תחזוקת מערכות UPS

1. תחזוקת מערכות UPS אבי פינסM.Sc. MBA אביאם מערכות בע"מ יוני 2012

2. נושאי ההרצאה • סוגים/קונפיגורציות On-Line, L/I • סוגים/מבנה חד ותלת פאזי • סוגי מיישרים (תיריסטורי, PFC) • ממירים – הסבר פעולה • מפסקים סטטיים ועוקפי שרות • מצברים וזמן גיבוי • קונפיגורציות לשיפור אמינות וזמינות (יתירות מקבילית וטורית, הזנה דו ורב מסלולית, מודולריות) • תחזוקת מערכות אל פסק • נושאים שונים: הגנות זליגה במעגלי אל פסק, הרמוניות, עומסים קיבוליים במרכזי מיחשוב ועוד.

3. סוגים וקונפיגורציות של מערכות UPS

4. מצב עבודה רגיל הפסקת חשמל BYPASSהעברה לעוקף מערכות אל פסק – ON LINE מערכת ON LINE הגדרות מפורטות של קונפיגורציות UPS מובאות בתקן 62040-3EN

5. מערכות אל פסק – LINE INTERACTIVE הגדרות מפורטות של קונפיגורציות UPS מובאות בתקן 62040-3EN

6. סוגי מערכות עוקף עוקף+מיישר תפוקה תפוקה מיישר • חד פאזי / חד פאזי כניסה אחת (LI כולם, OL חלקי) • חד פאזי / חד פאזי 2 כניסות • תלת פאזי / חד פאזי (בד"כ עם 2 כניסות) • תלת פאזי / תלת פאזי כניסה אחת • תלת פאזי / תלת פאזי 2 כניסות הערה: הזנה אחת מורידה את האמינות, מקשה על עקיפת שרות, מקשה לתכנן סלקטיביות, בעייתית כשהמערכת היא תלת\חד

7. סוגי מיישרים PFC/SCR

8. מיישרים תיריסטוריים (SCR) מיישרים תיריסטוריים דומים לגשר ישור של דיודות אלא שאלמנט היישור הוא תיריסטור (SCR) ניתן לשלוט ולייצב את מתח המוצא ע"י שינוי זוית ההצתה של ה-SCR.ה-SCR כבה כאשר הזרם דרכו מתאפס קיימים מיישרים חד ותלת פאזיים

9. מיישרים תיריסטוריים (SCR) מקדם ההספק של מיישרים תיריסטוריים הוא נמוך הם צורכים זרם בצורה מעוותת (=הרמוניות זרם גבוהות בכניסה) הם גדולים וכבדים מערכות להקטנת ההרמוניות כבדות, יקרות ובזבזניות כיום כמעט ולא מייצרים מיישרים תיריסטוריים

10. מיישר PFC (מיישר IGBT) מיישרי PFC מתבססים על טכנולוגיות טרנזיסטוריות מהירות (טרנזיסטוריIGBT) ומחליפים במהירות את המיישרים התיריסטוריים ביצועים אופייניים של מיישר PFC: • הרמוניות זרם כניסה נמוכות (בד"כ 1-3%) – זרם סינוסי בכניסה • מקדם הספק כניסה קרוב ל-1 (בד"כ 0.99 – 0.98) • נצילות גבוהה • מידות ומשקל קטנים (עבודה בתדר גבוה) • הביצועים נשמרים על פני תחום עומס רחב בשקפים הבאים נסביר בקצרה את שיטת העבודה של מיישרים אלה שנפוצים כעת בכל התחומים: מיישרים, אל פסק, וסתי מהירות מנוע, ספקי מחשבים וכו'

11. מיישר PFC בסיסי (הסבר פעולה 1) אם לא נפעיל את הטרנזיסטור 1Q הקבלים 1C-2C ייטענו למתח ה-DC של ההזנה אם ממתגים את הטרנזיסטור ל-ON מופיע מתח ה-DC על המשנק והזרם בו עולה לפי הנוסחה הידועה V=-L*di/dt כלומר הזרם עולה בצורת קו ישר (לינארי). אם נפסיק את הפולס לפני שהמשנק יכנס לרוויה או שהטרנזיסטור יישרף יהיה זרם I במשנק ברגע הכיבוי

