منبع تغذیه بدون وقفه یو پی اس UPS

 

 یوپی‌اس یا منبع تغذیهٔ بدون وقفه (به انگلیسی: Uninterruptible power supply یا UPS یا battery/flywheel backup) وسیله‌ای است که در کنار یک رایانه (یا مصرف کنندهٔ برقی دیگر) نصب می‌شود و هنگام قطع یا تغییرات شدید ولتاژ ورودی، امکان ادامهٔ کار در حالت نرمال را برای مصرف‌کننده فراهم می‌کند.

UPSهای کوچک معمولاً درون خود، یک باتری دارند که هنگام وجود برق در حالت عادی آن را شارژ می‌کنند. هنگام قطع برق یا افت ولتاژ زمانی که ولتاژ از یک مقدار کمتر شود UPS به طور اتوماتیک منبع تغذیه رایانه را از برق شهر به باتری موجود درون خود تغییر می‌دهد این کار در مدت زمانی حدود یک یا ۲ میلی ثانیه انجام می‌پذیرد و در نتیجه رایانه متوجه قطع جریان الکتریکی نشده و به کار خود ادامه می‌دهد.

گونه‌ها 

یوپی‌اس‌ها را از نظر عملکرد داخلی غالباً در سه دسته تقسیم‌بندی می‌کنند:
با عملکرد کشیک انفعالی∗ یا آفلاین
با تبدیل دوطرفه∗ یا آنلاین
در تعامل با خط ∗ لاین اینتراکتیو

آماده به کار یا آفلاین 

یوپی‌اس‌های آفلاین یا آماده به کار، با زمان حفاظت ۲۰ دقیقه که گسترش ظرفیت آن معمولاً امکان پذیر نیست.
این نوع یوپی‌اس‌ها در حالت عادی از برق شهر استفاده می‌کنند اما به محض قطع برق، یوپی‌اس وارد مدار شده و برق باطری را به برق مورد نیاز مصرف‌کننده‌ها تبدیل می‌کند.[۲]
یوپی‌اس‌های آماده به کار، تنها ویژگی‌های پایه‌ای را ارائه می‌دهد؛ مثل حفاظت کردن از مصرف کننده در برابر ولتاژهای بسیار زیاد ناخواستهٔ ورودی و شارژ باتری‌ها. یوپی‌اس‌های آماده به کار با تغییر جهت عبور جریان در خطِ مسیر باتری، جریان دی‌سی را از حالت عادی شارژ به حالت تهیه ولتاژ ای‌سی مورد نیاز تغییر وضعیت می‌دهند. در یوپی‌اس آماده به کار «خارج از خط» سیستم بار به طور مستقیم توسط برق ورودی پشتیبانی می‌شود و مدارات قدرت تنها با استناد به ابزار قدرت تغذیه می‌شوند. بیشترین یوپی‌اس‌های زیر ۱ کیلوولت آمپر از انواع خط‌های تعاملی و یا آماده به کار هستند که معمولا ارزان قیمت ترند.
این نوع از یوپی‌اس‌ها تنها به هنگام قطع برق و به عنوان منابع جایگزین فعال می‌شوند به همین علت به آن‌ها یوپی‌اس با عملکرد کشیک انفعالی نیز می‌گویند.

برخط یا آنلاین

یوپی‌اس لاین-اینتراکتیو
این مدل یو پی اس نسخه کامل شده مدل آفلاین است که علاوه بر زمان قطع برق در صورت نوسان برق هم انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف‌کننده را از راه باتری‌ها تأمین خواهد کرد.

