معرفی انواع یو پی اس

معرفی انواع یو پی اس:
اغلب تصور می شود سیستم های یو پی اس دو نوع آماده به کار یا استندبای (Standby) و برخط یا آنلاین (Online) دارند.

در حقیقت، این دو دسته، خود نماینده انواع دیگری نیز هستند. در ادامه، انواع یو پی اس و ساختار آن ها را معرفی خواهیم کرد.

مهم ترین انواع یو پی اس را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:

• آماده به کار یا استندبای (Standby).
• تعاملی با خط (Line Interactive).
• استندبای آنلاین ترکیبی (Standby on-line Hybrid).
• استندبای-فِرّو (Standby-Ferro).
• آنلاین با تبدیل دومرحله ای (Double Conversion On-Line).
• آنلاین با تبدیل دلتا (Delta Conversion On-Line).

در ادامه، هر یک از این UPSها را توضیح خواهیم داد.

یو پی اس استندبای:
یو پی اس استندبای رایج ترین نوع UPS در کامپیوترهای شخصی است. شکل زیر نمودار بلوکی یک یو پی اس استندبای را نشان می دهد.

در این شکل، سوئیچ انتقال وظیفه انتخاب ورودی AC فیلتر شده را به عنوان منبع توان اولیه دارد (خط ممتد) و وقتی این منبع با مشکل مواجه شود، روی باتری/اینورتر به عنوان منبع پشتیبان سوئیچ می کند.

اینورتر تنها وقتی شروع به کار می کند که منبع توان اصلی با مشکل مواجه شود. به همین دلیل است که به این نوع یو پی اس آماده به کار یا استندبای می گویند.

شکل 1: یو پی اس استندبای
از ویژگی های این نوع یو پی اس، می تواان به بازده بالا، اندازه کوچک و هزینه کم اشاره کرد. با تعبیه سرج ارستر و فیلتر مناسب، این سیستم ها فیلترسازی نویز و حذف تغییرات ناگهانی مطلوبی خواهند داشت.

یو پی اس تعاملی با خط:
یو پی اس تعاملی با خط در شکل 2 نشان داده شده است و رایج ترین نوع یو پی اس برای کسب وکارهای کوچک و سرورها است. در این نوع یو پی اس، یک مبدل DC به AC یا اینورتر وجود دارد که توان AC خروجی را تأمین می کند. وقتی برق شهر در شرایط عادی کار می کند، اینورتر در جهت عکس کار کرده و باتری را شارژ می کند.

شکل 2: یو پی اس تعاملی با خط
وقتی توان ورودی قطع می شود، سوئیچ انتقال باز شده و توان از باتری به خروجی یو پی اس انتقال پیدا می کند. از آنجایی که اینورتر همیشه کار می کند و به خروجی متصل است، این طراحی فیلترسازی اضافه ای دارد و در مقایسه با یو پی اس استندبای، موجب کاهش اثرات حالت گذرای سوئیچینگ می شود.

علاوه بر این، طراحی تعاملی با خط معمولاً دارای یک ترانسفورماتور با تپ تغییردهنده است. با این ترانسفورماتور، اگر ولتاژ ورودی تغییر کند، تنظیم ولتاژ قابل دستیابی است. تنظیم ولتاژ در شرایطی که ولتاژ ضعیف وجود داشته باشد، یک ویژگی بسیار مهم است.

این استفاده مکرر از باتری می تواند باعث از کار افتادن زودرس آن شود. با این حال، اینورتر همچنین می تواند به گونه ای طراحی شود که خرابی آن در جریان برق از ورودی AC به خروجی وقفه ای ایجاد نکند.

این امر سبب حذف پتانسیل خرابی آن نقطه شده و به طور موثر دو مسیر توان مستقل را فراهم می کند. این توپولوژی ذاتاً بسیار کارآمد است و منجر به قابلیت اطمینان بالا و در عین حال محافظت از سیستم می شود.

از مزایای این نوع یو پی اس می توان به بازده بالا، هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا همراه با قابلیت تصحیح شرایط ولتاژ بالا یا پایین خط اشاره کرد. بازه توان این نوع یو پی اس از 0٫5 تا 5 کیلوولت-آمپر است.

یو پی اس آنلاین هیبریدی:
یو پی اس هیبریدی آنلاین یک توپولوژی UPS است که برای بسیاری از UPSهای زیر 10 کیلوولت-آمپر مورد استفاده قرار می گیرد و نوعی یو پی اس «آنلاین» است. وقتی وقفه در تأمین توان AC تشخیص داده شود، مبدل DC به DC روشن شده و یو پی اس مانند نوع استندبای خواهد بود.