12. מיישר PFC בסיסי (הסבר פעולה 2) הזרם חייב להמשיך לזרום, מכיון שהטרנזיסטור הפסיק להוליך, הזרם יזרום לתוך הקבל ומתח הקבל יעלה ניתן לראות זאת גם בצורה אחרת – במשנק אגורה אנרגיה 0.5*L*I2והיא (או חלקה) מועברת לקבל ונאגרת בצורה 0.5*C*V2 ע"י מעגל בקרה מתאים אנו נווסת את רוחב הפולסים לקבלת מתח DC רצוי על פני הקבלים 1C – 2C. אם קיימת פריקה של הקבל רוחב הפולס בטרנזיסטור יתאים את עצמו לשמירת המתח הרצוי

13. מיישר PFC בסיסי (הסבר פעולה 3) נשנה עתה את רוחב הפולס כך שהוא יתאים לצורת המתח הסינוסי שבכניסה מה שיתקבל זה זרם סינוסי בכניסה במקדם הספק קרוב ל-1 ניתן לשנות את מתח ה-DC על קבל המוצא ע"י שינוי הרוחב היחסי של פולסי המתח. מיישר PFC נותן: • יישור מתח הכניסה • שליטה על מתח ה-DC • זרם כניסה סינוסי (הרמוניות זרם נמוכות בכניסה) • מקדם הספק כניסה קרוב ל-1

14. מיישר PFC חד פאזי (הסבר פעולה 4) חיבור של שני מיישרים בסיסיים מטפל בחצי הגל החיובי והשלילי

15. ממירים – הסבר פעולה

16. ממיר בסיסי (1) האלמנט הבסיסי הוא "מפסק" (טרנזיסטור). ממיר בסיסי מורכב מארבעה מפסקים בין שני פסי ה-DC במבנה שנקרא "גשר מלא". דירבון של המפסקים ע"י פולסים בקוטביות הפוכה תגרום להופעת גל מרובע במוצא. אם נמתג את המפסקים בתדר של 50 הרץ נקבל בתפוקה גל מרובע של 50 הרץ.

17. ממיר בסיסי (2) • ממיר בסיסי מורכב מארבעה מפסקים בין שני פסי ה-DC במבנה שנקרא "גשר מלא". • דירבון של המפסקים ע"י פולסים בקוטביות הפוכה תגרום להופעת גל מרובע במוצא. • אם נמתג את המפסקים בתדר של 50 הרץ נקבל בתפוקה גל מרובע של 50 הרץ.

18. ממירים בתדר נמוך • ממיר ממותג בתדר 50 הרץ ייצר גל מרובע • מתח התפוקה אינו מיוצב • צורת הגל רחוקה מאד מסינוס ועלולה לגרום להפרעות • ממיר המייצר גל "קוואזי סינוס" - ממתגים את הטרנזיסטורים כך שרוחב פולס המתח בתפוקה הינו משתנה • ניתן לקבל מתח תפוקה מיוצב ע"י שינוי רוחב הפולס • ניתן להראות כי מתח תפוקה זה הינו קרוב יותר לסינוס

19. ממירים המייצרים גל קוואזי סינוס • ממירים של מערכות פשוטות כמו זו שבצילום מייצרים מתח "קוואזי סינוס" • מבנה זה הינו פשוט וזול. • בד"כ לא מנסים לסנן את מתח המוצא לקבלת סינוס באמצעות פילטרים שכן נדרש פילטר גדול ויקר