در تعامل با خط یا لاین اینتراکتیو 

یوپی‌اس‌های لاین‌اینتراکتیو در شرایط عادی می‌توانند ولتاژ خروجی را به وسیلهٔ یک ترانسفورماتور تثبیت کنند. در شرایط طبیعی، تامین خروجی در این نوع یوپی‌اس‌ها پس از تصحیح ورودی (پاک‌سازی ورودی از انواع نویز و احیاناً تصحیح سطح ولتاژ ورودی) انجام می‌پذیرد. تنها در مواقعی چون بروز نقص فنی، سرریز بار یا افزایش بیش از حد دمای یوپی‌اس به حالت بای‌پس∗ خواهد رفت.
این نوع یوپی‌اس‌ها کیفیت و حساسیت بسیار بالایی دارند و برای دستگاه‌های بسیار حساس آزمایشگاهی، نظامی و… به کار می‌روند.
بازده این یوپی اس‌ها نسبت به سایر انواع یو پی اس بصورت قابل ملاحظه‌ای کمتر و مصرف داخلی انها بسته به انواع ان بین پنج تا ده برابر سایر مدلهاست. این مدل یو پی اس‌ها علاوه بر مصرف برق قابل توجه، بدلیل تولید حرارت داخلی چند برابری که باعث کاهش عمر خازنهای الکترولیت و نیز فن‌های دستگاه بدلیل کارکرد عمدتا مداوم انها می‌شود، معمولا نسبت به مدل‌های دیگر از عمر کوتاه تری برخوردارند.

توضیحاتی دیگر :

منبع تغذیه بدون وقفه ( یو پی اس ) دستگاهی است متشکل از قطعات حالت جامد (SOLID – STATE) که بین منبع برق ورودی و بار وصل شده واز بروزاختلافات برق ورودی ( برق شهر ) از جمله قطع کامل آن جلوگیری می کند.

به طور کلی ، مدل یو پی اس ها از لحاظ ساختار طراحی در یکی از سه حالت , Line interactive ,Off-line On-line قرار می گیرند . صرفنظر از طراحی خاص هر یک ، چند ویژگی مهم در تمامی یو پی اس ها مشترک است . همه آنها دارای باتری هستند و تا زمانی که برق شهر قابل استفاده است انرژی را در باتریها ذخیره می کنند و پس از قطع برق شهر انرژی باتری را به جریان متناوب ((AC تبدیل می کنند . بنابراین تمام سیستمها باید دارای شارژ باتری و مدار اینورتر باشند . همچنین تمام یو پی اس ها دارای یک سیستمBypass هستند که همراه با یک سوئیچ در خروجی وسیله ارتباط با Load را جهت تغذیه مستقیم از برق شهر فراهم می کنند . در بسیاری از موارد مدار سوئیچ خروجی با به کاربردن سوئیچهای استاتیک تکمیل می شود . البته در یوپی اس های توان پایین این کار به وسیله رله انجام می گیرد .

یو پی اس مخفف چه کلماتی است و چرا به یو پی اس نیاز داریم؟

یو پی اس مخفف عبارت Uninterruptible Power Supply و به معنی منبع تغذیه بدون وقفه است. این دستگاه برق مورد نیاز برای استفاده دستگاه‌هایی مانند کامپیوتر، ادوات پزشکی و تجهیزات امنیتی و… را مستقل از اینکه برق ورودی وجود داشته باشد یا خیر برای مدت محدودی تامین می‌کند.

همچنین شرایط برق ورودی را از نظر سطح ولتاژ، تغییرات ولتاژ و جهش‌های ناگهانی بهبود می‌دهد. در صورتی که یو پی اس ما هوشمند باشد علاوه بر موارد فوق می‌تواند دستگاه‌های متصل به خود را در زمان مناسب و به طرز صحیح خاموش نماید. در مورد اهمیت استفاده از یو پی اس همین بس که آمار نشان می‌دهد بیشتر از ۴۰ درصد مشکلات از بین رفتن اطلاعات، به مشکل قطع برق بر می‌گردد.

 

چند نوع یو پی اس وجود دارد و این انواع از نظر فناوری چه تفاوت‌هایی باهم دارند؟

۱- آف لاین
در این نوع یو پی اس مصرف کننده بصورت عادی از برق شهر استفاده می‌کند و به محض قطع برق یو پی اس وارد مدار شده و عهده دار برق رسانی به مصرف کننده می‌شود.