شارژر باتری در این سیستم نیز مانند UPSهای استندبای کوچک است. به دلیل وجود خازن ها در جعبه تقسیم یا باس DC، زمان انتقال در هنگام وقوع مشکل در تأمین توان AC بسیار کم است. این مدار گاهی با یک سوئیچ انتقال اضافه برای بای پس طی نقص یا اضافه ولتاژ به کار می رود. شکل 3 توپولوژی این یو پی اس را نشان می دهد.

شکل 3: یو پی اس آنلاین هیبریدی
در این نوع یو پی اس، معمولاً به اشتباه استنباط می شود که مسیر اولیه و اصلی توان همیشه آنلاین است.

در حالی که تنها نصف مسیر توان از باتری به خروجی (اینورتر) آنلاین است و نصف دیگر (مبدل DC به DC) در مد استندبای کار می کند.

یو پی اس استندبای-فرو:
یو پی اس استندبای-فرو بیشتر در توان های 3 تا 15 کیلوولت-آمپر وجود دارد. این توپولوژی مبتنی بر یک ترانسفورماتور اشباع مخصوص است که سه سیم پیچی (اتصالات توان) دارد.

مسیر اولیه یا اصلی توان از ورودی AC است، که از طریق یک کلید انتقال و ترانسفورماتور به خروجی منتقل می شود. وقتی توان دچار مشکل شود، کلید انتقال باز شده و اینورتر بار خروجی را تغذیه می کند.

شکل 4: یو پی اس استندبای-فرو
یو پی اس استندبای-فرو دارای قابلیت اطمینان بالا و فیلترسازی خط عالی است. البته این نوع UPS وقتی در کنار تعدادی ژنراتور و کامپیوترهای اصلاح شده استفاده شود، بازده بسیار پایینی دارد.

در UPS نوع استندبای-فرو، اینورتر در مد استندبای قرار دارد و وقتی توان ورودی با مشکل مواجه شود، کلید انتقال باز می شود.

ترانسفورماتور دارای قابلیت ویژه فرو-رزونانسی (Ferro-Resonant) است که تنظیم ولتاژ محدود روی شکل دهی شکل موج خروجی را فراهم می کند. جداسازی از حالات گذرای توان AC با یک ترانسفورماتور فرو (آهنی) فراهم می شود که از هر فیلتر دیگری بهتر است.

اما ترانسفورماتور فرو، خودش باعث اعوجاج ولتاژ خروجی می شود که می تواند بدتر از یک اتصال AC ضعیف باشد. با اینکه این یو پی اس یک نوع استندبای است، اما مقدار زیادی گرما تولید می کند، زیرا ترانسفورماتور فرو-رزونانسی ماهیتی کم بازده دارد.

این ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهایی با عایق عادی بزرگ تر هستند و بنابراین، UPSهای استندبای-فرو در حالت کلی بزرگ و سنگین هستند.

UPSهای استندبای-فرو، حتی اگر یک کلید تبدیل داشته باشند، اینورتر در مد استندبای کار کند و طی مشکل در توان AC به صورت یک مشخصه انتقال رفتار کنند، به عنوان واحدهای آنلاین نشان داده می شوند.

دلیل اصلی آنکه UPSهای استندبای-فرو رواج چندانی ندارند، این است که وقتی بار منبع تغذیه یک کامپیوتر مدرن باشد، اساساً ناپایدار خواهد بود.

تمام سرورها و روترهای بزرگ، از منابع تغذیه با ضریب توان اصلاح شده استفاده می کنند که وقتی با امپدانس رزونانس نسبتاً بالای ترانسفورماتور فرو کوپل می شوند در برخی بازه های فرکانسی مقاومت ورودی منفی دارند. این موضوع می تواند منجر به نوسانات خودبه خود و آسیب زننده شود.

یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله ای:
این نوع UPS، رایج ترین نمونه برای UPSهای بالای 10 کیلوولت-آمپر است. نمودار بلوکی یو پی اس آنلاین با تبدیل دوگانه در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 5: یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله ای
در توپولوژی آنلاین با تبدیل دو مرحله ای، خطای توان AC ورودی سبب فعال سازی کلید انتقال نمی شود، زیرا توان AC ورودی منبع اولیه و اصلی نیست و بیشتر یک منبع پشتیبان است. بنابراین، هنگام رخ دادن خطا در توان AC ورودی، عملکرد آنلاین را بدون زمان انتقال خواهیم داشت.

