انواع یو پی اس UPS
روشهای مختلفی در پیاده سازی آرایشهای متنوع یوپی اس استفاده میشود هر کدام هم دارای یک یا چند ویژگیهای عملکردی ممتاز است به نحوی که ادامه ساخت و استفاده از آن ساختار را توجیه و منطقی میسازد این کاربر است که باید متناسب با نیاز خود و شناخت دقیق این سیستمها بهترین گزینه را برای کاربرد مورد نظرش برگزیند. متداولترین آرایشهای یوپیاس در ادامه تشریح شدهاند
1 ساختار آماده به کار
2 ساختار درتعامل با خط
3 ساختار آماده به کار از نوع فررو
4 ساختار بر خط با تبدیل دوگانه
5 ساختار دلتا
ساختار آماده به کار (Standby UPS )
یوپی اس های با ساختار آماده به کار رایج ترین نوع UPS مورد استفاده برای رایانه های شخصی و مصارف توان پایین در محیط های غیرصنعتی محسوب میشوند. در بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل 5.
سوئیچ انتقال طوری برنامه ریزی شده است که همواره ورودی AC ( که معمولاً فیلترشده هم است) را به عنوان منبع تغذیه اصلی برای مصرفکننده انتخاب میکند (خط توپر نشان داه شده در شکل )5 ، این سوئیچ مسیر باتری / اینورتر به سمت مصرفکننده را (به عنوان منبع پشتیبان برای مدت زمانی که وقفهای در مسیر تغذیه اصلی رخ دهد) جایگزین مسیر تغذیه اصلی بار خواهد کرد (مسیر خط چین). اینورتر فقط وقتی که برق قطع شود روشن خواهد شد.
از این رو است که به این ساختار عنوان “آماده به کار”اطلاق میشود . راندمان بالا، اندازه کوچک و قیمت و حجم و وزن کم از مزایای اصلی این ساختار میباشد. با فیلتر مناسب و تقویت مدارات الکتریکی، این سیستم قادر خواهد بود تا عملکرد مطلوبی را در حذف نویز و حفاظت از اضافه ولتاژهای گذرای لحظهای داشته باشد.محدودیت توان خروجی دستگاه؛ انتقال مشکلات کیفیت توان شبکه از طریق مسیر بایپاس به بار؛ وقفه کوتاه مدت تغذیه در زمان از دست رفتن برق اصلی؛ بار لحظه ای 100% بر روی اینورتر در زمان قطع برق شهر؛ محدودیت بخش قدرت مبدلبرای کار طولانی مدت اینورتر (محدودیت زمان پشتیبانی بار) از جمله معایب این ساختار محسوب میشود.
یوپی اسهای در تعامل با خط
با ساختار در تعامل با خط که در شکل 6 نشان داده شده است، شایعترین طرح مورد استفاده برای کسب و کار کوچک، کاربران وب و سرورهای محدود است. در این طراحی، مبدل برق باتری به AC ( اینورتر) همیشه به خروجی AC دستگاه متصل است ولی اینورتر در زمانهایی که تغذیه AC و رودی شرایط مطلوبی دارد به صورت معکوس عمل کرده و شارژ باتری را انجام میدهد.
هنگامی که تغذیه ورودی قطع میشود، سوئیچ تغذیه ورودی باز شده و تغذیه از طریق انرژی ذخیره شده در باتری و مسیر اینورتر UPS ادامه مییابد. با اینورتر همیشه روشن و متصل به خروجی، این ساختار تغذیه فیلتر شده و بهتری با زمان جابجایی کمتر در مقایسه با ساختار “آماده به کار”خواهدداشت . علاوه بر این، ساختارهای در تعامل با خط معمولاً مجهز به یک ترانسفورماتور با سرهای ولتاژی مختلف است.
این قابلیت امکان تنظیم ولتاژ خروجی دستگاه را با تغییر تپ ترانسفورماتور به رغم تغییر ولتاژ ورودی را برای UPS فراهم میسازد. تنظیم ولتاژ برای شرایطی که ولتاژ ورودی کم و زیاد میشود یک ویژگی مهم و ارزشمند است، در غیراینصورت تغذیه خروجی یوپی اس به باتری منتقل شده و در نتیجه زمان پشتیبانی مصرف کننده برای زمانی که تغذیه به طور کامل قطع شود کاهش خواهد یافت همچنین این نوع استفاده مکرر از باتری میتواند باعث از کار افتادگی سریع باتری شود.