20. אפנון רוחב פולס PWM(1) • נחזור לממיר הבסיסי שלנו ונמתג אותו עכשיו בתדר גבוה מאד. • אמפליטודת הפולסים במוצא הממיר היא קבועה ותלויה במתח ה-DC. • הדרך היחידה שבאמצעותה ניתן ליצור רמות מתח שונות במוצא הממיר הינה - שליטה ברוחב היחסי של פולסי המתח • רוחב יחסי - היחס בין רוחב הפולס לס"ה רוחב המחזור Duty Cycle • במוצא הממיר אנו נכניס פילטר (מסננת) – זהו רכיב אשר נותן לנו את הממוצע של גל התפוקה

21. אפנון רוחב פולס PWM(2) • ניתן ליצר מתח סינוסי ע"י שינוי רוחב הפולס היחסי לאורך המחזור • בציור משמאל מוצגת יצירת מתח סינוסי ע"י אפנון רוחב פולס בתדר פי 16 יותר גבוה מתדר הבסיס • מייצרים פולסים בעלי גובה קבוע (גודל מתח ה-DC) וברוחב משתנה לפי מתח הסינוס הרגעי. • מיצוע הפולסים ע"י מסננת מייצר מחדש את הסינוס המקורי.

22. אפנון רוחב פולס PWM(3) גל התפוקה מממיר PWM מוצג בציור PWM לאחר מיצוע (סינון) מתקבל סינוס טהור

23. אפנון רוחב פולס PWM(4) ניתן ליצב את מתח התפוקה מהממיר כנגד שינויי מתח ה-DC, שינויי עומס וכו' ע"י שינוי הרוחב היחסי של הפולס.

24. ממיר PWM חד פאזי גשר מלא

25. מפסקים סטטיים ועוקפי שרות

26. מפסק סטטי • מפסק סטטי הינו מתג אלקטרוני מהיר • מבנה מפסק סטטי הינו SPDT או 3PDT • במערכות אל פסק משמש המפסק הסטטי להעברת ההזנה של העומס הקריטי מהממיר לרשת (BYPASS) בזמן תקלה או עומס יתר • ניתן (בד"כ) לבצע העברה ידנית של העומס לרשת (בכפוף לכך שמתח העוקף תקין וקיים סינכרון)

27. תפעול המפסק הסטטי במערכת UPS • המפסק הסטטי מבצע העברה ללא הפסקה • ההעברה הינה מהירה מאד • המפסק הסטטי כולל מעגלי זיהוי תקלה מהירים אשר מזהים עומס יתר ונפילת מתח ממיר ונותנים פקודת העברה מיידית • כדי למנוע הפרעה לעומס, המתחים שביניהם ממתג המפסק הסטטי חייבים להיות מסונכרנים בהפרש זוית קטן. • הסינכרון מתבצע ע"י חוג נעול פאזה (PLL) ב-UPS • כדי להבטיח יציבות תדר התפוקה, המערכת בד"כ מגבילה את "חלון" הסינכרון.

28. מעגלים מעשיים של מפסק סטטי • מימוש מקובל למפסק סטטי הינו ע"י שני SCR-ים הפוכים מקוצרים. • במבנה זה קיימת חפיפה קצרה בין ההזנות בזמן המעבר ממיר לרשת וחזרה • לאחר המעבר, ה-SCR נכבה (כאשר הזרם דרכו מתאפס) וההולכה עוברת לצד השני. • כיון שה-SCR נמצאים תמיד במעגל ההולכה, קיים בזבוז הספק עליהם (אובדן נצילות של כ-1%)

29. דוגמת העברה מממיר לעוקף • נציג לדוגמה מקרה שמתח הממיר יורד בגלל תקלה • מערכות הגילוי של המפסק הסטטי מזהות את ירידת מתח הממיר • ההצתות ל-SCR-ים בצד הממיר נפסקות מיד. אם נניח שהסינוס של הממיר היה בחצי הגל החיובי 1SCR ממשיך להוליך (ה-SCR השני כלל לא הוליך) • אז מוצתים שני ה-SCR-ים מצד הרשת ומתח הרשת, שהוא גבוה יותר ממתח הממיר מופיע על הקתודה של 1SCR • כתוצאה מהופעת מתח הפוך על 1SCR הזרם דרכו מתאפס והוא כבה • הזנת העומס נמשכת דרך ה-SCR-ים מצד העוקף SCR1

