UPS

1. UPS Uninterruptible Power Supply Maryam Aghili

2. چرا بهUPS نياز داريم ؟ • قطع ناگهانی برق باعث اختلال در اکثر فعاليتهای تجاری شده و در برخی موارد امکان ادامهٔ آن را کاملاً از بين می برد.شرکتهای بسياری را می توان نام برد که در اثر پيامدهای حاصل از قطع برق ورشکست شده اند. • تنها قطع برق شهر اثرات مخرب به همراه ندارد ، بسياری از دستگاه های الکتريکی نسبت به نارسائی ها يی مانند افت لحظه ای ولتاژ ، افت طولانی ولتاژ ، ولتاژهای لحظه ای بالا ، نويز و تغييرات فرکانس در منبع تغذيهٔ خود حساس هستند. • به اينگونه بارها اغلب ”بارهای حساس“گفته می شود زيرا عملکرد مداوم آنها برای فعاليت تجاری يک شرکت حائز اهميت است.

3. انواع تجهيزاتی که با بارهای حساس مرتبطند عبارتند از : • کامپيوترها ، مثل سيستمهای پردازش و کنترل • تجهيزات عمليات صنعتی ، مانند عمليات توليدی دقيق • تجهيزات درمانی ، مانند سيستمهای کنترل و حفظ حيات • تجهيزات شبکهٔ ارتباطی مانند سيستمهای مخابراتی • تجهيزات معاملات تجاری On-line مانند خريد و فروش از طريق اينترنت

4. مشکلات موجود در برق شهر نوسانات شديد لحظه ای (spike ) : ولتاژهای سريع ، گذرا و با طول زمانی کوتاهی هستند که به شکل موج اصلی برق اضافه می شوند و باعث آسيب سخت افزار و خرابی نرم افزار می شوند و در دراز مدت منجر به بروز ضررهای مالی سنگينی ميگردند. نويز الکتريکی : حالت مشترک ناشی از بروز اختلال بين خطوط منبع و زمين است و می تواند دراثراصابت صاعقه ، خاموش و روشن کردن بار و مجاورت با تجهيزات فرکانس راديويي و غيره ايجاد شود .نويز می تواند باعث Hang کردن کامپيوتر و در نتيجه از دست رفتن اطلاعات بشود. افت لحظه ای ولتاژ (Sags ) : افت ولتاژهايی که به مدت چند سيکل ادامه داشته باشند Sag ناميده می شوند.وقوع افت ولتاژ بسيار متداول است ، اين امر سبب Re-boot شدن کامپيوترها مي گردد.

5. افت طولانی ولتاژ (Brownouts) : همان Sagها هستند ولی طول مدت آنها بيشتر است و معمولاً مهمتر هستند . • اضافه ولتاژ لحظه ای (Surges) : ولتاژ اضافه شده به موج اصلی برق با مقادير بالاتر از مقدار عادی خط اصلی برق می باشد که بيش از يک سيکل ادامه می يابد. • قطع برق شهر(Blackouts ) : عبارت است از قطع کامل جريان برق و در هنگام وقوع آن منبع نيروی برق کاملاً از کار می افتد . پس از شناسايی بارهای حساس موضوع مهم محافظت از منبع تغذيهٔ آنهاست ، و هيچ راهی وجود ندارد جز نصب يک نوع منبع تغذيهٔ بدون وقفه يا همان ups که به عنوان راه حل ارائه می گردد.

6. چيست؟UPS • UPS system Load • منبع تغذيهٔ بدون وقفه ups دستگاهی است که متشکل از قطعات حالت جامد که بين منبع ورودی و بار وصل شده و از بروز اختلالات برق ورودی (برق شهر) از جمله قطع آن بطور کامل جلوگيری مي کند . • انواع ups های موجود : • سيستمهای با توان نسبتاً پايين- 250-500 VA • سيستمهای توان پايين - 500-2000 VA • سيستمهای توان متوسط- 3-20 KVA • سيستمهای توان بالا – 30-400 KVA

7. ساختار ups • بطور کلی upsها از لحاظ ساختار طراحی در يکی از سه حالت Offline، On lineو Line interactive قرار می گيرد. • تمام UPSها دارایباطری هستند و تا زمانی که برق شهر قابل استفاده است انرژی را در باطری ذخيره می کنند و پس از قطع برق شهر انرژی باطری را به جريان متناوب AC تبديل می کنند بنابراين تمام سيستمها دارای شارژر باطری و مدار اينورتر می باشند. • هنگامی که برق شهر دچار مشکل شود باطری به عنوان منبع انرژی اينورتر عمل کرده و با سرعتی که به ميزان مصرف بار متصل به UPS بستگی دارد ، دشارژ می شود.در اغلب UPSها اين زمان ( back up time )5 الی ۱۵ دقيقه می باشد.

