فرادرسانواع یو پی اس (UPS) — به زبان ساده
منبع تغذیه بدون وقفه (Uninterruptible Power Supply) یا به اختصار UPS دستگاهی است که با از دست رفتن منبع اصلی تغذیه (معمولاً برق شهر)، تأمین توان را حداقل در زمان کوتاهی، نگه می‌دارد. یو پی اس در مقابل تغییرات ناگهانی توان نیز از دستگاه‌ها محافظت می‌کند. در این آموزش، انواع یو پی اس را مرور خواهیم کرد.
انواع یو پی اس
اغلب تصور می‌شود سیستم‌های یو پی اس دو نوع آماده به کار یا استندبای (Standby) و برخط یا آنلاین (Online) دارند. در حقیقت، این دو دسته، خود نماینده انواع دیگری نیز هستند. در ادامه، انواع یو پی اس و ساختار آن‌ها را معرفی خواهیم کرد.
مهمترین انواع یو پی اس را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:
- آماده به کار یا استندبای (Standby)
- تعاملی با خط (Line Interactive)
- استندبای آنلاین ترکیبی (Standby on-line Hybrid)
- استندبای-فِرّو (Standby-Ferro)
- آنلاین با تبدیل دومرحله‌ای (Double Conversion On-Line)
- آنلاین با تبدیل دلتا (Delta Conversion On-Line)
در ادامه، هر یک از این UPSها را توضیح خواهیم داد.
یو پی اس استندبای
یو پی اس استندبای رایج‌ترین نوع UPS در کامپیوترهای شخصی است. شکل زیر نمودار بلوکی یک یو پی اس استندبای را نشان می‌دهد. در این شکل، سوئیچ انتقال وظیفه انتخاب ورودی AC فیلتر شده را به عنوان منبع توان اولیه دارد (خط ممتد) و وقتی این منبع با مشکل مواجه شود، روی باتری/اینورتر به عنوان منبع پشتیبان سوئیچ می‌کند. اینورتر تنها وقتی شروع به کار می‌کند که منبع توان اصلی با مشکل مواجه شود. به همین دلیل است که به این نوع یو پی اس آماده به کار یا استندبای می‌گویند.
از ویژگی‌های این نوع یو پی اس، می‌تواان به بازده بالا، اندازه کوچک و هزینه کم اشاره کرد. با تعبیه سرج ارستر و فیلتر مناسب، این سیستم‌ها فیلترسازی نویز و حذف تغییرات ناگهانی مطلوبی خواهند داشت.
یو پی اس تعاملی با خط
یو پی اس تعاملی با خط در شکل ۲ نشان داده شده است و رایج‌ترین نوع یو پی اس برای کسب‌وکارهای کوچک و سرورها است. در این نوع یو پی اس، یک مبدل DC به AC یا اینورتر وجود دارد که توان AC خروجی را تأمین می‌کند. وقتی برق شهر در شرایط عادی کار می‌کند، اینورتر در جهت عکس کار کرده و باتری را شارژ می‌کند.
وقتی توان ورودی قطع می‌شود، سوئیچ انتقال باز شده و توان از باتری به خروجی یو پی اس انتقال پیدا می‌کند. از آنجایی که اینورتر همیشه کار می‌کند و به خروجی متصل است، این طراحی فیلترسازی اضافه‌ای دارد و در مقایسه با یو پی اس استندبای، موجب کاهش اثرات حالت گذرای سوئیچینگ می‌شود. علاوه بر این، طراحی تعاملی با خط معمولاً دارای یک ترانسفورماتور با تپ تغییردهنده است. با این ترانسفورماتور، اگر ولتاژ ورودی تغییر کند، تنظیم ولتاژ قابل دستیابی است. تنظیم ولتاژ در شرایطی که ولتاژ ضعیف وجود داشته باشد، یک ویژگی بسیار مهم است.