در یو پی اس مدل Off-line بارهای حساس از مسیر By pass انرژی دریــافت می کنند و اگـر تغذیـه مسیر By pass قطع شود یا ولتاژ آن خارج از محدوده قابل قبول و مجاز قرارگیرد ، مسیر اینورتر جایگزین آن می شود . در طی عملکرد عادی دستگاه ، هراختلالی که در محدوده قابل قبول ولتاژ Bypass باشد به بار منتقل می شود . اگر چه در بسیاری از مدلهای این یو پی اس در مسیر Bypass خود تا حدودی از افزایش شدید و ناگهانی ولتاژ (spike ) جلوگیری می کنند و RF (فرکانس رادیویی ) در مسیر Bypass آنها وجود دارد .

در شرایط عادی شارژر باتری به طور مداوم کار می کند تا باتریها را کاملا آماده نگهدارد . در برخی از یو پی اس ها ممکن است اینورتر خاموش باشد تا راندمان کلی دستگاه افزایش یابد ، اگر چه قسمتهای کنترل الکترونیکی آن به منظور عملکرد سریع اینورتر همواره فعال می باشند.

اگر ولتاژ Bypass از حداقل مجاز پایین تر رود ، اینورتر بلافاصله شروع به کار کرده و بار به وسیله سوئیچ استاتیک ( یا رله خروجی ) به اینورتر منتقل می شود با توجه به این که مراحل انتقال پس از قطع ولتاژ Bypassآغاز می شود وقفه اجتناب ناپذیر در تامین انرژی بار روی می دهد ، اگرچه این وقفه کوتاه به اندازه 10~2میلی ثانیه است.

لازم به ذکراست که اکثربارها به نحو مطلوب و بی آنکــه متحمل اثـرات مضـری شـوند این زمان را پشت سر می گذارند و با عادی شدن وضع برق شهر بار مجددا به مسیر Bypassمنتقل می شود.

 

۲- لاین اینتراکتیو (Line Interactive)

مجهز به ترانس افزاینده و کاهنده جهت ثابت کردن ولتاژ برای دستگاه مصرف کننده، هنگام قطع برق ورودی، یو پی اس بدون وقفه‌ای برق مطلوب و مورد نیاز مصرف را تامین می‌نماید.

این نوع یو پی اس شامل دستگاههایی می شود که در آنها سعی شده با اضافه کردن سیستم تنظیم ولتاژ در مسیرBy pass عملکرد بهتری نسبت به سری Off-line ارائه شود . دو نوع از متـداولترین سیستمهای این رده یو پی اس مجهز به ترانس Buck/Boost وترانس ferrorvesonat می باشد.مشابه مدلهای Off-Line یو پی اس مدل Line-Interactive بار خــود را از طـریق مسیرBypass تغذیه می کند وبراثر هر حادثه ای که سبب قطع برق شهر شود آن رابه اینورتر انتقال می دهد. در بخشهای باتری، شارژر و مدار اینورتر نیز با سیستم Off-Line مشابه است اما به خاطر اضـافه شدن مدار تنظیم ولتاژ در مسیر By pass بار کمتر به اینورتر انتقال می یابد. چنین سیستمی تاثیر بیشتری درکاهش هزینه ها داشته و عمر مفید باتری در مقایسه با Off-Line بیشتر می شود.

انواع Line- Interactive

1- ترانس

Buck/Boost جهت تنظیم ولتاژ در مسیر Bypass اضافه می شود این ترانس با سیم پیچ ثانویه چند سر به همراه چندین رله طوری تنظیم می شود که هر دو سطح پایین و بالای ولتاژ مسیر Bypass را به طور مناسب پوشش داده و بدین طریق ولتاژ خروجی یوپی اس را به اندازه ولتاژ مورد نیاز محدود می کند. این بدین معناست که محدوده ولتاژ قابل قبول ورودی (بدون نیاز به عملکرد اینورتر) افزایش می یابد.یک یو پی اس در این طبقه بندی می تواند با دامنه ولتاژ ورودی بین +%20 تا – %30 فراتر از محدوده ولتاژ نامی و با استفاده از مسیر Bypass ، ولتاژ بار خود را تامین کند.

