برق. برق اضطراری. برق یو پی اس. ups. منبع تغذیه بی وقفه

شبکه های برق شهری که برای تغذیه دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند، همگی AC با شکل موج سینوسی هستند  ولی ولتاژ و فرکانس شبکه های برق مختلف با هم تفاوت دارند.
به طور کلی دو شبکه با استاندارد اروپایی HZ 50/ V 220   و استاندارد آمریکایی HZ 60/ V 120  بیشترین کاربرد را در سراسر جهان دارند. دسترسی به شبکه ای عاری از اغتشاش همیشه میسر نیست وبه طور ناخواسته اختلالات و اغتشاشاتی در شبکه برق سراسری به وجود می آید که اعهم آنها و تاثیراتشان عبارتند از:

  ضربه ولتاژ شدید(Spike) :
ولتاژهای سوزنی با دامنه و فرکانس خیلی بالا، بادوام چند ده میکروثانیه و با  
دامنه های چند صد ولت ، که می توانند موجب تخریب برخی قطعات الکترونیکی گردند .
2-   افزایش (Surge) و کاهش (Dip) ناگهانی ولتاژ حداکثر در یک پریود برق شهر این حالت دیده می شود و در اثر آنها ولتاژ برق به مدت 10 الی 20 میلی ثانیه بیش از 10% از ولتاژ نامی شبکه تغییر می نماید .
3  کاهش دراز مدت ولتاژ(under Voltage) :   گاهی در اثر وجود یک بار مصرفی بزرگ در بخشی از شبکه ولتاژ برق در آن بخش با کاهش مواجه می شود اگر میزان افت ولتاژ از حدی بیشتر باشد می تواند موجب اختلال در عملکرد دستگاههای الکتریکی مانند Reset شدن کامپیوترها شود .
-   اعوجاج (Sag) و نویز (Noise) در شبکه: در اثر اتصال بارهای غیر خطی مانند سوئیچینگ تریستورها و موتورهای القائی جریان ضربه ای از شبکه کشیده میشود که موجب شکستگی و نویز در شکل موج ولتاژ شبکه می گردد. این نویزها در شبکه های کامپیوتری می توانند موجب خطا درخطوط دیتا و از دست رفتن سیگنال های اطلاعاتی گردد.
-   قطع برق (Black-Out) : ممکن است برق بخشی از شبکه سراسری در اثر افزایش بار مصرفی یا در اثر خرابی تجهیزات توزیع، یا حوادث طبیعی برای مدتی کوتاه یا طولانی قطع گردد. قطع برق موجب از کار افتادن سیستم های کنترل صنعتی و شهری و نیز موجبReset شدن کامپیوترها می شود که علاوه بر از دست رفتن اطلاعات نرم افزارهای در حال کار می تواند موجب صدمه کلی به نرم افزار و سخت افزار سیستم ها گردد.
UPS سیستمی است که در مسیر برق ورودی دستگاههای الکتریکی قرار گرفته و کیفیت برق ورودی را افزایش می دهد و در زمان قطع برق شبکه ، یک مسیر تغذیه جانشین برای بار مصرفی ایجاد می کند به طوری که تغذیه دستگاههای مذکور تحت هر شرایطی عاری از نویز نوسان و وقفه باشد. هر اندازه که یک UPS مقادیر بیشتری از اختلالات موجود در برق شهر را تصحیح یا حذف نماید و شکل موج ولتاژ خروجی آن در هر شرایطی به شکل موج سینوسی بدون اعوجاج و با دامنه ثابت نزدیکتر باشد از کیفیت بالاتری برخوردار است  
به طوری که دیده می شود در هر UPS دو مسیر تغذیه برای  بار وجود دارد یکی از طریق حذف ضربه های ولتاژ و فیلتراسیون برق ورودی از شبکه و دیگری از مسیر شارژر باتری واینورتر که باتری در هنگام قطع برق شهر به عنوان Back-up  سیستم پشتیبانی بار مصرفی را به عهده دارد. یکی از این دو مسیر به عنوان مسیر اصلی در هنگام کار نرمال سیستم بار را تغذیه می کند و در هنگام بروز خطا در مسیر اصلی مسیر دیگر به عنوان جانشین وارد مدار می شود UPS ها با توجه به نوع شکل موج خروجی و نیز مسیر اصلی و جانشین در بلوک فوق و ساختار مداری آن به انواع مختلفی با مزایا و معایب متفاوت تقسیم می شوند که بحث در مورد آنها به فرصت دیگر موکول می شود .
