. تمامی سرورها و مسیریاب(روتر) های بزرگ، از منابع تغذیه با "ضریب توان اصلاح شده (Power Factor Corrected)" که در برخی بازه های فرکانسی یک مقاومت وروردی منفی از خود نشان می دهند استفاده می نمایند. زمانی که با مقاومت رزونانس و بالای نسبی ترانسفورماتور فرو رزونانسی کوپل می شوند، می تواند منجر به نوسانات خود به خود و آسیب رسان گردد.
انواع سیستم های برق بدون وقفه (UPS) – بخش دوم
سردرگمی زیادی در بازار در مورد انواع متفاوت سیستم های برق بدون وقفه (UPS) و مشخصات آن ها وجود دارد. در بخش دوم این مطلب سعی می گردد تا انواع این UPS ها به نحو مطلوب معرفی شوند، کاربردهای عملی هر کدام تشریح و مزایا و معایب آن ها لیست گردد.
Double Conversion On-Line UPS
این نوع، متداول ترین نوع UPS بالای 10kVA می باشد. بلوک دیاگرام UPS آنلاین نوع Double Conversion، که در شکل زیر به تصویر کشیده شده است، همانند نوع Standby می باشد به جز اینکه مسیر برقاصلی به جای برق اصلی AC (برق شهر)، اینورتر می باشد.
استفاده از اجزای قدرت قابلیت اطمینان را نسبت به سایر طراحی ها کاهش می دهد و انرژی مصرف شده به وسیله توان الکتریکی به صورت نا کارآمدی بخش قابل توجهی از هزینه در طی چرخه حیات و طول عمر یک UPS می باشد. همچنین، برق ورودی استفاده شده به وسیله شارژر باتری بزرگ اغلب غیر خطی است و می تواند با سیم کشی برق ساختمان تداخل ایجاد کند یا مشکلاتی با ژنراتورهای استندبای به وجود آورد.
در طراحی سیستم Double Conversion On-Line، قطع برق ورودی AC منجر به فعال شدن کلید تغییر وضعیت یا همان Transfer Switch نمی گردد چرا که ورودی AC منبع اصلی نیست بلکه منبع پشتیبان می باشد. بنابراین، در حین قطعی برق AC ورودی، عملکرد آنلاین منتج به عدم نیاز به زمان برای تغییر وضعیت می گردد.
حالت آنلاین کارکرد UPS، در زمانی که برق از مسیر عبوری از شارژر باتری اصلی / باتری / اینورتر قطع می شود مقداری زمان برای تغیییر وضعیت نیاز دارد. این اتفاق می تواند در زمانی که هر یک از بلوک ها در این مسیر قطع یا دچار مشکل شوند رخ دهد. اگر اینورتر در معرض تغییرات بارناگهانی یا مشکلات کنترلی داخلی قرار گیرد توان خروجی اینورتر می تواند ناگهان افت نماید و باعث تغییر وضعیت UPS شود.
سیستم های UPS نوع Double Conversion On-Line، زمان انتقال (تغییر وضعیت) یا Transfer time دارند اما تحت شرایط متفاوتی نسبت به یک UPS نوع Line interactive یا standby. در حالی که یک UPS نوع Line interactive و standby در زمان قطعی برق نیاز به زمانی برای تغییر وضعیت خواهند داشت، یک UPS نوع double conversion on-line، زمانی که یک افزایش بار ناگهانی یا جریان هجومی به وجود می آید نیاز به این زمان دارند. این زمان لازم برای تغییر وضعیت، نتیجه انتقال بار از اینورتر UPS به خط میانبر (bypass) می باشد. عموماً، این خط میان بر (مسیر خط چین)، با یکسوسازهای کنترل شده سیلیکونی دوگانه (SCR یا Silicon Controlled Rectifiers) ساخته می شود. این کلیدهای حالت جامد (solid state switches) خیلی سریع هستند و بنابراین مشابه UPS نوع Line Interactive و Standby، زمان انتقال یا تغییر وضعیت خیلی کم است، معمولاً 4 تا 6 میلی ثانیه.
