نقش ترانسفورماتور ایزولاسیون در سیستم UPS مرکزداده [1]

مقدمه

سیستم برق مرکزداده چند ترانسفورماتور دارد. ترانسفورماتور ایزولاسیون (Isolation Transformers) در معماری برق مرکزداده همواره چندین نقش گوناگون داشته است:

• کاستن از ولتاژ منبع برق اصلی، تا اندازهٔ قابل استفاده
• به‌کارگیری در مدار تبدیل برق UPS، به‌شکل یکپارچه
• برای ایجاد نول هم‌پتانسیل با زمین، در محل تاسیسات
• برای کاستن از جریان هارمونیک، در PDU ـ[2] و UPS
• فراهم‌ساختن تغییر پله‌ای، برای تعدیل کردن ولتاژ‌ بالاتر و پایین‌تر از مقدار درست
• برای از میان بردن چرخه‌های ارت (Ground Loops)، در چند ژنراتور یا منبع برق اصلی (Mains Sources)
• برای کاستن از ولتاژ توزیع برق مرکزداده در PDU؛ یعنی از ۴۸۰ یا ۶۰۰ ولت به ۲۰۸ ولت (فقط در آمریکای شمالی)
• برای فراهم‌ساختن بهینه‌سازی ولتاژ در PDU، مانند ۱۲۰ ولت در آمریکای شمالی یا ۱۰۰ ولت در ژاپن

UPSها از دیرباز دارای یک یا چند ترانسفورماتور ایزولاسیون داخلی بوده‌اند که بسته به طراحی سیستم برق مرکزداده، برای فراهم‌کردن یک یا چند کارکرد پیش‌گفته از آن‌ها استفاده شده است. امروزه در UPSهای جدید ضرورت ندارد ترانسفورماتور به‌شکل بخشی از مدار وجود داشته باشد. ازاین‌رو است که UPSها کوچک‌تر، سبک‌تر، ارزان‌تر، همچنین بهره‌ورتر شده‌اند. البته به آن‌ها ترانسفورماتورهایی را برای دست‌یافتن به کارکرد مطلوب اضافه می‌کنند. در این مقاله نشان خواهیم داد چرا در بیشتر طراحی‌های سیستم برق مرکزداده، کارکرد UPSهای بدون ترانسفورماتور (Transformerless UPS) کنونی، همانند UPSهای قدیمی است که ترانسفورماتور داخلی را دارند. با این‌همه، وجود ترانسفورماتور در بسیاری از موارد ضروری است؛ باید یا درون سیستم UPS یا در کنار آن به‌شکل خارجی افزوده شود. بلکه بسیار پیش می‌آید UPS قدیمی‌تر که دارای ترانسفورماتور داخلی است، ترانسفورماتور خارجی را نیز لازم دارد. در این مقاله به نکتهٔ مهم‌تری نیز می‌پردازیم: این موضوع که هرگاه به ترانسفورماتور نیاز می‌شود، طراحی UPS بدون ترانسفورماتور در بیشتر مواقع گزینهٔ بهتری است؛ زیرا می‌توان آن را در بخش بهینه‌تر مسیر برق نصب کرد.

نخست دربارهٔ دلیل وجود ترانسفورماتور در UPSهای قدیمی خواهیم گفت و شرایطی را بیان خواهیم کرد که در آن UPSهای بدون ترانسفورماتور عملکرد متفاوت دارند. سپس به بررسی انواع آرایش ترانسفورماتور می‌پردازیم و چیدمان‌های برتر را معرفی می‌کنیم. موضوع این مقاله ترانسفورماتورهایی است که ویژهٔ سیستم‌های UPS به کار می‌روند.

نقش ترانسفورماتور در سیستم UPS

بیشتر افراد گمان می‌کنند ترانسفورماتورِ داخلی را به این دلیل در سیستم‌های UPS اولیه به کار برده‌اند که میان ورودی و خروجی آن، ایزولاسیون الکتریکی (Galvanic Isolation) فراهم کند. اما این اشتباه است. در واقع سیستمِ این UPSها به‌دلیل فناوری اینورترِ برق به‌کاررفته در طراحی‌شان، ذاتا به ترانسفورماتور نیازمند بود.

اولین UPSها ۴۰ سال پیش‌تر توسعه یافته‌اند و باتری آن‌ها از سیستم اتصال مرجع زمین استفاده می‌کردند. این سیستم‌ها به‌دلیل پیکربندی دستگاه‌های الکترونیکی متصل‌به‌زمین و باتری، ناچار هستند برای ایزوله‌بودن از برق شهری، دو ترانسفورماتور به‌کار برند: یکی بر یک‌سوساز (Rectifier) ورودی و دیگری بر اینورتر خروجی. بعدها این طراحی‌ها پیشرفت‌هایی کردند که موجب شد باس باتری به کابل نول یا از لحاظ الکتریکی شناور [3] منتقل شود و یکی از دو ترانسفورماتور حذف گردد که اغلب ترانسفورماتور یک‌سوساز است. اکنون تازه‌ترین UPSهایی که از ۱۵ سال پیش با بهره‌مندی از نیمه‌هادی‌های پرسرعت و ولتاژ‌ بالا طراحی‌ شده‌اند، هیچ‌کدام از دو ترانسفورماتور ورودی و خروجی را ندارند.

بعضی از طراحی‌های سیستم برق مرکزداده، برای اتصال به UPS به هیچ ترانسفورماتوری نیاز ندارند. ولی شرایط بسیاری پیش می‌آید که استفاده از ترانسفورماتورِ با UPS به آن‌ها توصیه می‌شود و بلکه ضرورت دارد. در این مقاله خواهیم گفت برای نصب هر ترانسفورماتور با یک UPS، به‌تعداد ۹۲ ترکیب گوناگون وجود دارد. همچنین ترکیب‌های بسیار دیگری نیز هستند که در پیکربندی موازی یا دیگر تنظیمات افزونگی ممکن می‌شوند. بدون فهمیدن تفاوت‌های مهم این گزینه‌های گوناگون، بی‌شک نمی‌توان به بررسی استفاده از ترانسفورماتور در سیستم UPS پرداخت.

پیکربندی‌های سیستم UPS به سه گروه تقسیم می‌شوند که تفاوت آن‌ها در بای‌پس استاتیکی و چگونگی اتصال آن است. این سه گروه معمولا تک‌ورودی (Single Mains)، جفت‌ورودی (Dual Mains)، تک‌ورودی بدون بای‌پس [4] نامیده می‌شوند. آن‌ها را در شکل ۱ می‌بینید.

شکل ۱: سه پیکربندی اصلی سیستم UPS، با توجه به ورودی برق و بای‌پس

«پیکربندی تک‌ورودی» یک اتصال اصلی منبع برق دارد که با آن ماژول UPS و مسیر بای‌پس را تغذیه می‌کند. این دو در UPS به هم متصل می‌شوند. تک‌ورودی رایج‌ترین پیکربندی و تنها پیکربندی است که بسیاری از سیستم‌های کوچک UPS با آن سازگار هستند. آن را می‌توان در بیشتر مراکزدادهٔ کوچک و همچنین در مراکزدادهٔ بزرگ مشاهده کرد. مهم‌ترین برتری‌های این سیستم عبارت‌اند از سادگی و ارزانی نصب، همچنین اینکه بسیاری از پیچیدگی‌های جریان گردابی [5] و اتصال‌به‌زمین را ندارد. اشکال آن نیز این است که سیستمِ منبع برق ورودی را نمی‌توان بدون قطع‌شدن برق مصارف اصلی، تعمیر و نگهداری کرد. هرچند که بعضی از این معایب با نصب کلید Wrap-around در مسیر برق ورودی برطرف می‌شوند.

«پیکربندی جفت‌ورودی» هنگامی ضروری می‌شود که لازم است مسیر بای‌پس به ورودی برق دیگری، غیر از مسیر تغذیهٔ یک‌سوساز UPS متصل باشد. تفاوت میان دو ورودی اصلی برق ممکن است اندک باشد؛ مانند تغذیه از چند کلید درون یک پنل. یا چشمگیر باشد؛ مانند تغذیه با منبع برق جداگانه، سیستم اتصال‌به‌زمین جداگانه، بلکه ولتاژ متفاوت. معماری‌های افزونگی گوناگون در شکل‌گیری این نوع از پیکربندی نقش دارند. دراین‌باره به مقالهٔ «مقایسهٔ پیکربندی‌های طراحی سیستم UPS» ـ[6] مراجعه کنید. دلیل دیگر استفاده از پیکربندی جفت‌ورودی آن است که هرگاه یکی از دو ورودی را برای تعمیر و نگهداری قطع کنند، برق مصارف اصلی همچنان فراهم باشد. توجه کنید که در هنگام استفاده از ژنراتور می‌توان از این پیکربندی استفاده کرد؛ ولی ضرورت ندارد. زیرا ژنراتور با کلید انتقال خودکار (ATS) به باس اصلی بالادست UPS متصل می‌شود و بدین ترتیب علاوه بر UPS، برق مصارف دیگر همچون چیلر را نیز تغذیه می‌کند. پیکربندی جفت‌ورودی برای بعضی از معماری‌های مرکزداده ضروری است. در بسیاری از مراکزدادهٔ بزرگ‌تر نیز انتخاب آن اولویت دارد. زیرا تعمیر و نگهداری هم‌زمان را امکان‌پذیر می‌سازد. همچنین نمی‌گذارد کابل‌کشی و کلید بالادستِ UPS در سیستم برق، «نقطهٔ تکی شکست» (Single Failure Point) باشد؛ یعنی بحران‌خیز شود. بدین ترتیب اطمینان‌پذیری (Reliability) کلی سیستم را اندکی بهبود می‌دهد.

آخرین پیکربندی یعنی «تک‌ورودی بدون بای‌پس» بیشتر در محیط‌هایی به کار می‌رود که کیفیت منبع اصلی برق بسیار کم است. بی‌کیفیتی باید چنان باشد که آشکارا به‌هیچ شکل نتوان مصارف اصلی را با برق ورودی مسیر بای‌پس تغذیه کرد. چنین شرایطی در محیط صنعتی، درون کشتی، در جزایر کوچکی که فرکانس برق شهری آن‌ها (۵۰ یا ۶۰ هرتز) با فرکانس مصارف فاوا یکسان نیست، یا در کشورهای در حال توسعه که شبکهٔ برق پرتنش دارند پیش می‌آید. این روش در کشورهایی همچون آمریکا هرگز رایج نیست. از سویی در کشورهای دیگری همچون هند معمول است؛ تا آنجا که بیشتر نصب‌ها در بعضی از مناطق با همین روش انجام می‌شود.

