یوپی اس (UPS ) چیست ؟

اگر به عبارت (UPS) UNITERRUPTIBLE POWER SUPPLIES توجه نمائیم و معنای لغوی آن را استخراج نمائیم . UPSبعنوان منبع تغذیه بدون وقفه معنی می شود و دستگاهی است متشکل از قطعات حالت جامد (Solid –State) که بین منبع برق ورودی و بار وصل شده و از بروز اختلالات برق ورودی (شهر یا ژنراتور ) از جمله قطع کامل آن جلوگیری می کند  .                                       

Mains Supply                                  UPS System                                      Load

چون این سیستم از قطعات Solid-State تشکیل شده است غالبا" بعنوان UPS استاتیک شناخته می شود این سیستم نقطه مقابل سیستمهای دوار هستند که بر تکنولوژی موتور / ژنراتور متکی می باشد . سیستمهای دوار هنوز موجود بوده و موارد استفاده خاص خود را دارند ولی در سالهای اخیر این سیستمها بعنوان Back Up سیستمهای UPS استفاده می شود و در این جا بحث ما در مورد سیتسمهای UPS استاتیک است .

 موارد استفاده از بارهای حساس :

به همان اندازه که تجهیزات میکروپروسسوری وارد بازارهای تجاری و صنعتی می شوند ، تعداد و انواع بارهایی که جزء طبقه بندی بارهای حساس قرار میگریند سریعا" در حال افزایش است . گسترش پردازش on-line معاملات و تجارت الکترونیکی در شرایطی که انجام تجارت 24 ساعته نیازمند نیرویی با کیفیت نامحدود می باشد ، صحت این مطلب را تائید میکند .

برخی از انواع بارهای حساس عبارتند از :

نویز الکتریکی

نویز حالت مشترک ناشی از بروز اختلال بین خطوط منبع و زمین است . نویز حالت معمولی نتیجه اختلال بین ولتاژهای فاز به فاز و فاز به نول است و میتواند در اثر اصابت صاعقه ، خاموش و روشن کردن بار ، اشکالات کابل و مجاورت با تجهیزات فرکانس رادیویی و غیره ایجاد شود .

انرژی نویز فرکانس بالا که وارد سیم ارت شده است ، میتواند بر روی مدارهای حساسی که ارت منبع تغذیه را به  عنوان مرجعی برای سیستم کنترل داخلی به کار می برند ، تاثیر بگذارد . این نوع تاثیر گذار مخرب تنها به وسیله نیروی برق تحمیل نمی شود بلکه کابلهای ارتباطی و سایر اتصالات خارجی نیز قادرند چنین تأثیری را ایجاد کنند . این اثرات عموما با قراردادن فیلترهای حذف اضافه ولتاژ لحظه­یی در تجهیزات حساس و بکار بردن کابلهای مناسب و برقراری اتصالهای ارت به حداقل می رسد .

اضافه ولتاژ لحظه­یی(Surges)  :

Surge ولتاژ اضافه شده به موج اصلی برق یا مقادیر بالاتر از مقدار عادی خط اصلی برق می باشد که بیش از یک سیکل ادامه می یابد . Surge  معمولا" پس از آن که یک دستگاه بزرگ خاموش میشود و یا به دنبال Switch کردن بار در مراکز فرعی ایجاد می شود .

افت لحظه یی ولتاژ (Sage) :

افت ولتاژهایی که به مدت چند سیکل ادامه داشته باشند Sage نامیده می شوند . Sage از لحاط شکل مانند Spike های منفی می باشد ولی طول مدت آن بیشتر است .

هارمونیکها :        

هارمونیکها عموما توسط بارهای غیرخطی به وجود می آیند که از برق شهر جریانهایی با دامنه بالا می کشند . بارهای حاوی یکسو کننده های کنترل شده ، منابع تغذیه Switching و به ویژه ماشینهای الکتریکی را میتوان به عنوان منابع ایجاد این نوع تاثیر نام برد – برای مثال میتوان به کامپیوترها ، دستگاه های فتوکپی ، پرینترهای لیزری و موتورهای دوار با سرعت متغیر اشاره کرد .