با این حال، این امکان هم وجود که در این ساختار اینورتر طوری طراحی شود که حتی در صورت خرابی آن ادامه تغذیه از طریق ورودی AC و مسیر بایپاس ادامه یابد، به نحوی که احتمال وقفه تغذیه خروجی به خاطر تک مسیر بودن منبع تغذیه منتفی شود و دو مسیر تأمین تغذیه تقریباً مستقل از هم و کارآمد برای مصرفکننده فراهم گردد .
راندمان بالا، اندازه کوچک، قیمت کم و قابلیت اطمینان بالا همراه با قابلیت اصلاح افزایش و کاهش ولتاژ ورودی این نوع UPS را در محدوده قدرت 0.5 تا 5 کیلوولت آمپر به گزینه جذابی تبدیل کرده است . هرچند با برخی تمهیدات در مسیر Bypass، مشکلات کیفیت توان شبکه در خروجی دستگاه کمتر از ساختار آماده به کار است ولی سایر معایب ساختار مذکور را دارد.
ساختار آماده به کار – فررو UPS آماده به کار از نوع فررو در گذشته یکی از جذابترین مدلهای UPS برای محدوده قدرت 3 تا 15 کیلوولت آمپر بود. این ساختار متکی بر ترانسفورماتور اشباع شونده ویژه ای بود که دارای سه سیم پیچ قدرت بود. مسیر تأمین تغذیه اصلی و از پیش تعیین شده در این ساختار عبارت است از ورودی AC که پس گذر از یک سوئیچ انتقال و ترانسفورماتور به خروجی میرسد. در صورت قطع برق ورودی، سوئیچ انتقال باز شده، و اینورتر تأمین تغذیه بار خروجی را بر عهده میگیرد
در مدل آماده به کار از نوع فررو، اینورتر در حالت آماده به کار بوده و هنگامی که تغذیه ورودی قطع شود، سوئیچ انتقال باز و اینورتر روشن میشوذ. ترانسفورماتور که دارای یک قابلیت ویژه بنام “فرو رزونانس” است، یک حد محدودی از تنظیم ولتاژ و تصحیح شکل موج خروجی را برعهده دارد.
ایزولاسیون از شبکه قدرت AC ورودی که توسط ترانسفورماتور فرو رزونانس فراهم میشود به خوبی یا بهتر از هر نوع فیلتر در دسترس عمل میکند . اما خود ترانسفورماتور فررو، اعوجاج شدید ولتاژ خروجی و حالت گذرا را به دنبال دارد که میتواند به مراتب بدتر از اتصال بار به یک شبکه AC با کیفیت توان پایین باشد .
هرچند این نوع یوپی اس هم در دسته بندیها جزء ساختار آماده به کارها قرار میگیرد ولی این ساختار، تولید مقدار زیادی گرما به دلیل استفاده از یک ترانسفورماتور فرو رزونانس با راندمان ذاتی پایین را به دنبال دارد. این ترانسفورماتورها همچنین بزرگ و حجیم و سنگین هستند به همین خاطر UPSهای آماده به کار از نوع فررو به طور کلی بسیار بزرگ و سنگین میشوند.
یوپی اس های آماده به کار از نوع فررو رزونانس توسط برخی از سازندگان به عنوان یوپی اسهای Online معرفی میشوند. ولی واقعیت این است که هر چند آنها مجهز به یک سوئیچ انتقال هستند، ولی اینورتر آنها در حالت آماده به کار بوده و فقط با قطع برق ACوارد مدار شده و مشخصات لحظات جابجایی وقفه کوتاه مدت – در آنها دیده میشود (قابلیت اطمینان نسبتاً بالا و فیلتر Passive بسیار عالی از نقاط قوت این طرح است.
با این حال، این طرح به علت راندمان بسیار پایین و ناپایداری دستگاه در کار با ژنراتور و یا شبکه های با امپدانس داخلی بالا و تأمین تغذیه برای کامپیوترهایی که تغذیه آنها مجهز به سیستم اصلاح ضریب توان هستند محبوبیت خود را به نحو قابل توجهی از دست داده است.
دلیل اصلی اینکه یوپی اس های آماده به کار از نوع فررو از دور خارج شده و دیگر استفاده نمیشوند این است که آنها هنگام تأمین تغذیه برای کامپیوتر مدرن دچار ناپایداری میشوند.
