ساختار و كارايي UPS

 

اختلاف نظرهای بسیاری در بازار UPS درباره انواع مختلف و مشخصات (مزایا و معایب) هر یک از آنها وجود دارد. تنوع یوپی‌اس در بازار و مشخصات خاص هر یک از آنها یک سر درگمی را برای کاربران این نوع تجهیزات در تصمیم‌گیری درست به دنبال داشته است. بخش زیادی از این سردرگمی به خاطر مشخص نبودن نقطه تمایز این تجهیزات برای کاربران عام است. برای مثال این یک باور تقریباً همگانی است که تنها دو نوع یوپی‌اس با عناوین Standby UPS و on-line UPS وجود دارد. ولی واقعیت این است که این دو عنوان معروف نمی‌توانند بازگوکننده مشخصات تمامی انواع UPSهای موجود در بازار باشند.
این سوءتفاهمات و برداشت‌های ناصحیح وقتی می‌تواند برطرف شود که تکنولوژی‌های ساخت یوپی‌اس به نحو درستی معرفی شده و باهم مقایسه شود. توپولوژی UPS در واقع ماهیت و ساختار طراحی آن را روشن می‌کند. تأمین‌کنندگان مختلف به طور معمول مدلهای با ساختار یکسان و مشابه تولید می‌کنند ولی مشخصات عملکردی آنها با هم بسیار متفاوت است. 
در این نوشتار سعی بر آنست تا هریک از این ساختارها تعریف شده‌ و بصورت بلوک دیاگرام هم نمایش داده شود. کاربردهای عملی آنها تشریح شده، مزایا و معایبشان هم لیست شود. ساختارهای مرسوم بین سازندگان مطرح جهانی در اینجا مرور شده‌اند، همچنین تلاش شده تا توضیحات مختصری در مورد نحوه عملکرد هر یک از توپولوژی‌ها ارائه شود. ما مدعی نیستیم که همه جزئیات را ارائه کرده‌ایم ولی امیدواریم این نوشتار به شما در شناسایی درست یوپی‌اس‌ها و مقایسه دقیق ساختارهای آنها کمک کند.

انواع UPS
روش‌های مختلفی در پیاده‌سازی آرایش‌های متنوع یوپی‌اس 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)
یوپی‌اس‌های با ساختار آماده به کار رایج‌ترین نوع UPS مورد استفاده برای رایانه‌های شخصی و مصارف توان پایین در محیط‌های غیرصنعتی محسوب می‌شوند. در بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل 1، 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 شکل1)، 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 لحظه‌ای 100% بر روی اینورتر در زمان قطع برق شهر؛ محدودیت بخش قدرت مبدل برای کار طولانی مدت اینورتر (محدودیت زمان پشتیبانی بار) از جمله معایب این ساختار محسوب می‌شود.


یوپی‌اس‌های در تعامل با خط (Online UPS)
UPSهای با ساختار در تعامل با خط که در شکل 2 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 ورودی 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" خواهد داشت.
علاوه بر این، ساختارهای در تعامل با خط معمولاً مجهز به یک ترانسفورماتور با سَرهای 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 یوپی‌اس به باتری منتقل شده و در نتیجه زمان پشتیبانی مصرف‌کننده 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 اشباع‌شونده ویژه‌ای بود که دارای سه‌ سیم‌پیچ 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 یوپی‌اس 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. یوپی‌اس‌های آماده به کار از نوع فررو رزونانس توسط برخی از سازندگان به عنوان یوپی‌اس‌های 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 AC وارد مدار شده و مشخصات لحظات جابجایی -وقفه کوتاه مدت- در آنها دیده می‌شود (دقیقاً مشابه مدل‌های آماده به کار). شکل 3 توپولوژی UPSهای آماده به کار از نوع فررو رزنانس را نشان می‌دهد. 

 


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 شبکه‌های 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 یوپی‌اس‌های 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 می‌کشند 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 یوپی‌اس‌ها برای توان‌های بالاتر از 10kVA است. بلوک دیاگرام یک UPS با ساختار بر خط با تبدیل دوگانه، در شکل4 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 آن.

 

در یوپی‌اس‌های 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 یوپی‌اس‌ها از منظر مصرف‌کننده عملکردی نزدیک به ایده‌آل دارند. اما فرسایش مستمر و بی‌وقفه المان‌های قدرت،‌ قابلیت اطمینان این تجهیزات را در بلند مدت در مقایسه با مدل‌های آماده به کار خدشه‌دار می‌سازد و انرژی مصرف‌شده به علت راندمان نسبتاً کمتر آنها در بلند مدت هزینه‌های دوره بهره‌برداری این یوپی‌اس‌ها 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 ساخته‌اند. 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، یوپی‌اس‌های 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.