نکته: بررسیِ جامع مقایسهٔ میان پیکربندی‌های پیش‌گفته، می‌باید دربرگیرندهٔ سبک‌سنگین کردن قیمت، پیچیدگی، اطمینان‌پذیری، قابلیت تعمیر و نگه‌داری، همچنین کیفیت برق باشد که موضوع این مقاله نیست. در اینجا به چگونگی به‌کاربردن ترانسفورماتور در هریک از پیکربندی‌ها می‌پردازیم.

می‌توان در مسیر برقِ سه پیکربندی پیش‌گفته، از یک تا چند ترانسفورماتور استفاده کرد. شکل ۲ نشان می‌دهد ترانسفورماتورها را در کجای هریک از سه پیکربندی UPS می‌توان به کار برد.

اکنون مفهوم واژه‌هایی را که در این مقاله به‌کار خواهند رفت تعریف می‌کنیم. پیکربندی‌های اصلی را که در شکل ۲ می‌بینید و از ترکیب‌های گوناگون ماژول UPS و ترانسفورماتور و کلید بای‌پس به‌وجود آمده‌اند، «سیستم UPS» می‌نامیم. مبدل برق و اجزای ذخیره‌کنندهٔ انرژی در سیستم UPS را که با یکدیگر جریان برق بی‌وقفه تولید می‌کنند، «ماژول UPS» می‌خوانیم. به دستگاهی که درون محفظه است و دست‌کم یک ماژول UPS دارد، ولی ممکن است ترانسفورماتورهای گوناگون و دستگاه بای‌پس داشته باشد، «دستگاه UPS» ـ(UPS Product) می‌گوییم. از آنجا که سیستم‌های عرضه‌شده در بازار، گوناگونی بسیاری از دید اجزای داخلی به‌کاررفته در هر «محصول» UPS دارند (گزینه‌های کلید بای‌پس و ترانسفورماتور)، در این مقاله از واژه‌های مشخص‌تری همچون «سیستم UPS» و «ماژول UPS» استفاده می‌کنیم.

دستگاه‌های UPS را اغلب به‌شکل «با ترانسفورماتور» [7] و «بدون ترانسفورماتور» [8] توصیف می‌کنند. نام‌گذاری بر این پایه است که محصول UPS در درون محفظهٔ خود، «ترانسفورماتور اینورتر» را دارد یا ندارد. غیر از ترانسفورماتور اینورتر، بقیهٔ ترانسفورماتورهایی که در شکل ۲ می‌بینید، یا گزینه‌های اختیاری به‌شمار می‌روند یا می‌توان آن‌ها را در بیرون از محفظهٔ UPS نصب کرد. این نکته‌ای است که در ادامهٔ مطلب بسیار اهمیت دارد و باید به‌خوبی روشن بشود: تفاوت میان UPS «با ترانسفورماتور» و «بدون ترانسفورماتور»، فقط در داشتن یا نداشتن ترانسفورماتور اینورتر است. دیگر ترانسفورماتورهایی که در UPS به کار می‌روند، اختیاری هستند و ممکن است در هر دو نوع UPS «با ترانسفورماتور» و «بدون ترانسفورماتور» استفاده بشوند.

شکل ۲: گزینه‌های مکان نصب ترانسفورماتورهای ایزولاسیون، در سه پیکربندی اصلی UPS

توجه داشته باشید هر تاسیساتی ترانسفورماتورهایی در بالادست دارد که برق سیستم UPS و دیگر مصارف را تامین می‌کنند. ترانسفورماتورهایی که در نمودار شکل ۲ به‌نام برق ورودی و بای‌پس و یک‌سوساز آمده‌اند، ویژهٔ سیستم UPS هستند و با ترانسفورماتورهایی که ولتاژ متوسط را کاهش می‌دهند تفاوت دارند.

در هریک از سه پیکربندی سیستم UPS، می‌توان هر ترکیبی از ترانسفورماتورها را به کار برد؛ از بدون ترانسفورماتور تا همهٔ ترانسفورماتورها. پیکربندی تک‌ورودی ۸ چیدمان ممکن دارد، پیکربندی جفت ورودی ۱۶ چیدمان، پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس ۸ چیدمان. روی‌هم‌رفته ۳۲ مورد می‌شود. همچنین ترانسفورماتور برق ورودی و ترانسفورماتور خروجی را می‌توان در همان محل UPS یا در جایی دور از آن نصب کرد. این مسئله بر سیستم اتصال‌به‌زمین تاثیر می‌گذارد. درنظرگرفتن مکان نصب موجب می‌شود، ۶۰ چیدمان دیگر به ۳۲ چیدمان قبلی افزوده شود که بدین ترتیب ۹۲ روش خواهیم داشت. همهٔ ۹۲ روش کمابیش در تاسیسات واقعی اجرا شده‌اند. با این‌همه، تمامی این آرایش‌ها منطقی نیستند و تنها چند تا از آن‌ها ترکیب مناسبی از عملکرد و اقتصاد و بهره‌وری فراهم می‌کنند. برای اینکه بفهمیم چه‌وقت به ترانسفورماتور نیاز هست و اینکه چرا در این سه پیکربندی UPS، مکان‌های گوناگونی برای نصب آن‌ها وجود دارد، نخست باید تاثیر ترانسفورماتورها را بر سیم‌کشی نول و ارت بررسی کنیم.

ویژگی‌های ترانسفورماتورها

ترانسفورماتور انواع گوناگونی دارد. ولی منظور از ترانسفورماتور در این مقاله، پیکربندی «دلتا وای» [9] است که کمابیش در همهٔ مصارف UPS از آن استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتور ویژگی‌های خوب و بد دارد که بر کاربرد آن در سیستم UPS موثر است.

از آنجا که زیانِ دو ویژگی بد آن (بخش قرمز زیر) بسیار اهمیت دارد، تنها هنگامی باید از ترانسفورماتور استفاده کرد که مزایای آن برای ماموریت مرکزداده سودمند باشد.

ویژگی‌های خوب: جدا بودن نول خروجی از نول منبع برق ورودی تغییر دادن ولتاژ؛ مثلا ۴۸۰ ولت به ۲۰۸ ولت امپدانسی دارد که باعث می‌شود جریان اتصال کوتاه محدود شود، یا کار فیلتر نویز را انجام می‌دهد جلوی جریان‌های هارمونیک سوم و نهم و پانزدهم و دیگر مضرب‌های ۳ را می‌گیرد

ویژگی‌های بد: سنگین‌بودن، گران‌بودن، مصرف‌کردن منابع طبیعی، اشغال‌کردن فضا داشتن هدررفت الکتریکی و کمک به ناکارآمدی مرکزداده

تغییر دادن ولتاژ: انجام این کار هنگامی ضروری می‌شود که ولتاژ منبع برق اصلی، با ولتاژ مصرفی تجهیزات فاوا یکسان نباشد. چنین شرایطی در آمریکای شمالی متداول است؛ زیرا بیشتر مراکزداده، ولتاژ ۴۸۰ یا ۶۰۰ را از منبع برق ورودی دریافت می‌کنند. بیشتر نقاط جهان دارای برق اصلی سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت هستند که با تجهیزات فاوا سازگار است و نیازی به تغییر ندارد.

امپدانس: این کارکرد در مرکزدادهٔ مدرن چندان اهمیت ندارد. اغلب طراحی‌ها نیازی به امپدانس بیشتر ندارند و اگر هم داشته باشند به‌دست‌آوردن آن با القاگر (Power Inductor) که گاهی چوک [10] می‌نامند بسیار کارآمدتر است. این وسیله از ترانسفورماتور کوچک‌تر و سبک‌تر است و بهره‌وری بیشتری دارد.

جلوگیری از جریان‌های هارمونیک: این گزینه که همواره کارکرد مفیدی بوده است، جلوی جریان‌های هارمونیک تولید‌شده در UPS را می‌گیرد تا بر برق ورودی اثر نگذارند. همچنین مانع از جریان‌های هارمونیک مصارف فاوا می‌شود و نمی‌گذارد از طریق مسیر بای‌پس UPS، به برق ورودی راه یابند. گرچه امروزه تغییر مهمی رخ داده که بر میزان مفیدبودن این راهکار تاثیر گذاشته است؛ اینکه UPSها و تجهیزات فاوای مدرن ضریب توان اصلاح‌شده دارند. ازاین‌رو تولید جریان هارمونیک آشکارا کاهش یافته و به فیلتر بیشتر نیازی نیست. بدین ترتیب است که مرکزدادهٔ مدرن برای کاهش‌دادن جریان‌های هارمونیک به استفاده از ترانسفورماتور نیاز ندارد. مقالهٔ «پژوهشی دربارهٔ جریان‌های هارمونیک مرکزداده» [11] این موضوع را بررسی کرده است.

چنان‌که دیدیم، این سه مزیت که برشمردیم چندان سودمند نیستند یا امروزه دیگر به‌کار نمی‌آیند. تنها «جداسازی نول از منبع برق ورودی» می‌ماند که تا اینجا مهم‌ترین خصوصیت به شمار می‌رود.

جداسازی نول از منبع برق ورودی: این کارکرد مهم‌ترین خصوصیت است که موجب می‌شود ترانسفورماتور در شرایط ویژه مفید، ضروری، بلکه از نظر قانونی اجباری باشد. در ادامهٔ این مقاله از همین ویژگی و از چگونگی اثرگذاری آن بر کاربرد UPS مرکزداده می‌گوییم. از آنجا که کارکرد جداسازی جریان نول در نقش ترانسفورماتورها عامل مهمی است، درک درست آن ضرورت دارد.

ایزوله‌سازی در ترانسفورماتور

چنان‌که در نمودار شکل ۲ دیدیم، معمولا ترانسفورماتور را با نماد دو دایرهٔ روی‌هم‌افتاده نشان می‌دهند. این علامت در واقع نمودار ساده‌شدهٔ سیم‌کشی ترانسفورماتور است. (شکل ۳)

شکل ۳: نمودار سیم‌کشیِ اتصالات ورودی و خروجی، در ترانسفورماتور ایزولاسیون از نوع دلتا وای

سیم‌پیچ اولیه یا ورودی ترانسفورماتور را در بخش چپ نمودار می‌بینید. این بخش دارای پیکربندی «دلتا» است (شکل ∆ با خطوط سبزرنگ) و سه کابل فاز به آن متصل شده که مثلث‌شکل [12] هستند.