اکثر PC ها توسط منابع سوئیچینگ تغذیه میشوند و مشکلات مربوط به هارمونیکها ، با افزایش تعداد کامپیوترها به صورت تصاعدی بالا میرود . در موارد حاد ، دمای تولید شده به وسیله هارمونیکها میتواند سیمهای اصلی نول سایت را خراب کند مگر آن که سیمها از ابتدا به اندازه کافی ضخیم در نظر گرفته شوند . جایی که تعداد کامپیوترها در سایت زیاد باشد استفاده از یوپی اس دارای THD جریان ورودی کم ، (مثلا کمتر از 10% ) ضروری است .

افت طولانی ولتاژ (Brownouts):

Brownout ها همانند Sage ها هستند ولی طول مدت آنها بیشتر است و معمولا مهمتر هستند . افت ولتاژطولانی زمانی ایجاد میشود که منبع اصلی تولید برق قدرت تامین توان مورد نیاز شبکه مصرف را ندارد و شرکت برق ولتاژ شبکه سراسری را کم می کند

قطع برق شهر (Blackouts ) :   

Blackout عبارت است از قطع کامل جریان برق و در هنگام وقوع آن منبع نیروی برق کاملا از کار می­افتد این وضعیت در اثر بروز اشکال در خطوط نیرو ، حوادث ، طوفان همراه رعد و برق و سایر شرایط پیش می آید.

×       خلاصه

موارد قابل توجهی از اختلالهای احتمالی انرژی الکتریکی وجود دارد که میتواند بر عملکرد یک بارحساس تاثیرداشته باشند .

وجه تشابه تمام اختلالهای یاد شده این است که مطلقا قابل پیش بینی نیستند هر اقدامی که برای حفاظت از منبع تغذیه بار حساس انجام گیرد باید در تمام مدت استفاده از بار موثر باشد . بطور کلی کامپیوترها دارای محدوده بالا و پائین مشخصی برای تغییرات دائمی ولتاژ موثر برق ورودی هستند که بین 50%+ تا 10%+ است و به ساختار آنها بستگی دارد . علاوه بر مقادیر بالا ،کامپیوترها میتوانند نوسانهای خارج از محدوه مجاز را برای مدت بسیار کوتاهی تحمل کنند و هر چه مدت نوسانها کوتاهتر باشد دامنه آنها بزرگتر است .

در منبع تغذیه بعضی از کامپیوترها انرژی ذخیره شده کافی وجود دارد تا بتوانند در صورت بروز Sage ، وقفه های انرژی بیشتر از نیم سیکل (10ms) ولتاژ dc خروجی را تأمین نمایند . البته تمام دستگاه ها از این ویژگی برخوردار نیستند .

اگر هدف استفاده کننده از کامپیوتر کاهش دفعات قطع برق و به حداقل رساندن خطا است ، سیستم الکتریکی باید همواره تحت کنترل باشد .

یوپی اس به عنوان راه حل

پس از شناسایی یک سری تجهیزات به عنوان بارهای حساس ، موضوع مهم محافظت از منبع تغذبه آنها است . اگرچه نوع این حفاظت تا حدی به کاربرد خاص آنها بستگی دارد .

برای مثال اثرات ناشی از تداخل ، نویز ، فرکانس رادیویی و Spike ها را میتوان با قراردادن فیلترهای مناسب و بعضی از انواع ترانسفورماتور ایزولاسیون در خط تغذیه کاهش داد . Surge  ها را نیز میتوان با بکار بردن قطعات تابع ولتاژ کم کرد .

البته هنگامی که تاثیرات قطع برق یا افت ولتاژ طولانی را در نظر میگیریم حساسیت بارها باید بطور جداگانه موردبررسی قرار گیرد . برای مثال قطع برق برای مدت چند میلی ثانیه ممکن است سبب شود که تجهیزات خاص با سیستم کاری آنها کاملا خراب شود در حالی که سایر تجهیزات بدون  آن که آسیبی ببینند ، چندین سیکل نامناسب برق ورودی را پشت سر میگذارند .