2- عملکرد ترانس فرورزنانس نیز شبیه ترانس Buck/Boost می باشد، در این مورد ترانس فرورزنانس جایگزین ترانس Buck/Boost شده است. این ترانس تنظیم و رگولاسیون ولتاژ را در برابر اختلالهایی مانند نویز خط الکتریکی انجام می دهد و به ازای تغییر در ولتاژ ورودی از -%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 تامین می کند تا اینورتر شروع به کار کند. بنابریان بدون ایجاد وقفه در جریان برق؛ بار بین مسیرBypass به اینورتر منتقل شده و یوپی اس عملاً به یک سیستم واقعی On-Line تبدیل می شود که در خروجی آن وقفه ای مشاهده نمی شود.

3- در Bi- directional power converter تنها یک بلوک جایگزینی یکسو کننده (شارژر) و مدار اینورتر می شود، خیلی سریع تغییر حالت داده و به عنوان یک مدار اینورتر عمل می کند. همچنین از این نوع طراحی می توان در مدار Buck/Boost یا در هر کدام از سیستم های مختلف Line-interactive استفاده کرد.

3- دبل کانورژن (آن لاین)
در این مدل دستگاه‌های مصرف کننده همیشه از برق ثابت و فیلتر شده خروجی یو پی اس بهره می‌برد، با کمک تکنولوژی آن لاین در اینگونه یو پی اس‌ها که از کیفیت و حساسیت بالایی برخوردارند می‌توانیم جهت دستگاه‌های فوق العاده حساس آزمایشگاهی، نظامی و… استفاده کنیم. طبق استاندارد، یک برد مجهز به میکروپروسسور فوق العاده حساس دائما ولتاژ و جریان ورودی را کنترل می‌کند.

اولین تفاوت بین این طرح و آنچه که قبلا در سیستم off-line توضیح داده شد این است که شارژ باتری با بخش”یکسو کننده/شارژر”تعویض شده است.بخش “یکسو کننده /شارژر” ممکن است از دو قسمت جداگانه یا یک بلوک قدرت کامل تشکیل شده باشد.زمانیکه برق شهر در جریان است این بخش باطری را شارژ و انرزی اینورتر را توسط یک ولتاژdc ثابت تامین می کند.در صورتی که برق ورودی (برق شهر)قطع شود شارژ خاموش شده و انرژی DCاینورتر توسط باتری تامین می شود و از این زمان باتری رفته رفته خالی می شود.این نوع یو پی اس که اصطلاحا یو پی اس Double Conversion نیز نامیده می شود بالاترین میزان حفاظت را ارائه می کند زیرا بار همواره با یک ولتاژ تنظیم شده تغذیه می شود.به عبارت دیگر حتی زمانی که برق شهر وجود دارد یکسو کننده شارژر و بخش های اینورتر فعال هست در حالت عادی هنگامی که بار انرژی خود را دریافت می کند به خوبی در برابر اختلالات برق شهر محافظت می شود.چون یکسو کننده و اینورتر مانند یک سد در برابر نویز موجود در خطوط انتقال برق و نوسانات زودگذر ولتاژ عمل کرده و در نهایت یک ولتاژ خروجی کاملآ تثبیت شده را تامین می کنند.اگـر ولتــاژ ورودی از محدوده مجاز(مثل10%+ تا 20%-) تجاوز کند یا این که کاملآ قطع شود .اینورتر با استفاده از انرزی باتری به کار خود ادامه می دهد انجام این مراحل به نحوی صورت می پذیرد که هیچ وقفه ای به بار منتقل نشود زمانی که انرژی باتری استفاده می شود اینورتر مانند زمان استفاده از برق شهر همان میزان رگولاسیون ولتاز را ارائه می کند و بار از طریق سوئیچ استاتیک به خروجی اینورتر متصل است.

