مرکزداده مقالات

انواع مختلف سیستم‌های UPS

انواع مختلف سیستم UPS و ویژگی‌های آن، معمولا به سردرگمی در صنعت مرکز داده منجر می‌شود. به عنوان مثال، عقیده‌ی بسیاری بر آنست که تنها دو نوع از سیستم‌های UPS به نام‌های UPS آماده به کار (standby) و UPS آنلاین (سیستمی همواره پایدار و در حال کار) وجود دارد. اما تنها با این دو عبارت متداول، نمی‌توان به درستی تمام سیستم‌های موجود UPS را توصیف کرد. با تعریف درست انواع مختلف از معماری‌های UPS، بسیاری از سوبرداشت‌ها در رابطه با سیستم‌های UPS برطرف خواهد شد. با معماری UPS می‌توان ماهیت پایه‌ی طراحی آن را نشان داد. سازندگان مختلفی اغلب به تولید مدل‌های مختلفی می‌پردازند که با وجود طراحی‌ها یا معماری‌های مشابه، ویژگی‌های عملکردی بسیاری متفاوتی دارند.

در این جا با توضیحی مختصر در مورد نحوه‌ی کار هر معماری، روش‌های متداول در طراحی بررسی خواهد شد. بدین طریق می‌توان به درستی این سیستم‌ها را شناسایی و با هم مقایسه کرد.

انواع UPS

گستره‌ای از روش‌های طراحی که هر یک ویژگی‌های عملکردی مختص خود را داشته، برای اجرای سیستم‌های UPS به کار گرفته می‌شوند. متداول‌ترین روش‌های طراحی عبارتند از:

  • آماده به کار[1]
  • وابسته به خط[2]
  • آماده به کار ferro[3]
  • تبدیل مضاعف بر خط[4]
  • تبدیل دلتا بر خط[5]

سیستم UPS آماده به کار

این نوع از UPS، متدول‌ترین نوع به کار رفته برای کامپیوترهای شخصی است. در نمودار شماتیک آمده در شکل 1، کلید انتقال به گونه‌ای تنظیم شده که ورودی برق AC فیلتر شده را به عنوان منبع اصلی برق(مسیر خط ممتد) انتخاب کرده سپس در زمان قطع منبع اصلی، به عنوان سیستم پشتیبان به باتری/اینورتر تغییر حالت می‌دهد. در چنین شرایطی، کلید انتقال باید وارد عمل شده تا مصرف را به منبع پشتیبان باتری/اینورتر (مسیر خط نقطه چین) منتقل کند. اینورتر تنها زمانی شروع به کار کرده که برق قطع شود و نام “آماده به کار” نیز از همین امر، نشات می‌گیرد. بهره‌وری بالا، ابعاد کوچک و هزینه‌ی کم، از مزایای اصلی این طراحی به شمار می‌رود. با فیلتر مناسب و surge circuitry، این سیستم‌ها همچنین قادر خواهند بود تا به عنوان فیلتر صدا و ضربه‌گیر نیز عمل کنند.

شکل1: UPS آماده به کار
شکل1: UPS آماده به کار

سیستم UPS وابسته به خط

در شکل 2، UPS وابسته به خط نشان داده شده که متداول‌ترین نوع طراحی به کار رفته در کسب و کارهای کوچک، وب و دپارتمان‌های سرور به شمار می‌رود. در این طراحی، کانورتر باتری به برق AC (اینورتر) همواره به خروجی UPS متصل است. در حالت عادی که برق ورودی AC برقرار بوده و توانِ مصرفی را تامین می‌کند، اینورتر به طور معکوس عمل کرده و تا شارژ کامل باتری، برق AC را به DC تبدیل کرده و در باتری ذخیره می‌سازد.

وقتی برق ورودی قطع شود، کلید انتقال قطع شده و جریان برق را از باتری به خروجی UPS برقرار می‌سازد. در این طراحی با روشن بودن دائمی اینورتر و اتصال آن به خروجی، فیلتر اضافی فراهم شده و در مقایسه با UPSهای آماده به کار، نوسانات مقطعی کمتری دارد.