8. بلوک دياگرام سادهٔ UPS Bypass Line Mains supply Rectifier charger Inverter UPS output to critical load Static Switch Battery

9. سيستمهای Off-line • در اين نوع سيستمها بارهای حساس از مسير bypass انرژی دريافت مي کنند و اگر تغذيهٔ مسير bypass قطع شود يا ولتاژ آن خارج از محدودهٔ قابل قبول و مجاز قرار گيرد ، مسير اينورتر جايگزين آن مي شود. • اگر ولتاژ bypass از حداقل مجاز پايين تر رود ، اينورتر بلافاصله شروع به کار کرده و بار بوسيلهٔ سوئيچ استاتيک به اينورتر منتقل مي شود.با توجه به اينکه مراحل انتقال پس از قطع ولتاژ bypass آغاز مي شود وقفهٔ اجتناب ناپذير در تاًمين انرژی بار روی مي دهد،اگر چه اين وقفه کوتاه به اندازهٔ 2-10 ميلی ثانيه است.

10. Off Line System Bypass Line ( common by pass configuration shown) Static Switch Mains supply Rectifier /charger Inverter UPS output to critical load Battery

11. MainsFailure Bypass Line Static Switch UPS output to critical load Rectifier /charger Mains supply Inverter Battery

12. UPS Failure Bypass Line Static Switch UPS output to critical load Rectifier /charger Mains supply Inverter Battery

13. اساساً تمامups ها دارای سيستمbypass هستند که همراه با يک سوئيچ در خروجی وسيلهٔ ارتباط بار را جهت تغذيهٔ مستقيم از برق شهر فراهم می کنند.در دستگاههای با توان پايين اين کار به وسيلهٔ رله انجام می شود. • در ups های مدل Off-line بارهای حساس از مسير bypass انرژی دريافت می کنند و اگر تغذيهٔ اين مسير قطع گردد مسير اينورتر جايگزين آن ميگردد. • در شرايط عادی شارژر باطری بطور مداوم کار می کند تا باطری ها را کاملاً آماده نگه دارد . در برخی ups ها ممکن است اينورتر خاموش باشد تا راندمان کلی دستگاه افزايش يابد، اگر ولتاژ by pass از حداقل مجاز پايينتر رود ،اينورتر بلافاصله شروع به کار کرده و بار بوسيلهٔ سوئيچ استاتيک به اينورتر منتقل می شود و با عادی شدن وضع برق شهر بار مجدداً به مسير by pass منتقل می شود.که اين عمل منجر به 2 الی 10 ثانيه وقفه در خروجی ميگردد. • در ups های off-line زمانی که بار به اينورتر منتقل می شود اينورتر با استفاده از انرژی باتری فعال شده و تا زمانی که ولتاژ باتری به آخرين حد دشارژ آن برسد می تواند انژری بار را تاُمين کند اگر تا آن زمان جريان برق شهر برقرار نشود برق خروجی ups بطور کامل قطع می شود.

14. سيستم Line Interactive • ولتاژ خروجی در سيستم های Off-line بطور پيوسته تنظيم نمی شود به همين دليل در سيتم های line interactive با اضافه کردن سيستم تنظيم ولتاژ سعی شده که در مسير by pass عملکرد بهتری ارائه شود. • اين مدل نيز مشابه سيستم های Off-line می باشد بار از طريق by pass تغذيه می شود و بر اثر قطع برق به مسير اينورتر منتقل می شود ، اما به خاطر اضافه شدن مدار تنظيم ولتاژ در مسير by pass بار کمتر به اينورتر انتقال می يابد. • ترانس فرو رزونانس برای تنظيم و رگولاسيون ولتاژ در برابر اختلالهايي مانند نويز بکار می رود و به ازای هر 40%- تا 20% + خروجی تنها 3% مقدار نامی تغيير خواهد کرد.همچنين اين ترانس با ذخيرهٔ انرژی برق مورد نياز کامپيوترها را در زمان قطع کامل برق برای مدت کوتاهی تاًمين مي کند تا اينورتر شروع به کار کند.