UPS ها به دو دسته کلی On Line  وOff Linc  تقسیم می شوند. در نوع On line بارخروجی همواره از اینورتر و بارتی که به وسیله شارژر متصل به شبکه در حالت شارژ دائم است تغذیه می گردد . یعنی اینورتر سیستم همواره فعال بوده و هر گونه اختلال و اغتشاشی در  برق ورودی به خروجی منتقل نمی گردد و خروجی مستقل از ورودی می باشد. برعکس در نوع Off Line  بارخروجی از طریق ولتاژ شبکه که فیلتر شده است تغذیه می شود و تنها در حالت قطع یا خطا در برق ورودی ، اینورتر فعال شده واز طریق باتری خروجی را تغذیه می کند .
در UPS های نوعOn Line  شارژ و اینورتر هر دو همیشه فعال هستند و شارژر علاوه بر جریان باتری، جریان DC  ورودی اینورتر را نیز تامین می کند که این تبدیل و انتقال توان از برق ورودی به شارژر و سپس اینورتر ، بیش از 30% تلفات دربرخواهد داشت که حرارت تولید شده راندمان و طول عمر دستگاه را کاهش  
می دهد . ولی در نوع OFFLINE  تنها در حالت وجود خطا دربرق ورودی، فعال می شود و شارژر نیز تنها جریان شارژ باتری ها را که بسیار کمتر از جریان مصرفی اینورتر است تامین می کند. بنابراین تلفات حرارتی در نوع Off Line بسیار کمتر است لذا این نوع UPS ها از راندمان و طول عمر بیشتری برخوردارند .
به طوری که قبلا گفته شد هر گاه یک UPS میزان بیشتری از اختلالات برق ورودی را حذف یا اصلاح نماید از کیفیت بهتری برخوردار است . یکUPS نوع On Line تقریبا تمامی این اختلالات را اصلاح می نماید ولی یک UPS نوع Off Line بخشی از اختلالات را حذف می کند ولی از آنجایی که یک UPS نوع On Line بسیار گران تر و حجیم تر ازیک UPSنوع Off Line است با توجه به نیاز مصرف کنندگان و به منظور تلفیق برخی مزایای انواع On Line  وOff Line  بسیاری از UPS  های موجود مطابق تعریف کلاسیک به صورت مشخصOn Line یاOff Line  نیستند بلکه با ساختاری متفاوت ساخته می شوند که چند نمونه پرکاربردتر به شرح زیر معرفی می شوند :
1-UPS های مدل Hybrid در این ساختار شکل (1) در مسیر اصلی برق ورودی یک یکسوساز قرار می گیرد که ورودی را یکسو نموده و بعد اینورتر ولتاژ یکسو شده را به ولتاژ AC  درخروجی تبدیل می کند.در مسیر جانشین پس از شارژر و باتری یک مبدل DC  بهDC  اضافه شده که هنگام وجود خطا در برق شبکه ولتاژ باتری را به ولتاژ DC برابر با مقدار یکسو شده شبکه تبدیل نموده وبه ورودی اینورتر اعمال می نماید. در این سیستم چون همواره اینورتر فعال است مشابه On Line عمل می کند واز آنجایی که مسیر جانشین از باتری و مبدل DCبه DC در هنگام وجود خطا  در شبکه فعال می گردد مشابه UPS هایOff Line می باشد .