30. מפסק סטטי עם קונטקטור • ניתן להחליף את ה-SCR-ים מצד הממיר בקונטקטור • החפיפה נמשכת זמן רב יותר • אך מפל המתח ובזבוז ההספק בקונטקטור קטנים יותר מאשר בצמד SCR-ים

31. מעגלי זיהוי נפילת ממיר ועומס יתר • לממירים תלת פאזיים - מיישר תלת פאזי עם טיימר • עקיבה אחרי מתח הממיר בעזרת מיקרופרוססור • זרם יתר – בד"כ עם קומפרטור (אנלוגי או דרך מיקרופרוססור)

32. עוקף שרותMaintenance Bypass (MBP) • עוקף שרות משמש לעקיפה של מערכות אל פסק לצורך תחזוקה או שרות. • עקיפת השרות והחזרה ממנה מתבצעת בשילוב עם המפסק הסטטי שבמערכת ואינה גורמת להפרעה במתח לעומס. • כאשר המערכת בעקיפת שרות ניתן להפסיק את כל המתחים אליה ואף לכבות אותה לצורך טיפול. • בזמן עקיפת שרות העומס מוזן מהרשת וחשוף להפרעות והפסקות חשמל.

33. תאור ביצוע עקיפת שרות (1) מצב התחלתי – עומס מוזן מממיר

34. תאור ביצוע עקיפת שרות (2) עומס מועבר להזנה מעוקף

35. תאור ביצוע עקיפת שרות (3) סוגרים (מחברים) את המפסק המקצר

36. תאור ביצוע עקיפת שרות (4) מעבירים את מפסק העקיפה למצב רשת

37. מערך עקיפת שרות חיצוני • מערכות אל פסק איכותיות כוללות עוקף שרות פנימי • עוקף שרות פנימי אינו מאפשר חופש פעולה מלא לשרות כי יש מתח על הדקי המערכת. מצד שני הוא נוח ופשוט לתפעול וכולל אינטרלוק מובנה. • מסיבות אלו אני ממליץ להתקין תמיד עוקף שרות חיצוני • במערכות מקביליות עוקף השרות החיצוני יהיה על כל הסט המקבילי • מערך עקיפת השרות נדרש כדילהבטיח גמישות בשרות למערכות וכדי למנוע נפילת העומסים הקריטיים בזמן שרות בצילום רואים שגם במערכת קטנה יחסית מותקן עוקף שרות פנימי

38. מערך עקיפת שרות חיצוני • מערכות אל פסק איכותיות כוללות עוקף שרות פנימי • עוקף שרות פנימי אינו מאפשר חופש פעולה מלא לשרות כי יש מתח על הדקי המערכת. מצד שני הוא נוח ופשוט לתפעול וכולל אינטרלוק מובנה. • מסיבות אלו אני ממליץ להתקין תמיד עוקף שרות חיצוני • במערכות מקביליות עוקף השרות החיצוני יהיה על כל הסט המקבילי • מערך עקיפת השרות נדרש כדילהבטיח גמישות בשרות למערכות וכדי למנוע נפילת העומסים הקריטיים בזמן שרות בצילום רואים שבמערכות גדולות מותקן עוקף שרות פנימי כסטנדרט

39. מצברים וזמן גיבוי

40. מצברים – סקירה טכנולוגית • סוגי מצברים • מצברים רטובים • מצברים אטומים ללא טיפול • התקנת מצברים • בארון • בכונן • בטיחות • מתחים גבוהים/סכנת התחשמלות • זרמים גבוהים/סכנת כויות • הגנה על טורי מצברים

41. מבנה המצבר אנו נתמקד רק במצברים אטומים ללא טיפול (VRLA)