این استفاده مکرر از باتری می‌تواند باعث از کار افتادن زودرس آن شود. با این حال، اینورتر همچنین می‌تواند به گونه‌ای طراحی شود که خرابی آن در جریان برق از ورودی AC به خروجی وقفه‌ای ایجاد نکند. این امر سبب حذف پتانسیل خرابی آن نقطه شده و به طور موثر دو مسیر توان مستقل را فراهم می‌کند. این توپولوژی ذاتاً بسیار کارآمد است و منجر به قابلیت اطمینان بالا و در عین حال محافظت از سیستم می‌شود.
از مزایای این نوع یو پی اس می‌توان به بازده بالا، هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا همراه با قابلیت تصحیح شرایط ولتاژ بالا یا پایین خط اشاره کرد. بازه توان این نوع یو پی اس از ۰٫۵ تا ۵ کیلوولت-آمپر است.
یو پی اس آنلاین هیبریدی
یو پی اس هیبریدی آنلاین یک توپولوژی UPS است که برای بسیاری از UPSهای زیر ۱۰ کیلوولت-آمپر مورد استفاده قرار می‌گیرد و نوعی یو پی اس «آنلاین» است. وقتی وقفه در تأمین توان AC تشخیص داده شود، مبدل DC به DC روشن شده و یو پی اس مانند نوع استندبای خواهد بود. شارژر باتری در این سیستم نیز مانند UPSهای استندبای کوچک است. به دلیل وجود خازن‌ها در جعبه تقسیم یا باس DC، زمان انتقال در هنگام وقوع مشکل در تأمین توان AC بسیار کم است. این مدار گاهی با یک سوئیچ انتقال اضافه برای بای‌پس طی نقص یا اضافه ولتاژ به کار می‌رود. شکل ۳ توپولوژی این یو پی اس را نشان می‌دهد.
در این نوع یو پی اس، معمولاً به اشتباه استنباط می‌شود که مسیر اولیه و اصلی توان همیشه آنلاین است. در حالی که تنها نصف مسیر توان از باتری به خروجی (اینورتر) آنلاین است و نصف دیگر (مبدل DC به DC) در مد استندبای کار می‌کند.
یو پی اس استندبای-فرو
یو پی اس استندبای-فرو بیشتر در توان‌های ۳ تا ۱۵ کیلوولت-آمپر وجود دارد. این توپولوژی مبتنی بر یک ترانسفورماتور اشباع مخصوص است که سه سیم‌پیچی (اتصالات توان) دارد. مسیر اولیه یا اصلی توان از ورودی AC است، که از طریق یک کلید انتقال و ترانسفورماتور به خروجی منتقل می‌شود. وقتی توان دچار مشکل شود، کلید انتقال باز شده و اینورتر بار خروجی را تغذیه می‌کند.
یو پی اس استندبای-فرو دارای قابلیت اطمینان بالا و فیلترسازی خط عالی است. البته این نوع UPS وقتی در کنار تعدادی ژنراتور و کامپیوترهای اصلاح شده استفاده شود، بازده بسیار پایینی دارد.
در UPS نوع استندبای-فرو، اینورتر در مد استندبای قرار دارد و وقتی توان ورودی با مشکل مواجه شود، کلید انتقال باز می‌شود. ترانسفورماتور دارای قابلیت ویژه فرو-رزونانسی (Ferro-Resonant) است که تنظیم ولتاژ محدود روی شکل‌دهی شکل موج خروجی را فراهم می‌کند. جداسازی از حالات گذرای توان AC با یک ترانسفورماتور فرو (آهنی) فراهم می‌شود که از هر فیلتر دیگری بهتر است.
اما ترانسفورماتور فرو، خودش باعث اعوجاج ولتاژ خروجی می‌شود که می‌تواند بدتر از یک اتصال AC ضعیف باشد. با اینکه این یو پی اس یک نوع استندبای است، اما مقدار زیادی گرما تولید می‌کند، زیرا ترانسفورماتور فرو-رزونانسی ماهیتی کم‌بازده دارد. این ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهایی با عایق عادی بزرگ‌تر هستند و بنابراین، UPSهای استندبای-فرو در حالت کلی بزرگ و سنگین هستند.