15. Line interactive ups with ferroresonant transformer Ferro resonanttransformer Static Switch UPS output to critical load Bi directional power converter Mains supply Battery

16. سيستم On-line • در اين سيستم در حالت عادی تغذيهٔ بار از مسير اينورتر انجام می شود.زمانيکه برق شهر در جريان است اين بخش باطری را شارژ و انرژی اينورتر را توسط يک ولتاژ DC ثابت تاُمين می کند . در صورتی که برق شهر قطع شود شارژر خاموش شده و انرژی DC اينورتر توسط باتری تاُمين ميشود و از اين زمان باطری رفته رفته خالی می شود . • بخش يکسو کننده/شارژر در قسمتی از مدار کنترل خود دارای يک محدود کنندهٔ جريان است تا حفاظت لازم را در برابر اضافه بار انجام دهد و همچنين شامل يک مکانيزم shut down است تا در صورت زياد شدن ولتاژ DC ، از باطری ، اينورتر و اجزای فيلتر DC محافظت کند.اين نوع UPS را اصطلاحاً double conversion مي نامند زيرا بيشترين ميزان حفاظت را ارائه می دهد و بار هميشه با يک ولتاژ تنظيم شده تغذيه مي شود. به عبارت ديگر حتی زمانی که برق شهر وجود دارد يکسو کننده ،شارژر و بخشهای قدرت اينورتر فعال هستند و بار از طريق يک سوئيچ استاتيک به خروجی اينورتر متصل است و مجموعهٔ يکسو کننده و اينورتر مانند سدی در برابر نوسانات زودگذر ولتاژ عمل کرده ودر خروجی ولتاژ کاملاً تنظيم شده ای فراهم می شود.

17. On Line System Bypass Line ( split by pass configuration shown) By pass supply Static Switch Rectifier /charger Inverter UPS output to critical load Mains supply Battery Normal operation

18. On Line System Bypass Line ( split by pass configuration shown) By pass supply Static Switch Rectifier /charger Inverter UPS output to critical load Mains supply Battery Mains failure

19. On Line System Bypass Line By pass supply Static Switch Rectifier /charger Inverter UPS output to critical load Mains supply Battery UPS failure (on bypass)

20. اگر قبل از اينکه ولتاژ باطری به پايين ترين ميزان ولتاژ خود برسد جريان برق شهر مجدداً برقرار نشود ، اينورتر از کار مي افتد و در برخی مدلها سوئيچ استاتيک بار را به مسير bypass متصل می کند.اگر ورودی bypass جدا نصب شده باشد و برق ورودی اين مسير مناسب باشد جريان برقرار خواهد شد ولی اگر دو بخش bypass و ورودی يکسو کننده به يک برق AC يکسان متصل باشند (Common bypass) مسير bypass نيز قطع می گردد. • يک روش برای حل اين مشکل استفاده از يک ژنراتور Stand-by در طراحی سيستم مي باشد می باشد تا در زمان قطع برق جايگزين برای ورودی UPS عمل کند.اين ژنراتور از طريق يک مدارسوئيچ خودکار به يو پی اس متصل مي شود.اين مدار سوئيچ مي تواند قطع برق شهر را تشخيص داده و ژنراتوررا سريعاً در مدار قرار دهد. • مزايای سيستم های on-line • تاُمين بالاترين حد محافظت از بارهای حساس زيرا بار همواره با ولتاژ تنظيم شده تغذيه مي شود. • عدم وجود وقفه هنگام انتقال اينورتر و مسير by pass