علاوه بر آن، طراحی وابسته به خط معمولا شامل ترانسفورمری با یک کلید تغییر حالت (Tap-changer) بوده که در زمان تغییرات و نوسان ولتاژ ورودی، ولتاژ را تنظیم می‌کند. این تنظیم ولتاژ در شرایط برق فشار ضعیف، ویژگی مهمی محسوب شده چرا که در غیر این صورت بدون آن که برق قطع شده باشد، UPS به حالت استفاده از باتری تغییر حالت داده و در نهایت، با تمام شدن شارژ ذخیره شده در باتری، برق خروجی دستگاه قطع خواهد شد. این استفاده‌ی بیشتر و مکرر از باتری می‌تواند به خرابی‌ زودتر از موقع در باتری‌ها بیانجامد.

اگرچه می‌توان اینورتر را به گونه طراحی کرد که حتی در صورت خرابی نیز، هنوز امکان تامین برق از ورودی AC به خروجی را فراهم کرده، احتمال بروز نقاط بحران‌خیز را کاهش دهد و دو مسیر مستقل برق را تامین کند. بهره‌وری بالا، ابعاد کوچک، هزینه‌ی کم و قابلیت اطمینان بالا وقتی با قابلیت اصلاح شرایط در خطوط فشار ضعیف یا قوی، همراه شوند، این نوع از UPS را به گزینه‌ای پرکاربرد در برق 0.5-5 kVA تبدیل می‌سازد.

شکل 2: سیستم UPS وابسته به خط
شکل 2: سیستم UPS وابسته به خط

دستگاه UPS آماده به کار ferro

این نوع از UPSها، زمانی سیستمی متداول در بازه‌ی 3-15 kVA بودند. این طراحی به ترانسفورمرهای اشباع دارای سه سیم‌پیچ(اتصالات برق) وابسته است. مسیر اصلی برق از ورودی AC آغاز شده، و از کلید انتقال و ترانسفورمر گذشته، و به خروجی می‌رسد. در صورت قطع برق، کلید انتقال نیز قطع شده و بار مصرفی به اینورتر منتقل می‌شود.

در طراحی آماده به کار ferro ، اینورتر در حالت آماده به کار بوده و با قطع برق ورودی و قطع کلید انتقال، به کار می‌افتد. ترانسفورمر دارای قابلیت فرورزونانس مشخصی بوده که تنظیمات ولتاژی محدود و خروجی سینوسی شکلی دارد. این جداسازی نوسانات کوتاه برق AC که توسط ترانسفورمرهای ferro صورت گرفته، به اندازه‌ی هر نوع فیلتر اعمال شده‌ای یا حتی بیشتر از آن، مفید است. اما خود ترانسفورمرهای ferro اختلال یا نوسان بسیار کوتاه و شدیدی در ولتاژ خروجی ایجاد کرده که می‌تواند از یک اتصال ضعیف AC نیز بدتر باشد. با وجود آن که در اصل طراحی این سیستم مشابه UPS آماده به کار بوده، اما گرمای قابل توجهی تولید می‌کند چرا که ترانسفورمر ferro-resonant اساسا غیربهینه است. این ترانسفورمرها همچنین شباهت زیادی به ترانسفورمرهای متداول در ایزوله‌سازی دارند، در نتیجه UPS های آماده به کار ferro، بسیار بزرگ و سنگین هستند.

سیستم‌های UPS آماده به کار ferro اغلب به عنوان دستگاه‌هایی آنلاین معرفی می‌شوند، زیرا با وجودی که دارای کلید انتقال هستند، اما اینورتر همواره در حالت آماده به کار، قرار داشته و در حین قطع برق AC، مصرف را به منبع دیگری منتقل می‌کنند. معماری این سیستم در شکل 3 نمایش داده شده است.

شکل 3: سیستم‌ UPS آماده به کار ferro
شکل 3: سیستم‌ UPS آماده به کار ferro

نقطه‌ی قوت این طراحی، قابلیت اطمینان بالا و فیلترینگ مناسبی خطوط است. اگرچه، اگر این طراحی به همراه ژنراتور و کامپیوترهایی با ضریب توان اصلاح شده، به کار رود، بهره‌وری بسیار کمی داشته و ناپایدار خواهد بود که این امر، موجب کاهش چشمگیر استفاده از این طراحی شده است.

