UPS
Uninterruptible Power Supply
چرا به UPS نیاز داریم؟
انواع تجهیزاتی که با بارهای حساس مرتبطند
مشکلات موجود در برق شهر
UPS چیست؟
ساختار ups
بلوک دیاگرام ساده UPS
سیستمهای Off-line
سیستم Line Interactive
سیستم On-line
سیستم های موازی
باتری ها
– زمان استقلال یا (back up)
مشخصات UPS
ضریب توان (power factor) و محاسبه آن
عناوین مطالب
چرا به UPS نیاز داریم؟
قطع ناگهانی برق باعث اختلال در اکثر فعالیتهای تجاری شده و در برخی موارد امکان ادامه آن را کاملاً از بین می برد.شرکتهای بسیاری را می توان نام برد که در اثر پیامدهای حاصل از قطع برق ورشکست شده اند.
تنها قطع برق شهر اثرات مخرب به همراه ندارد ، بسیاری از دستگاه های الکتریکی نسبت به نارسائی ها یی مانند افت لحظه ای ولتاژ ، افت طولانی ولتاژ ، ولتاژهای لحظه ای بالا ، نویز و تغییرات فرکانس در منبع تغذیه خود حساس هستند.
به اینگونه بارها اغلب ”بارهای حساس“گفته می شود زیرا عملکرد مداوم آنها برای فعالیت تجاری یک شرکت حائز اهمیت است.
انواع تجهیزاتی که با بارهای حساس مرتبطند عبارتند از :
کامپیوترها ، مثل سیستمهای پردازش و کنترل
تجهیزات عملیات صنعتی ، مانند عملیات تولیدی دقیق
تجهیزات درمانی ، مانند سیستمهای کنترل و حفظ حیات
تجهیزات شبکه ارتباطی مانند سیستمهای مخابراتی
تجهیزات معاملات تجاری On-line مانند خرید و فروش از طریق اینترنت
مشکلات موجود در برق شهر
نوسانات شدید لحظه ای (spike ) : ولتاژهای سریع ، گذرا و با طول زمانی کوتاهی هستند که به شکل موج اصلی برق اضافه می شوند و باعث آسیب سخت افزار و خرابی نرم افزار می شوند و در دراز مدت منجر به بروز ضررهای مالی سنگینی میگردند.
نویز الکتریکی : حالت مشترک ناشی از بروز اختلال بین خطوط منبع و زمین است و می تواند دراثراصابت صاعقه ، خاموش و روشن کردن بار و مجاورت با تجهیزات فرکانس رادیویی و غیره ایجاد شود .نویز می تواند باعث Hang کردن کامپیوتر و در نتیجه از دست رفتن اطلاعات بشود.
افت لحظه ای ولتاژ (Sags ) : افت ولتاژهایی که به مدت چند سیکل ادامه داشته باشند Sag نامیده می شوند.وقوع افت ولتاژ بسیار متداول است ، این امر سبب Re-boot شدن کامپیوترها می گردد.
افت طولانی ولتاژ (Brownouts) : همان Sagها هستند ولی طول مدت آنها بیشتر است و معمولاً مهمتر هستند .
اضافه ولتاژ لحظه ای (Surges) : ولتاژ اضافه شده به موج اصلی برق با مقادیر بالاتر از مقدار عادی خط اصلی برق می باشد که بیش از یک سیکل ادامه می یابد.
قطع برق شهر(Blackouts ) : عبارت است از قطع کامل جریان برق و در هنگام وقوع آن منبع نیروی برق کاملاً از کار می افتد .
پس از شناسایی بارهای حساس موضوع مهم محافظت از منبع تغذیه آنهاست ، و هیچ راهی وجود ندارد جز نصب یک نوع منبع تغذیه بدون وقفه یا همان ups که به عنوان راه حل ارائه می گردد.
UPS چیست؟
UPS system Load
منبع تغذیه بدون وقفه ups دستگاهی است که متشکل از قطعات حالت جامد که بین منبع ورودی و بار وصل شده و از بروز اختلالات برق ورودی (برق شهر) از جمله قطع آن بطور کامل جلوگیری می کند .
انواع ups های موجود :
سیستمهای با توان نسبتاً پایین- 250-500 VA
سیستمهای توان پایین – 500-2000 VA
سیستمهای توان متوسط- 3-20 KVA
سیستمهای توان بالا – 30-400 KVA
ساختار ups
بطور کلی upsها از لحاظ ساختار طراحی در یکی از سه حالت Off line، On lineو Line interactive قرار می گیرد.
