انواع مختلف سیستم‌های UPS برای مرکزداده ـ[1]

مقدمه

گوناگونی UPSها و ویژگی‌های آن‌ها معمولا در صنعت مرکزداده باعث سردرگمی می‌شود. برای نمونه بسیاری بر این باورند که تنها دو نوع سیستم UPS وجود دارد که UPS آماده‌به‌کار و UPS آنلاین (همواره پایدار و درحال‌کار) باشد. ولی فقط این دو سیستم نیستند و سیستم‌های UPS بسیار دیگری هم وجود دارند. بیان تعریف درست از انواع مختلف معماری UPS بسیاری از بدفهمی‌ها را دراین‌باره برطرف می‌کند. ماهیت پایهٔ طراحی UPS را معماری آن نشان می‌دهد. سازندگان مختلف اغلب مدل‌های گوناگونی تولید می‌کنند که با وجود طراحی یا معماری مشابه، ویژگی‌های عملکردی (Performance) بسیار گوناگون دارند.

در اینجا روش‌های متداول طراحی را با توضیحی مختصری دربارهٔ شیوهٔ کارکردن هر معماری بررسی خواهیم کرد. بدین ترتیب می‌توان به‌درستی این سیستم‌ها را شناخت و با هم مقایسه کرد.

انواع UPS

برای اجرای سیستم‌های UPS، روش‌های طراحی مختلفی به‌کار می‌رود که هریک ویژگی‌های عملکردی خودش را دارد. متداول‌ترین روش‌های طراحی عبارت‌اند از:

• آماده‌به‌کار (Standby)
• وابسته‌به‌خط (Line Interactive)
• آماده‌به‌کار Ferro ـ (Standby-Ferro)
• تبدیل مضاعف برخط (Double Conversion On-line)
• تبدیل دلتای برخط (Delta Conversion On-line)

سیستم UPS آماده‌به‌کار

این نوع از UPS بیشتر برای کامپیوترهای شخصی استفاده می‌شود. شیوهٔ کار آن را در نمودار شماتیک شکل ۱ مشاهده می‌کنید.

شکل ۱: نمودار شماتیک UPS آماده‌به‌کار

می‌بینید که کلید انتقال به‌گونه‌ای به‌کار رفته که ورودی برق متناوبِ فیلترشده را منبع اصلی در نظر گرفته است (مسیر خط ممتد). هرگاه منبع اصلی قطع شود، مسیر به «باتری ـ اینورتر» که سیستم پشتیبان است تغییر می‌کند. برای این کار کلید انتقال باید به کار بیفتد و مصرف را به منبع پشتیبان باتری ـ اینورتر منتقل کند (مسیر خط نقطه چین). اینورتر تنها هنگامی شروع به کار می‌کند که برق قطع می‌شود؛ به همین دلیل نیز به آن «آماده‌به‌کار» می‌گویند. بهره‌وری خوب، اندازهٔ کوچک، هزینهٔ کم، این سه از مزایای اصلی طراحی آماده‌به‌کار به‌شمار می‌روند. با فیلتر مناسب و Surge Circuitry می‌توان از این سیستم‌ها به‌عنوان فیلتر نویز و ضربه‌گیر نیز استفاده کرد.

سیستم UPS وابسته‌به‌خط

شیوهٔ کار UPS وابسته‌به‌خط را در شکل ۲ می‌بینید. این روش رایج‌ترین نوع طراحی است که برای کسب‌وکارهای کوچک، وب، همچنین برای سرورهای اداری استفاده می‌شود.

شکل ۲: نمودار شماتیک UPS وابسته‌به‌خط

در این طراحی، مبدل باتری به برق AC (اینورتر) همیشه به خروجی UPS متصل است. در حالت عادی که برق AC به ورودی وصل است و مصرف را فراهم می‌کند، اینورتر تا وقتی‌که باتری کاملا شارژ بشود با عمل برعکس، برق AC را به DC تبدیل می‌کند و آن را در باتری ذخیره می‌سازد. برق ورودی که قطع بشود، کلید انتقال قطع می‌شود و برق را از باتری به خروجی UPS جریان می‌دهد. در این طراحی روشن‌بودن دائمی اینورتر و اتصال آن به خروجی باعث می‌شود فیلتر اضافی فراهم شود و نوسان مقطعی کمتری در مقایسه با UPSهای نوع آماده‌به‌کار داشته باشد.