2- UPS های Ferroresonance
این ساختار بر اساس خواص نوعی از ترانس با هسته فرورزنانس و دارای یک سیم پیچ کنترل اضافه عمل می کند. ماده مخصوص فرورزنانس موجود در هسته با محدود کردن برخی نوسانات برق ورودی موجب رگولاسیون و تثبیت شکل موج خروجی در وضعیت وجود برق شبکه نیز می شود همچنین ایزولاسیون بین خروجی و ورودی را هم ایجاد می کند. این ترانسفورمرها اگرچه به عنوان فیلتر جهت حذف نویزها وحالت های گذرا در شبکه عمل می کنند ولی به علت این که برای رگولاسیون در منطقه اشباع کار می کنند موجب ایجاد اعوجاج ولتاژی در خروجی می شوند .
اشباع بودن ترانسفورمر، فرورزنانس حرارت زیادی تولید می کند لذا راندمان این گونه سیستم ها را بسیار کاهش می دهد در خروجی ترانسفورمر خازن هایی با ظرفیت نسبتا زیاد قرار داده می شود که همراه با امپدانس ترانسفورمر ایجاد یک فیلتر LC با Q نسبتا بالا می کنند که به تضعیف حالت های گذرا و اختلالات شبکه کمک شایانی خواهند نمود .
ترانسفورمر فرورزنانسی در هنگام بروز خطا در برق ورودی و انتقال به اینورتر انرژی ذخیره شده در هسته اشباع شده را به صورت رزنانس LC به خروجی منتقل می کند  و زمان انتقال را گاه تا حد صفر ثانیه کاهش می دهد از این رو بعضا این UPS ها را به عنوان On Lineیا نیمه On Line معرفی می کنند. در صورتی که اینورتر این UPS ها فقط در هنگام قطع برق ورودی فعال شده و در حقیقت از نوع On Line می باشند. (شکل 2 )
۳ - UPS های مدل Line Interactive
در این طرح به طوری که در شکل (3) مشاهده می شود یک مبدل ACبه DC دو طرفه وجود دارد که در صورت وجود شبکه به عنوان شارژر باتری و در هنگام وجود خطا در برق ورودی به صورت اینورتر عمل کرده و بار را از طریق باتری تغذیه می کند. در این طرح بخشی از ترانسفورمراینورتر همیشه به خروجی متصل بوده و به عنوان فیلتر برق شبکه عمل می کند. این UPS ها دارای راندمان و قابلیت اطمینان بالا بوده و بسیاری از اغتشاشات برق ورودی را حذف یااصلاح می نمایند و زمان انتقال از برق ورودی به اینورتر نیز در این نوع سیستم ها کمتر از سیستم های Off Line معمولی می باشد .
 
 آشنایی با برق اضطراری اماکن
برخی ازسیستمهای حساس ومهم در منازل و اماکن عمومی یا در ادارات و کارخانه هاباید هنگام قطع برق شهر به طریقی از یک منبع تغذیه دیگر استفاده کنند و به کار خود ادامه دهند.منابع تغذیه ای که  وظیفه تامین برق را در هنگام قطع برق شبکه به عهده دارند منابع تغذیه اضطراری نامیده میشوند. منابع تغذیه اضطراری بسته به سیستم مورد تغذیه خصوصیات متفاوتی دارند.برخی از منابع برق اضطراری که از باطری برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کنند فقط قادرند برای مدت محدودی بسته به مقدار مصرف سیستم مورد تغذیه برق آن تامین نمایند ولی برخی دیگر قادرند به مدت نا محدودی تا زمان وصل شدن مجدد برق شهر برق اضطراری را تامین کنند.اینگونه سیتمها دارای موتور مکانیکی وژنراتور میباشند وتا زمانی که سوخت موتور مکانیکی تامین شود میتوانند در محدوده قدرت نامی ژنراتور برق اضطراری را تامین نمایند.خصوصیت دیگری که منابع تغذیه اضطراری را از یکدیگر متمایز میکند مدت زمانی است که طول میکشد تا بعد از قطع برق شبکه برق اضطراری وصل شود. برخی از این سیستمها قادرند بدون تاخیر بعد از قطع برق شهر در عرض چند میلی ثانیه برق اضطراری را وصل نمایند .