هم شارژر باتری (Rectifier) و هم اینورتر (Inverter)، تمامی توان الکتریکی ورودی به خود را تبدیل به حالت به ترتیب DC و AC می نمایند که این کار منجر به کاهش راندمان و افزایش تولید حرارت می گردد.
Delta Conversion On-Line UPS
این طرح UPS، به تصویر کشیده شده در شکل زیر، فناوری جدیدی است که برای حذف اشکالات طرح Double Conversion On-Line معرفی شده است و در محدوده 5kVA تا 1MW در دسترس می باشد. مشابه Double Conversion On-Line، یو پی اس های نوع Delta Conversion On-Line همیشه اینورتری دارند که ولتاژ بار را تأمین می نماید. به هر حال، Delta Converter (مبدل) اضافه شده به اینورتر در تأمین توان خروجی نیز کمک می نماید. در شرایط اختلال یا قطعی برق AC، این فناوری مشابه Double Conversion On-Line عمل می نماید.
یک راه ساده برای فهمیدن بهره وری انرژی ساختار delta conversion این است که انرژی مورد نیاز برای انتقال یک بسته از طبقه چهارم به طبقه پنجم یک ساختمان مانند آنچه در شکل زیر نشان داده شده است را در نظر بگیرید. فناوری Delta Conversion انرژی را به وسیله حمل بسته فقط بر مبنای تفاوت بین نقاط شروع و پایان (دلتا) حمل می کند. UPS نوع Double Conversion On-Line توان الکتریکی را در باتری ذخیره و دوباره پس می گیرد در حالی که مبدل دلتا (Delta Converter) توان را از ورودی به خروجی منتقل می کند.
مقایسه میان فناوری Double Conversion و Delta Conversion
در طرح Delta Conversion On-Line، مبدل یا کانورتر Delta با دو هدف عمل می نماید. اولی کنترل مشخصه برقورودی است. این تجهیز مهم و فعال، برق را به شیوه ای سینوسی دریافت می کند و هارمونیک های ناشی از برق ورودی (شبکه برق شهر) را به حداقل می رساند. این امر شرایط مطلوب را برای خطوط برق و سیستم های ژنراتور فراهم می آورد و گرما و فرسایش در سیستم توزیع برق را کاهش می دهد. کارکرد دوم مبدل دلتا (Delta Converter) شارژ نمودن باتری UPS به وسیله دریافت توان الکتریکی و تبدیل آن به ولتاژ شارژ DC مناسب می باشد.
UPS نوع Delta Conversion On-Line، مشخصه خروجی مشابه طرح Double Conversion On-Line دارد. به هر حال، مشخصات ورودی بسیار متفاوت هستند. با اصلاح ضریب توان کامل، فناوری Delta Conversion On-Line، هم کنترل برق ورودی و هم کنترل برق خروجی را میسر می سازد. مهمترین مزیت، کاهش قابل توجه در تلفات انرژی است. همچنین کنترل برق ورودی، UPS را با تمامی ژنراتورها سازگار و هماهنگ می کند و نیاز به سایزینگ بیش از نیاز ژنراتور و سیم کشی را کاهش می دهد. فناوری Delta Conversion On-Line، تنها فناوری اصلی UPS امروزی است که دارای گواهی ثبت شده انحصاری می باشد و بنابراین متأسفانه طیف وسیعی از تأمین کنندگان UPS آن را تولید نمی کنند.
خلاصه انواع UPS
جدول زیر برخی مشخصات انواع مختلف UPS را نشان می دهد. برخی ویژگی های یک UPS، مانند راندمان، با انتخاب نوع UPS دیکته می شوند. از آنجا که کیفیت ساخت و پیاده سازی شدیداً مشخصاتی مانند قابلیت اطمینان (Reliability) را تحت تأثیر قرار می دهد، این فاکتورها باید به این ویژگی های طراحی اضافه شوند.