سیم‌پیچ ثانویه یا خروجی ترانسفورماتور را در بخش راست نمودار مشاهده می‌کنید. این بخش دارای پیکربندی «وای» (به‌شکل حرف Y انگلیسی) است و سه کابل فاز با نقطهٔ مرکزی یا خنثی به آن متصل شده است [13]. میان سیم‌پیچ ورودی و خروجی، هیچ اتصال الکتریکی وجود ندارد و جریان برق از میدان مغناطیسی منتقل می‌شود. این نکتهٔ مهمی است که بخش ورودی هیچ اتصال نول ندارد. یعنی حتی اگر مدار منبع برق اصلی دارای اتصال نول باشد، بازهم در ترانسفورماتور دلتا وای به‌کار نمی‌رود. ترانسفورماتور در سیم‌پیچ خروجی خود، سیم نول جدید ایجاد کرده است. این نول جدید هیچ اتصال الکتریکی با نول بخش ورودی ندارد. در واقع کل مدار خروجی نسبت به مدار ورودی یا زمین، دارای ولتاژ متوسطی است که به آن «ولتاژ شناور» می‌گویند. از آنجا که تجهیزات فاوا اتصال‌به‌زمین دارند، هرگز نباید توان شناور را با ولتاژ متوسط تامین کرد. زیرا ممکن است از آستانهٔ تحمل عایق بگذرد یعنی عایق رسانا شود (ولتاژ شکست Breakdown Voltage) و مشکلات احتمالی دیگری پیش بیاید. ازاین‌ور کمابیش نول سیم‌پیچ خروجیِ ترانسفورماتور را در همهٔ کاربردهای مرکزداده به زمین متصل می‌کنند.

وقتی ترانسفورماتور ایزولاسیون دارای نول زمین باشد، مدار خروجی آن را معمولا با نام «منبع جداگانه» [14] می‌شناسند. برای اتصال‌به‌زمینِ خروجی نول می‌توان آن را یک‌راست به نزدیک‌ترین سطح فلزی زمین‌شده (Grounded Metal) که ممکن است رک تجهیزات، میلهٔ ارت، لولهٔ آب [15]، کابل‌ ارت باشد؛ یا به کابل نول متصل‌به‌زمین موجود؛ یا از طریق مقاومت الکتریکی ارت [16] به زمین متصل کرد. هر سه روش پیش‌گفته در مرکزداده به کار می‌رود. دربارهٔ آن‌ها توضیح خواهیم داد.

با توجه به مشخصات ایزوله‌سازی ترانسفورماتور که بیان کردیم، اکنون می‌توانیم مزایای اصلی و گاهی ضروری آن را بررسی کنیم:

• کارکرد اول: تغییر دادن سیستم ارت برق ورودی؛ هنگامی که با سیستم تجهیزات فاوای مرکزداده فرق دارد.
• کارکرد دوم: ایجاد اتصال جدید نول؛ هنگامی که کیفیت نول برق ورودی مشکلات جدی دارد، یا هنگامی که کلید چهار پل بالادست که در برخی کشورها الزامی است، موجب قطع اتصال نول شود.
• کارکرد سوم: ترکیب‌کردن دو منبع برق؛ بدون اینکه نیاز باشد کابل نول آن‌ها به هم وصل بشود.
• کارکرد چهارم: جلوگیری از جریان‌های نشتی (Residual Current)؛ که موجب می‌شود کلید محافظ جان (RCD) ـ[17] یا دیگر سیستم‌های ایمنی بی‌دلیل فعال شوند.

انواع سیستم اتصال‌به‌زمین

TN-S [18] کابل نول منبع اصلی و کابل اتصال‌به‌زمین ازهم جدا هستند و در یک نقطه به زمین متصل می‌شوند. تک‌تک مصارف به هر دوی آن‌ها اتصال دارند. همگی کابل‌های نول و ارت، به یک نقطهٔ مرکزی منتهی می‌شوند. TN-C [19] کابل اصلی نول در منبع برق به زمین متصل می‌شود. یک کابل مشترک هست که هم‌زمان کارکرد اتصال‌به‌زمین و نول را دارد. TT [20] کابل اصلی نول یک‌راست به زمین متصل می‌شود. اتصال‌به‌زمینِ محلی در نزدیکی مصرف ایجاد می‌شود تا شاسی‌ها به آن وصل شوند. IT [21] کابل نول اصلی با توجه به زمین شناور است. اتصال‌به‌زمین محلی در نزدیکی مصرف ایجاد می‌شود تا شاسی‌ها به آن وصل شوند. IT-HRG [22] کابل نول منبع اصلی و کابل اتصال‌به‌زمین ازهم جدا هستند و در یک نقطه با مقاومت الکتریکی بزرگی به زمین متصل می‌شوند. جریان برقی که با خرابی‌های فاز به زمین [23] رخ می‌دهد، با مقاومت زمین محدود می‌شود. ضروری است خرابی‌ها یا اتصال کوتاه‌ها، برای حفاظت پایش بشوند تا کاربران هشدار دریافت کنند و کلید قدرت قطع شود.

برای درک‌کردن دلیل و چگونگی استفاده از ترانسفورماتور و مکان نصب آن، اکنون هریک از این کارکردها را به‌شکل خلاصه توضیح می‌دهیم.

کارکرد اول که تغییر دادن سیستم ارت برق ورودی مرکزداده به سیستم ارت تجهیزات فاوا باشد، از جمله نقش‌های ضروری است. تجهیزات فاوای مرکزداده همیشه با سیستم ارت TN-S کار می‌کنند (کادر بالا). گاهی برق ورودی نیز سیستم TN-S دارد و ازاین‌رو هیچ تغییری لازم نیست. ولی به‌طور کلی برای اینکه بتوان از سیستم‌های ارت TT یا IT در تجهیزات فاوا استفاده کرد، باید با ترانسفورماتور به سیستم TN-S تبدیل بشوند. تبدیل را می‌توان قبل یا بعد از UPS انجام داد. در برخی از کشورها همچون آمریکا یا بریتانیا، سیستم ارت TN-C رایج است. تبدیل آن به TN-S بدون ترانسفورماتور انجام می‌شود.

کارکرد دوم ایجاد کابل نول جدید است؛ وقتی‌که کیفیت نول برق ورودی مشکلات جدی دارد. این کارکرد برای هنگامی است که نول اصلی ورودی با مشتریان دیگر یکی باشد، یا دور از مرکزداده ایجاد شده باشد، یا چندان نامطمئن باشد که احتمال قطع‌شدن یا جدا شدن از زمین وجود داشته باشد. در کشورهای در حال توسعه معمولا منبع نول TN-S را برای ساختمان‌های بلندِ تازه‌ساز، در همان محل و نزدیک به مرکزداده می‌سازند. بدین ترتیب کیفیت نول بسیار خوب خواهد بود و این کارکرد غیر لازم می‌شود. وگرنه با داشتن نقطهٔ اتصال به زمینِ نولِ مشترک با دیگران، که بیرون از محیط ساختمان و شاید در مسافت دور باشد، مرکزداده به شبکهٔ توزیع نول ضعیف یا دارای اضافه‌بار متصل خواهد بود. در چنین شرایطی امکان دارد جریان نول به ولتاژ نویز دچار شود، یا نسبت به پتانسیل زمین اختلاف زیادی پیدا کند، یا بدتر آنکه اتصال ارت خود را از دست بدهد یا قطع شود. در آب‌وهوای گرمسیری این مشکل بدتر است؛ زیرا کم نگه‌داشتن امپدانس در اتصال فلزبه‌فلز، با گذشت زمان دشوارتر می‌شود. اگر هنگامی که منبع برق شهری به‌شکل مستقیم به تجهیزات فاوا متصل است جریان نول قطع بشود، ممکن است به‌دلیل اعمال ولتاژ بالاتر، خرابی گسترده در تاسیسات رخ بدهد. این مشکلات در کشورهای در حال توسعه فراگیر است. به همین دلیل نیز معمولا طراحی سیستم برق مرکزداده در بازارهای نوظهور به ترانسفورماتورهای بیشتری نیاز دارد.

کارکرد سوم یکی‌کردن دو منبع برق است؛ بدون اینکه نیاز باشد کابل‌های نول آن‌ها به هم متصل بشوند. در سیستم‌های برق اضطراریِ دارای منبع پشتیبان که در مراکزداده متداول است، این کارکرد منحصربه‌فردی به شمار می‌رود. هر مرکزداده ممکن است با چند ورودی از برق شهری و ژنراتور تغذیه شود. این ورودی‌ها را به‌وسیلهٔ کلیدهایی با هم ترکیب می‌کنند تا تداوم برق مصارف اصلی تضمین باشد. مسیر بای‌پس UPS همان مسیر جایگزین ماژول UPS است که در خروجی دستگاه با آن یکی می‌شود. هنگامی که دو منبع برق را با کلیدزنی (Switching Arrangement) یکی می‌کنند، ممکن است وضعیتی پیش بیاید که دو نول در سمت ورودی داشته باشیم؛ در حالی که در سمت خروجی یک نول داریم. مشکل این است که چگونه یک نول خروجی را می‌توان به دو نول ورودی متصل کرد. (شکل ۴)

شکل ۴: مشکل دو نول در سمت ورودی و یک نول در سمت خروجی

از آنجا که جابه‌جایی مسیر میان نول‌های تغذیه‌کنندهٔ بارهای فاوا، موجب قطع لحظه‌ای نول می‌شود که خطرناک یا مخرب است، این کار هرگز نباید برای مصارف اصلی انجام شود. به بیان دیگر اگر دو منبع جایگزین در یک UPS ترکیب بشوند، کابل نول این دو باید پیوسته به یکدیگر متصل باشند. البته اتصال دو نول ورودی به یک نول خروجی موجب می‌شود در میان نول‌های ورودی، جریان گردابی (Circulating Currents) به‌وجود آید. (شکل ۵)

شکل ۵: نمایش جریان گردابی پدید آمده در هنگام یکی‌کردن دو کابل نول ورودی و ایجاد یک کابل نول خروجی

اگر مسیر بای‌پس و یک‌سوساز هر دو از یک منبع تغذیه بشوند، نویز جریان‌های گردابی بسیار کم خواهد بود. ولی اگر از دو منبع گوناگون بیایند، ممکن است وجود جریان‌های گردابی خطرناک باشد. اتصال دو منبع نول جداگانه از نظر قانونی نیز در هیچ‌جای جهان مجاز نیست. اگر ترانسفورماتور را با یکی از دو منبع نول به حالت سری قرار دهیم، این مشکل برطرف خواهد شد. برای UPS با دو ورودی برق که دو نول جداگانه نیز داشته باشد، استفاده از ترانسفورماتور ضرورت دارد. توجه کنید برخی سیستم‌های جفت‌ورودی از یک منبع نول مشترک استفاده می‌کنند و ازاین‌رو به ترانسفورماتور نیازی ندارند.