 
اینگونه منابع تغذیه اضطراری که معمولا انرژی خود را از باطری تامین میکنند در مکانهایی مانند اتاق عمل- اتاق کامپیوتر – سیستمهای نظامی و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.در مقابل سیستمهایی که از موتور مکانیکی و مولد برای تولید برق اضطراری استفاده میکنند بدلیل اینکه موتور مکانیکی برای راه اندازی نیازمند زمان است دارای تاخیر در وصل برق اضطراری خواهند بود.لذا با توجه به خصوصیات و نیاز محل مورد استفاده، یکی از این سیستمها یا ترکیبی از هر دو نوع ممکن است استفاده گردد. در صفحه بعد نمونه هایی از  منابع تغذیه اضطراری و محل مورد استفاده آنها ذکر میگردد :
 
برق اضطراری سیستمهای ایمنی وحفاظتی
در سیستمهای ایمنی وحفاظتی نظیر سیستم اعلام حریق و سیستم تلویزیون مدار بسته یاسیستم اعلام سرقت برق اضطراری جزو ضروریات سیستم بوده و بسیار مهم میباشد.معمولا چون ولتاژ تغذیه این سیستمها ولتاژ پایین dc ودر حدود 6 و 12و 24 ولت میباشد لذا در خود تابلوی اصلی سیستم محلی برای باطریهای اضطراری در نظر میگیرند.این باطریها به مدار الکترونیکی تابلو وصل میگردند و در زمان وجود برق شهر توسط سیستم شارژ وآماده نگه داشته میشوند وهنگام قطع برق شبکه بدون تاخیر وارد مدار شده وبرق اضطراری سیستم را تامین مینمایند. مدت زمان تامین برق اضطراری بستگی به ظرفیت باطریهای مورد استفاده و مصرف سیستم دارد.مشخصات باطری مورد نیاز معمولا در راهنمای پانل اصلی ذکر میگردد.در صورت طولانی شدن زمان قطع برق شهر در اینگونه سیستمها باید قبل از اینکه شارژ باطری پایین بیاید و باطری کارآیی خود را از دست بدهد آنرا با باطری پر تعویض نمود .
 
برق اضطراری برای کامپیوترها
برای کامپیوترها وسایر دستگاههایی که در صورت قطع برق امکان از دست رفتن اطلاعات د رآنها وجود دارد یا برای مواردی مانند تجهیزات اتاق عمل که نیاز  به اعمال برق اضطراری به سیستم بدون تاخیر میباشد از منابع تغذیه اضطراری بدون تاخیر (UPS) (uninterruptable power systems) استفاده میگردد. در UPS ها برق باطریها توسط مدار اینورتر به ولتاژ 220 V AC تبدیل میگرددو در صورت قطع  برق شهر در عرض چند میلی ثانیه در اختیار سیستم قرار میگیرد .UPS در توانهای متفاوتی نظیر 300 -700 -1000 -6000 ولت آمپر ساخته میشوند وباید با توجه به تعداد ومصرف دستگاههایی که باید تغذیه شوند UPS با توان مناسب را انتخاب نمود . البته علاوه بر محدودیتی که توان خروجیUPS در تعداد دستگاههای مورد تغذیه ایجاد میکند محدودیتی نیز در زمان تغذیه دستگاهها وجود دارد.هر چه ظرفیت باطریها بیشتر باشد مدت طولانی تری میتوان دستگاهها را تغذیه کرد .   
