انواع توپولوژی UPS

1396/3/1 0:0
اختلاف نظرهاي بسياري در بازار UPS درباره انواع مختلف آن و مشخصات هريك از آنها وجود دارد.

انواع توپولوژی UPS

اختلاف نظرهاي بسياري در بازار UPS¹ درباره انواع مختلف آن و مشخصات (مزايا و معايب) هريك از آنها وجود دارد. تنوع UPS در بازار و مشخصات خاص هريك از آنها يك سر درگمي را براي كاربران اين نوع تجهيزات در تصميم‌گيري درست به دنبال داشته است. بخش زيادي از اين سردرگمي به خاطر مشخص نبودن نقطه تمايز اين تجهيزات براي كاربران عام است. براي مثال اين يك باور تقريبا همگاني است كه تنها دو نوع UPS با عناوين Standby UPS و On Line UPS وجود دارد. ولي واقعيت اين است كه اين دو عنوان معروف نمي‌توانند بازگو كننده مشخصات تمامي انواع UPSهاي موجود در بازار باشند.

این سوء ‌تفاهمات و برداشت‌هاي ناصحيح وقتي مي‌تواند برطرف شود كه تكنولوژيهاي ساخت  UPS‌به نحو درستي معرفي شده باهم مقایسه شود. توپولوژي UPS در واقع ماهيت و ساختار طراحي UPS را روشن مي‌كند. تامين‌كنندگان مختلف به طور معمول مدلهاي با ساختار يكسان و مشابه توليد مي‌كنند ولي مشخصات عملكردي آنها با هم؛ بسيار متفاوت است.

در اين نوشتار سعي بر آنست تا هريك از اين ساختارها تعريف شده‌ و بصورت بلوك دياگرام هم نمايش داده شود. كاربردهاي عملي آنها تشريح شده ، مزايا و معايبشان هم ليست شود. ساختارهاي مرسوم بين سازندگان مطرح جهاني در اینجا مرور شده‌اند^{2 .}همچنين تلاش شده تا توضیحات مختصري در مورد نحوه عملكرد هر یک از توپولوژی‌ها ارائه شود. ما مدعی نیستیم که همه جزئیات را ارائه کرده‌ایم ولی اميدواريم این نوشتار به شما در شناسایی درست UPS ها و مقایسه دقيق ساختارهای آنها کمک كند.

 انواع UPS

روش های مختلفی در پیاده سازی آرایش متنوع UPS استفاده میشود هر کدام هم دارای یک یا چند ویژگی ممتاز میباشدبه نحوی که ادامه ساخت و استفاده از آن ساختار را توجیه و منطقی میسازد.این کاربر استکه باید متناسب با نیاز خود و شناخت دقیق این سیستم ها بهترین گزینه را برای کاربرد مورد نظرش برگزیند.متداولترین آرایش ها در ادامه تشریح شده اند^.

1)     ساختار آماده به كار³

2)      ساختار درتعامل با خط⁴

3)     ساختار آماده به كار از نوع فررو⁵

4)     ساختار بر خط با تبديل دوگانه⁶

5)     ساختار دلتا⁷

ساختار آماده به كار

UPS‌هاي با ساختار آماده به کار رایج‌ترین نوعUPS  مورد استفاده براي رایانه‌های شخصی و مصارف توان پایین در محیط‌های غیر صنعتی محسوب مي‌شوند. در بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل 1، سوئیچ انتقال طوري برنامه ريزي شده است كه همواره ورودی AC - که معمولا فیلتر شده هم است - را به عنوان منبع تغذيه اصلي براي مصرف كننده انتخاب مي‌كند (خط توپر نشان داه شده در شكل1)، اين سوئيچ مسير باتری/ اینورتر به سمت مصرف كننده را – به عنوان منبع پشتیبان براي مدت زماني كه وقفه‌اي در مسير تغذيه اصلي رخ دهد- جايگزين مسير تغذيه اصلي بار خواهد كرد (مسیر خط چين). اینورتر فقط وقتي که برق قطع شود روشن خواهد شد، از این رو است كه به اين ساختار عنوان "آماده به کار" اطلاق مي‌شود.