کارکرد چهارم جلوگیری از جریان گردابی است که کلید محافظ جان (RCD) و دیگر سیستم‌های ایمنی را بی‌دلیل فعال می‌کند. این کارکرد همچنین در شرایطی همچون پیکربندی جفت‌ورودی کاربرد دارد که در آن منابع برق یکی می‌شوند. اتصال نول‌های جداگانه همیشه جریان گردابی به‌وجود می‌آورد. البته چنان‌که پیش‌تر گفتیم، این اتصال غیر قانونی است و نباید به کار رود. از این گذشته چنانچه UPS جفت‌ورودی با یک نول تغذیه بشود، این جریان‌ها به‌وجود می‌آیند. ازاین‌رو در هر سیستمی که دو نول یک‌سوساز و بای‌پس به UPS متصل بشوند، RCD مدار تغذیه‌کننده بی‌دلیل به کار می‌افتد و جریان را قطع می‌کند. با قرار دادن ترانسفورماتور ایزولاسیون بر منبع یک‌سوساز، یا خروجی ماژول UPS، یا مسیر بای‌پس می‌توان از فعال‌شدن RCD جلوگیری کرد.

به نظر می‌رسد که می‌توان با حذف اتصال نول ورودیِ یک‌سوساز از مشکل جریان گردابی دوری کرد. این‌طور استدلال می‌شود که همهٔ سیستم‌های UPS که دو ورودی اصلی دارند، طراحی شده‌اند تا بدون نول یک‌سوساز کار ‌کنند. برق یک‌سوسازهای ورودی UPS از فازهای ورودی فراهم می‌شود و برای کار کردن به اتصال نول نیازی ندارند. وجود کابل نول برای منبع یک‌سوساز تا وقتی‌که دارای اتصال‌به‌زمین باشد لازم نیست. در یکسوسازی که اتصال نول ندارد، جریان گردابی به‌وجود نمی‌آید. بدین ترتیب این باور فراگیر به‌وجود آمده است که در یک‌سوسازِ بدون نول، جریان گردابی ایجاد نمی‌شود. ولی این باور نادرست است.

شکل ۶: جریان گردابی در یکسوسازی که اتصال کابل نول ورودی را ندارد

شکل ۶ سیستم UPS با پیکربندی جفت‌ورودی را نشان می‌دهد که در آن کابل نولِ منبع یک‌سوساز متصل نیست. خط قرمز رنگ نشان‌دهندهٔ جریان گردابی است که همچنان تولید می‌شود؛ ولی به‌جای نول یک‌سوساز از ماژول UPS برقرار شده است. هر ماژول اینورتر UPS که دارای خروجی نول باشد، جریان بیشتر از نیاز مصرف به باس نول خروجی اعمال می‌کند. این نول با مقدار «بیش از اندازه» پیامد کارکرد اینورتر است و توسط مصارف راکتیو، مصارف غیرخطی، همچنین به‌دلیل نامتعادل‌بودن جریان‌های مصارف به وجود می‌آید. جریان نولِ بیش از اندازه در بارهای فاوا استفاده نمی‌شود و از راه کابل نول بای‌پس به منبع اصلی برق بازمی‌گردد. این جریان در شرایط معمول ممکن است کم باشد، ولی در مصارف گوناگون یا به‌دلیل نامتعادل‌بودن ولتاژ برق اصلی، مقدار آن افزایش می‌یابد. اگر منبع برق بای‌پس با RCD حفاظت بشود که در بعضی از کشورها در شرایط ویژه اجباری است، این جریان‌های نول را دستگاه محافظ از نوع ناخواسته می‌شناسد و همچون شرایط اتصالی رفتار می‌کند که بدین ترتیب ممکن است سیستم را خاموش کند. این مسئله ما را به اصل مهمی در طراحی سیستم برق مرکزداده هدایت می‌کند: در سیستم‌های جفت‌ورودی که با RCD حفاظت می‌شوند، باید همیشه در جایی بر یکی از مسیرهای برق شهری، یک ترانسفورماتور نصب باشد. قطع‌کردن اتصال نولِ یک‌سوساز برای جلوگیری از ایجاد جریان‌های گردابی کافی نیست.

آنچه گفتیم روشن می‌سازد پیچیده‌ترین مشکلات استفاده از سیستم اتصال‌به‌زمین و ترانسفورماتور را پیکربندی جفت‌ورودی دارد. اشتباه‌های بسیاری هنگام به‌کارگیری ترانسفورماتور و اتصال‌به‌زمینِ مطلوب در سیستم‌های جفت‌ورودی رخ می‌دهد که به گرفتاری‌های پی‌درپی و ازکارافتادگی سیستم می‌انجامد. این مشکلات در سیستم‌های تک‌ورودی (یا بدون بای‌پس) ساده‌تر هستند. با اینکه ممکن است سیستم تک‌ورودی گزینهٔ بهتری باشد و در طراحی و نصب با مشکلات کمتری روبه‌رو بشود، بهره‌برداران اغلب بدون توجه به این پیچیدگی‌ها سیستم جفت‌ورودی را انتخاب می‌کنند. پیکربندی تک‌ورودی امکان دارد گزینهٔ مطمئن و مقرون‌به‌صرفه‌ای باشد؛ زیرا مزایای تئوری اطمینان‌پذیری که برای سیستم‌های جفت‌ورودی بیان می‌شود، همیشه در اجرا به دست نمی‌آید. به همین دلیل اغلب حتی در مراکزدادهٔ عظیم با پایایی (Availability) عالی نیز از پیکربندی تک‌ورودی استفاده می‌کنند. به‌ویژه هنگامی که با پیکربندی دو مسیره یا N+1 بتوان به افزونگی دست یافت.

پیکربندی موازی و دیگر انواع افزونگی

آنچه تاکنون دربارهٔ کاربرد ترانسفورماتور در سه پیکربندی اصلی UPS بیان کردیم، با این فرض بود که سیستم UPS یک ماژول دارد. در سیستم‌های برق مرکزداده معمولا چند دستگاه UPS به کار می‌رود که هریک نیز ممکن است دارای چند ماژول باشند. پیکربندی این دستگاه‌ها برای فراهم‌ساختن افزونگی، چیدمان گوناگون دارد. دربارهٔ رویکردهای مختلفی که برای دستیابی به افزونگی متداول هستند، به مقالهٔ «مقایسهٔ پیکربندی‌های طراحی سیستم UPS» ـ[24] مراجعه کنید. علاوه بر کارکرد افزونگی، همچنین سیستم‌های UPS را برای افزایش ظرفیت برق معمولا به‌شکل موازی نصب می‌کنند.

آنچه را که در این مقاله دربارهٔ کاربرد ترانسفورماتور و اتصال‌به‌زمین گفتیم، می‌توان بدون هیچ تغییر و اصلاحی برای سیستم‌های UPS موازی به کار برد که در خود چندین ماژول UPS موازی دارند و از یک مسیر بای‌پس بهره می‌برند. نمونهٔ چنین سیستم‌هایی دستگاه UPS مدل APC Symmetra است. با این حال سیستم‌های مرکزداده پیکربندی‌هایی دارند که UPSها را به‌شکل موازی یا سری ترتیب می‌دهند و نقاط احتمالی بسیاری را برای سیستم اتصال‌به‌زمین و نصب ترانسفورماتور فراهم می‌سازند. بیشترِ اصولی را که در این مقاله برای ترانسفورماتورها توصیف کرده‌ایم، برای این سیستم‌ها نیز می‌توان اجرا کرد. از سویی چنین سیستم‌هایی معمولا در زمینهٔ اتصال‌به‌زمین و تشخیص جریان نشتی با چالش‌های ویژه‌ای روبه‌رو هستند.

پس از شناخت اولیه‌ای که در این مقاله دربارهٔ کاربرد ترانسفورماتور پیدا کردیم، اکنون می‌توانیم به رویکرد بهینهٔ استفاده از ترانسفورماتورها برای فراهم‌ساختن افزونگی‌ مشخص یا پیکربندی‌های موازی بپردازیم. بررسی گزینه‌های استفاده از ترانسفورماتور برای پیکربندی‌های موازیِ گوناگون و تامین افزونگی، موضوع این مقاله نیست.

در ادامه سه پیکربندی اصلی UPS را بررسی می‌کنیم تا در شرایط گوناگون بهترین چیدمان‌های ترانسفورماتور را بشناسیم.

چیدمان‌های ترانسفورماتور در سیستم‌های اجرایی UPS

چنان‌که پیش‌تر گفته‌ایم، بدون درنظرگرفتن پیکربندی‌های افزونه، ۹۲ روش ممکن برای چیدمان UPS و ترانسفورماتور وجود دارد. ما در اینجا به‌جای توصیف و مقایسهٔ همهٔ این چیدمان‌ها، به کارکرد ترانسفورماتورها و مزایای آن‌ها در هریک از سه پیکربندی کلی پیش‌گفته (تک‌ورودی، جفت‌ورودی، تک‌ورودی بدون مسیر بای‌پس) می‌پردازیم. در این مطلب همچنین چیدمان‌های بهترِ ترانسفورماتورها را شناسایی و بررسی خواهیم کرد.

گزینه‌های جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی «تک‌ورودی»

سیستم تک‌ورودی متداول‌ترین پیکربندی UPS است. بیش از ۵۰ درصد از تاسیسات، UPS را به همین شکل نصب می‌کنند. این پیکربندی در سیستم‌های کوچک‌تر که کمتر از ۱۰۰ کیلووات باشند، رواج بیشتری نیز دارد. تا آنجا که تقریبا در ۹۰ درصد از اجراها از این پیکربندی استفاده می‌شود. سیستم تک‌ورودی از طراحی و نصب نسبتا آسانی برخوردار است و مسیر بای‌پس نیز دارد. این مزیت گزینه‌های گوناگون افزونگی و نگهداری را فراهم می‌سازد. سیستم‌های کوچک UPS با توان کمتر از ۱۰ کیلووات، معمولا تنها یک ورودی برق دارند و باید در پیکربندی تک‌ورودی به کار روند. سیستم‌های UPS با توان بیشتر از ۱۰ کیلووات، اغلب دارای دو ورودی برق هستند و با اتصال سادهٔ این دو ورودی، تبدیل به پیکربندی تک‌ورودی می‌شوند. بیشتر سیستم‌های UPS جفت‌ورودی را در واقع با پیکربندی تک‌ورودی نصب و راه‌اندازی می‌کنند.