باطریها بطور جداگانه یا در کابینتهای خاصی (BATTERY PACK) قرار میگیرد و به ترمینال ورودی DC در پشت UPS وصل می شوند . UPS ها با ولتاژ ,12 V DC   24و48 تغذیه می شوند. برای ولتاژ 24 ولت دو باطری 12 ولت و برای 48 ولت 4 باطری کاملا یکسان را با هم سری کرده و به UPS وصل می کنند. معمولاًUPS ها دارای تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ ( AVR))  (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATION می باشندتا در هنگام وجود برق شبکه عمل تثبیت ولتاژ را نیز در محدوده مشخصی انجام دهند. مقدار محدوده تثبیت ولتاژ معمولاٌ بصورت درصد در مشخصات فنی UPS ذکر می گردد .هنگامی که ولتاژ ورودی پایین است AVR ولتاژ را بالا می برد (BOOST) و هنگامی که ولتاژ ورودی بالا است AVR ولتاژ را پایین می آورد             (BUCK). در UPS های جدید یک پورت RS 232 وجود دارد که در پشت UPS قرار میگیرد و  از آن جهت اتصال به کامپیوتر استفاده می شود . بعد از وصل کردن UPS به کامپیوتر می توان با نرم افزار ارائه شده به همراه آن تنظیمات مربوطه را انجام داد. کانکتور اتصال به برق شهر نیز در پشت UPS قرار می گیرد و خروجیهای برق 220 ولت از پریزهای پشت UPS گرفته می شود .
در پانل جلوی UPS معمولا نشانگرهای زیر وود دارد :
•  نشانگر مقدار شارژ باطری  
•  نشانگر مقدار بار
•  نشانگر اضافه بار
•  نشانگر اضافه ولتاژ در شبکه
•  نشانگر استفاده از برق باطری
•  نشانگر  استفاده از  برق شبکه
•  نشانگر تعویض باطری
•  نشانگر کم بودن ولتاژ در شبکه
•  دگمه خاموش
•  دگمه روشن و تست
 
چه نیازی به UPS است؟
چه نوع UPS ؟
به نظر می رسد که کلا دو نوع سیستم UPS صرفنظر از نوع شکل موج وجود دارد . Online و Standby اما در واقع شکل های مختلفی از سیستم های UPS موجود است که در این طبقه بندی ها قرار نمی گیرند. بسیاری   از مشکلات در مورد انتخاب UPS در صورت روشن شدن این نکته از میان می رود .
اصول اولیه UPS
سیستم های UPS جهت کار دستگاههای  الکترونیکی تغذیه شده توسط برق به صورت بلاانقطاع مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع اضافه کردن UPS به سیستم تغذیه دو امتیاز را موجب می گردد :
1-  کیفیت بهتر قدرت تحویلی به مصرف کننده
2-  یک منبع تغذیه کمکی
منظور از افزایش کیفیت قدرت شبکه جلوگیری از ضربات برق شهر مانندSurgea-sag و نویز روی بار می باشد .
از طرف دیگر از طریق یک واحد کمکی در صورت قطع برق شهر UPSکار تغذیه سیستم را انجام می دهد. در نمودار زیر واحدهای UPSمختلف یک سیستم UPS به صورت بلوک های نمایش داده شده است .
در واقع UPS های Online و Standby از نظر بلوک دیاگرام با یکدیگر تفاوتی ندارند. نکته اصلی در انتخاب دو مسیر 1 و 2 می باشد. در سیستم Online مسیر اولیه سیستم خط پایین کلید تبدیل در حالت اولیه خروجی را به مبدل متصل می کند. و در صورت هر گونه اشکالی در مسیر 2 که باعث قطع ولتاژ گردد از طریق کلید بار به شبکه فیلتر شده متصل خواهد شد .
اما در سیستم Standby در حالت عادی برق شهر پس از فیلتر شدن به بار می رسد. و در صورت بروز اشکال برق شهر از سیستماینورتر به عنوان تغذیه کمکی استفاده می گردد . اگر چه تفاوت کمی بین دو سیستم Standby و Online موجود است. اما در عمل این تفاوت بسیار مهم است. یک تفاوت جالب بین این دو سیستم این است که در نوعStandby ایجاد هر گونه اشکال در برق شهر باعث تغییرات در وضعیت کلید تبدیل می گردد. که این برخلاف سیستم های online کلاسیک است .