همچنین طراحی وابسته‌به‌خط معمولا در خودش ترانسفورماتوری با کلید تغییر حالت (Tap-changer) دارد که هرگاه تغییر و نوسانی در ولتاژ ورودی روی بدهد، آن را تنظیم می‌کند. در وضعیتی که برق فشارضعیف باشد، این ویژگی مهم است. زیرا بدون آن، در حالی که واقعا برق قطع نشده است، UPS به‌حالت استفاده از باتری درمی‌آید و آن‌قدر به تغذیه با باتری ادامه می‌دهد که برق دستگاه‌ها با تمام‌شدن ذخیرهٔ شارژ قطع می‌شود. از سویی باتری‌ها نیز به این دلیل که بیش از اندازه استفاده می‌شوند، عمر مفیدشان زودتر از موقع به پایان می‌رسد. البته می‌توان اینورتر را به‌گونه‌ای طراحی کرد که حتی اگر خرابی پیش بیاید، بازهم بتواند: برق را از ورودی AC فراهم کند، احتمال بروز نقاط بحران‌خیز را کاهش بدهد، همچنین دو مسیر مستقل برای برق فراهم سازد. بهره‌وری خوب، اندازهٔ کوچک، هزینهٔ کم، اطمینان‌پذیری خوب (Reliability)، هنگامی که این‌ها با قابلیت اصلاح وضعیت در خطوط فشارضعیف یا فشارقوی همراه می‌شوند، این نوع از UPS را به گزینه‌ای پرکاربرد در برق ۰٫۵ تا ۵ کیلوولت‌آمپر تبدیل می‌سازد.

دستگاه UPS آماده‌به‌کار Ferro

زمانی استفاده از این نوع UPSها در بازهٔ ۳ تا ۱۵ کیلوولت‌آمپر معمول بود. این طراحی به ترانسفورماتورهای اشباع که سه سیم‌پیچ دارند (اتصالات برق) وابسته است. مسیر اصلی برق از ورودی AC آغاز می‌شود، سپس از کلید انتقال و ترانسفورماتور می‌گذرد و به خروجی می‌رسد. اگر برق قطع بشود، کلید انتقال نیز قطع می‌شود و بار مصرفی به اینورتر انتقال می‌یابد.

اینورتر در طراحی آماده‌به‌کار Ferro در حالت آماده‌به‌کار است و با قطع برق ورودی و قطع کلیدِ انتقال به کار می‌افتد. هر ترانسفورماتور دارای قابلیت فرورزونانس مشخصی است؛ یعنی تنظیمات ولتاژی محدود و خروجی سینوسی‌شکل دارد. این جداسازی نوسانات کوتاهِ برق AC که ترانسفورماتورهای Ferro انجام می‌دهند، به‌اندازهٔ هر نوع از فیلتر که اعمال شود یا حتی بیشتر سودمند است. ولی ترانسفورماتورهای Ferro خودشان اختلال یا نوسان‌های بسیار کوتاه و شدیدی در ولتاژ خروجی ایجاد می‌کنند که ممکن است از اتصال کوتاه AC نیز بدتر باشد. طراحی این سیستم در واقع همانند UPS آماده‌به‌کار است ولی حرارت زیادی تولید می‌کند؛ ترانسفورماتورهای Ferro Resonant اصولا بهینه نیستند. این ترانسفورماتورها همچنین شباهت زیادی به ترانسفورماتورهای متداول در ایزوله‌سازی دارند؛ به همین دلیل نیز UPSهای آماده‌به‌کار Ferro بسیار بزرگ و سنگین هستند.

سیستم UPS آماده‌به‌کار Ferro اغلب دستگاه آنلاین معرفی می‌شود. زیرا با اینکه کلید انتقال دارد، اینورتر آن همواره در حالت آماده‌به‌کار است و هرگاه برق AC قطع بشود، مصرف را به منبع دیگری منتقل می‌کند. معماری این سیستم را در شکل ۳ ببینید.

شکل  ۳: نمودار شماتیک UPS آماده‌به‌کار Ferro

برتری این طراحی در اطمینان‌پذیری خوب و فیلترینگ مناسب خطوط است. هرچند اگر با ژنراتورها و کامپیوترهایی به کار رود که ضریب توان اصلاح‌شده داشته باشند، ناپایدار می‌شود و بهره‌وری بسیار کمی خواهد داشت. دلیل کاهش چشمگیر استفاده از این طراحی نیز همین مشکل است.