در پیکربندی تک‌ورودی، سه مکان برای قرار دادن ترانسفورماتور وجود دارد (شکل ۷). در اجرای UPS می‌توان هر ترکیب از این سه جای ترانسفورماتور را (هیچ‌یک تا هر سه) به کار برد.

شکل ۷: گزینه‌های مکان برای نصب ترانسفورماتور، در پیکربندی تک‌ورودی UPS

شکل ۷ جریان برق را درست به نمایش درآورده؛ ولی سیستم اتصال‌به‌زمین را به‌خوبی بیان نکرده است. زیرا باید جای فیزیکی ترانسفورماتور را نیز در نظر گرفت. ترانسفورماتور اینورتر اگر به کار رود، همواره می‌باید نزدیک به UPS نصب شود. ولی ترانسفورماتور برق شهری و خروجی را می‌شود هم در مکان نصب UPS و هم در جایی دورتر از آن قرار داد. جدول ۱ کارکرد، زمان نیاز، همچنین مشکلات مربوط به مکان فیزیکی (در محل یا دورتر) هریک از ترانسفورماتورها را بیان کرده است.

از مشاهدهٔ کارکرد ترانسفورماتورها در پیکربندی UPS تک‌ورودی، نتایج زیر به دست می‌آید:

• اگر نیاز به تغییر ولتاژ باشد، باید از ترانسفورماتور استفاده کرد. برای نمونه اگر برق شهری با ولتاژ ۶۰۰ و UPS با ولتاژ ۴۸۰ و مصارف فاوا ۲۰۸ ولت باشد، به هر دو ترانسفورماتور ورودی و خروجی نیاز هست. این بخشی از الزامات اساسی است و در تعیین مکان نصب می‌باید آن را پیش از چیزهای دیگر در نظر گرفت.
• اگر سیستم ارت برق شهری یا UPS از نوع TN-S نباشد، باید از ترانسفورماتور استفاده کرد. برای نمونه اگر سیستم اتصال‌به‌زمین برق شهری TT و دستگاه UPS از نوع IT-HRG باشد، به هر دو ترانسفورماتور ورودی و خروجی نیاز هست. این بخشی از الزامات اساسی است و بعضی از ویژگی‌های این مشکل را طراح سیستم می‌باید مدیریت کند. مثلا طراح باید بتواند از خوب‌بودن کیفیت سیستم TN-S مرکزداده اطمینان یابد تا در سیستم اتصال‌به‌زمین به هیچ تغییری نیاز نباشد.
• ترانسفورماتور اینورتر در سیستم UPS تک‌ورودی هیچ کارکرد و فایده‌ای ندارد. از آنجا که وجود ترانسفورماتور اینورتر دلیل تفاوت اصلی میان «UPS با ترانسفورماتور» [25] و «UPS بدون ترانسفورماتور» [26] است، استفاده از UPS با ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی توجیهی ندارد.

جدول ۱: خصوصیات هریک از سه جای ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی

مکان ترانسفورماتور	کارکرد	زمان نیاز	مسائل مربوط به مکان (در محل / دورتر)
ورودی برق	ـ تغییر ولتاژ برق شهری ـ تبدیل سیستم اتصال‌به‌زمین به TN-S ـ ایزوله‌سازی UPS و کابل خروجی از نول بی‌کیفیت برق شهری	ـ آنگاه که ولتاژ برق شهری باید تغییر کند و با ولتاژ UPS سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین برق شهری با مصرف هم‌خوانی ندارد و ترانسفورماتور خروجی نیز به کار نرفته است.	ـ اگر ترانسفورماتور در محل UPS نصب بشود، آنگاه اتصال‌به‌زمین TN-S باکیفیتی در خروجی UPS خواهیم داشت. ـ اگر این ترانسفورماتور دور از UPS باشد، سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S را باید در محل نصب ترانسفورماتور ایجاد کرد، که نامطلوب است.
اینورتر	ـ این ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی هیچ کارکردی ندارد. ولی بسته به طراحی UPS ممکن است وجود داشته باشد.	ـ این پیکربندی هیچ نیازی به آن ندارد.	ـ در طراحی UPSهای قدیمی‌تر ممکن بود این ترانسفورماتور را به کار ببرند؛ چنان‌که قابل حذف نیز نباشد. ولی هیچ کارکرد مفیدی ندارد.
خروجی	ـ تغییر ولتاژ خروجی UPS ـ تغییر سیستم اتصال‌به‌زمین به TN-S، اگر UPS با TN-S کار نکند. ـ بهبود کیفیت سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S، اگر ترانسفورماتور ورودی را نداشته باشد، یا آن را دورتر نصب کرده باشند.	ـ آنگاه که ولتاژ UPS باید تغییر کند تا با ولتاژ مصارف فاوا سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین UPS با مصرف فاوا هم‌خوانی ندارد و ترانسفورماتور ورودی نیز به کار نرفته است. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین ورودی با مصارف فاوا سازگار است، ولی مدار نول کیفیت ندارد، یا ترانسفورماتور ورودی اگر باشد، دورتر نصب شده است.	ـ اگر مصارف فاوا از UPS دور باشند، دورتر بودن ترانسفورماتور از UPS (نزدیک‌بودن به مصارف فاوا) این مزیت را دارد که کیفیت اتصال‌به‌زمین، با نزدیک‌بودن TN-S به مصارف  بهبود می‌یابد.

چنان‌که گفته‌ایم در پیکربندی UPS تک‌ورودی، ۸ چیدمان ممکن برای ترانسفورماتورها وجود دارد. پس از بررسی گزینه‌های مکان نصبِ ترانسفورماتورهای ورودی و خروجی، با درنظرگرفتن اینکه در محل UPS باشند یا دور از آن، تعداد این چیدمان‌ها تا ۱۸ الگو افزایش می‌یابد. با اینکه هیچ ترکیبی را نمی‌توان به‌عنوان بهترین گزینهٔ همه‌جای جهان معرفی کرد، می‌توان برخی از ترکیب‌های ناکارآمد را کنار گذاشت و چند الگو را راهکار بهینه تعیین نمود. در این مقاله همگی ۱۸ گزینه را بررسی نمی‌کنیم؛ ولی از آنچه بیان می‌شود می‌توان اطلاعات لازم را دربارهٔ دیگر موارد به دست آورد. در جدول‌های ۲a تا ۲c گزینه‌های برتر چیدمان ترانسفورماتورها در پیکربندی UPS تک‌ورودی به‌شکل خلاصه بیان می‌شود. همچنین دربارهٔ چگونگی کاربرد هر رویکرد، رهنمود ارائه می‌گردد.

جدول 2a – مقاله ۹۸ گزینهٔ برتر ۱ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی: ترانسفورماتور ورودی در محل UPS	جدول 2b – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۲ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی: بدون ترانسفورماتور

جدول 2c: گزینهٔ ۳ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی برق: ترانسفورماتور خروجی در مکانِ دور از UPS

گزینهٔ دیگر برای مرکزدادهٔ بزرگ، افزودن ترانسفورماتور ورودی به چیدمان «تک‌ورودی با ترانسفورماتور خروجی بافاصله» است تا بتوان آن را در سیستم‌های اتصال‌به‌زمین برق شهری که بسیار ضعیف یا ناسازگار هستند، به کار برد. هرچند چنین رویکردی معمول نیست.

پیکربندی تک‌ورودی گزینه‌های کمتری دارد و طراحی و اجرای آن از سیستم جفت‌ورودی ساده‌تر است. دراین‌باره توضیح خواهیم داد. ساده‌بودن اجرا از اشتباه‌های طراحی و نصب می‌کاهد. این پیکربندی همچنان از بقیه متداول‌تر مانده و باید آن را هم برای مرکزدادهٔ بزرگ و هم کوچک در نظر گرفت.

گزینه‌های جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی «جفت‌ورودی»

نه در همهٔ اجراهای با ابعاد بزرگ؛ در بیشتر آن‌ها از پیکربندی جفت‌ورودی استفاده می‌شود. شکل ۸ چهار گزینهٔ مکان نصب ترانسفورماتور را در سیستم جفت‌ورودی نمایش می‌دهد.

برای استفاده از سیستم جفت‌ورودی دو دلیل مهم وجود دارد. یکی اینکه معماری سیستم اقتضا کند، برق یک‌سوساز و بای‌پس از دو منبع جداگانه فراهم شود. برای نمونه اگر دو منبع برق از دو ایستگاه فرعی جداگانه بیایند، یا اگر بدان شکل باشد که در معماری افزونهٔ بسیار تخصصی انجام می‌شود. البته در واقع چنین چیزی بسیار نامعمول است و فقط در معماری‌هایی به کار می‌رود که برای افزونگی بسیار خوب طراحی می‌شوند. توجه کنید که در بسیاری از سیستم‌های دارای منبع برق جایگزین مانند ژنراتور دیزلی یا منبع ثانویهٔ برق شهری، در بالادستِ UPS، کلید انتقال خودکار (ATS) نصب می‌کنند. زیرا به‌غیر از UPS باید از مصارف دیگری همچون دستگاه‌های سرمایش نیز پشتیبانی شود.

دومین دلیل به‌کاربردن سیستم جفت‌ورودی، فراهم‌ساختن امکان تعمیر و نگهداری هم‌زمان برای کابل‌های توزیع برق و کلیدهای قدرت تغذیه‌کنندهٔ UPS است. اگر کلیدها و کابل‌های تغذیه‌کنندهٔ هریک از دو ورودی برق جدا باشند، هر بار می‌توان یکی از آن‌ها را بدون ازکارافتادن تاسیسات خاموش کرد و تغذیهٔ مصارف اصلی را در طول عملیات تعمیر و نگهداری، با مسیر دیگر انجام داد. عموما دلیل انتخاب این چیدمان همین است. ولی روش‌های جایگزین دیگری نیز برای تعمیر و نگهداری هم‌زمان وجود دارد. «معماری برق دو مسیره» و «کلیدهای موازی دارای قابلیت نگهداری هم‌زمان» از جمله روش‌های جایگزین به‌شمار می‌روند.