پارامترهای اصلی جهت خرید یک دستگاه UPS

1. THD)Total Harmonic Distortion) : بارهایی که از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می کنند ، به دلیل ایجادهارمونیک در شبکه باعث داغ شدن سیم نول و به تبعه آن باعث بروز گرما در سیستم برق می شوند . بنابراین در جاهایی که تعداد منابع تغذیه سوئیچینگ زیاد دارند بهتراست از ups استفاده گردد که THD جریان ورودی پایین مثلا 10% داشته باشد البته این را نیز نباید فراموش نمود که در جایی که ژنراتور نیز وجود دارد استفاده از UPS با THD پایین ضروری می باشد.

2. زمان سوئیچ : فاصله زمانی بین سوئیچ از برق شهربه باتری و بالعکس ، هرچه این زمان بیشتر باشداحتمال ریست شدن کامپیوتر در لحظه سوئیج بیشتر می گردد . ( فقط

3. On line / UPS زمان سوئیچ صفر دارد ) زمان پشتیبانی : مدت زمان مورد نیاز برای پشتیبانی از باتری در زمان قطع برق شهر ، این زمان بستگی به آمپر ساعت باطری داشته و با کم و زیاد شدن آمپر ساعت باتری کم و زیاد می گردد فقط یو پی اس باید قابلیت شارژ باتری را درکمترین زمان ممکن (حدودا بین4 تا 8 ساعت) را داشته باشد در بعضی یو پی اس ها محدودیت جریان شارژ دارد.

4. نویز شنیداری : زمانی که دستگاه روشن است ،صدای ناشی از فن یا ترانس دستگاه میزان نویزی را ایجاد میکند ،استفاده از یو پی اس با کمترین نویز در ادارات و بیمارستانها و مکانهایی که نیازمند کمترین صدا می باشند ضروری می باشد.

5. سایز و وزن : سایز و حجم دستگاه میتواند بر اساس مکان استفاده متفاوت باشد.

6. استحکام و قابلیت اطمینان : استحکام و قابلیت اطمینان زیاد در برابر شرایط آب و هوایی و شرایط سخت و بحرانی (اضافه بارهای لحظه ای)از مهمترین پارامترهای انتخاب یو پی اس می باشد.

7. تکنولوژی ساخت و شکل موج خروجی : چنانچه منابع تغذیه دستگاه های مورد استفاده بسیار حساس بوده و هیچگونه نویز یا اعوجایی نباید به آن وارد شود و شکل موج خروجی به صورت سینوسی کامل و بدون قطعی و بدون وابستگی به ولتاز ورودی لازم باشد ،پیشنهاد میگردد از یو پی اس ONLINE استفاده شود و چنانجه ورود نویز یا تغییر شکل موج خروجی سیستم از درجه اهمیت کمتری برخوردار است ،یو پی اس ها Line_Interactive توصیه می شود.

البته در انتخاب تکنولوزی باید به نوسانات برق شهری در منطقه نیز دقت شود (وجود افت ولتازهای شدید ،قطعی های مداوم و غیره …..)

توان نامی :

از دو راه می توان توان نامی را برای يو پي اس محاسبه نمود

روش اول : توان مصرفی تک تک دستگاهها را برحسب وات محاسبه نموده و با هم جمع نموده و بر ضریب توان خروجی یو پی اس تقسیم نموده توان دستگاه یو پی اس بر حسب ولت-آمپر بدست می آید.

روش دوم : جریان مصرفی کل دستگاهها را اندازه گرفته در 220 ضرب می نما ییم توان یو پی اس بر حسب ولت-آمپر بدست می آید.

البته بهتر است که مقدار بار متصل به یو پی اس نهایتا 70% از توان خروجی یو پی اس باشد تا در بارهای لحظه ای و کلید زنی که جریان لحظه ای دارند فشار کمتری به یو پی اس وارد شود.