این سیستم در تامین برق کامپیوترهای مدرن ناپایدار عمل می‌کند و همین مسئلهٔ مهم است که باعث شده از آن کمتر استفاده بشود. تمامی سرورهای بزرگ و روترها از منبع تغذیهٔ با «ضریب توان اصلاح‌شده» استفاده می‌کنند [مطالعهٔ بیشتر در اینجا و اینجا] که مانند لامپ‌های رشته‌ای‌ تنها با جریان برق سینوسی کار می‌کند. این جریان را خازن‌هایی ایجاد می‌کنند که باعث پیش‌افتادگی ولتاژ از جریان می‌شوند [مطالعهٔ بیشتر]. سیستم Ferro Resonant UPS دارای ترانسفورماتورهای اصلی بزرگ با خاصیت القایی است؛ این یعنی ولتاژ نسبت به جریان پس‌افتادگی پیدا می‌کند. ترکیب این دو باعث ایجاد مدار انباره می‌شود. در مدارهای انباره (Tank)، بروز رزونانس باعث جریان شدید و تخریب بارها می‌شود.

دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط

این نوع از UPS متداول‌ترین سیستم برای تامین توان بیش از ۱۰ کیلوولت‌آمپر است. شکل ۴ نمودار شماتیک آن را نشان می‌دهد. تنها تفاوت UPS تبدیل مضاعف برخط با سیستم آماده‌به‌کار در این است که مسیر اصلی به‌جای برق AC از اینورتر می‌گذرد.

شکل  ۴: نمودار شماتیک UPS تبدیل مضاعف برخط

قطع‌شدن برق AC، کلید انتقال را در این طراحی فعال نمی‌کند. زیرا منبع باتری پشتیبان با همین مسیر برق شارژ می‌شود و باتری نیز برق ورودی به اینورتر را تامین می‌کند. بدین ترتیب هرگاه برق AC قطع بشود، بدون هیچ وقفه‌ای، انتقال به باتری ادامه می‌یابد و عملیات را آنلاین و پیوسته نگه می‌دارد. در اینجا تبدیل کل برق مصرفی را شارژر باتری (رکتیفایر یا یکسوکننده) و اینورتر هر دو بر عهده دارند.

عملکرد این UPS در تامین برق خروجی کمابیش مطلوب است. ولی اجزایی که در مسیر برق قرار می‌گیرند، اطمینان‌پذیری را در مقایسه با دیگر طراحی‌ها کاهش می‌دهد. همچنین جریان برق ورودی به شارژرهای بزرگ باتری ممکن است غیرخطی شود و با سیستم برق کل ساختمان تداخل پیدا کند، یا مشکلاتی در ژنراتورهای آماده‌به‌کار پیش آورد.

سیستم UPS تبدیل دلتای برخط

این طراحی UPS (شکل ۵) جدیدتر از فناوری‌های دیگر است و در بازهٔ ۵ کیلوولت‌آمپر تا ۱٫۶ مگاوات ساخته می‌شود.

شکل  ۵: نمودار شماتیک UPS تبدیل دلتای برخط

ده سالی هست که این سیستم برای اصطلاح معایب طراحی تبدیل مضاعف برخط عرضه شده است. ولتاژ لازم در این سیستم، همانند طراحی تبدیل مضاعف برخط، همواره با اینورتر تامین می‌شود. البته کانورتر دلتای اضافی این سیستم نیز در رساندن برق ورودی به اینورتر نقش دارد. این سیستم هنگام قطع جریان AC یا اختلال در آن، همچون سیستم تبدیل مضاعف برخط رفتار می‌کند.

برای درک بهره‌وری انرژی در معماری تبدیل دلتا به شکل ۶ دقت کنید. این تصویر نمادین دربارهٔ مقدار مصرف انرژی در جابه‌جاکردن بسته‌ای از طبقهٔ چهارم به طبقهٔ پنجم ساختمان است. در فناوری تبدیل مضاعف، هر بسته در فاصلهٔ اختلاف (دلتا) میان نقطهٔ آغاز و پایان مسیر جابه‌جا می‌شود. این کار صرفه‌جویی در انرژی به همراه دارد. دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط بدین شکل کار می‌کند که جریان AC را به برق باتری و سپس دوباره به برق AC تبدیل می‌کند. در مقایسه دیدیم که اجزای سیستم تبدیل دلتا یک‌راست برق را از ورودی به خروجی منتقل می‌کند.