دلیل اصلی استفاده‌ی کمتر از این سیستم‌ها آنست که در تامین برق مصرفی یک کامپیوتر مدرن، اساسا ناپایدار عمل می‌کنند. تمام سرورهای بزرگ و روترها از منبع برقی با “ضریب توان اصلاح شده” استفاده می‌کنند که مشابه لامپ‌های رشته‌ای،‌ تنها با جریان برق سینوسی کار می‌کنند. چنین جریانی با استفاده از خازن‌ها، که منجر به پیش افتادگی ولتاژ از جریان می شوند قابل ایجاد است. سیستم ferro resonant UPS دارای ترانسفورمرهای اصلی بزرگی هستند که خاصیت القایی دارد یعنی ولتاژ نسبت به جریان پس افتادگی پیدا می کند. ترکیب این دو باعث ایجاد مدار انباره می شود. در مداره های انباره یا Tank بروز رزونانس باعث جریان شدید و تخریب بارها می شود.

دستگاه UPS تبدیل مضاعف بر خط

این نوع UPS، متداول‌ترین سیستم در تامین توان بیش از 10kVA است. نمودار شماتیک UPS تبدیل مضاعف بر خط در شکل 4 نمایش داده شده که تنها تفاوت آن با سیستم آماده به کار، در آن بوده که مسیر اصلی برق به جای برق AC، از اینورتر می‌گذرد.

شکل 4: سیستم UPS تبدیل مضاعف بر خط
شکل 4: سیستم UPS تبدیل مضاعف بر خط

در این طراحی، قطع برق AC کلید انتقال را فعال نکرده چرا که این مسیر برق، منبع باتری پشتیبان را شارژ کرده که این باتری نیز، برق ورودی به اینورتر را تامین می‌کند. در نتیجه، در حین قطع برق AC، هیچ زمانی برای انتقال مصرف صرف نشده و عملیات آنلاین و دائم برقرار خواهد بود. در این طراحی، هر دوی شارژر باتری (رکتیفایر یا یکسوکننده) و اینورتر، تبدیل کل برق مورد نیاز را بر عهده دارند.

این UPS، تقریبا عملکردی ایده‌آل در تامین برق خروجی دارد. اما اجزایی که در مسیر برق قرار گرفته، قابلیت اطمینان را در قیاس با دیگر طراحی‌ها کاهش می‌دهد. همچنین در صورت ورود جریان برق غیرخطی به شارژر باتری، ممکن است این جریان با کابل‌کشی ساختمان تداخل یافته یا مشکلاتی در ژنراتورهای آماده به کار ایجاد کند.

سیستم UPS تبدیل دلتا بر خط

این طراحی UPS که در شکل 5 نمایش داده شده، جدیدتر از دیگر طراحی‌ها بوده و تقریبا 10 سال است که به عنوان تکنولوژی برای برطرف ساختن معایب طراحی تبدیل مضاعف بر خط، ارائه شده و در بازه‌ی 5kVA تا 1.6 MW ساخته می‌شود. مشابه با طراحی تبدیل مضاعف بر خط، در این سیستم نیز همواره اینورتر ولتاژ مورد نیاز را تامین می‌کند. اگرچه کانورتر دلتای اضافی این سیستم نیز در رساندن برق ورودی به اینورتر، مشارکت دارد. تحت شرایطی که جریان AC قطع یا دچار اخلال شود، این سیستم عملکردی مشابه سیستم تبدیل مضاعف بر خط دارد.

شکل 5:سیستم UPS تبدیل دلتا بر خط
شکل 5:سیستم UPS تبدیل دلتا بر خط

برای درک بهره‌وری انرژی در معماری تبدیل دلتا می‌توان به مثال شکل 6 دقت داشت که مقدار انرژی مورد نیاز برای حمل بسته‌ای از طبقه‌ی 4 به طبقه‌ی 5 یک ساختمان را نشان می‌دهد. با بکارگیری تکنولوژی تبدیل مضاعف، بسته تنها در فاصله‌ی اختلاف(دلتا) بین نقطه‌ی آغاز و پایان مسیر حمل شده و در انرژی صرفه‌جویی می‌شود. دستگاه UPS تبدیل مضاعف بر خط، جریان AC را به برق باتری و سپس مجددا به برق AC تبدیل کرده در حالی که، اجزای سیستم تبدیل دلتا برق را از ورودی به خروجی هم منتقل می‌کند.