نیازهای مختلف برای تغذیه یک شبکه کامپیوتری و یک سیستم روشنایی اضطراری را در نظر بگیرید ، نصب تجهیزات تصحیح ولتاژ
(Line-Conditioning Equipmant )  و یک  ژنراتور Standby میتواند در مواقع لزوم مناسبترین شکل حفاظت را تامین کند .

Backup یوپی اس چیست ؟

با توجه به محدودیت زمانی انرژی دهی باتری (Backup Time) نیاز به یک سیستم Stand-by ژنراتوری می باشد . هرگاه در یک سیستم کاری حساس که فاقد ژنراتور Stand-by است برق شهر قطع شود تنها منبع برق موجود  انرژی  الکتریکی حاصل از باتری یوپی اس می باشد در نهایت نیز مدت زمانی که بار میتواند برق دریافت کند به میزان مصرف بار و ظرفیت سرویس دهی باتری بستگی خواهد داشت . با قطع یوپی اس در مدت زمان Outonomy(استقلال) برق مورد نیاز تجهیزات را تامین خواهد کرد و بعد از گذشت این زمان با فرض اینکه برنامه نرم افزاری مناسب Shutdown شدن سیستم موجود و قابل اجرا باشد سیگنالی به بار میفرستند تا عملیات منظم Shutdown انجام شود بدین ترتیب بدون از دست دادن اطلاعات برنامه ها بسته و سیستم خاموش می شود اما مسئله تنها حفظ اطلاعات نیست و اگر برق سیتسمهای پردازش و اطلاعات و تجهیزات ارتباطی به مدت بیشتری قطع باشد این سیستمها سودمندی کارایی و برخی از فعالیت های تجاری مهم خود را از دست خواهند داد .

اگر سیستم مورد بحث شامل یک ژنراتور با قابلیت تشخیص اتوماتیک قطع برق (AMF) باشد با قطع شدن برق UPS در طی مدت لازم برای روشن شدن و کار کردن ژنراتور بار را تغذیه خواهد کرد با فرض اینکه برای این منظور یک ژنراتور با توان مناسب انتخا شده باشد UPS آن را بعنوان یک جایگزین برای برق شهر فرض کرده باتریها را شارژ می کند و Load مصرفی را تغذبه می کند . نکته قابل توجه اینکه فرکانس و ولتاژ ژنراتور باید د رمحدود قابل قبولی باشد که UPS آن را بعنوان ورودی قبول نماید و الا با وجود روشن بودن ژنراتور گاهی اوقات UPS از باتری استفاده می نماید و عملا کارکرد ژنراتور بیخودی است پس تنظیم ولتاژ و فرکانس ژنراتور با UPS و نکات دیگر بخشی است که در این مقوله نمی گنجد فقط اشاره ای شد و ما در ادامه به بحث ساختمان و سیستم کارکرد UPS می پردازیم .

 توان یوپی اس  

توان مصرفی تجهیزات  الکتریکی با واحد وات (w) یا ولت آمپر (VA) و در بعضی موارد با هر دو بیان میشود . تولید کنندگان یوپی اس عموما واحد ولت آمپر را برای طبقه بندی یوپی اس بکار میبرند و این واحد مشخص کننده حداکثر باری  است که در صورت قطع یوپی اس میتواند برای مدتی تغذیه کند .

هنگام انتخاب یوپی اس برای تغذیه یک بار بخصوص ، نکته مهم این است که توان مصرفی بار متصل شده از محدوده توان خروجی یوپی اس تجاوز نکند ، اگر توان بار با واحد وات مشخص شده باشد برای مقایسه آن با توان یوپی اس باید وات را به ولت آمپر تبدیل کرد .

مقایسه ولت آمپر و وات  

عبارتهای  ولت آمپر و وات اکثرا با هم اشتباه می شوند . ولی شناختن ارتباط بین این دو پارامتر به هنگام تطبیق یوپی اس با یک مجموعه بار لازم است .