در این سیستم تنها زمانی سوئیچ عمل می کند که هر کدام از قسمت های مسیر 2 دچار اشکال می گردند. به علاوه در صورت تغییرات ناگهانی در بار و کاهش شدید ولتاژ نیز امکان تغییر حالت اولیه به حالت برق شهر وجود دارد. بنابراین حتی در سیستم های Onlineنیز زمان تغییر حالت نیز وجود دارد که حتی گاهی اوقات این تغییر وضعیت ها مانند حالت Stadby موجود است . در حالت Online شارژر سیستم باید به اندازه ای بزرگ باشد که علاوه بر تامین بار مورد نظر از تخلیه باتری نیز جلوگیری کند .
اما در حالت Standby شارژر تنها برای شارژ باتری لازم است که غالبا بسیار کوچکتر از مورد اول خواهد بود .
حرارت تولید شده در سیستم های Online که ناشی از کارشارژر و اینورتر می باشد  بسیار بالا است . این حرارت موجب تلفاتی در حدود 25  درصد می گردد که موجب کاهش عمر قطعات الکترونیکی درونUPS می گردد. بعلاوه چنانچه باتری در جعبه UPS قرار گرفته باشد حرارت باعث کاهش عمر باتری نیز  
می گردد.  امروز انواع مختلف دیگری از UPS موجود است که اشتباها در طبقه بندی همان دو سیستم ذکر شده قرار می گیرند و اکنون به اختصار در مورد آئها توضیح داده می شود :
1-Online بدون مسیر ثانویه
در این سیستم در واقع از مسیر یک استفاده نشده است .
 
بدین صورت هر گونه اشکال در هر کدام از سه واحد بالا باعث قطع ولتاژ می گردد در واقع سیستم یکی از دو مشخصه اصلی هر UPS را که تهیه ولتاژ بطور مداوم است را ندارد. در این سیستم به علت عدم وجود مسیر میان بر (By Pass) اصولا زمان تبدیل وجود ندارد. سیستم های بزرگ UPS جهت استفاده برای مینی کامپیوترها و مین فریم ها از این نوع انتخاب مستثنی هستند .
۲ -    ترکیب Standby و Online
این رو شدر واقع جهت رفع اشکال حالت او مورد استفاده است. شکل بلوک دیاگرام زیر :
در این روش زمان تبدیل وجود ندارد واز طرف ابعاد شارژ به اندازه حالت Standby است اما به هر صورت در خروجی دستگاه تنها یک مسیر خروجی وجود دارد که این یک نقص است برخلاف آنچه تصور می شود این سیستم از قسمت باتری تا خروجی به صورت نیمهOn;ine و از قسمت مبدل DC_DC به صورت Standby می باشد .
 
3-Standby با ترانسفورماتور Ferro
اصول کار این سیستم بر مبنای یک ترانس با سه سیم پیچ می باشد .
در حالت عادی برق شهر از طریق کلید تبدیل وترانس خروجی متصل می گردد و در صورت ایجاد اشکال کلید تبدیل باز شده و UPS از طریق مسیر پایین کار می کند .
در این سیستم واحد مبدل به صورت Standby می باشد. اثر FerroResonant ترانسفورماتور باعث تغییراتی در شکل موج خروجی می گردد. گرچه حالت ایزولاسیون در این نوع ترانسفورماتور باعث فیلتر شدن برق شهر می گردد اما خود ترانس باعث ایجاد امواج در شکل موج خروجی می گردد . از طرف دیگر حرارت تولید شده به علت وجود ترانس در این روش بسیار مهم است .
1- UPS با ارتباط داخلی :
طی این روش مسیر شارژر باتری از طریق کار مبدل AC و DC صورت می گیرد و در صورت کاهش برق شهر و یا قطع برق آن باتری کار تغذیه سیستم مبدل را بر عهده می گیرد چون مبدل همواره به خروجی متصل است بنابراین این اشکالات ناشی از زمان تبدیل و حالات گذرا را ندارد .