21. سيستم های موازی • در اينگونه سيستم ها از دو يا چندups استفاده می شود که به صورت موازی انرژی الکتريکی يک گروه بار مشترک را تاُمين می کنند و عموماً برای سيستم های on-line که محدودهٔ توان متوسط يا بالايي دارند قابل اجرا است. • عملکرد واحدهای چنين سيستمی اغلب شبيه يکديگر است بردهای الکترونيکی بسيار دقيقی در داخل سيستم تعبيع می شود تا اطمينان حاصل شود هنگام انتقال از يک منبع انرژی به منبع ديگر تمام سوئچهای استاتيک همزمان عمل می کنند. در غير اينصورت اگر زمانی که تمام upsها از اينورتر خود استفاده می کنند يک ups خروجی خود را از مسير by pass منتقل کندسيستم دچار مشکل می شود. • يکی ديگر از مزايای اين روش اين است که در صورت بروز مشکلی برای يک سيستم می توان آن را از بقيهٔ سيستمها جدا کرد بی آنکه کل سيستم دچار مشکل شود. • در روش موازی توان وظرفيت موُثر سيستم بالا می رود و استفاده از واحدهای بيشتر باعث افزايش ظريب اطمينان سيستم می شود. • توجه به اين نکته ضروری است که تمام upsهايي که بخشی از يک سيستم موازی را تشکيل می دهند بايد از يک نوع باشند و توان خروجی يکسان داشته باشند برای مثال نمی توان يک ups 30 کيلو ولت آمپر را با ups 120 کيلو ولت آمپر موازی کرد.

22. انواع سيستمهایموازی • سيستمهایCapacity • سيستم از تعدادی ups با توانهای يکسان طوری طراحی مي شود که زمانی که تمام آنها کار می کنند توان مورد نياز بارتاُمين مي شود برای مثال سه دستگاه ups با توان 60 کيلو ولت آمپر ممکن اسا برای تاُمين بار 170 کيلو ولت آمپر بکار رود.در شرايط معمولی هر دستگاه حداکثر توان 57 کيلو ولت آمپر را تاُمين می کند اما اگر يکی از upsها خراب شود دو دستگاه ديگر بايد 85 کيلو ولت آمپر را تاُمين کنند بنابر اين قطعاُ اضافه بار بوجود خواهد آمد در اين حالت بار بلافاصله به مسير bypass منتقل مي شود اگر دستگاهی که دچار ايراد شده نتواند سوئيچ استاتيک مسير bypass خود را بکار اندازد، سيستم قادر است به وسيلهٔ سوئيچ استاتيک بقيهٔ دستگاههای سالم تمام جريان را تاًمين کند. • پس از برطرف شدن ايراد و بکار افتادن مجددسيستم بار بطور خود کار از مسير bypass به اينورتر ها منتقل مي شود.

23. Capacity By-pass By-pass 57KVA inverter inverter 60KVA 60KVA By-pass By-pass 85KVA 57KVA 170KVA Load 170KVA Load inverter inverter 60KVA 60KVA By-pass By-pass 85KVA 57KVA inverter inverter 60KVA 60KVA حالت خاص حالتعادی

24. Redundant By-pass By-pass 43KVA inverter inverter 60KVA 60KVA By-pass 43KVA By-pass 170KVA Load 57KVA 170KVA Load inverter inverter 60KVA 60KVA By-pass 43KVA By-pass 57KVA inverter inverter 60KVA 60KVA By-pass 43KVA By-pass 57KVA inverter 60KVA inverter 60KVA حالت خاص حالت عادی

25. باتری ها • باتريها بخش اصلی هر ups هستند که به منظور تاُمين يک منبع انرژی الکتريکی ذخيره يا جايگزين هنگام قطع برق شهر يا زمانی که ولتاژ آن از حد مجاز خارج شده است ، مورد استفاده قرار مي گيرند.باتری ممکن است درون کابينت ups يا درrack جداگانه نصب شود محل مناسب برای نصب باتری به شرايط محيطی سايت و محدوديتهای مکانی محل نصب و هم چنين به دو عامل ظرفيت باتری و زمان back up مورد نياز بستگی دارد. • باتری شامل يک سری سلول متصل به هم با ولتاژ و ظرفيت معين است ظرفيت يک باتری بر حسبAH تعريف می شود ، يعنی قدرت يا ظرفيت يک باتری برای توليد يک آمپر جريان برای چند ساعت معين. • عمر مفيد باتريها کم است و بايد آن را يک منبع کوتاه مدت برای تاُمين انرژی به شمار آورد،عواملی که بيشترين تاُثير را بر عمر مفيد باتری دارند عبارتند از: • انبار کردن: هميشه باتريها را بايد در محيط خشک وخنک نگهداری کرد، اگر مدت ماندن در انبار بيش از يکسال طول بکشد بايد باطری را دوباره شارژ کرد. • سولفاته شدن باطری :زمانی که باطری برای مدت طولانی در انبار مانده باشد کريستالهای سولفات سرب رفته رفته تشکيل می شود و مانند سدی در برابر شارژ مجدد باتری عمل مي کنند که توسط يک جريان ثابت و محدود به يک دهم ظرفيت باتری به مدت ۱۲ ساعت و با ولتاژ بالاتر مي توان مجدداً باتری را قابل استفاده نمود.