راندمان بالا، اندازه کوچک و قيمت و حجم و وزن كم از مزایای اصلی این ساختار می‌باشد. با فیلتر مناسب و تقويت مدارات الكتريكي، این سیستم قادر خواهد تا عملكرد مطلوبي را در حذف نويز و حفاظت از اضافه ولتاژهاي گذاراي لحظه‌اي 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 مبدل برای کار طولانی مدت اینورتر (محدودیت زمان پشتیبانی بار) از جمله معایب این ساختار محسوب می‌شود.

UPSهاي در تعامل با خط ساختار

UPSهاي با ساختار در تعامل با خط كه در شکل 2 نشان داده شده است ، شايع‌ترين طرح مورد استفاده برای کسب و کار کوچک ، كاربران وب، و سرورهاي محدود است. در این طراحی، مبدل برق باتری به AC (اینورتر) همیشه به خروجیAC دستگاه متصل است ولی اينورتر در زمانهایی که تغذيه AC ورودی شرايط مطلوبي دارد به صورت معكوس عمل كرده و شارژ باتری را انجام مي‌دهد.

هنگامی که تغذيه ورودی قطع مي‌شود، سوئیچ تغذيه ورودي باز شده و تغذيه از طريق انرژي ذخيره شده در باتري و مسیر اينورتر UPS ادامه مي‌يابد. با اینورتر همیشه روشن و متصل به خروجی، این ساختار تغذيه فيلتر شده و بهتري با زمان جابجايي كمتر در مقايسه با ساختار "آماده به كار" خواهد داشت.

علاوه بر این، ساختارهاي در تعامل با خط معمولا مجهز به یک ترانسفورماتور با سرهاي ولتاژي مختلف است. این قابليت امكان تنظیم ولتاژ خروجي دستگاه را با تغيير تپ ترانسفورماتور به رغم تغيير ولتاژ ورودی را براي UPS فراهم مي‌سازد. تنظیم ولتاژ براي شرایطي كه ولتاژ ورودي كم و زياد مي‌شود یک ویژگی مهم و ارزشمند است، در غیر این صورت تغذيه خروجي UPS به باتری منتقل شده و در نتيجه زمان پشتيباني بار براي زماني كه تغذيه به طور كامل قطع شود كاهش خواهد يافت همچنين این نوع استفاده مكرر از باتری می‌تواند باعث از كار افتادگي سريع باتری شود. با این حال، اين امكان هم وجود كه در اين ساختار اینورتر طوري طراحی شود كه حتي در صورت خرابي آن ادامه تغذيه از طريق ورودی AC و مسير بايپاس ادامه يابد، به نحوي که احتمال وقفه تغذيه خروجي به خاطر تك مسير بودن منبع تغذيه منتفي شود و دو مسير تامين تغذيه تقريبا مستقل از هم و كارآمد براي مصرف كننده فراهم گردد.

راندمان بالا، اندازه کوچک، قيمت کم و قابلیت اطمینان بالا همراه با قابلیت اصلاح افزايش و كاهش ولتاژ ورودي این نوع UPS را در محدوده قدرت 0.5 تا 5 كيلوولت- آمپر به گزينه جذابي تبديل كرده است.

هرچند با برخی تمهیدات در مسیر بایپاس مشکلات کیفیت توان شبکه در خروجی دستگاه کمتر از ساختار آماده به کار است ولی سایر معایب ساختار مذکور را دارد.

ساختار آماده به كار- فررو

UPS آماده به کار از نوع فررو در گذشته يكي از جذابترين مدلهاي UPS براي محدوده قدرت 3 تا 15 كيلوولت- آمپر بود. این ساختار متكي بر ترانسفورماتور اشباع شونده ویژه‌ای بود که دارای سه‌ سیم‌پیچ قدرت بود. مسیر تامين تغذيه اصلي و از پيش تعيين شده در اين ساختار عبارت است از ورودی AC كه پس گذر از یک سوئیچ انتقال و ترانسفورماتور به خروجی مي‌رسد. در صورت قطع برق ورودي، سوئیچ انتقال باز شده ، و اینورتر تامين تغذيه بار خروجی را بر عهده مي‌گيرد.