| محدوده توان عملی (kVA) | شرایط ولتاژی | هزینه بر VA | بهره وری | عملکرد دائمی اینورتر | |
| Standby | 0.5 – 0 | کم | کم | خیلی بالا | خیر |
| Line Interactive | 3 – 0.5 | وابسته به طراحی | متوسط | خیلی بالا | وابسته به طراحی |
| Standby On-Line Hybrid | 5 – 0.5 | زیاد | زیاد | پایین | جزئی |
| Standby Ferro | 15 – 3 | زیاد | زیاد | پایین | خیر |
| Double Conversion On-Line | 5000 – 5 | زیاد | متوسط | پایین | بله |
| Delta Conversion On-Line | 5000 – 5 | زیاد | متوسط | بالا | بله |
کاربرد انواع UPS در صنعت
ارائه محصولات UPS فعلی در طول زمان تکامل یافته است تا بسیاری از این طرح ها را در برگیرد. انواع متفاوت UPS ویژگی هایی دارند که آنها را کمتر یا بیشتر مناسب برای کاربردهای مختلف می سازد و خط تولید محصول APC (تولیدی توسط شرکت اشنایدر الکتریک)، این تنوع را در جدول زیر نشان می دهد:
| کاربرد در محصولات APC | مزایا | محدودیت ها | یافته های APC | |
| Standby | مدل Back-UPS | قیمت کم، راندمان بالا، فشرده | استفاده از باتری در زمان قطعی، غیر کاربردی برای ظرفیت های بالای 2kVA | بهترن گزینه برای رایانه های شخصی |
| Line Interactive | مدل های Smart UPS، Back-UPS Pro و Matrix | قابلیت اطمینان بالا، راندمان بالا، شرایط ولتاژی خوب | غیر کاربردی برای ظرفیت های بالای 5kVA | محبوب ترین نوع یو پی اس های موجود به علت قابلیت اطمینان بالا، ایده آل برای سرورهای توزیع شده یا داخل رک و / یا محیط های آلوده و صنعتی |
| Standby On-Line Hybrid | در APC موجود نیست | شرایط ولتاژی عالی، راندمان پایین، قابلیت اطمینان پایین، قیمت بالا | غیر کاربردی برای ظرفیت های بالای 5kVA | مدل Line Interactive قابلیت اطمینان بهتر و تهویه مشابه با قیمت بهتر فراهم می آورد. |
| Standby Ferro | در APC موجود نیست | شرایط ولتاژی عالی، قابلیت اطمینان بالا، | راندمان پایین، در استفاده با برخی بارها و ژنراتورها ناپایدار | کاربرد محدود به دلیل راندمان پایین و موارد ناپایداری که مشکل هستند و مدل N+1 قابلیت اطمینان بهتری ارائه می کند. |
| Double Conversion On-Line | مدل Symmetra | شرایط ولتاژی عالی، موازی سازی آسان | راندمان پایین، قیمت بالا برای ظرفیت های زیر 5kVA | بهترین گزینه برای مدل N+1 |
| Delta Conversion On-Line | مدل Silicon، سری Symmetra MW | شرایط ولتاژی عالی، راندمان بالا | غیر کاربردی برای ظرفیت های زیر 5kVA | راندمان بالا هزینه های انرژی در طول چرخه حیات را در تأسیسات بزرگ کاهش می دهد. |
نتیجه گیری
انواع مختلف UPS برای کاربردهای متفاوتی مناسب هستند و به همین دلیل است که نوع واحدی UPS که برای تمامی کاربردها ایده آل باشد وجود ندارد. امروزه با توپولوژی و ساختارهای متنوع UPS ها در بازار، مطالب بیان شده به از بین بردن سر درگمی در مورد اینکه هر توپولوژی چگونه کار می کند و مزایا و معایب هر یک چیست کمک خواهد نمود.
تفاوت های بارزی در طراحی UPS میان محصولات موجود در بازار، با مزایای عملی و تئوری برای رویکردهای مختلف وجود دارد. با این اوصاف، کیفیت خوب طراحی، ساخت و پیاده سازی در تعیین رسیدن به حد مطلوب کارایی در استفاده مشتری از آن ها مهمترین عامل است.
منبع: http://www.apc.com
دپارتمان تأسیسات الکتریکی سامانه جامع صنعت ساختمان – کارگشا
سایر مطالب منتخب در حوزه برق اضطراری و پشتیبانرا در آینده دنبال و ما را با نظرات ارزشمند خویش همراهی نمایید.
مطالب مرتبط:
