انتخاب باتری یو پی اس (UPS) — به زبان ساده

«یو پی اس» (UPS) یا «منبع تغذیه بدون وقفه» (Uninterruptible Power Supply) از تجهیزات پرکاربردی است که برای پشتیبانی و تأمین بارهای الکتریکیِ معمولاً حساس در هنگام قطعی برق اصلی یا تغییرات شدید ولتاژ‌ مورد استفاده قرار می‌گیرد. وقتی برق اصلی قطع باشد، یو پی اس به یک منبع برای تغذیه بارهای مهمِ متصل به آن نیاز دارد. این منبع، که یو پی اس از آن تغذیه می‌شود، باتری است. بنابراین، باتری یکی از بخش‌های مهم در UPS است که باید نوع و اندازه آن به دقت انتخاب شود. در این آموزش، روش سریع و آسان محاسبه اندازه باتری یو پی اس را بیان می‌کنیم.

قبل از محاسبات مربوط به انتخاب باتری، باید بدانیم که معمولاً باتری‌ها دو پارامتر اصلی به نام ظرفیت و ولتاژ‌ دارند که براساس آن‌ها بیان می‌شوند. ظرفیت باتری برحسب آمپر-ساعت (AH) است و برابر با حاصل‌ضرب مدت زمان عملکرد آن در جریانی است که تحویل می‌دهد. ولتاژ‌ باتری‌ها نیز مقادیر استانداردی مانند ۱۲ ولت است. برای مثال، در ساده‌ترین حالت و بدون در نظر گرفتن ملاحظات خاص، وقتی بخواهیم یک بار ۱۰ آمپری را با یو پی اس دارای ورودی ۱۲ ولت، به مدت ۲ ساعت تغذیه کنیم، به یک باتری ۲۰ آمپر-ساعت ۱۲ ولت نیاز داریم.

عوامل مؤثر در انتخاب باتری یو پی اس

انتخاب تعداد و اندازه باتری‌های مورد نیاز برای سیستم یو پی اس به عوامل زیادی وابسته است که در اینجا مهم‌ترین و رایج‌ترین عوامل تأثیرگذار در انتخاب آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

اندازه بار: یک از عوامل مهم در انتخاب باتری، مقدار توان باری است که می‌خواهیم آن را تغذیه کنیم. هرچه توان مصرفی بار بیشتر باشد، به ظرفیت باتری بیشتری نیز نیاز خواهیم داشت. توان بار بر حسب وات (W) است و برای مجموع بارهای بیان می‌شود که قرار است توسط یو پی اس تغذیه شوند.

زمان عملکرد: مشابه مورد قبل، زمان عملکرد بار نیز یکی از عوامل مهم در انتخاب باتری است؛ به طوری که هرچه زمان عملکرد مورد نظر آن بالاتر باشد، ظرفیت لازم برای باتری نیز بیشتر خواهد بود.

ظرفیت شارژر: واضح است که ظرفیت باتری یو پی‌ اس‌ نمی‌تواند بی‌نهایت باشد و باتری‌ها در ظرفیت‌های مشخصی در بازار موجودند. ظرفیت باتری به اندازه شارژر محدود است. معمولاً ظرفیت باتری نباید بیشتر از ۱۲ برابر جریان شارژ باشد. یعنی یک شارژر ۵ آمپری فقط می‌تواند باتری تا ظرفیت ۶۰ آمپر-ساعت ($$5\times 12$$) را پشتیبانی کند. البته اگر تخلیه باتری کمتر از ۱۰ روز یکبار باشد، در شرایط خاص، ظرفیت باتری می‌تواند به ۲۰ برابر جریان شارژ نیز برسد.

ولتاژ ورودی اینورتر یو پی اس: ولتاژ‌ ورودی یو پی اس یا همان ولتاژ‌ باس DC، مقدار ولتاژ مورد نیاز DC است که باید به اینورتر UPS اعمال کرد. اندازه این ولتاژ از سوی سازنده UPS اعلام می‌شود و در برگه مشخصات آن وجود دارد. باس‌های DC معولاً از ولتاژ ۱۲ ولت تا ۴۸۰ ولت در دسترس هستند. اگر باتری‌هایی با ولتاژ ورودی خاص مثلاً ۱۲ ولت (که رایج‌تر است) در اختیار داشته باشیم، با سری کردن آن‌ها می‌توانیم به ولتاژ‌ مورد نظر برای ورودی اینورتر برسیم.

بازده یو پی اس (اینورتر): اینورترها (که برق DC باتری را به برق AC مناسب برای تغذیه دستگاه‌های برقی تبدیل می‌کنند) بخشی از انرژی را در مدارها و قطعات تشکیل دهنده خود مصرف می‌کنند و همه انرژی باتری‌ به طور خالص به بار منتقل نمی‌شود. علاوه بر این، مقداری از توان در کابل‌ها و اتصالات نیز تلف می‌شود. بنابراین، هنگام محاسبه باتری باید بازده اینورتر UPS را نیز در نظر بگیریم.

نوع باتری: باتری‌های مختلفی با فناوی‌های ساخت متنوع در بازار وجود دارند. معمولاً باتری‌های سرب-اسیدِ مهر و موم شده با چرخه عمیق (Deep Cycle) رایج‌تر از سایر انواع باتری‌ها هستند. لازم به ذکر است که سرعت تخلیه باتری‌ها در بارهای بزرگتر، نسبت به بارهای کوچکتر بیشتر است. بنابراین، اگر یک باتری به مدت ۱ ساعت، جریان ۵ آمپری را تأمین کند، نسبت به حالتی که یک ۱۰ آمپر را در ۳۰ دقیقه تأمین کند دیرتر تخلیه می شود. البته برای دقت کلی بالاتر، باید منحنی‌های تخلیه باتری را، که توسط سازنده آن ارائه می‌شود، بررسی کرد. طبق یک قاعده سرانگشتی، داریم:

1. برای زمان کاری کمتر از ۲ ساعت، ضریب ۱.5 به مقدار جریان باتری مورد نیاز نهایی اعمال می‌شود.
2. برای زمان کاری بیشتر از ۲ ساعت، ضریب ۱.۳ به مقدار جریان باتری مورد نیاز نهایی اعمال می‌شود.

محاسبه باتری یو پی اس

با توجه به عوامل تأثیرگذاری که در انتخاب اندازه و تعداد باتری یو پی اس بیان شد، می‌توانیم یک فرمول ساده تشکیل دهیم و همه این عوامل را در آن وارد کنیم. این فرمول به صورت زیر است:

$$ \large C _ \text {Battery} = I _ \text{Battery} \times t = \large \frac {P _ \text{load} } { V_ \text {DC} \times \eta _ \text{ inverter} } \times m\times t$$

فیلم آموزش مبانی باتری های سربی اسیدی – ساختار، عملکرد و ایمنی‎ در فرادرس

کلیک کنید

که در آن، پارامترها به شرح زیر هستند:

• $$ I _ \text{Battery}$$ جریانی که باید باتری تأمین کند
• $$t$$ زمان تغذیه بار بر حسب ساعت
• $$P _ \text{load} $$ توان بار
• $$ V_ \text {DC} $$ ولتاژ باس DC
• $$ \eta _ \text{ inverter} $$ بازده اینورتر
• و $$m$$ هر ضریبی که به نوع باتری مربوط است، مثل ضریب مربوط به منحنی تخلیه باتری

مثال

فرض کنید می‌خواهیم تعداد و ظرفیت باتری مناسبی را برای تأمین توان ۶۰ دقیقه‌ای بارهایی که مجموع توان آن‌ها ۱۰۰۰ وات است محاسبه کنیم. یک UPS‌ در اختیار داریم که مقدار ولتاژ‌ باس DC آن برابر با ۳۶ ولت است. طبق اطلاعات سازنده UPS، بازده اینورتر 70 درصد و جریان نامی شارژر 10 آمپر است. فرض کنید باتری‌ها ۱۲ ولتی هستند.

حل: ابتدا باید جریان لازم بار و اینورتر را تعیین کنیم. جریان بار برابر است با:

$$ \large I _ \text {Battery} = \large \frac {P _ \text{load} } { V_ \text {DC} \times \eta _ \text{ inverter}} \times m $$

با توجه به اطلاعات مسئله، داریم:

$$ \large I _ \text {Battery} = \large \frac {1000 } { ( 36 \times 0.7 )}\times 1.5 = 59.82 \, \text{A}$$

طبق قاعده سرانگشتی مربوط به ماهیت نمایی مربوط به منحنی‌های تخلیه باتری، مقدار جریان در ضریب 1.5 ضرب کرده‌ایم. بنابراین، ظرفیتی که باید باتری یا باتری‌ها تأمین کنند، برابر با 59.52 آمپر است. با توجه به مدت عملکرد یک ساعت، ظرفیت نیز برابر است با:

$$ \large C _ \text{Battery} = 59.52 \times 1 = 59.52\, \text{Ah}$$

در نتیجه، ظرفیت باتری‌های باید 59.52 آمپر-ساعت باشد. برای آنکه ولتاژ ورودی 36 ولت تأمین شود، سه باتری ۱۲ ولتی را باید با هم سری کنیم. حال، مقدار ظرفیت هر باتری باید چقدر باشد؟ از آن‌جایی که سه باتری به صورت سری قرار داده شده‌اند، جریانی که از آن‌ها می‌گذرد با هم برابر است. در نتیجه، آمپر-ساعت آن‌ها نیز با هم برابر خواهد بود. بنابراین، ظرفیت هریک از باتری‌ها باید برابر با 59.52 آمپر-ساعت باشد. اما باتری با این ظرفیت در بازار موجود نیست. بنابراین، نزدیکترین ظرفیت بزرگتر از آن، یعنی 65 آمپر-ساعت را انتخاب می‌کنیم.

نتیجه انتخابی که طبق محاسبات و داده‌های مسئله به دست آوردیم، این‌گونه است: ۳ باتری ۶۵ آمپر-ساعت با ولتاژ ۱۲ ولت که به صورت سری به هم متصل می‌شوند.

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:

• 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

^^