در مدل آماده به کار از نوع فررو، اينورتر در حالت آماده به کار بوده و هنگامی که تغذيه ورودی قطع شده و سوئیچ انتقال باز مي‌شد اينورتر روشن مي‌شد. ترانسفورماتور كه دارای یک قابلیت ویژه بنام "فرو رزونانس" است ، يك حد محدودي از تنظیم ولتاژ و تصحيح شکل موج خروجی را برعهده داشت. ايزولاسيون از شبكه قدرت AC ورودي كه توسط ترانسفورماتور فرو رزونانس فراهم مي‌شود به خوبی یا بهتر از هر نوع فیلتر در دسترس عمل مي‌كند. اما خود ترانسفورماتور فررو؛ اعوجاج شدید ولتاژ خروجی و حالت گذرا را به دنبال داشت، که می‌توانست به مراتب بدتر از اتصال بار به يك شبكه AC با كيفيت توان پايين باشد.

هرچند این نوع UPS هم در دسته بندي ها جزئ ساختار آماده به کارها قرار مي‌گيرد ولي اين ساختار تولید مقدار زیادی گرما به دلیل استفاده از يك ترانسفورماتور فرو رزونانس بار راندمان ذاتي پايين را به دنبال دارد. این ترانسفورماتورها همچنين بزرگ و حجیم و سنگين هستند به همين خاطر UPSهاي آماده به کار از نوع فررو به طور کلی بسیار بزرگ و سنگین مي‌شوند.UPS هاي آماده به کار از نوع فررو رزونانس توسط برخي از سازندگان به عنوان UPS هاي  ON LINE معرفي مي‌شوند. ولي واقعيت اين است كه هر چند آنها مجهز به یک سوئیچ انتقال هستند، ولي اينورتر آنها در حالت آماده به کار بوده و فقط با قطع برق AC وارد مدار شده و مشخصات لحظات جابجايي- وقفه كوتاه مدت- در آنها ديده مي‌شود (قيقا مشابه مدلهاي آماده به كار). شکل 3 توپولوژی UPSهاي آماده به کار از نوع فررو رزنانس را نشان می‌دهد.

قابلیت اطمینان نسبتا بالا و فیلتر پسيو بسیار عالی از نقاط قوت این طرح است. با این حال، اين طرح به علت راندمان بسیار پایین و ناپايداري دستگاه در كار با ژنراتور و يا شبكه‌هاي با امپدانس داخلي بالا و تامين تغذيه براي كامپیوترهايي كه تغذيه آنها مجهز به سيستم اصلاح ضريب توان هستند محبوبیت خود را به نحو قابل توجهي از دست داده است. دلیل اصلی اینکه UPS هاي آماده به کار از نوع فررو از دور خارج شده و ديگر استفاده نمي شوند این است که آنها هنگام تامين تغذيه براي کامپیوتر مدرن دچار ناپايداري مي شوند. تمام سرورهای بزرگ و و تجهيزات دوار از منابع تغذيه مجهز به " تصحيح كننده ضریب قدرت" استفاده مي كنند تا جرياني كه از شبكه مي‌كشند مانند يك لامپ رشته اي كاملا سينوسي بوده و توان راكتيو مصرف نكنند .این جریان صاف در خازنهايي ذخيره شده و براي تغذيه دستگاه‌ها که به صورت ' پيش فاز' نسبت به ولتاژ عمل مي‌كنند استفاده مي‌شود در حالي كه UPS فرو رزونانس از يك ترانسفورماتور با هسته آهني نسبتا سنگین استفاده مي‌كند که دارای خاصيت سلفي بوده و عملا جرياني "پس فاز " نسبت ولتاژ دارند. ترکیب این دو مدار مي‌تواند يك مدار رزنانسي (تشديد) ايجاد كند. وقتي شرايط تشديد رزونانسي به وجود آيد مدار به صورت يك حلقه اتصال كوتاه عمل كرده و جريان كشي شديدي را در ورودي ايجاد مي‌كند كه مي‌تواند منجر به قطع تغذيه و خسارت براي مصرف كننده شود.

ساختار بر خط با تبديل دوگانه

این متداول‌ترین نوع UPSها براي توانهاي بالاتر از 10kVA است. بلوک دیاگرام يك UPS با ساختار بر خط با تبديل دوگانه ، در شكل4 نشان داده شده است كه از نظر ساختار و اجزا مشابه مدلهاي آماده به کار است، با این تفاوت شاخص که مسیر اصلي رسيدن تغذيه به مصرف كننده يكسوساز و اينورتر است نه مسير Bypass آن .