شکل 6: مقایسه‌ی سیستم تبدیل مضاعف ب تبدیل دلتا
شکل 6: مقایسه‌ی سیستم تبدیل مضاعف ب تبدیل دلتا

در طراحی تبدیل دلتا، کانورتر دلتا با دو هدف کار می‌کند. هدف اول آن کنترل خصوصیات جریان ورودی است. این درگاه فعال با سینوسی کردن جریان برقی ، تاثیرات هارمونیک بر برق شهری را به حداقل می‌رساند. از این طریق قابلیت انطباق سیستم ژنراتور و برق را بهینه ساخته و گرما و استهلاک سیستم توزیع برق را کاهش می‌دهد. کارکرد دوم تبدیل دلتا، کنترل جریان ورودی به منظور شارژ منظم سیستم باتری است.

این نوع دستگاه UPS دارای همان ویژگی‌های مشابه جریان خروجی در طراحی تبدیل مضاعف بر خط می‌باشد. اگرچه، خصوصیات جریان ورودی معمولا متفاوت است. طراحی تبدیل دلتا بر خط جریان ورودی با کنترل دینامیکی، ضریب توان اصلاح شده ای را ایجاد کرده که دیگر به استفاده‌ی غیرموثر از بانک فیلتر و روش های سنتی، نیازی ندارد. مهم‌ترین مزیت آن، کاهش چشمگیر در هدررفت انرژی است. کنترل جریان برق ورودی نیز دستگاه UPS را با تمام مجموعه‌های ژنراتور سازگار ساخته و نیاز به برآوردهای بیش از حد نیاز در کابل‌کشی و ژنراتورها را کاهش می‌دهد. تکنولوژی تبدیل دلتا بر خط، تنها تکنولوژی اصلی در سیستم‌های امروزی UPS بوده که امتیاز تولید آن انحصاری و محدود بوده و در نتیجه، از سوی گستره‌ی وسیعی از سازندگان ارائه نمی‌شود.

تحت شرایط ثابت، تبدیل دلتا به UPS این امکان را داده تا برق مورد نیاز مصارف را با بهره‌وری بالاتری از طراحی تبدیل مضاعف فراهم کند.

خلاصه‌ای از انواع UPS

در جدول 1، ویژگی‌های انواع مختلفی از UPS آورده شده است. برخی از این خصوصیات، همچون بهره‌وری، با انتخاب نوع UPS تعیین می‌شود. از آن جا که اجرا و کیفیت تولید تاثیر بیشتری بر خصوصیاتی چون قابلیت اطمنیان دارد، علاوه بر ویژگی‌های طراحی، این فاکتورها نیز باید مورد ارزیابی قرار گیرند.

جدول 1: خصوصیات UPS

 

بازه‌ی اجرایی برق (kVA)

تعدیل ولتاژ

هزینه به ازای VA

بهره‌وری

اینورتر همواره در حال کار

آماده به کار

0-0.5

پایین

پایین

بسیار بالا

خیر

وابسته به خط

0.5-5

وابسته بر طراحی

متوسط

بسیار بالا

وابسته بر طراحی

آماده به کار ferro

3-15

بالا

بالا

پایین -متوسط

خیر

تبدیل مضاعف بر خط

5-5000

بالا

متوسط

پایین -متوسط

بله

تبدیل دلتا بر خط

5-5000

بالا

متوسط

بالا

بله

 

کاربرد انواع UPS در صنعت

دستگاه‌های فعلی UPS ارائه شده در طول زمان،  تکامل یافته و بسیاری از این طراحی‌ها را در بر می‌گیرد. هر یک از انواع مختلف UPS، متناسب با ویژگی‌های مختلف خود برای کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شوند و شرکت APC با توجه خط تولید اشنایدر الکتریک این گوناگونی در این سیستم‌ها را مطابق جدول 2، نمایش داده است. بهره‌وری انرژی نقش بسیار مهمی در طراحی‌های UPS ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، ترانسفورمرهای داخلی که در طراحی‌های پیشین وجود داشته، در بیشتر سیستم‌های UPS امروزی به کار نرفته است.