شکل 2-3 : مقایسه W و VA در یک مدار خطی

مقدار ولت آمپر تجهیزات الکتریکی با ضریب ولتاژ منبع در جریان گذرنده از منبع به دست می آید – مقادیر موثر ولتاژ و جریان به کار می روند ( جذر مقدار متوسط توان ) . برای مثال نمودار بالائی شکل 2-3 باری را نشان میدهد که A5 از یک منبع V240 می کشد پس (1.2KVA)1200VA توان مصرفی دارد .

وات واحدی برای اندازه گیری توان حقیقی مصرف شده توسط بار است . در یک مدار dc ، وات دقیقا با همان روش که برای ولت آمپر توضیح داده شد یعنی ضرب ولتاژ منبع در جریان بار(W=Vx A) محاسبه می شود . در یک مدار ac که بار کاملا مقاومتی (خطی ) را تغذیه می کند ، ولتاژ منبع با جریان بار همفاز بوده و مقادیر ولت آمپر و وات مدار برابر هستند . دیاگرام پایینی شکل 2-3 با رسم شکل موج توان لحظه یی یک بار خطی نشان میدهد که چگونه مقدار rms توان برحسب وات به دست می­آید

شکل 3-3 : مقایسه W و VA در یک مدار غیر خطی

در عمل بار متصل به یک مدار ac کاملا خطی نیست . بعضی بارهای ac مانند ترانسفورماتورها ، منابع تغذیه سوئیچینگ ، موتورها و غیره خاصیت سلفی دارند و باعث می شوند که جریان بار متناسب با راکتانس بار ، از ولتاژ اعمال شده عقب بیفتد . برای مثال در شکل 3-3 جریان تقریبا 36 درجه از ولتاژ منبع پس فاز است . توجه داشته باشید که عدد VA به دست آمده در این مثال علی رغم تغییر فاز شکل موجود ولتاژ و جریان و در نتیجه مقادیر موثر آنها بدون تغییر بوده و جریان دریافتی از منبع در هر دو مثال یکسان  است . با این حال دیاگرام پایینی در شکل 3-3 کاهش توان را بر حسب وات از مقدار محاسبه شده قبلی W1200 به W 960 نشان میدهد – یعنی بار در این حالت با همان مقادیر VA وات کمتری مصرف می کند .

این کاهش وات به دلیل ارتباط بین شکل موج جریان و ولتاژ است . حاصل ضرب A x V  هنگامی که پلاریته ولتاژ و جریان تفاوت داشته باشد ، مقداری منفی خواهد بود . این موضوع به صورت گرافیکی در شکل 3-3 با سیر نزولی منحنی وات ، که در مناطق هاشور زده شده شکل موجهای جریان و ولتاژ رخ می دهد ، نمایش داده شده است .

سیر نزولی توان که در مثال بیان شده است ، یک بیان تئوری است و به آن توان تلف شده اطلاق می شود – یعنی توانی که بصورت مفید در بار مصرف نمی شود . این توان را گاهی نیز توان ((راکتیو )) می نامند و با راکتانس بار متناسب است .

یوپی اس های موجود

گستره مدلهای یوپی اس موجود بسیار وسیع بوده و از دستگاه های رومیزی با ابعاد کوچک تا دستگاه های چندصد کیلو ولت آمپری را شامل است . علاوه بر این برخی تولید کنندگان ، یوپی اس هایی با قابلیت عملکرد موازی ارائه داده اند – بدین ترتیب توان خروجی سیستم تا چند هزار KVA افزایش پیدا خواهد کرد برای مثال دستیابی به سیستمهای 2 یا 3 مگاولت آمپری نیز امکان پذیر می باشد .