تمام UPSها دارای باطری هستند و تا زمانی که برق شهر قابل استفاده است انرژی را در باطری ذخیره می کنند و پس از قطع برق شهر انرژی باطری را به جریان متناوب AC تبدیل می کنند بنابراین تمام سیستمها دارای شارژر باطری و مدار اینورتر می باشند.
هنگامی که برق شهر دچار مشکل شود باطری به عنوان منبع انرژی اینورتر عمل کرده و با سرعتی که به میزان مصرف بار متصل به UPS بستگی دارد ، دشارژ می شود.در اغلب UPSها این زمان ( back up time )5 الی ۱۵ دقیقه می باشد.
Mains supply
Bypass Line
Rectifier
charger
Inverter
Static Switch
UPS output to critical load
بلوک دیاگرام ساده UPS
Battery
سیستمهای Off-line
در این نوع سیستمها بارهای حساس از مسیر bypass انرژی دریافت می کنند و اگر تغذیه مسیر bypass قطع شود یا ولتاژ آن خارج از محدوده قابل قبول و مجاز قرار گیرد ، مسیر اینورتر جایگزین آن می شود.
اگر ولتاژ bypass از حداقل مجاز پایین تر رود ، اینورتر بلافاصله شروع به کار کرده و بار بوسیله سوئیچ استاتیک به اینورتر منتقل می شود.با توجه به اینکه مراحل انتقال پس از قطع ولتاژ bypass آغاز می شود وقفه اجتناب ناپذیر در تاًمین انرژی بار روی می دهد،اگر چه این وقفه کوتاه به اندازه 2-10 میلی ثانیه است.
Off Line System
Mains supply
Bypass Line ( common by pass configuration shown)
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Mains Failure
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Mains supply
Bypass Line
UPS Failure
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Mains supply
Bypass Line
اساساً تمامups ها دارای سیستمbypass هستند که همراه با یک سوئیچ در خروجی وسیله ارتباط بار را جهت تغذیه مستقیم از برق شهر فراهم می کنند.در دستگاههای با توان پایین این کار به وسیله رله انجام می شود.
در ups های مدل Off-line بارهای حساس از مسیر bypass انرژی دریافت می کنند و اگر تغذیه این مسیر قطع گردد مسیر اینورتر جایگزین آن میگردد.
در شرایط عادی شارژر باطری بطور مداوم کار می کند تا باطری ها را کاملاً آماده نگه دارد . در برخی ups ها ممکن است اینورتر خاموش باشد تا راندمان کلی دستگاه افزایش یابد، اگر ولتاژ by pass از حداقل مجاز پایینتر رود ،اینورتر بلافاصله شروع به کار کرده و بار بوسیله سوئیچ استاتیک به اینورتر منتقل می شود و با عادی شدن وضع برق شهر بار مجدداً به مسیر by pass منتقل می شود.که این عمل منجر به 2 الی 10 ثانیه وقفه در خروجی میگردد.
در ups های off-line زمانی که بار به اینورتر منتقل می شود اینورتر با استفاده از انرژی باتری فعال شده و تا زمانی که ولتاژ باتری به آخرین حد دشارژ آن برسد می تواند انژری بار را تاُمین کند اگر تا آن زمان جریان برق شهر برقرار نشود برق خروجی ups بطور کامل قطع می شود.
سیستم Line Interactive
ولتاژ خروجی در سیستم های Off-line بطور پیوسته تنظیم نمی شود به همین دلیل در سیتم های line interactive با اضافه کردن سیستم تنظیم ولتاژ سعی شده که در مسیر by pass عملکرد بهتری ارائه شود.
این مدل نیز مشابه سیستم های Off-line می باشد بار از طریق by pass تغذیه می شود و بر اثر قطع برق به مسیر اینورتر منتقل می شود ، اما به خاطر اضافه شدن مدار تنظیم ولتاژ در مسیر by pass بار کمتر به اینورتر انتقال می یابد.
ترانس فرو رزونانس برای تنظیم و رگولاسیون ولتاژ در برابر اختلالهایی مانند نویز بکار می رود و به ازای هر 40%- تا 20% + خروجی تنها 3% مقدار نامی تغییر خواهد کرد.همچنین این ترانس با ذخیره انرژی برق مورد نیاز کامپیوترها را در زمان قطع کامل برق برای مدت کوتاهی تاًمین می کند تا اینورتر شروع به کار کند.