UPS های با ساختار دلتا
این نوع یوپی‌اس، که در شکل 5 نشان داده شده است، یک فناوری نسبتاً جدید با قدمت حدود 10ساله است که برای جبران برخی از محدودیت‌های ساختار بر خط با تبدیل دوگانه در توان‌های از 5KVA تا  1.6MW معرفی شده است.
مشابه ساختار بر خط با تبدیل دوگانه، UPS دلتا دارای اینورتری است که قادر به تأمین 100 درصدی توان بار است. با این حال، یک مبدل دلتا اضافی در تأمین تغذیه خروجی مشارکت می‌کند. در شرایط قطع تغذیه AC ورودی یا تغییراتی بیش از مقادیر از پیش تعیین شده، این طراحی رفتاری مشابه ساختار بر خط با تبدیل دوگانه را خواهد داشت.

دلیل صرفه‌جویی انرژی در UPSهای با فناوری دلتا این است که در زمان حضور برق شهر در این روش تنها اختلاف سطح ولتاژ بین ورودی و خروجی جبران می‌شود و مانند ساختار بر خط با تبدیل دوگانه نیاز به تبدیل کامل ولتاژ از حالت AC به DC و تبدیل مجدد آن از DC به AC با صد در صد توان نیست. 
عملکرد UPSهای دلتا، در قسمت خروجی تا حد زیادی شبیه یوپی‌اس‌های بر خط با تبدیل دوگانه مجهز با استابیلایزر و با عملکرد ECO Mode است. ولی غالباً از منظر مشخصات ورودی دستگاه متفاوتند. در واقع آنها مجهز به استابیلایزر اینورتری در مسیر Bypass هستند که تصحیح ضریب توان، کاهش اعوجاج هارمونیکی و تثبیت دامنه ولتاژ خروجی را بدون استفاده از فیلترهای بزرگ و راه‌حل‌های سنتی امکان‌پذیر می‌سازند.
کنترل ضریب توان ورودی همچنین باعث می‌شود تا این نوع UPS توانایی کار با دیزل‌ژنراتور را داشته و نیاز به در نظر گرفتن ظرفیت اضافه برای سیم‌کشی شبکه تغذیه یوپی‌اس و ژنراتور نیست. UPS دلتا تنها فناوری از انواع فناوری‌های پایه‌ای برای ساخت یوپی‌اس است که به صورت اختراع ثبت شده و قابل استفاده برای تمامی سازندگان یوپی‌اس نیست و به همین علت شاید در بازار توسط سازندگان متعدد و با برندهای مختلف موجود نیست.

خلاصه ای از انواع
UPS
برخی از ویژگی‌های ساختارهای مختلف یوپی‌‌اس‌ها در جدول زیر نشان داده شده است. برخی از مشخصات، مانند راندمان، با انتخاب نوع UPS به مشتری تحمیل می‌شود. از آنجا که نحوه اجرا و پیاده‌سازی و کیفیت تولید، ویژگی‌هایی مثل قابلیت اطمینان دستگاه را تحت تاثیر قرار می‌دهند بنابراین لازم است که این نوع عوامل هم در کنار ساختار UPS برای ارزیابی چنین پارامترهایی مورد توجه قرار گیرد.

ساختار

کمیت مقایسه

محدوده توان کاری(KVA)

میزان تصحیح ولتاژ

قیمت برای هر VA

راندمان

کار مستمر اینورتر

آماده به کار

 تا 0.5KVA

پائین

پائین

بسیار بالا

خیر

در تعامل با خط

0.5 تا 5KVA

بسته به طرح

متوسط

بسیار بالا

بسته به طرح

آماده به کار فررو

3 تا 15KVA

بالا

بالا

کم و متوسط

خیر

ساختار برخط با تبدیل دوگانه

5 تا 5000KVA

بالا

متوسط

متوسط و بالا

بله

ساختار دلتا

5 تا 5000KVA

بالا

متوسط

بالا

بله

 

جمع بندی: 
در حال حاضر محصولات ارائه شده در بازار صنعت یوپی‌اس که به مرور زمان تکامل یافته و از رشدمطلوبی برخوردار شده‌اند شامل اکثر ساختارهای فوق‌الذکر بجز ساختار آماده به کار از نوع فررو می‌شوند. البته باید یادآور شد که تنوع بسیار سازندگان در این بازار محدوده‌های قدرت اعلام شده در جدول بالا را بسیار متنوع ساخته است به عنوان مثال یک خریدار جستجوگر قادر است مدلهای آماده به کار تا 6KVA و مدلهای در تعامل با خط تا توان 10KVA را در بازار این تجهیزات پیدا کند. هر کدام از ساختارهای معرفی‌شده ویژگی‌هایی دارند که آنها را برای یک کاربرد خاص مناسب و برای کاربرد دیگر نامناسب می‌کند در واقع نمی‌توان ادعا کرد که یک نوع خاص UPS برای تمام کاربردها مناسب و ایده‌آل است. این کاربر  یا استفاده‌کننده نهایی یوپی‌اس است که می‌تواند تنها با شناخت دقیق این ساختارها و مزایا و معایب هریک از آنها در کنار مشخصات فنی و کیفی شبکه اصلی و همچنین نیازهای مصرف کننده‌ای که قرار است به UPS وصل شود است مناسب‌ترین انتخاب را داشته باشد.