با چنین تکاملی در طراحی، در عین کاهش در وزن، ابعاد و مواد مصرفی در تولید، بهره‌وری سیستم‌های UPS افزایش یافته است. سیستم Eco-mode مثال دیگری از بهره‌وری انرژی بوده اما با مصالحه در هزینه/منافع همراه است. برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد این دو موضوع، به دو گزارش “نقش ترانسفورمرهای جداسازی در سیستم‌های UPS مرکز داده”[6] و “Eco-mode: مزایا و ریسک‌های حالت‌های صرفه‌جویی انرژی در عملکرد UPS”[7] مراجعه شود.

جدول 2: خصوصیات معماری UPS

 

محصولات تجاری

مزایا

محدودیت‌ها

یافته‌های APC

آماده به کار

APC Back-UPS

Tripp-Lite Internet Office

هزینه کم، بهره‌وری بالا، فشرده

استفاده از باتری در حین کاهش ولتاژ، در توان بیش از 2kVA غیراجرایی

مناسب برای رایانه های شخصی

وابسته به خط

APC Smart-UPS

Power ware 5125

قابلیت اطمینان بالا، بهره‌وری بالا، تعدیل کننده خوب ولتاژ

در توان بیش از 5kVA غیراجرایی

پرطرفدارترین نوع UPS موجود به دلیل قابلیت اطمینان بالا، ایده‌آل برای رک یا سرورهای پراکنده و/یا محیط‌های پرنوسان

آماده به کار ferro

دسترسی محدود به محصولات تجاری

تعدیل کننده عالی ولتاژ، قابلی اطمینان بالا

بهره‌وری کم، ناپایدار در ترکیب با بعضی مصارف و ژنراتورها

کاربرد محدود به دلیل مشکلات بهره‌وری کم و ناپایداری، طراحی آنلاین N+1 قابلیت اطمینان بهتری ارائه می‌کند.

تبدیل مضاعف بر خط

APC Smart-UPS On-Line

APC Smart-UPS VT

APC Symmetra1[8]

MGE Galaxy

MGE EPS

Liebert NX

تعدیل کننده عالی ولتاژ، راحتی در موازی‌سازی

بهره‌وری کم‌تر با مدل‌های قدیمی‌تر، در توان کمتر از 5kVA گران است.

مناسب برای طراحی های N+1

تبدیل دلتا بر خط

APC Symmetra MW

تعدیل کننده عالی ولتاژ، بهره‌وری بالا

در توان کمتر از 5kVA غیراجرایی

بهره‌وری بالا هزینه‌ی بالای انرژی چرخه‌ی عمر را در نصب تجهیزات بزرگ کاهش می‌دهد.

 

نتیجه‌گیری

انواع مختلف UPS کاربردهای متفاوتی دارند و هیچ نوع خاصی برای تمام کاربردها ایده‌آل نیست. هدف این مقاله، مقایسه‌ی مزایا و معایب معماری‌های مختلف UPS در بازار فعلی امروز است.

از لحاظ تئوری و عملی، در اهداف و کاربردهای مختلف تفاوت‌های قابل توجهی میان مزایای حاصل از معماری‌های UPS وجود دارد. با این حال، کیفیت اصلی اجرای طراحی و کیفیت تولید نقشی غالب و اساسی در تعیین عملکرد نهایی مورد نظر مشتری، ایفا می‌کنند.

 

[1] – Standby

[2] – Line interactive

[3] – Standby-ferro

[4] – Double conversion on-line

[5] – Delta conversion on-line

[6] – White Paper 98, The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS Systems

[7] – White Paper 157, Eco-mode: Benefits and Risks of Energy-saving Modes of UPS Operation

[8] – تمامی مدل‌های Symmetra UPS از نوع تبدیل مضاعف بر خط بوده به جز مدل  Symmetra MW که از نوع تبدیل دلتا بر خط است.

درج دیدگاه

برای درج دیدگاه کلیک کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سوال امنیتی *