Line interactive ups with ferroresonant transformer
Bi directional power converter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Mains supply
Ferro resonant transformer
سیستم On-line
در این سیستم در حالت عادی تغذیه بار از مسیر اینورتر انجام می شود.زمانیکه برق شهر در جریان است این بخش باطری را شارژ و انرژی اینورتر را توسط یک ولتاژ DC ثابت تاُمین می کند . در صورتی که برق شهر قطع شود شارژر خاموش شده و انرژی DC اینورتر توسط باتری تاُمین میشود و از این زمان باطری رفته رفته خالی می شود .
بخش یکسو کننده/شارژر در قسمتی از مدار کنترل خود دارای یک محدود کننده جریان است تا حفاظت لازم را در برابر اضافه بار انجام دهد و همچنین شامل یک مکانیزم shut down است تا در صورت زیاد شدن ولتاژ DC ، از باطری ، اینورتر و اجزای فیلتر DC محافظت کند.این نوع UPS را اصطلاحاً double conversion می نامند زیرا بیشترین میزان حفاظت را ارائه می دهد و بار همیشه با یک ولتاژ تنظیم شده تغذیه می شود. به عبارت دیگر حتی زمانی که برق شهر وجود دارد یکسو کننده ،شارژر و بخشهای قدرت اینورتر فعال هستند و بار از طریق یک سوئیچ استاتیک به خروجی اینورتر متصل است و مجموعه یکسو کننده و اینورتر مانند سدی در برابر نوسانات زودگذر ولتاژ عمل کرده ودر خروجی ولتاژ کاملاً تنظیم شده ای فراهم می شود.
On Line System
Mains supply
Bypass Line ( split by pass configuration shown)
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Normal operation
By pass supply
On Line System
Mains supply
Bypass Line ( split by pass configuration shown)
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
Mains failure
By pass supply
On Line System
Mains supply
Bypass Line
Rectifier
/charger
Inverter
UPS output to critical load
Battery
Static Switch
UPS failure (on bypass)
By pass supply
اگر قبل از اینکه ولتاژ باطری به پایین ترین میزان ولتاژ خود برسد جریان برق شهر مجدداً برقرار نشود ، اینورتر از کار می افتد و در برخی مدلها سوئیچ استاتیک بار را به مسیر bypass متصل می کند.اگر ورودی bypass جدا نصب شده باشد و برق ورودی این مسیر مناسب باشد جریان برقرار خواهد شد ولی اگر دو بخش bypass و ورودی یکسو کننده به یک برق AC یکسان متصل باشند (Common bypass) مسیر bypass نیز قطع می گردد.
یک روش برای حل این مشکل استفاده از یک ژنراتور Stand-by در طراحی سیستم می باشد می باشد تا در زمان قطع برق جایگزین برای ورودی UPS عمل کند.این ژنراتور از طریق یک مدارسوئیچ خودکار به یو پی اس متصل می شود.این مدار سوئیچ می تواند قطع برق شهر را تشخیص داده و ژنراتوررا سریعاً در مدار قرار دهد.
مزایای سیستم های on-line
تاُمین بالاترین حد محافظت از بارهای حساس زیرا بار همواره با ولتاژ تنظیم شده تغذیه می شود.
عدم وجود وقفه هنگام انتقال اینورتر و مسیر by pass
سیستم های موازی
در اینگونه سیستم ها از دو یا چند ups استفاده می شود که به صورت موازی انرژی الکتریکی یک گروه بار مشترک را تاُمین می کنند و عموماً برای سیستم های on-line که محدوده توان متوسط یا بالایی دارند قابل اجرا است.
عملکرد واحدهای چنین سیستمی اغلب شبیه یکدیگر است بردهای الکترونیکی بسیار دقیقی در داخل سیستم تعبیع می شود تا اطمینان حاصل شود هنگام انتقال از یک منبع انرژی به منبع دیگر تمام سوئچهای استاتیک همزمان عمل می کنند. در غیر اینصورت اگر زمانی که تمام upsها از اینورتر خود استفاده می کنند یک ups خروجی خود را از مسیر by pass منتقل کندسیستم دچار مشکل می شود.
یکی دیگر از مزایای این روش این است که در صورت بروز مشکلی برای یک سیستم می توان آن را از بقیه سیستمها جدا کرد بی آنکه کل سیستم دچار مشکل شود.
در روش موازی توان وظرفیت موُثر سیستم بالا می رود و استفاده از واحدهای بیشتر باعث افزایش ظریب اطمینان سیستم می شود.