شکل ۶: مقایسهٔ سیستم تبدیل مضاعف با تبدیل دلتا

مبدل دلتا در این سیستم با دو هدف کار می‌کند. هدف اول نظارت بر مشخصات جریان ورودی است. این درگاهِ فعال با سینوسی‌کردن جریان، تاثیرات هارمونیک بر برق شهری را به حداقل می‌رساند. از این طریق قابلیت انطباق سیستم ژنراتور و برق را بهینه می‌کند و گرما و استهلاک را نیز کاهش می‌دهد. کارکرد دوم آن شارژ منظم باتری است.

این نوع دستگاه UPS ویژگی‌هایی همانند جریان خروجی در طراحی تبدیل مضاعف برخط دارد. گرچه که خصوصیات جریان ورودی معمولا متفاوت است. در طراحی تبدیل دلتای برخط، جریان ورودی با انجام کنترل دینامیکی، ضریب توان اصلاح‌شده‌ای را ایجاد می‌کند که دیگر نیازی به استفادهٔ غیر موثر از بانک فیلتر و روش‌های سنتی نیست. کاهش چشمگیر در هدررفت انرژی مهم‌ترین مزیت آن است. تنظیم‌کردن جریان برق ورودی همچنین موجب می‌شود دستگاه UPS با تمام مجموعه‌های ژنراتور سازگار باشد. همچنین در کابل‌کشی و ژنراتورها نیازی به ملاحظات اضافهٔ طراحی نیست. فناوری تبدیل دلتای برخط در واقع تنها فناوری مهم در سیستم‌های UPS امروزی است. با این حال چون امتیاز تولید آن انحصاری و محدود است، بیشتر سازندگان آن را عرضه نمی‌کنند.

تبدیل دلتا به UPS در شرایط ثابت این امکان را به‌وجود می‌آورد که برق مصارف با بهره‌وری بهتری نسبت به طراحی تبدیل مضاعف فراهم شود.

خلاصه‌ای از انواع UPS

جدول ۱ ویژگی‌های انواع گوناگون UPS را نشان می‌دهد. برخی از این ویژگی‌ها مانند بهره‌وری، بستگی به نوع UPS دارد. از سویی اجرا و کیفیت تولید تجهیزات علاوه بر ویژگی‌های طراحی تاثیر بیشتری بر خصوصیاتی همچون اطمینان‌پذیری دارد. در نتیجه این عوامل باید ارزیابی بشوند.

جدول ۱: مشخصات انواع UPS

نوع UPS	بازهٔ اجرایی برق (کیلووات‌آمپر)	تعدیل ولتاژ	هزینه به‌ازای ولت‌آمپر	بهره‌وری	اینورتر همواره درحال‌کار
آماده‌به‌کار	۰ تا ۰٫۵	کم	کم	عالی	خیر
وابسته‌به‌خط	۰٫۵ تا ۵	وابسته بر طراحی	متوسط	عالی	وابسته بر طراحی
آماده‌به‌کار Ferro	۳ تا ۱۵	خوب	زیاد	کم ـ متوسط	خیر
تبدیل مضاعف برخط	۵ تا ۵٬۰۰۰	خوب	متوسط	کم ـ متوسط	بله
تبدیل دلتای برخط	۵ تا ۵٬۰۰۰	خوب	متوسط	خوب	بله