42. מצברי FRONT TERMINAL • התקנה קומפקטית (בערך 30% פחות נפח) • מאפשרים נוחות גישה ושרות • יתרון לקיבולים גדולים יחסית

43. עקרון הפעולה של מצברי עופרת VRLA המצבר בנוי מפלטות עופרת טבולות בחומצה גופריתנית בעת פריקה העופרת מתחברת לתחמוצת הגופרית והמימן מתחבר לחמצן ויוצר מים. בזמן טעינה התהליך מתהפך. במצברים אטומים החומצה ספוגה בסיבי זכוכית. במצברים אטומים ללא טיפול מתבצעת רקומבינציה של המימן והחמצן למים והמצבר אינו מאבד מים. המצבר כולל שסתום לשרור לחץ במקרה של טעינת יתר או תקלה. התיבשות מצבר אטום גורמת לקלקולו כיון שאי אפשר להחזיר לו מים שאבדו. מצברי עופרת לאל פסק מיועדים לפריקות מהירות והפלטות שלהם דקות. מצברי עופרת לתקשורת מיועדים לפריקות איטיות ויש להם פלטות עבות

44. פריקת המצבר גרפים אופייניים לפריקה ברמות עומס שונות קיבול המצבר האפקטיבי תלוי בקצב הפריקה. ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, כן יקטן קיבול המצבר האפקטיבי אין לפרוק למתח נמוך יותר מהמקווקו בפריקות מהירות (עד 60 דקות) מקובל לא לרדת מתחת ל-1.67 וולט לתא. בפריקות איטיות יותר רצוי לא לרדת מתחת ל-1.75 וולט לתא

45. אורך חיי המצבר בגרף זה מוצגת השתנות הקיבול של מצבר לאורך חייו ב-C˚20 DESIGN LIFE – אורך חיים תאורטי. מוגדר ע"י היצרנים ומשמש להשוואה בין סוגים שונים. SERVICE LIFE – נתון מעשי מתחילת חיי המצבר ועד שקיבולו יורד ל-80% מהנומינלי. בתנאי עבודה אופטימלייים ה-SL יגיע לכ-70-80% מה-DL. במקרים מעשיים רבים הוא 50% מה-DL. גמר חיי המצבר – מוגדר כירידת קיבולו ל-80% מהנומינלי עליה בטמפ' הסביבה הממוצעת ב- ב-C˚10 מקצרת את אורך חיי המצבר פי 2

46. אורך חיי המצבר • תקנים של אורך חיי מצברים: • תקן אמריקאי (ב-C˚25) • תקן אירופאי (יורובאט) (ב- ב-C˚20) • מהפרש הטמפרטורות נובע הבדל באורך חיים • תקנים אלה הם SELF CERTIFICATION ולכן המצב בשוק קצת פרוץ.... • תקנים מחייבים (TELCORDIA, NEBS) • מבוססים על בדיקות מעמיקות (ויקרות) • יש מעט מצברים שנבדקו לפי תקנים אלה בעיקר בשוק הטלקום

47. גורמים ל"מות" מצברים • הגורם העיקרי למות מצברים הוא התייבשות התא. • טמפרטורה גבוהה – גורמת להאצת תהליכים כימיים אשר מאכלים את הפלטות. • מספר פריקות וטעינות (CYCLES) ועומקן. • אופיין הטעינה ומתח הטעינה • זרם גליות (RIPPLE) במצברים – מהמטען או הממיר • הפיכת קטביות על המצבר (REVERSAL) • תקלות פנימיות: • איכול הפלטה החיובית • תקלה בחיבורים הפנימיים בתא • התחממות יתר (עקב אוורור לקוי) ו"בריחה תרמית".

48. מספר פריקות וטעינות ועומק הפריקה

49. מצברי DEEP CYCLE

50. טעינת המצבר בגרף העליון מוצגים המתחים המומלצים לטעינה באופיין פעולה ציקלי בגרף התחתון מוצגים מתחי הטעינה המומלצים בעבודה באופיין STANDBY