توجه به این نکته ضروری است که تمام upsهایی که بخشی از یک سیستم موازی را تشکیل می دهند باید از یک نوع باشند و توان خروجی یکسان داشته باشند برای مثال نمی توان یک ups 30 کیلو ولت آمپر را با ups 120 کیلو ولت آمپر موازی کرد.
انواع سیستمهای موازی
سیستمهای Capacity
سیستم از تعدادی ups با توانهای یکسان طوری طراحی می شود که زمانی که تمام آنها کار می کنند توان مورد نیاز بارتاُمین می شود برای مثال سه دستگاه ups با توان 60 کیلو ولت آمپر ممکن اسا برای تاُمین بار 170 کیلو ولت آمپر بکار رود.در شرایط معمولی هر دستگاه حداکثر توان 57 کیلو ولت آمپر را تاُمین می کند اما اگر یکی از upsها خراب شود دو دستگاه دیگر باید 85 کیلو ولت آمپر را تاُمین کنند بنابر این قطعاُ اضافه بار بوجود خواهد آمد در این حالت بار بلافاصله به مسیر bypass منتقل می شود اگر دستگاهی که دچار ایراد شده نتواند سوئیچ استاتیک مسیر bypass خود را بکار اندازد، سیستم قادر است به وسیله سوئیچ استاتیک بقیه دستگاههای سالم تمام جریان را تاًمین کند.
پس از برطرف شدن ایراد و بکار افتادن مجددسیستم بار بطور خود کار از مسیر bypass به اینورتر ها منتقل می شود.
By-pass
inverter
By-pass
inverter
By-pass
inverter
60KVA
60KVA
60KVA
170KVA
Load
85KVA
85KVA
By-pass
inverter
By-pass
inverter
By-pass
inverter
60KVA
60KVA
60KVA
170KVA
Load
57KVA
57KVA
57KVA
حالت عادی
حالت خاص
Capacity
سیستمهای Redundancy
دریک سیستم موازی redundant تعداد ups های تشکیل دهنده سیستم حداقل یک دستگاه بیشتر از تعداد مورد نیاز ظرفیت اصلی سیستم می باشد N+1 )یا N+2 ( بدین ترتیب اگر یکی از ups ها دچار نقص شود، سیستم همچنان می تواند انرژی بار را توسط انرژی اینورتر تاُمین کند و در نتیجه ضریب اطمینان سیستم افزایش می یابد.
در حالتی که سیستم به روش redundant کار می کند اگر یکی از دستگاهها خراب شود بار همچنان از انرژی تولید شده توسط اینورتر استفاده می کند و تنها پس از خراب شدن ups دوم بطور خودکار به مسیر by pass منتقل می شود.
در بعضی سیستم های redundant تعداد ups ها تا دو برابر در نظر گرفته می شود.
بعلت مزایای سیستم های redundant در جاهایی که با بارهای حساس و رنج توان مصرفی متغیری سروکار داریم این سیستم ها کارایی بیشتر و ضریب اطمینان بالایی را نشان می دهند ، اگر چه به دلیل اینکه بخش inverter و یکسو کننده دائماً زیر بار می باشد این گونه قطعات سیستم های on lineبه مراتب گرانتر از سیستم های off line می باشد.
By-pass
inverter
By-pass
inverter
By-pass
inverter
60KVA
60KVA
60KVA
170KVA
Load
43KVA
43KVA
By-pass
inverter
By-pass
inverter
By-pass
inverter
60KVA
60KVA
60KVA
170KVA
Load
57KVA
57KVA
57KVA
حالت عادی
حالت خاص
Redundant
By-pass
inverter
60KVA
By-pass
inverter
60KVA
43KVA
43KVA
باتری ها
باتریها بخش اصلی هر ups هستند که به منظور تاُمین یک منبع انرژی الکتریکی ذخیره یا جایگزین هنگام قطع برق شهر یا زمانی که ولتاژ آن از حد مجاز خارج شده است ، مورد استفاده قرار می گیرند.باتری ممکن است درون کابینت ups یا درrack جداگانه نصب شود محل مناسب برای نصب باتری به شرایط محیطی سایت و محدودیتهای مکانی محل نصب و هم چنین به دو عامل ظرفیت باتری و زمان back up مورد نیاز بستگی دارد.
باتری شامل یک سری سلول متصل به هم با ولتاژ و ظرفیت معین است ظرفیت یک باتری بر حسب AH تعریف می شود ، یعنی قدرت یا ظرفیت یک باتری برای تولید یک آمپر جریان برای چند ساعت معین.