رنج تغیرات ولتاژ و فرکانس ورودی:میزان تغیرات ولتاژ ورودی و فرکانس بدان معنی است که بازه ولتاژ ورودی و فرکانس( مثلآ

160~280 vae ولتاژ و فرکانس از 45~65 ) اگر در ورودی (برق شهر) تغییر نماید یو پی اس بدون استفاده از باتری و با استفاده از *****اسیون داخلی به کار خود ادامه داده و ولتاژ خروجی مناسبی را ارائه دهد .در صورتی که یو پی اس خارج از این بازه باشد ،یو پی اس به حالت Backup رفته و ورودی را قطع می نماید و از باتری استفاده می کند تا مجددا به حالت نرمال برگردد.رنج ولتاژ خروجی و فرکانس خروجی و رگولاسیون (بازه ولتاژ و فرکانس خروجی یو پی اس) آن باید با بازه ولتاژ ورودی دستگاههای مصرفی وصل به یو پی اس هماهنگ باشد ،در یو پی اس ها ی online رگولاسیون ولتاژ کمتر از 2%+ و فرکانس کمتر از0.5%+ در یو پی اس ها ی off_line و line_Interactive رگولاسیون ولتاژ 10%+ تا 3%+ وفرکانس بین 5/2% تا 5/0% می باشد.

چگونه زمان برق دهی(Back Up) را برای باتری ها محاسبه کنیم؟

زمان Back up مدت زمانی است که باتری باید انرژی و توان مورد نیاز بار را تامین نماید و اغلب به آن زمان استقلال (Autonomy) یا زمان دشارژ نیز گفته می شود .

باتریها درانواع گوناگون و میزان آمپرساعت متفاوت عرضه می شوند ، بنابراین به منظور نصب باتری مناسب و استفاده ازآن باید محاسبه دقیقی انجام گیرد.

درانتخاب باتری با ظرفیت یا سرویس دهی مناسب حداقل به دو نکته باید توجه شود .

1. بار باتری

2. زمان استقلال یاBack up موردنیاز

ابتدا جریان کشیده شده از باتری را محاسبه می کنیم به عنوان مثال :

اگر بار متصل به یو پی اس 5KVA و ضریب توان آن 0.8 باشد بار یو پی اس 4kw است . اگر راندمان اینورتر یو پی اس 90% بــاشد تلفـات اینــورتـر36/ kw0 است . بنــابراین بــرای تغـذیه بار باتری باید به انــدازه

Kw 4.36= 0.36 KW + 4KW توان تولید کند.

حال اگر ولتاژ ثابت باتری 192 ولت باشد و زمان Back up ، 30 دقیقه باشد . ابتدا جریان dc را محاسبه می کنیم که جریان 22.71خواهد شد .

توجه : محاسبه فوق به شکل ساده در این جا آمده است زیرا ولتاژ واقعی باتری با دشارژشدن آن افت می کند .

سازندگان باتری همیشه جداول یا نمودارهایی را عرضه می کنند که با استفاده از اطلاعات آنها می توان ظرفیت سرویس دهی موردنیاز را تعیین کرد.

در مورد مثال فوق باتوجه به اطلاعات ارائه شده از سوی سازندگان باتری ، 16 عدد باتری (192 ولت) با 24 آمپر ساعت ظرفیت سرویس دهی می تواند برای 30 دقیقه بار را تغذیه کند .

 

چه نکاتی در مورد نگهداری یو پی اس ها باید رعایت شود؟

قسمت مهمی از یک دستگاه یو پی اس باطری آن است. باطری امکان ذخیره سازی توان الکتریکی مستقیم را از طریق یک فرآیند شیمیایی فراهم می کند. ساختار شیمیایی باطری‌ها موجب حساسیت آنها به حرارت است. گرم شدن باطری ظرفیت ذخیره سازی توان الکتریکی و همچنین عمر باطری را کم می‌کند. با افزایش حرارت محیطی که باطری در آن قرار دارد به ازای هر یک درجه افزایش حرارت عمر باطری ۱۰ درصد کاهش می‌یابد. حرارت ایده آل برای باطری بین ۲۲ تا ۲۵ درجه است که حرارت ایده آل محیط‌های کاری هم هست. لذا نگهداری باطری در خارج از محیط کاری معمولاً توصیه نمی‌شود.