در مد آنلاین، وقتی توان از مسیر شارژر/باتری/اینورتر اصلی با مشکل مواجه شود، زمان انتقال وجود خواهد داشت.

این مورد زمانی اتفاق می افتد که هر بلوکی از سیستم در مسیر توان با شکست مواجه شود. در صورت تغییرات سریع بار یا مشکلات کنترلی داخلی، توان اینورتر نیز می تواند برای مدت کوتاهی با مشکل مواجه شود.

برخلاف UPSهای استندبای و تعاملی با خط که در زمان خاموشی اندکی زمان انتقال دارند، یک یو پی اس تعاملی با خط وقتی زمان انتقال خواهد داشت که یک پله بار یا جریان هجومی رخ دهد. این زمان انتقال در نتیجه انتقال بار از اینورتر UPS به خط بای پس است.

در حالت کلی، این خط بای پس با یک یکسوکننده کنترل شده با سیلیکون یا همان SCR تشکیل می شود. این سوئیچ های حالت جامد بسیار سریع و معمولاً 4 تا 6 میلی ثانیه عمل می کنند. در این طراحی، هر دو شارژر باتری و اینورتر شارش توان بار کل را تبدیل می کنند که موجب کاهش بازدهی و افزایش تولید گرما می شود.

یو پی اس آنلاین با تبدیل دلتا:
این طراحی UPS که در شکل 6 نشان داده شده است، یک توپولوژی جدید است که برای غلبه بر معایب یو پی اس آنلاین با تبدیل دومرحله ای ارائه شده و در محدوده 5 کیلوولت-آمپر تا 1 مگاولت-آمپر مورد استفاده قرار می گیرد.

مشابه مدار آنلاین با تبدیل دو مرحله ای، یو پی اس آنلاین با تبدیل دلتا نیز همیشه اینورتر تغذیه کننده بار دارد. البته، مبدل دلتای اضافه نیز در انتقال توان به خروجی اینورتر مشارکت می کند. در شرایط خطای AC یا اغتشاش، این طراحی رفتار یکسانی با یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله ای دارد.

شکل 6: یو پی اس آنلاین با تبدیل دلتا
در شرایط حالت مانا، مبدل دلتا این اجازه را به یو پی اس می دهد که توان را با بازده بزرگ تری نسبت به یو پی اس با تبدیل دومرحله ای تحویل دهد.

یک راه ساده برای درک بازده انرژی یو پی اس با مبدل دلتا، در نظر گرفتن مثال انرژی مورد نیاز برای تحویل یک بسته از طبقه چهارم به پنجم در یک ساختمان است (شکل 7).

یو پی اس آنلاین با تبدیل دو مرحله ای توان را به باتری تحویل داده و دوباره از آن بر می گرداند، در حالی که مبدل دلتا توان را مستقیماً از ورودی به خروجی می برد.

شکل 7: مقایسه تبدیل دو مرحله ای با تبدیل دلتا
در مدار آنلاین با تبدیل دلتا، مبدل دلتا با دو هدف کار می کند. اولین هدف، کنترل مشخصه توان ورودی است. این مبدل، توان ورودی سینوسی را می گیرد، و هارمونیک های منعکس شده روی شبکه را حداقل می کند.

این امر شرایط بهینه خطوط برق و سیستم های ژنراتور را تضمین می کند و گرما و استهلاک سیستم را در سیستم توزیع کاهش می دهد. عملکرد و هدف دوم مبدل دلتا، شارژ باتری یو پی اس با کشیدن توان و تبدیل آن به ولتاژ شارژ DC مناسب است.

UPSهای آنلاین تبدیل دلتا مشخصه خروجی یکسانی با نوع آنلاین دو مرحله ای دارند. البته مشخصه ورودی آن ها کاملاً متفاوت است.

با اصلاح ضریب توان کامل، یو پی اس آنلاین کنترل توان ورودی و کنترل توان خروجی را مهیا می کند. مهم ترین مزیت این مورد، کاهش چشمگیر تلفات انرژی است.

کنترل توان ورودی، همچنین موجب سازگاری یو پی اس با همه مجموعه های ژنراتورها می شود و نیاز به سیم و اندازه بزرگ ژنراتور را کاهش می دهد.