UPSهای استندبای-فرو، حتی اگر یک کلید تبدیل داشته باشند، اینورتر در مد استندبای کار کند و طی مشکل در توان AC به صورت یک مشخصه انتقال رفتار کنند، به عنوان واحدهای آنلاین نشان داده می‌شوند.
دلیل اصلی آنکه UPSهای استندبای-فرو رواج چندانی ندارند، این است که وقتی بار منبع تغذیه یک کامپیوتر مدرن باشد، اساساً ناپایدار خواهد بود. تمام سرورها و روترهای بزرگ، از منابع تغذیه با ضریب توان اصلاح شده استفاده می‌کنند که وقتی با امپدانس رزونانس نسبتاً بالای ترانسفورماتور فرو کوپل می‌شوند در برخی بازه‌های فرکانسی مقاومت ورودی منفی دارند. این موضوع می‌تواند منجر به نوسانات خودبه‌خود و آسیب‌زننده شود.
یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله‌ای
این نوع UPS، رایج‌ترین نمونه برای UPSهای بالای ۱۰ کیلوولت-آمپر است. نمودار بلوکی یو پی اس آنلاین با تبدیل دوگانه در شکل زیر نشان داده شده است.
در توپولوژی آنلاین با تبدیل دو مرحله‌ای، خطای توان AC ورودی سبب فعال‌سازی کلید انتقال نمی‌شود، زیرا توان AC ورودی منبع اولیه و اصلی نیست و بیشتر یک منبع پشتیبان است. بنابراین، هنگام رخ دادن خطا در توان AC ورودی، عملکرد آنلاین را بدون زمان انتقال خواهیم داشت. در مد آنلاین، وقتی توان از مسیر شارژر/باتری/اینورتر اصلی با مشکل مواجه شود، زمان انتقال وجود خواهد داشت. این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که هر بلوکی از سیستم در مسیر توان با شکست مواجه شود. در صورت تغییرات سریع بار یا مشکلات کنترلی داخلی، توان اینورتر نیز می‌تواند برای مدت کوتاهی با مشکل مواجه شود.
برخلاف UPSهای استندبای و تعاملی با خط که در زمان خاموشی اندکی زمان انتقال دارند، یک یو پی اس تعاملی با خط وقتی زمان انتقال خواهد داشت که یک پله بار یا جریان هجومی رخ دهد. این زمان انتقال در نتیجه انتقال بار از اینورتر UPS به خط بای‌پس است. در حالت کلی، این خط بای‌پس با یک یکسوکننده کنترل شده با سیلیکون یا همان SCR تشکیل می‌شود. این سوئیچ‌های حالت جامد بسیار سریع و معمولاً ۴ تا ۶ میلی‌ثانیه عمل می‌کنند. در این طراحی، هر دو شارژر باتری و اینورتر شارش توان بار کل را تبدیل می‌کنند که موجب کاهش بازدهی و افزایش تولید گرما می‌شود.
یو پی اس آنلاین با تبدیل دلتا
این طراحی UPS که در شکل ۶ نشان داده شده است، یک توپولوژی جدید است که برای غلبه بر معایب یو پی اس آنلاین با تبدیل دومرحله‌ای ارائه شده و در محدوده ۵ کیلوولت-آمپر تا ۱ مگاولت-آمپر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مشابه مدار آنلاین با تبدیل دو مرحله‌ای، یو پی اس آنلاین با تبدیل دلتا نیز همیشه اینورتر تغذیه کننده بار دارد. البته، مبدل دلتای اضافه نیز در انتقال توان به خروجی اینورتر مشارکت می‌کند. در شرایط خطای AC یا اغتشاش، این طراحی رفتار یکسانی با یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله‌ای دارد.
در شرایط حالت مانا، مبدل دلتا این اجازه را به یو پی اس می‌دهد که توان را با بازده بزرگ‌تری نسبت به یو پی اس با تبدیل دومرحله‌ای تحویل دهد.
یک راه ساده برای درک بازده انرژی یو پی اس با مبدل دلتا، در نظر گرفتن مثال انرژی مورد نیاز برای تحویل یک بسته از طبقه چهارم به پنجم در یک ساختمان است (شکل ۷). یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله‌ای توان را به باتری تحویل داده و دوباره از آن بر می‌گرداند، در حالی که مبدل دلتا توان را مستقیماً از ورودی به خروجی می‌برد.
در مدار آنلاین با تبدیل دلتا، مبدل دلتا با دو هدف کار می‌کند. اولین هدف، کنترل مشخصه توان ورودی است. این مبدل، توان ورودی سینوسی را می‌گیرد، و هارمونیک‌های منعکس شده روی شبکه را حداقل می‌کند. این امر شرایط بهینه خطوط برق و سیستم‌های ژنراتور را تضمین می‌کند و گرما و استهلاک سیستم را در سیستم توزیع کاهش می‌دهد. عملکرد و هدف دوم مبدل دلتا، شارژ باتری یو پی اس با کشیدن توان و تبدیل آن به ولتاژ شارژ DC مناسب است.
UPSهای آنلاین تبدیل دلتا مشخصه خروجی یکسانی با نوع آنلاین دو مرحله‌ای دارند. البته مشخصه ورودی آن‌ها کاملاً متفاوت است. با اصلاح ضریب توان کامل، یو پی اس آنلاین کنترل توان ورودی و کنترل توان خروجی را مهیا می‌کند. مهمترین مزیت این مورد، کاهش چشمگیر تلفات انرژی است. کنترل توان ورودی، همچنین موجب سازگاری یو پی اس با همه مجموعه‌های ژنراتورها می‌شود و نیاز به سیم و اندازه بزرگ ژنراتور را کاهش می‌دهد.
جمع‌بندی
جدول زیر تعدادی از مشخصه‌های انواع مختلف یو پی اس را نشان می‌دهد. برخی از این ویژگی‌ها، مانند بازده، عوامل مهمی در انتخاب یو پی اس هستند. از آنجا که پیاده‌سازی و کیفیت تولید، به مشخصه‌های تأثیرگذاری مانند قابلیت اطمینان وابسته‌اند، باید علاوه بر ویژگی‌های طراحی، این عوامل را نیز در نظر گرفت.
| محدوده توان عملی (kVA) | ولتاژ سیستم تبدیل توان | هزینه در هر VA | بازده | میزان دائم‌الکار بودن اینورتر | |
| استندبای | ۰ تا ۰٫۵ | کم | کم | بسیار زیاد | خیر |
| تعاملی با خط | ۰٫۵ تا ۵ | وابسته به طراحی | متوسط | بسیار زیاد | وابسته به طراحی |
| استندبای آنلاین ترکیبی | ۰٫۵ تا ۵ | زیاد | زیاد | کم | تا اندازه‌ای |
| استندبای-فرو | ۳ تا ۱۵ | زیاد | زیاد | کم | خیر |
| تبدیل دو مرحله‌ای آنلاین | ۵ تا ۵۰۰۰ | زیاد | متوسط | کم | بله |
| تبدیل دلتا آنلاین | ۵ تا ۵۰۰۰ | زیاد | متوسط | زیاد | بله |
در صورتی که مباحث بیان‌شده برای شما مفید بوده و می‌خواهید درباره موضوعات مرتبط، مطالب بیشتری یاد بگیرید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:
- مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
- آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها
- مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت
- آموزش مبانی باتری های سربی – اسیدی (ساختار، عملکرد و ایمنی)
- مبدل برق خودرو — به زبان ساده
- سیستم شارژ خودرو — به زبان ساده
- مبدل بوست (Boost) یا افزاینده — به زبان ساده
^^
ممنون از مطلب خوبی که در مورد یو پی اس تهیه کردید