در UPS‌هاي بر خط با تبديل دوگانه، قطع تغذيه AC ورودي منجر به عملكرد سوئیچ انتقال نمی‌شود، چرا که ورودی AC در اين نوع UPSها حتي در شرايط نرمال هم از طريق ركتيفاير براي شارژ بانك باتری پشتیبان و تامين تغذيه DC ورودي اينورتر استفاده مي‌شود و با قطع آن باتري همان وظيفه را برعهده مي‌گيرد اینورتر همچنان تغذيه بار را ادامه مي‍‌دهد به همين خاطر در مدت قطع برق AC ورودي، هيچ جابجايي توسط سوييچ انتقال صورت نمي‌‎گيرد.

در اين ساختار هم ركتيفاير و هم اينورتر در مسير جریان مصرف كننده هستند و بايد قادر باشند اين جریان را بصورت مستمر و بي وقفه تحمل كنند. حتي ركتيفاير معمولا تواني بيشتر از توان مصرف كننده (براي شارژ همزمان باتري و تامين تغذيهDC  ورودي اينورتر) دارد. اين خاصيت باعث كاهش راندمان كلي دستگاه و افزايش تلفات آن و ميزان گرماي توليدي توسط دستگاه مي‌شود.

مي‌توان گفت این نوع UPS‌ها از منظر مصرف كننده عملکردي نزدیک به ایده‌آل دارند. اما فرسايش مستمر و بي‌وقفه المانهاي قدرت ،‌ قابلیت اطمینان اين تجهيزات را در بلند مدت در مقايسه با مدل‌هاي آماده به كار خدشه‌دار مي‌سازد و انرژی مصرف شده به علت راندمان نسبتا كمتر آنها در بلند مدت هزينه‌های دوره بهره‌برداري اين UPSها را افزايش مي‌دهد. همچنین، توان ورودی کشیده شده توسط ركتيفاير توان بالاي اين نوع UPS اغلب غیرخطی بوده و می‌تواند منجر به اشغال ظرفيت و ايجاد تداخل الكترومغناطيسي در سیم کشی برق تاسيسات شده و مشکلاتي را در زمان استفاده از ژنراتور برق اضطراري به دنبال داشته باشد.

در سالهاي اخير در تجهيزات جديد اين دو مشكل UPS‌هاي با ساختار بر خط با تبديل دوگانه را با تمهيداتي مرتفع ساخته‌اند. اكثر سازندگان تجهيزاتشان را به نحوي طراحي مي‌كنند كه بتوانند هم به صورت بر خط با تبديل دوگانه و هم بصورت آماده به كار در تعامل با خط قابل استفاده باشند و اين نوع عملكرد را به عنوان ECO مد معرفي كرده‌اند در واقع UPS با بازبيني مستمر ورودي و در صورت ثبات مشخصات و برخورداري از كيفيت توان مطلوب؛ بصورت آماده به كار عمل كرده و در غير اينصورت بصورت بر خط با تبديل دوگانه عمل خواهد كرد. براي رفع مشكل دوم هم اكثر سازندگان UPSهاي خود را مجهز به ادوات تصحيح ضريب توان و فيلترهاي اكتيو مي‌سازند به نحوي كه ضريب توان در مدلهاي جديد در حد 1 و اعواجاج جريان ورودي دستگاه كمتر از 6 درصد و در برخي از مدلها كمتر از 3درصد باشد.

یو پی اس ها با ساختار دلتا

این نوع UPS، كه در شکل 5 نشان داده شده است ،يك فن‌آوری نسبتا جدید با قدمت حدود 10ساله است كه برای جبران برخي از محدوديت‌هاي ساختار بر خط با تبديل دوگانه در توانهاي از 5KVA تا  1.6MW معرفي شده است.

مشابه ساختار بر خط با تبديل دوگانه، UPS دلتا داراي اینورتري است كه قادر به تامين 100 درصدي توان بار است. با این حال، يك مبدل دلتا اضافي در تامين تغذيه خروجي مشاركت مي‌كند. در شرایط قطع تغذيه AC ورودي یا تغييراتی بيش از مقادير از پيش تعيين شده، این طراحی رفتاري مشابه ساختار بر خط با تبديل دوگانه را خواهد داشت.دليل صرفه جويي انرژي در UPSهاي با فنآوری دلتا اين است كه در زمان حضور برق شهر در اين روش تنها اختلاف سطح ولتاژ بين ورودي و خروجي جبران مي شود و مانند ساختار بر خط با تبديل دوگانه نياز به تبديل كامل ولتاژ از حالت AC به DC و تبديل مجدد آن از DC به AC با صد در صد توان نيست.