شکل ۸: گزینه‌های مکان برای نصب ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی

شکل ۸ جریان برق را درست به نمایش درآورده؛ ولی سیستم اتصال‌به‌زمین را به‌خوبی بیان نکرده است. زیرا باید جای فیزیکی ترانسفورماتور را نیز در نظر گرفت. ترانسفورماتور اینورتر را اگر به کار رود، همواره می‌باید نزدیک به UPS نصب کرد. ولی ترانسفورماتورهای یک‌سوساز و بای‌پس و خروجی را می‌شود هم در مکان نصب UPS و هم در جایی دورتر از آن قرار داد. جدول ۳ کارکرد، زمان نیاز، همچنین مشکلات مربوط به مکان فیزیکی (در محل یا دورتر) هریک از ترانسفورماتورها را بیان کرده است.

از مشاهدهٔ کارکرد ترانسفورماتورها در پیکربندی UPS جفت‌ورودی، نتایج زیر به دست می‌آید:

• اگر به تغییر ولتاژ نیاز باشد، باید از ترانسفورماتور استفاده کرد. برای نمونه اگر برق شهری با ولتاژ ۶۰۰ و UPS با ولتاژ ۴۸۰ و مصارف فاوا ۲۰۸ ولت باشد، به هر سه ترانسفورماتور (بای‌پس و یک‌سوساز و خروجی) نیاز هست. این بخشی از الزامات اساسی است و در تعیین مکان نصب باید آن را پیش از چیزهای دیگر در نظر گرفت.
• اگر سیستم ارت برق شهری یا UPS از نوع TN-S نباشد، باید از ترانسفورماتور استفاده کرد. برای نمونه اگر سیستم اتصال‌به‌زمین برق شهری TT و دستگاه UPS از نوع IT-HRG باشد، به هر سه ترانسفورماتور (بای‌پس و یک‌سوساز و خروجی) نیاز هست. این بخشی از الزامات اساسی است و بعضی از ویژگی‌های این مشکل را طراح سیستم می‌باید مدیریت کند. مثلا معمار سیستم باید بتواند از خوب‌بودن کیفیت TN-S مرکزداده اطمینان یابد تا در سیستم اتصال‌به‌زمین به هیچ تغییری نیاز نباشد.
• ترانسفورماتور اینورتر اتصال نول را میان ورودی‌های یک‌سوساز و بای‌پس قطع می‌کند؛ ولی ترانسفورماتور یک‌سوساز و بای‌پس نیز این کار را انجام می‌دهند. ازاین‌رو هنگامی که ترانسفورماتور یک‌سوساز یا بای‌پس را برای اهداف دیگر نصب می‌کنند، کارکرد ترانسفورماتور اینورتر افزونه می‌شود. از آنجا که وجود ترانسفورماتور اینورتر دلیل تفاوت اصلی میان UPS با ترانسفورماتور و UPS بدون ترانسفورماتور است، استفاده از UPS با ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی توجیهی ندارد.

چنان‌که گفته‌ایم در پیکربندی UPS جفت‌ورودی، ۱۶ چیدمان ممکن برای ترانسفورماتور وجود دارد. پس از بررسی گزینه‌های مکان نصب ترانسفورماتورهای ورودی و خروجی، با درنظرگرفتن اینکه در محل UPS باشند یا دور از آن، تعداد این چیدمان‌ها تا ۵۶ الگو افزایش می‌یابد. با اینکه هیچ ترکیبی را نمی‌توان به‌عنوان بهترین گزینهٔ همه‌جای جهان معرفی کرد، می‌توان برخی از ترکیب‌های ناکارآمد را کنار گذاشت و چند الگو را راهکار بهینه تعیین نمود. در این مقاله به همگی ۵۶ گزینه نمی‌پردازیم؛ ولی از آنچه بیان می‌شود می‌توان اطلاعات لازم را دربارهٔ دیگر موارد به دست آورد. در جدول‌های 4a تا 4d گزینه‌های برتر چیدمان ترانسفورماتورها در پیکربندی UPS جفت‌ورودی به‌شکل خلاصه بیان می‌شود. همچنین دربارهٔ چگونگی کاربرد هر رویکرد رهنمود ارائه می‌گردد.

جدول ۳: خصوصیات هریک از چهار جای نصب ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی

مکان ترانسفورماتور	کارکرد	زمان نیاز	مسائل مربوط به مکان (در محل یا دورتر)
بای‌پس	ـ ایزوله‌سازی کابل نول بای‌پس از جریان تولیدشده در اینورتر ـ تغییر ولتاژ ورودی بای‌پس ـ تبدیل سیستم اتصال‌به‌زمین بای‌پس به TN-S ـ ایزوله‌سازی مسیر بای‌پس از نول بی‌کیفیت ـ حفاظت از دستگاه UPS در برابر وضعیت‌های نول اتصال‌باز [27] ناشی از کلید انتقال بالادستی یا مدارشکن	ـ آنگاه که ولتاژ بای‌پس باید تغییر کند و با ولتاژ UPS سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین بای‌پس با مصرف هم‌خوانی ندارد و ترانسفورماتور خروجی نیز به کار نرفته است. ـ آنگاه که برای منبع برق شهری از کلید محافظ جان (RCD) ـ[28] استفاده شده و ترانسفورماتور یک‌سوساز یا اینورتر در محل UPS ـ(UPS با ترانسفورماتور) به کار نرفته است. ـ آنگاه که در منبع بای‌پس از کلید قدرت ۴ پل استفاده شده است. (احتمال اتصال‌باز شدن نول)	ـ نول خروجی UPS همیشه با نول بای‌پس یکسان است، مگر اینکه ترانسفورماتورِ خروجی نصب شده باشد. ـ اگر ترانسفورماتور در محل UPS نصب بشود، و اگر ترانسفورماتور یک‌سوساز یا اینورتر نیز موجود باشد، یا یک‌سوساز بتواند بدون اتصال نول ورودی نیز کار کند، آنگاه در خروجی UPS اتصال‌به‌زمین TN-S باکیفیتی خواهیم داشت. ـ برای نصب این ترانسفورماتور در مکان دورتر از UPS، باید سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S را در همان مکان نصب ترانسفورماتور ایجاد کرد، که مطلوب نیست.
یک‌سوساز	ـ تغییر ولتاژ ورودی یک‌سوساز	ـ آنگاه که باید ورودی UPS را از سیستم ناسازگارِ اتصال‌به‌زمین برق شهری ایزوله کرد. ـ آنگاه که باید ولتاژ برق شهری با ولتاژ UPS سازگار شود.	ـ این ترانسفورماتور از UPS در برابر وضعیت‌های نول اتصال‌باز ناشی از کلید انتقال بالادستی، به‌خوبی محافظت نمی‌کند. زیرا نول UPS در حالت عادی با ورودی بای‌پس تغذیه می‌شود.
اینورتر	ـ ایزوله‌سازی نول بای‌پس از جریان‌های ایجاد شده توسط اینورتر	ـ آنگاه که مسیر بای‌پس از منبع جداگانه‌ای تغذیه می‌شود و ترانسفورماتور یک‌سوساز وجود ندارد.	ـ این ترانسفورماتور کار ایزوله‌سازی نول را به همان اندازهٔ یک‌سوساز انجام می‌دهد؛ ولی ولتاژ را تغییر نمی‌دهد. ـ برق مصارف همیشه از این ترانسفورماتور جریان می‌یابد. ازاین‌رو ایزوله‌سازی میان ورودی‌های اصلی برق در مسیر بای‌پس بهتر فراهم می‌شود، زیرا بهره‌وری سیستم را افزایش می‌دهد.
خروجی	ـ تغییر ولتاژ خروجی UPS ـ تبدیل سیستم اتصال‌به‌زمین UPS به TN-S؛ اگر نباشد ـ بهبود دادن کیفیت سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S؛ اگر ترانسفورماتور ورودی ندارد، یا دورتر باشد	ـ آنگاه که ولتاژ UPS باید تغییر کند و با ولتاژ مصرف فاوا سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین UPS با مصارف فاوا هم‌خوانی ندارد و از ترانسفورماتور ورودی نیز استفاده‌نشده است. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین ورودی با مصارف فاوا هم‌خوانی دارد؛ ولی مدار نول بی‌کیفیت است، یا ترانسفورماتور ورودی اگر باشد، دورتر نصب شده است.	ـ اگر مصارف فاوا دور از UPS باشند، نصب ترانسفورماتور در جایی که دورتر از UPS و نزدیک به مصارف فاوا باشد، دارای مزیت ایجاد سیستم ارت TN-S در نزدیکی مصارف فاوا خواهد بود و کیفیت سیستم اتصال‌به‌زمین را بهبود خواهد داد.

 

جدول 4a – مقاله ۹۸ گزینهٔ برتر ۱ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی: ترانسفورماتور بای‌پس در محل UPS و دیگر ترانسفورماتورها دور از آن	جدول 4b – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۲ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی: ترانسفورماتور بای‌پس در محل UPS و ترانسفورماتور یک‌سوساز و ترانسفورماتورهای خروجی دور از آن

 

جدول 4c – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۳ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی: بدون ترانسفورماتور	جدول 4d – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۴ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی جفت‌ورودی: ترانسفورماتور بای‌پس در محل UPS

توجه کنید که هیچ‌کدام از چیدمان‌های برتر پیش‌گفته، در مکان اینورتر از ترانسفورماتور استفاده نکرده‌اند. بیشتر UPSهای با ترانسفورماتور، در مکان اینورتر دارای ترانسفورماتور هستند که کمترین مزیت را دارد. این مسئله بازهم نتیجهٔ اصلی مقاله را تایید می‌کند: اینکه UPSهای با ترانسفورماتور قدیمی بدین علت کنار رفته‌اند که ترانسفورماتور آن‌ها در مکان نادرستی بوده است. راهکار بهتر، استفاده‌کردن از UPSهایی است که اگر نیاز باشد بتوان مکان ترانسفورماتور آن‌ها را در طول طراحی سیستم، به‌شکل بهینه تعیین کرد.