26. شارژ و دشارژ بيش از حد باتری • دما در زمان انتخاب باتری با ظرفيت سرويس دهی مناسب توجه به دو نکته مهم است : • بار باتری • زمان استقلال يا back up مورد نياز -بارباتری باری که بر باتری اعمال مي شود با جمع کردن بار واقعی ups و تلفات بخش اينورتر آن محاسبه مي شود. به عنوان مثال : اگر بار متصل به UPS به اندازهٔ (40KVA)و ضريب توان آن 0.8 باشد ، بار UPS(32KVA) است . اگر راندمان اينورتر UPS 90% باشد ، تلفات اينورتر 3.5 KW است. بنابراين برای تغذيهٔ بار ، باتری بايد به اندازهٔ 35.5=3.5+32 توان DC توليد کند. در جديدترين نسل UPS مدل on-line راندمان اينورتر بيش از 97% است و باتری زمان autonomy بيشتری نسبت به زمانی که به اينورتر با راندمان پايين تر متصل بود ،فراهم خواهد کرد.

27. - زمان استقلال يا (back up ) زمان back up مدت زمانی است که باتری بايد از انرژی و توان مورد نياز بارراکه در بالا توضيح داده شد ، تاُمين کند و اغلب به آن زمان استقلال (autonomy) يا زمان دشارژ نيز گفته مي شود. سازندگان ups معمولاً روش اتصال باتری را به طريقی که مورد نياز در کاربرد خاصی مي باشد محاسبه مي کنند.اکثر سيستمهای ups دارای ولتاژ dc bus ثابت هستند از اين رو تنها با افزايش ميزان آمپر ساعت باتری های استفاده شده يا با موازی کردن رديفهای سری باتری و يا با موازی کردن رديفهای سری باتری و يا بکار بردن هر دو روش ، زمان autonomy بيشتر مي شود. نکات مهم : • باتری ها همواره دارای الکتريسيته هستند توجه کنيد که هرگز ترمينالهای باطری اتصال کوتاه نشوند. • باتری ها حاوی مواد زيان آور برای محيط زيست هستند.از انداختن باتری های تمام شده در سطل زباله بايد خودداری شود. • از دفن باتری های تمام شده در زمين يا آتش زدن آنها بايد اجتناب شود.

28. مشخصات UPS • راندمان و هزينهٔ نگهداری • مقدار THD جريان ورودی • ضريب توان • ساختار UPS • قابليت ارتقاء سيستم • امکان چيدن باتری ها به صورتهای مختلف • قيمت دستگاه • قابليت دستگاه جهت سرويس • حسن شهرت سازندهٔ دستگاه • مراجع و اطلاعات مربوط به نصب دستگاه

29. ضريب توان (power factor)و محاسبهٔ آن : در يک مدار ، نسبت توان حقيقی به توان راکتيو با نام ضريب توان شناخته مي شود و برابر است با نسبت وات به ولت آمپرضريب توان= وات/ولت آمپر • که Φزاويهٔ بين ولتاژ و جريان مي باشد. • اگر ضريب توان خروجی ups مشخص نشده باشد ، معمولاً آن را 0.8فرض می کنند • وقتي بارها بزرگ يا شديداً راکتيو باشند ، تنظيمهايي برای بهبود ضريب توان کلی و نزديک کردن آن به يک ، بکار گرفته می شود. اين کار را تصحيح ضريب توان می گويند و عموماً با موازی کردن يک بار خازنی با بار اصلی انجام مي گيرد تا راکتانس کلی مدار کاهش يابد. CosΦ=W / VA