عملكرد UPSهاي دلتا، در بخش خروجي تا حد زيادي شبيه UPSهاي بر خط با تبديل دوگانه مجهز با استبلايزر و با عملكرد ECO مد است. ولي غالبا از منظر مشخصات ورودي دستگاه متفاوتند. در واقع آنها مجهز به استبلايزر اينورتري در مسير بايپاس هستند كه تصحيح ضريب توان؛ كاهش اعوجاج هارمونيكي؛ تثبيت دامنه ولتاژ خروجي را بدون استفاده از فيلترهاي بزرگ و راه‌حل‌هاي سنتي امكان پذير مي‌سازند.کنترل ضريب توان ورودی همچنین باعث می‌شود تا اين نوع UPS توانايي كار با ژنراتور را داشته و نياز به در نظر گرفتن ظرفيت اضافه براي سيم‌كشي شبكه تغذيه UPS و ژنراتور نيست. UPS دلتا تنها فن‌آوری از انواع فناوري‌هاي پايه‌اي براي ساخت UPS است كه به صورت اختراع ثبت شده و قابل استفاده براي تمامي سازندگان UPS نيست و به همين علت شايد در بازار توسط سازندگان متعدد و با برندهاي مختلف موجود نيست.

خلاصه ای از انواع UPS

برخی از ویژگی‌های ساختارهاي مختلف UPS‌ها در جدول زیر نشان داده شده است. برخی از مشخصات، مانند راندمان، با انتخاب نوع UPS به مشتري تحميل مي‌شود. از آنجا که نحوه اجرا و پیاده سازی و کیفیت تولید، ویژگیهايي مثل قابلیت اطمینان دستگاه را تحت تاثیر قرار مي‌دهند بنابراين لازم است كه اين نوع عوامل هم در كنار ساختار UPS براي ارزيابي چنين پارامترهايي مورد توجه قرار گيرد.

جمع بندي

در حال حاضر محصولات ارائه شده در بازار صنعت UPS كه به مرور زمان تکامل یافته و از رشدمطلوبي برخوردار شده‌اند شامل اكثر ساختارهاي فوق الذكر بجز ساختار آماده به كار از نوع فررو مي‌شوند. البته بايد يادآور شد كه تنوع بسيار سازندگان در اين بازار محدوده‌هاي قدرت اعلام شده در جدول بالارا بسيار متنوع ساخته است به عنوان مثال يك خريدار جستجوگر قادر است مدلهاي آماده به كار تا 6KVA و مدلهاي در تعامل با خط تا توان 10KVA را در بازار اين تجهيزات پيدا كند. هر كدام از ساختارهاي معرفي شده ویژگی‌هایی دارند که آنها را براي يك كاربرد خاص مناسب و برای کاربرد دیگر نامناسب مي‌كند در واقع نمي‌توان ادعا كرد كه يك نوع خاص UPS برای تمام کاربردها مناسب و ايده آل است. این كاربر و يا استفاده كننده نهايي UPS است كه مي‌تواند تنها با شناخت دقيق اين ساختارها و مزايا و معايب هريك از آنها در كنار مشخصات فني و كيفي شبكه اصلي و همچنين نيازهاي مصرف كننده‌اي كه قرار است به UPS وصل شود است مناسب ترين انتخاب را داشته باشد.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1-Uninterruptable Power Supply 

2- ممكن است خوانندگان ساختارهاي ديگري هم به اين موارد اضافه كنند كه به اندازه اين ساختارها فراگير نيستند در اينجااز پرداختن به برخي ساختارهاي خاص و محدود پرهيز شده است.

3-The Standby

4- Line Interactive

5- Standby-Ferro

6-Double Conversion On-Line

7- Delta Conversion

8-بالا بودن راندمان براي زمان حضور برق اصلي است كه از مسير بايپاس استفاده مي‌شود وقتي برق شهر قطع مي‌شود و اينورتر روشن مي‌شود راندمان دستگاه با توجه به پايين بودن ولتاژ باتري معمولا پايين است.

9-لازم به یادآوری است که وقتی صحبت از راندمان کم برای ساختارهای برخط با تبدیل دوگانه میشود تنها حدود 5% کمتر در مقایسه با دیگر ساختارهاست.