مهم‌ترین ویژگی طراحی جفت‌ورودی آن است که گزینه‌های زیادی دارد. فراوانی گزینه‌ها، روابط متقابل بسیاری میان آن‌ها و دیگر الزامات مانند RCD و کلیدهای قدرت پدید می‌آورد که کار را سخت پیچیده می‌کند. برای موفق‌بودن نصب سیستمِ جفت‌ورودی، افزون بر تحلیل دقیق و سبک‌سنگین کردن در طراحی، دقت در اجرا نیز ضرورت دارد. این عوامل در هنگام طراحی‌ سیستم‌های موازی یا پیکربندی‌های افزونهٔ پیچیده، گسترده‌تر نیز می‌شوند. متاسفانه خطاهای طراحی و نصب، در پیکربندی جفت‌ورودی بیشتر از تک‌ورودی است. این مسئله اطمینان‌پذیری و عملکرد سیستم را کاهش می‌دهد. بهره‌برداران هنگام انتخاب سیستم جفت‌ورودی معمولا به این مسائل توجه نمی‌کنند.

گزینه‌های جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی «تک‌ورودی بدون بای‌پس»

پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس معمولا هنگامی به کار می‌رود که برق شهری یا سیستم اتصال‌به‌زمین ورودی بی‌کیفیت باشد، ضعیف شده باشد، یا با مصارف صنعتی دیگری مشترک باشد. شکل ۹ سه مکان ممکن را برای نصب ترانسفورماتور در این پیکربندی نشان می‌دهد.

شکل ۹: گزینه‌های مکان برای نصب ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس

هنگامی که برق شهری بسیار بی‌کیفیت یا سیستم اتصال‌به‌زمین ناپایدار است، امکان دارد بسیار نامطلوب باشد که مصارف فاوا از مسیر بای‌پس در معرض چنین برقی قرار گیرند. به همین دلیل است که این پیکربندی مسیر بای‌پس را ندارد. کمابیش می‌توان گفت از این پیکربندی تنها در کشورهای در حال توسعه‌ای استفاده می‌شود که برق آن‌ها اغلب بسیار کم‌کیفیت است. مسیر بای‌پس در کشورهای توسعه‌یافته که شبکهٔ برق شهری پایدار دارند، ویژگی بسیار ارزشمندی به شمار می‌رود. ازاین‌رو برخلاف پیکربندی تک‌ورودی یا جفت‌ورودی که هر دو متداول هستند، به‌کاربردن پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس نادر است.

چنان‌که بررسی نمودارها نشان می‌دهد، اگر بای‌پس را در پیکربندی تک‌ورودی از کار بیندازیم، نموداری همانند پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس خواهیم داشت. بدین ترتیب اغلب گمان می‌کنند می‌توان سیستم را نخست با بای‌پس اجرا کرد، سپس هرگاه لازم شد هریک از دو پیکربندی «با بای‌پس» یا «بدون بای‌پس» را به کار برد. چنین حالتی تنها در هنگامی شدنی است که ترانسفورماتور ورودی یا خروجی به کار رفته باشد. زیرا اگر کابل‌کشی بای‌پس اجرا شود و کابل نول بای‌پس به زمین متصل باشد، دیگر نمی‌توان نول ترانسفورماتور اینورتر خروجی را به زمین متصل کرد. اگر فقط ترانسفورماتور اینورتر را داشته باشیم که با خروجی نول جداگانه‌ای به زمین متصل شده باشد، کابل‌کشی بای‌پس نباید اجرا و استفاده شود. این محدودیت مانند بای‌پس استاتیک «خودکار»، بر بای‌پس مکانیکی «Wrap-around» نیز اعمال می‌شود.

اگر ترانسفورماتور اینورتر باشد، همیشه به‌شکل داخلی در خود UPS نصب می‌شود؛ ولی می‌توان جای ترانسفورماتورهای ورودی و خروجی را در محل UPS یا دورتر از آن در نظر گرفت. جدول ۵ کارکرد، زمان نیاز، همچنین مشکلات مربوط به مکان فیزیکی (در محل یا دورتر) هریک از ترانسفورماتورها را بیان کرده است.

چنان‌که گفته‌ایم در پیکربندی UPS تک‌ورودی بدون بای‌پس، ۸ چیدمان ممکن برای ترانسفورماتور وجود دارد. پس از بررسی گزینه‌های مکان نصب ترانسفورماتورهای ورودی و خروجی، با درنظرگرفتن اینکه در محل UPS باشند یا دورتر از آن، تعداد این چیدمان‌ها تا ۱۸ الگو افزایش می‌یابد. با اینکه هیچ ترکیبی را نمی‌توان به‌عنوان بهترین گزینه در همه‌جای جهان معرفی کرد، می‌توان بعضی از ترکیب‌های ناکارآمد را کنار گذاشت و چند الگو را راهکار بهینه تعیین نمود. در این مقاله به همگی ۱۸ گزینه نمی‌پردازیم؛ ولی از آنچه بیان می‌شود می‌توان اطلاعات لازم را دربارهٔ دیگر موارد به دست آورد. در جدول 6a و 6b گزینه‌های برتر چیدمان ترانسفورماتورها در پیکربندی UPS جفت‌ورودی بدون بای‌پس به‌شکل خلاصه بیان می‌شود. همچنین دربارهٔ چگونگی کاربرد هر رویکرد رهنمود ارائه می‌گردد.

جدول ۵: خصوصیات هریک از سه جای نصب ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس

مکان ترانسفورماتور	کارکرد	زمان نیاز	مسائل مربوط به مکان (در محل یا دورتر)
ورودی اصلی	ـ تغییر ولتاژ برق ورودی ـ تبدیل سیستم اتصال‌به‌زمین به TN-S ـ ایزوله‌سازی UPS و خروجی از نول ورودی بی‌کیفیت	ـ آنگاه که باید ولتاژ برق شهری با ولتاژ UPS سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین ورودی با مصارف فاوا هم‌خوانی ندارد و از ترانسفورماتور خروجی نیز استفاده‌نشده است.	ـ اگر این ترانسفورماتور در محل UPS نصب بشود، آنگاه اتصال‌به‌زمین TN-S باکیفیتی در خروجی UPS خواهیم داشت. ـ برای نصب این ترانسفورماتور در مکان دورتر از UPS باید سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S را در همان مکان نصب ترانسفورماتور ایجاد کرد، که مطلوب نیست.
اینورتر	ـ ایزوله‌سازی خروجی از نول بی‌کیفیت	ـ آنگاه که باید نول خروجی سیستم از نول ورودی جداسازی شود و ترانسفورماتور خروجی یا ورودی نیز به کار نرفته است.	ـ نول این ترانسفورماتور را می‌توان به زمین متصل کرد، زیرا بای‌پس وجود ندارد که منبع جداگانه‌ای فراهم کند. ـ در طراحی UPSهای قدیمی‌تر، ممکن است این ترانسفورماتور را در UPS یکی کرده باشند چنان‌که نتوان آن را حذف کرد.
خروجی	ـ تغییر ولتاژ خروجی UPS ـ تبدیل سیستم اتصال‌به‌زمین UPS به TN-S؛ اگر نباشد ـ بهبود دادن سیستم اتصال‌به‌زمین TN-S؛ اگر ترانسفورماتور ورودی ندارد، یا دورتر باشد	ـ آنگاه که ولتاژ UPS باید تغییر کند و با ولتاژ مصارف فاوا سازگار شود. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین UPS با مصارف فاوا هم‌خوانی ندارد و از ترانسفورماتور ورودی نیز استفاده نشده است. ـ آنگاه که سیستم اتصال‌به‌زمین ورودی با مصارف فاوا هم‌خوانی دارد؛ ولی مدار نول بی‌کیفیت است، یا ترانسفورماتور ورودی اگر باشد، دورتر نصب شده است.	ـ اگر مصارف فاوا دور از UPS باشند، نصب ترانسفورماتور در جایی که دورتر از UPS و نزدیک به مصارف فاوا باشد، دارای مزیت ایجاد سیستم ارت TN-S در نزدیکی مصارف فاوا خواهد بود و کیفیت سیستم اتصال‌به‌زمین را بهبود خواهد داد.

جدول 6a – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۱ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس: ترانسفورماتور ورودی در محل UPS و ترانسفورماتور خروجی دور از UPS	جدول 6b – مقاله ۹۸ گزینهٔ ۲ برای جانمایی ترانسفورماتور در پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس: ترانسفورماتور ورودی در محل UPS

این پیکربندی در کشورهایی رواج دارد که برق شهری آن‌ها بسیار بی‌کیفیت است. هرچند در بیشتر مواردی که این روش را به کار می‌برند، پیکربندی تک‌ورودی با بای‌پس گزینهٔ بهتری است. بسیاری از مشتریان از بای‌پس استفاده نمی‌کنند؛ زیرا مصارف را در معرض برق شهری حفاظت‌نشده قرار می‌دهد. این مسئله در سیستم UPS با ترانسفورماتور نیز وجود دارد؛ زیرا بای‌پس ایزوله‌سازی نمی‌شود. دلیل این مشکل نادرست‌بودن جای ترانسفورماتور در UPSهای با ترانسفورماتور قدیمی است. اگر ترانسفورماتور را از خروجی اینورتر بردارند و در ورودی بگذارند، از هر دو مسیر UPS و بای‌پس محافظت خواهد کرد. دراین‌باره بیشتر توضیح خواهیم داد.

یک مشکل اصلی در پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس، آن است که خطاهای جریان همواره به خروجی اینورتر UPS محدود می‌شود که حد تحمل جریان معمولا در آن بسیار کمتر از جریان اتصال کوتاه موجود در برق شهری است. این مسئله در کلیدهای مسیر پایین‌دست، رفع مشکل را دشوار می‌کند. چنان‌که اگر ایراد در مسیر پایین‌دست به‌سرعت برطرف نشود، ممکن است برق همهٔ مصارف قطع بشود. برخلاف این وضعیت در پیکربندی دارای بای‌پس، رخ‌دادن اتصالی در جریان خروجی موجب به‌کارافتادن بای‌پس می‌شود و جریان برق شهری نیز به برطرف‌کردن اتصالی جریان خروجی کمک می‌کند.

هنگامی که طراحان و بهره‌برداران دربارهٔ همهٔ گزینه‌های موجود درک و شناخت پیدا کنند، انتظار می‌رود استفاده از پیکربندی تک‌ورودی بدون بای‌پس کاهش یابد. چنانچه ترانسفورماتور ورودی را در سیستم تک‌ورودی دارای بای‌پس به کار ببریم، با اینکه هزینه و وزن و بهره‌وری تغییری نمی‌کند، گزینهٔ اضافهٔ استفاده از مسیر بای‌پس را دارد که سودمند است. به‌طور کلی UPS با ترانسفورماتور در برخی از پیکربندی‌های متداول قدیمی به کار رفته است که پیکربندی‌های جدیدتر جای آن‌ها را خواهند گرفت. در ادامه به همین موضوع می‌پردازیم.