کاربرد انواع UPS در صنعت مرکزداده

UPSهای امروزی به‌مرور زمان تکامل یافته‌اند و بیشتر ویژگی‌های طراحی‌هایی را که در بالا گفته‌ایم در خود دارند. هر نوع از این UPSها متناسب با ویژگی‌هایی که دارند، برای کاربردهای متفاوتی انتخاب می‌شوند. جدول ۲ گوناگونی محصولات تولیدی اشنایدر الکتریک و APC را به‌نمایش گذاشته است. بهره‌وری انرژی در طراحی‌های UPS نقش بسیار مهمی دارد. برای نمونه، ترانسفورماتورهای داخلی که پیش‌تر در UPSها وجود داشت، در بیشتر سیستم‌های امروزی به کار نرفته است. در سیستم‌های UPS امروزی همگام با کاهش وزن و اندازه و حجم موادی که در ساخت آن‌ها به‌کار می‌رود، بهره‌وری افزایش یافته است. نمونه‌ای از بهره‌وری انرژی، سیستم Eco Mode است که با سبک‌سنگین کردن هزینه و منافع همراه است. برای دریافت اطلاعات بیشتر دربارهٔ این دو موضوع به دو مقالهٔ «نقش ترانسفورماتورهای ایزولاسیون در سیستم UPS مرکزداده» [2] و «حالت Eco Mode: مزایا و ریسک صرفه‌جویی انرژی در کارکرد UPS» ـ[3] مراجعه کنید.

جدول ۲: ویژگی‌های معماری انواع UPS

نوع UPS	محصولات تجاری	مزایا	محدودیت‌ها	یافته‌های APC
آماده‌به‌کار	APC Back-UPS, Tripp-Lite Internet Office	هزینهٔ کم، بهره‌وری خوب، کم‌حجم	استفاده از باتری در حین کاهش ولتاژ، در توان بیش از ۲ کیلوولت‌آمپر غیر کاربردی	مناسب برای رایانه‌های شخصی
وابسته‌به‌خط	APC Smart-UPS, Power ware 5125	اطمینان‌پذیری مطلوب، بهره‌وری خوب، تعدیل‌کنندهٔ خوب ولتاژ	در توان بیش از ۵ کیلوولت‌آمپر غیر کاربردی	پرطرفدارترین نوع UPS موجود به‌دلیل اطمینان‌پذیری مطلوب، ایده‌آل برای رک یا سرورهای پراکنده یا وضعیت ناپایدار
آماده‌به‌کار Ferro	دسترسی محدود به محصولات تجاری	تعدیل‌کنندهٔ عالی ولتاژ، اطمینان‌پذیری مطلوب	بهره‌وری کم، ناپایدار در ترکیب با بعضی مصارف و ژنراتورها	کاربرد محدود به‌دلیل مشکلات بهره‌وری کم و ناپایداری، در طراحی N+1 اطمینان‌پذیری بهتری ارائه می‌کند
تبدیل مضاعف برخط [4]	APC Smart-UPS On-Line, APC Smart-UPS VT, APC Symmetra, MGE Galaxy, MGE EPS, Liebert NX	تعدیل‌کننده عالی ولتاژ، آسان برای موازی‌سازی	بهره‌وری کم‌تر با مدل‌های قدیمی‌تر، در توان کمتر از ۵ کیلوولت‌آمپر گران است	مناسب برای طراحی‌های N+1
تبدیل دلتای برخط	APC Symmetra MW	تعدیل‌کننده عالی ولتاژ، بهره‌وری خوب	در توان کمتر از ۵ کیلوولت‌آمپر غیر کاربردی	گران‌بودن هزینهٔ خرید، با طولانی‌بودن چرخهٔ عمر و مطلوب‌بودن بهره‌وری انرژی جبران می‌شود

نتیجه‌گیری

هریک از انواع UPS کاربرد متفاوتی دارد و نمی‌شود یکی از آن‌ها برای همهٔ کاربردها مناسب باشد. ما در این مقاله مزایا و معایب معماری‌های مختلف UPS را در بازار امروز بررسی کردیم.

میان مزایای معماری‌های مختلف UPS از لحاظ نظری و عملی تفاوت‌های بسیاری در اهداف و کاربردها وجود دارد. با این حال آنچه مهم‌ترین نقش را در تعیین عملکرد نهایی مطابق با درخواست مشتری دارد، دو مسئلهٔ کیفیت اصلی اجرای طراحی و همچنین کیفیت تولید تجهیزات است.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 1: “The Different Types of UPS Systems” (Revision 7)

نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده

[2] APC White Paper 98: The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS Systems

[3] APC White Paper 157: Eco-mode; Benefits and Risks of Energy-saving Modes of UPS Operation

[4] تمامی مدل‌های Symmetra UPS از نوع تبدیل مضاعف برخط هستند به‌جز مدل Symmetra MW که از نوع تبدیل دلتای برخط است.