تمام سرورهای بزرگ و تجهیزات دوار از منابع تغذیه مجهز به “تصحیح کننده ضریب قدرت” استفاده میکنند تا جریانی که از شبکه می کشند مانند یک لامپ رشتهای کاملاً سینوسی بوده و توان راکتیو مصرف نکنند . این جریان صاف در خازنهایی ذخیره شده و برای تغذیه دستگاهها که به صورت ‘پیش فاز’ نسبت به ولتاژ عمل میکنند استفاده میشود در حالی که یوپیاس فرو رزونانس از یک ترانسفورماتور با هسته آهنی نسبتاً سنگین استفاده میکند که دارای خاصیت سلفی بوده و عملاً جریانی “پس فاز ” نسبت ولتاژ دارند.
ترکیب این دو مدار میتواند یک مدار رزونانسی (تشدید) ایجاد کند. وقتی شرایط تشدید رزونانسی به وجود آید مدار به صورت یک حلقه اتصال کوتاه عمل کرده و جریانکشی شدیدی را در ورودی ایجاد میکند که میتواند منجر به قطع تغذیه و خسارت برای مصرفکننده شود.
ساختار بر خط با تبدیل دوگانه (Online Double Conversion ) این متداولترین نوع یوپی اسها برای توانهای بالاتر از kVA10 است. بلوک دیاگرام یک UPS با ساختار بر خط با تبدیل دوگانه، در شکل 8 نشان داده شده است که از نظر ساختار و اجزا مشابه مدلهای آماده به کار است، با این تفاوت شاخص که مسیر اصلی رسیدن تغذیه به مصرفکننده یکسوساز و اینورتر است نه مسیر Bypass .
آندر یوپی اس های بر خط با تبدیل دوگانه، قطع تغذیه AC ورودی منجر به عملکرد سوئیچ انتقال نمیشود، چرا که ورودی AC در این نوع UPSها حتی در شرایط نرمال هم از طریق رکتیفایر برای شارژ بانک باتری پشتیبان و تأمین تغذیه DC ورودی اینورتر استفاده میشود و با قطع آن باتری همان وظیفه را برعهده میگیرد اینورتر همچنان تغذیه بار را ادامه میدهد
به همین خاطر در مدت قطع برق AC ورودی، هیچ جابجایی توسط سوئیچ انتقال صورت نمیگیرد. در این ساختار هم رکتیفایر و هم اینورتر در مسیر جریان مصرفکننده هستند و باید قادر باشند این جریان را بصورت مستمر و بیوقفه تحمل کنند. حتی رکتیفایر معمولاً توانی بیشتر از توان مصرفکننده (برای شارژ همزمان باتری و تأمین تغذیه DC ورودی اینورتر) دارد. این خاصیت باعث کاهش راندمان کلی دستگاه و افزایش تلفات آن و میزان گرمای تولیدی توسط دستگاه میشود.
میتوان گفت این نوع یوپی اس ها از منظر مصرف کننده عملکردی نزدیک به ایده آل دارند. اما فرسایش مستمر و بی وقفه المان های قدرت، قابلیت اطمینان این تجهیزات را در بلند مدت در مقایسه با مدلهای آماده به کار خدشه دار میسازد و انرژی مصرفشده به علت راندمان نسبتاً کمتر آنها در بلند مدت هزینههای دوره بهره برداری این یوپی اس ها را افزایش میدهد.
همچنین، توان ورودی کشیده شده توسط رکتیفایر توان بالای این نوع UPS اغلب غیرخطی بوده و میتواند منجر به اشغال ظرفیت و ایجاد تداخل الکترومغناطیسی در سیمکشی برق تأسیسات شده و مشکلاتی را در زمان استفاده از دیزلژنراتور برق اضطراری به دنبال داشته باشد .
در سالهای اخیر در تجهیزات جدید این دو مشکل UPSهای با ساختار بر خط با تبدیل دوگانه را با تمهیداتی مرتفع ساخته اند. اکثر سازندگان تجهیزاتشان را به نحوی طراحی میکنند که بتوانند هم به صورت بر خط با تبدیل دوگانه و هم بصورت آماده به کار در تعامل با خط قابل استفاده باشند و این نوع عملکرد را به عنوان ECO Mode معرفی کردهاند در واقع UPS با بازبینی مستمر ورودی و در صورت ثبات مشخصات و برخورداری از کیفیت توان مطلوب بصورت آماده به کار عمل کرده و در غیراینصورت بصورت بر خط با تبدیل دوگانه عمل خواهد کرد.
برای رفع مشکل دوم هم اکثر سازندگان، یوپی اسهای خود را مجهز به ادوات تصحیح ضریب توان و فیلترهای اکتیو میسازند به نحوی که ضریب توان در مدلهای جدید در حد 1 و اعوجاج جریان ورودی دستگاه کمتر از 6 درصد و در برخی از مدلها کمتر از 3درصد باشد.