طراحی قدیمی UPS با ترانسفورماتور

«UPS با ترانسفورماتور» دستگاهی است که ترانسفورماتوری را به‌شکل یکپارچه با UPS در خروجی اینورتر داشته باشد. چنان‌که دیدیم، هیچ‌کدام از ۸ پیکربندی برتر در خروجی اینورتر خود ترانسفورماتور ندارند. توجه کنید که بعضی از سیستم‌های UPS با ترانسفورماتور، ممکن است همچون نوع بدون ترانسفورماتور به ترانسفورماتورهای اضافهٔ اختیاری نیاز داشته باشند. با این حال چون سیستم‌های قدیمی‌تر UPS ترانسفورماتور اینورتر را دارند، چیدمان رایج‌تر شده‌اند. این سیستم‌ها در اصل برای بهره‌مند شدن از مزایای ترانسفورماتور داخل UPS به کار رفته‌اند. اکنون به بررسی این چیدمان‌ها می‌پردازیم، دلایل ناکارآمدی هریک را می‌گوییم، همچنین چیدمان‌های جایگزین را معرفی می‌کنیم.

جای ترانسفورماتور در «UPS با ترانسفورماتور» پس از خروجی اینورتر و پیش از اتصال بای‌پس به خروجی UPS است که کم‌بازده‌ترین مکان است؛ زیرا:

• از ورودی UPS محافظت نمی‌کند.
• سیستم ارت یک‌سوساز را از برق شهری ایزوله نمی‌کند.
• همواره انرژی گرمایی هدر می‌دهد زیرا از تمام توان مصرفی پشتیبانی می‌کند.
• به‌دلیل وجود بای‌پس نمی‌تواند نول خروجی را از ورودی ایزوله کند.

فهمیدن این‌ نکته اهمیت دارد که ترانسفورماتور در آنجا نصب شده به این دلیل که بخش ضروری از مدارهای اینورتر UPS بوده است و برای از میان بردن مشکلات دیگر نیست. البته کارکرد مهمی نیز دارد که ایزوله‌سازی اینورتر از خروجی باشد؛ ولی اگر ترانسفورماتور را در جای مناسب‌تر دیگری بگذاریم، باز همین کار را خواهد کرد. جای ترانسفورماتور در این UPSها بهینه نیست؛ ولی جزئی از مدار است و اختیاری نیست. دلیل اینکه آن را در طراحی بسیاری از مراکزدادهٔ اولیه به کار برده‌اند همین است. در UPSهای با ترانسفورماتور، دو طراحی اصلی وجود دارد که از مزیت ترانسفورماتور داخلی استفاده می‌کنند. در دو جدول 7a و 7b، خلاصهٔ آن‌ها را همراه با طراحی بهبودیافتهٔ جایگزین مشاهده می‌کنید.

باید دانست که ترانسفورماتور اینورتر سنتی در شرایط پیش‌گفته، اینورتر را از نول بای‌پس ایزوله می‌کند. در این حالت به‌دلایلی که گفته‌ایم، بهتر است ترانسفورماتور در مسیر بای‌پس باشد. با این‌همه چنان‌که پیش‌تر در پیکربندی‌های توصیه‌شدهٔ تک‌ورودی و جفت‌ورودی بیان کرده‌ایم، ایزوله‌سازی اینورتر و نول بای‌پس در همهٔ اجراها ضرورت ندارد. هنگام طراحی تاسیسات جدید، نخست باید پیکربندی‌های پیش‌گفته را در نظر گرفت. نمونه‌های اینجا تنها نشان‌دهندهٔ چگونگی بهبود چند مورد از طراحی‌های سنتی متداول است.

دو جدول زیر دو روش بسیار متداول در به‌کارگیری UPSهای با ترانسفورماتور را نمایش می‌دهند که در طراحی سیستم‌های‌ اولیه به کار می‌رفته‌اند. انواع دیگری از این طراحی‌ها نیز هستند که در آن‌ها جای قدیمی نصب ترانسفورماتور بهینه نیست. ازاین‌رو بردن ترانسفورماتور اینورتر به ورودی، یا به بای‌پس، یا به‌کلی حذف‌کردن آن رویکرد بهتری است.

جدول 7a – مقاله ۹۸ پیکربندی سنتی جفت‌ورودی با ترانسفورماتور اینورتر	جدول 7b – مقاله ۹۸ پیکربندی سنتی تک‌ورودی با ترانسفورماتور اینورتر

گزینه‌های ترانسفورماتور درون دستگاه UPS

در این مقاله نشان دادیم چندین طراحی مرجع وجود دارد که در محل UPS، دارای ترانسفورماتور ورودی هستند. آن‌ها را می‌توان در بای‌پس، یک‌سوساز، یا در ورودی‌های ترکیبی نصب کرد. سازندگان UPS می‌باید این ترانسفورماتورهای ورودی را برای سادگی کارِ طراحی و اجرا، به‌شکل گزینهٔ از پیش طراحی‌شده و موجود در UPS ارائه دهند.

برخی طراحی‌های مطلوب، ترانسفورماتور خروجی را دور از محل UPS قرار داده‌اند. چنین ترانسفورماتورهایی بهتر است درون دستگاه‌های PDU یا در سالن فاوا باشند. این‌ها گزینهٔ مناسبی برای سیستم UPS نیستند؛ مگر وجودشان برای تغییر ولتاژ ضروری باشد.

نتیجه‌گیری

ترانسفورماتور در نصب بسیاری از UPSها به کار می‌رود. این نکته برای هر دو نوع UPS با ترانسفورماتور و بدون ترانسفورماتور درست است. در نصب UPS، ترانسفورماتورها کارکردهای مهمی دارند. از جملهٔ این کارکردها می‌توان به تغییر ولتاژ، پیوند دادن سیستم‌های اتصال‌به‌زمین، حذف چرخه‌های نول، همچنین حفاظت در برابر انواع خطا اشاره کرد. بیشتر UPSهای مدرن بدون ترانسفورماتور هستند؛ ولی ترانسفورماتور همچنان معمولا و نه همیشه، جزء ضروری طراحی سیستم به شمار می‌رود. بسیاری از طراحی‌ها به ترانسفورماتور نیاز دارند؛ بلکه از نظر قانون به‌کارگیری آن الزامی است.

در سیستم‌های UPS با ترانسفورماتور، کمابیش هرگز ترانسفورماتور در جایی نیست که برای دستیابی به اهداف طراحی بهینه باشد. در سیستم‌های بدون ترانسفورماتور، آن را به‌کلی حذف کرده‌اند؛ ولی انعطاف‌پذیری فراهم ساخته‌اند تا با داشتن گزینه‌های حذف یا جابه‌جاییِ ترانسفورماتور بتوان برای دستیابی به اهداف تعیین‌شده، بهترین جایی که طراحی را بهینه می‌سازد مشخص کرد.

بیش از ۵۰ چیدمان گوناگون از ترانسفورماتورها در این مقاله آمده است که می‌توان در سیستم‌های UPS به کار برد. ۱۰ مورد از این چیدمان‌ها به‌عنوان راهکار برتر برای طراحی‌های مرکزداده معرفی شد. گزینش نهایی به اولویت‌ها و محدودیت‌های طراحی بستگی دارد که در این مطلب بدان اشاره کردیم. چیدمان‌های برتر ترانسفورماتور در سیستم‌های UPS با توان زیاد، متفاوت از سیستم‌ها UPS با توان کم است. برخی از این چیدمان‌های مطلوب برای بهبود دادن شرایط تامین توانِ ویژه و برای اتصال‌به‌زمین بی‌کیفیت برق شهری به کار می‌روند. بهترین حالت در همگی این چیدمان‌ها آن است که از UPS بدون ترانسفورماتور استفاده شود؛ ولی ترانسفورماتورهای دیگر نیز در طراحی سیستم به کار رود.

پانویس

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

APC White Paper 98: “The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS Systems” (Revision 0)

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] Power Distribution Units (واحد توزیع برق)

[3] “or electrically floated”

[4] Single Mains Without Bypass

[5] Circulating Currents

[6] APC White Paper 75: Comparing UPS System Design Configurations

[7] Transformer-based UPS

[8] Transformerless UPS

[9] Delta-wye Transformer or Δ-Y Transformer

[10] گاهی به این القاگر چوک (Choke) یا خفه‌کن می‌گویند که برای مسدود کردن فرکانس‌های بالاتر جریان متناوب AC در مدار الکتریکی استفاده می‌شود.

[11] این مقاله در همین مجموعه، با یکی‌کردن مقالات ۲۶ و ۳۸ دربارهٔ هارمونیک‌ها ترجمه و ارائه شده است. در اینجا متن انگلیسی به مقالهٔ شمارهٔ ۲۶ اشاره می‌کند. (ویراستار):

APC White Paper 26: Hazards of Harmonics and Neutral Overloads

[12] در حوزهٔ برق قدرت در ادبیات بازاری ایران، به پیکربندی دلتا (∆) «مثلت» و به پیکربندی وای (Y) «ستاره» می‌گویند. (ویراستار)

[13] نمونه‌ای که در شکل ۳ می‌بینید، ترانسفورماتور «دلتا وای» است. انواع دیگری از ترانسفورماتور از جمله Delta-Delta یا Wye-Delta یا Wye-Wye نیز وجود دارد. ترانسفورماتور دلتا وای مزایای ویژه‌ای دارد و کمابیش تنها از همین در مراکزداده استفاده می‌شود. دلایل فنی این مسئله در بسیاری از کتاب‌های سیستم‌های برق آمده است؛ ما در اینجا به آن نمی‌پردازیم.

[14] Separately Derived Source

[15] استفاده از لوله‌های آب برای ایجاد سیستم اتصال‌به‌زمین در هر کشوری مجاز نیست. مشورت با مقامات محلی ضرورت دارد.

[16] این راهکار تنها برای باس پرقدرت است و در توزیع نهایی مصارف فاوا به‌کار نمی‌رود.

[17] Residual-Current Device (RCD)

[18] Terra Neutral – Separate

[19] Terra Neutral – Common

[20] Terra Terra

[21] Insulated Terra

[22] Isolated Terra – with High-Resistance Ground

[23] Phase to ground faults

[24] APC White Paper 75: Comparing UPS System Design Configurations

[25] Transformer-based UPS

[26] Transformerless UPS

[27] Open Neutral Conditions

[28] Residual Current Detectors