سیستمهایی با توان بسیار پائین – بیش از توان 250VA

مدلهایی که در این محدوده توانی قرار میگیرند برای تغذیه یک کامپیوتر شخصی PC و Workstation طراحی شده اند و معمولا در یک کیس با ارتفاع کم و اندازه یی حدود نصف یک سیستم PC ساخته می شوند . یوپی اس به یک پریز برق شهر مانند یک سوکت سه پیئ A13 (UK) متصل می شود این نوع یوپی اس به خاطر وزان کم و ابعادش ، قابل حمل است . مدلهایی که در این گروه توانی قرار میگیردند در انواع on-line , off-line و line- interactive هستند . تعیین نوع تکنولوژی دستگاه نکته اصلی در انتخاب یوپی اس می باشند .

یا معمولا به یک پریز برق  استاندارد (IEC) در پشت یوپی اس متصل می شود این اتصال بوسیله کلید اصلی مدار یا یک فیوز محافظت می شود . در این گروه توانی ، باتریها معمولا در خود کابینت یوپی اس قرار دارند و کلا استفاده از کابینت باتری اضافی مورد نظر نیست .

چون این مدلها برای قرار گرفتن در مجاروت مصرف  کننده (بار)  طراحی شده اند ، عموما لازم نیست که امکانات هشدار دهنده از راه دور برای آگاه کردن کاربر از وضعیت عملکرد آنها فراهم شود هرچند که عملیات نصب یوپی اس ممکن است شامل نصب یک رابط کنترل  اتوماتیک بین یوپی اس و کامپیوتر مانند SNMP (پروتکل مدیریت شبکه ساده ) یا نرم افزار اتوماتیک Shut down نیز باشد .

سیستمهایی سیستمهای توان پایین – 500-2000VA

یوپی اس ها در این محدوده توانی از بسیاری جهات شبیه سیستمهای گروه قبل که در بالا توضیح داده شد می باشند و میتوان آنها را قابل حمل (portable) فرض کرد . اگرچه ، افزایش توان (نسبت به مدلهای قبلی ) این قابلیت را به این مدلها می دهد که یک server یا workstation کامل شامل یک pc و تجهیزات جانبی آن مانند پرینتر (غیر از پرینتر لیزری ) ، اسکنر و غیره را تغذیه کنند . این مدلها نیز به یک پریز برق شهر مانند یک سوکت سه پین (UK)13A متصل می شوند و میتوانند شامل طرحهای on-line , off-line و line – interactive باشند .مانند شکل (1)4-3

بار به پریزهای استاندارد برق (IEC) در پشت یوپی اس متصل می شود و این اتصالها معمولا به وسیله کلید اصلی مدار یا یک فیوز حفاظت می شوند ولی این احتمال وجود دارد که به منظور تسهیل در اتصال چندین بار به یوپی اس 2 یا چند پریز خروجی تعبیه شده باشد .

باتریها این گروه نیز ، معمولا در کابینت یوپی اس قرار گرفته اند ولی بعضی مدلها برای افزایش زمان backup نیاز به کابینت باتری اضافی دارند . دراین حالت شارژ باتری در داخل دستگاه به گونه­یی طراحی شده است که جریان شارژ باتری اضافی را نیز تامین کند .

اگرچه ، در شرایط ویژه کابینت باتری اضافی باید مجهز به یک سیستم شارژ کننده مخصوص برای تامین جریان شارژ باتریهای اضافی باشد در نتیجه این بخش نیز باید به برق شهر وصل شود .

این سیستمها عموما به علت مجاورت با استفاده کننده ، نیاز به امکانات هشدار دهنده از راه دور ندارند . اگرچه این دستگاه ها نیز مانند سیستمهای گروه قبل بسته به درجه حساس بودن بار ، نیاز به نرم افزار Shut down اتوماتیک یا SNMP دارند .

سیستمهایی توان متوسط – 3-20KVA

مدلهایی که در این رنج توانی قرار میگیرند برای تامین برق در مصارف بالاتر از سیستمهای رومیزی (desktop) طراحی شده اند و برای تغذیه یک شبکه اداری کامل ، مجموعه سرورهای و یا مرکز ارتباطات بکار میروند .