عمر مفید باتریها کم است و باید آن را یک منبع کوتاه مدت برای تاُمین انرژی به شمار آورد،عواملی که بیشترین تاُثیر را بر عمر مفید باتری دارند عبارتند از:
انبار کردن: همیشه باتریها را باید در محیط خشک وخنک نگهداری کرد، اگر مدت ماندن در انبار بیش از یکسال طول بکشد باید باطری را دوباره شارژ کرد.
سولفاته شدن باطری :زمانی که باطری برای مدت طولانی در انبار مانده باشد کریستالهای سولفات سرب رفته رفته تشکیل می شود و مانند سدی در برابر شارژ مجدد باتری عمل می کنند که توسط یک جریان ثابت و محدود به یک دهم ظرفیت باتری به مدت ۱۲ ساعت و با ولتاژ بالاتر می توان مجدداً باتری را قابل استفاده نمود.
شارژ و دشارژ بیش از حد باتری
دما
در زمان انتخاب باتری با ظرفیت سرویس دهی مناسب توجه به دو نکته مهم است :
بار باتری
زمان استقلال یا back up مورد نیاز
– بارباتری
باری که بر باتری اعمال می شود با جمع کردن بار واقعی ups و تلفات بخش اینورتر آن محاسبه می شود.
به عنوان مثال :
اگر بار متصل به UPS به اندازه (40KVA)و ضریب توان آن 0.8 باشد ، بار UPS (32KVA) است .
اگر راندمان اینورتر UPS 90% باشد ، تلفات اینورتر 3.5 KW است.
بنابراین برای تغذیه بار ، باتری باید به اندازه 35.5=3.5+32 توان DC تولید کند.
در جدیدترین نسل UPS مدل on-line راندمان اینورتر بیش از 97% است و باتری زمان autonomy
بیشتری نسبت به زمانی که به اینورتر با راندمان پایین تر متصل بود ،فراهم خواهد کرد.
– زمان استقلال یا (back up)
زمان back up مدت زمانی است که باتری باید از انرژی و توان مورد نیاز بارراکه در بالا توضیح داده شد ، تاُمین کند و اغلب به آن زمان استقلال (autonomy) یا زمان دشارژ نیز گفته می شود.
سازندگان ups معمولاً روش اتصال باتری را به طریقی که مورد نیاز در کاربرد خاصی می باشد محاسبه می کنند.اکثر سیستمهای ups دارای ولتاژ dc bus ثابت هستند از این رو تنها با افزایش میزان آمپر ساعت باتری های استفاده شده یا با موازی کردن ردیفهای سری باتری و یا با موازی کردن ردیفهای سری باتری و یا بکار بردن هر دو روش ، زمان autonomy بیشتر می شود.
نکات مهم :
باتری ها همواره دارای الکتریسیته هستند توجه کنید که هرگز ترمینالهای باطری اتصال کوتاه نشوند.
باتری ها حاوی مواد زیان آور برای محیط زیست هستند.از انداختن باتری های تمام شده در سطل زباله باید خودداری شود.
از دفن باتری های تمام شده در زمین یا آتش زدن آنها باید اجتناب شود.
مشخصات UPS
راندمان و هزینه نگهداری
مقدار THD جریان ورودی
ضریب توان
ساختار UPS
قابلیت ارتقاء سیستم
امکان چیدن باتری ها به صورتهای مختلف
قیمت دستگاه
قابلیت دستگاه جهت سرویس
حسن شهرت سازنده دستگاه
مراجع و اطلاعات مربوط به نصب دستگاه
ضریب توان (power factor) و محاسبه آن :
در یک مدار ، نسبت توان حقیقی به توان راکتیو با نام ضریب توان شناخته می شود و برابر است با نسبت وات به ولت آمپر ضریب توان= وات/ولت آمپر
که Φ زاویه بین ولتاژ و جریان می باشد.
اگر ضریب توان خروجی ups مشخص نشده باشد ، معمولاً آن را 0.8 فرض می کنند
وقتی بارها بزرگ یا شدیداً راکتیو باشند ، تنظیمهایی برای بهبود ضریب توان کلی و نزدیک کردن آن به یک ، بکار گرفته می شود. این کار را تصحیح ضریب توان می گویند و عموماً با موازی کردن یک بار خازنی با بار اصلی انجام می گیرد تا راکتانس کلی مدار کاهش یابد.
Cos Φ=W / VA