این مدلها که نمیتوان آنها را قابل حمل به حساب آورد (مخصوصا در توانهای بالای این محدوده ) ، به صورت دائمی با استفاده از تابلوهای فشار متوسط به برق متصل میشوند و ممکن است به چند دستگاه محافظ در برابر اضافه بار ورودی به عنوان یکی از مراحل نصب احتیاج داشته باشند . مدلهای بزرگتر در این دسته ممکن است با برق سه فاز در ورودی عمل کرده و خروجی یک یا سه فاز داشته باشند .

مساله باتریها هم در این محدوده توانی خاص تغییر می کند . در سطوح پائین این محدوده ، توضیحات داده شده درباره باتریهای سیستمهای رومیزی desktop هنوز معتبرند . ولی در مدلهای 15-120KVA باتریها درون یک کابینت جداگانه که در کنار یوپی اس قرار دارد جای میگیرند . در واقع  اکثر تولید کنندگان برای این دسته یک سری کابینتهای هماهنگ تولید می کنند تا علاوه بر ظرافت و زیبایی با یک محیط اداری تطابق داشته باشند .

در رنجهای توانی بالاتر تجهیزات مصرف کننده با کابلشور به busbar های توزیع که در داخل کابینت یوپی اس قرار دارند متصل می شوند و خروجی یوپی اس نیز به یک سیستم توزیع برق منتقل می شود . در محدوده پائین این رنج توانی احتمال دارد در خروجی دارای پریزهای استاندارد باشد .

اکثر یوپی اس های این سری مجهز به امکاناتی برای هشدار دادن از دور و نمایشگر های وضعیت می باشند .

سیستمهایی توان بالا 30-400KVA

مدلهای این دسته میتوانند یک مرکز اطلاعاتی بزرگ را سرویس دهند ، ولی عموما به دلیل صدای فن های خنک کننده و همچنین گرمای ایجاد شده هنگام کار کردن با بارهای بزرگ برای محیط اداری مناسب نیستند . به دلایل یاد شده معمولا این گونه مدلها در محلهایی دور از بار در یک اتاق مخصوص (plant room) قرار دارند و خروجی آنها به تعداد زیادی بار متصل است که همگی از سیستم توزیع برق مجهز به کلید و فیوزهای مخصوص استفاده می کنند .

مدلهای این گروه توانی ، اکثرا دارای طراحی on-line بوده و ورودی و خروجی سه فاز دارند . در این گروه بعید است که باتریها درون خود کابینت یوپی اس قرار گیرند بسته به رنج توانی دستگاه و زمان Backup ممکن است باتریها در یک کابینت­مجزا درمجاورت یوپی­اس و یا ( برای سیستمهای بزرگ ) در یک اتاقل مختصل باتری قرار داده شوند . – مانند شکل

کامپیوترها ، مثل سیستمهای پردازش و کنترل

تجهیزات عملیات صنعتی ، مانند عملیات تولیدی دقیق

تجهیزات درمانی ، مانند سیستمهای کنترل و حفظ حیات (MRI – سی تی اسکن و ... )

تجهیزات شبکه ارتباطی مانند PABX

ترمینالهای دستگاه های POS (Point of Sales )  مانند سیستمهای خرده فروشی

معاملات تجاری on-line ، مانند خرید و فروش از طریق اینترنت .

  اثرات نامناسب بر روی بار حساس میتواند شامل موارد زیر باشد :

توقف عملیات تجاری ، مانند عدم امکان انجام فعالیت تجاری و یا برقراری ارتباط .

از بین رفتن یا مخدوش شدن اطلاعات در اثر مشکل نرم افزاری .

خراب شدن سخت افزار گرانقیمت و اجزاء آن در اثر کاهش یا افزایش شدید و ناگهانی ولتاژ .

کاهش تولید در اثر صحیح نبودن عملیات تولیدی و احتمال خرابی تجهیزات مربوطه .

درست کار نکردن سیستم کنترل .

زیان تجاری در اثر خرابی دستگاه pos یا تجهیزات ارتباطی .

ضرر ناشی از زمان از دست رفته برای تنظیم یا تعمیر سیستم آسیب دیده .