در این مقاله نگاه جامعی به سیستم های یو پی اس (UPS) از منظر توپولوژی، عملکرد، دینامیک و سیستم کنترل خواهیم داشت. سیستم های یو پی اس متداول، مزایای آن ها، ساختار پیشرفته و نقش الکترونیک قدرت مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مقدمه:

منابع تغذیه بدون وقفه (Uninterruptible Power Supply) یا سیستم های یو پی اس (UPS) برق با کیفیت بالا و قابل اطمینان را برای بارهای حیاتی فراهم می کنند. در واقع یو پی اس بارهای حساس را در مقابل قطعی برق و شرایط کاهش یا افزایش ولتاژ حفاظت می نمایند. یو پی اس همچنین اغتشاشات هارمونیکی و گذرای خط را خنثی می کنند. کاربرد یو پی اس شامل تأسیسات و تجهیزات پزشکی و درمانی، سیستم های کامپیوتر و مراکز داده، تجهیزات اضطراری، سامانه های ارتباطی (telecommunication) فرآیندهای صنعتی و سیستم های مدیریت آنلاین می باشند.

یو پی اس ایده آل می بایست دارای ویژگی های زیر باشد:

• ولتاژ خروجی سینوسی کنترل شده با اغتشاش هارمونیکی پایین (THD) و مستقل از تغییرات ولتاژ ورودی و تغییرات بار الکتریکی
• عملکرد آنلاین یعنی زمان کلیدزنی صفر از وضعیت نرمال به وضعیت پشتیبانی (back-up) و برعکس
• اغتشاش هارمونیکی پایین (THD) جریان ورودی سینوسی
• ضریب توان واحد
• قابلیت اطمینان بالا
• بازده بالا
• تداخل الکترومغناطیسی پایین (EMI)
• نویز کم
• ایزولاسیون الکتریکی
• تعمیر و نگهداری پایین
• هزینه، سایز و وزن پایین

طبقه بندی

یو پی اس را می توان به سه دسته الف) یو پی اس استاتیک ب) یو پی اس گردان ج) یو پی اس ترکیبی استاتیک/گردان تقسیم نمود.

الف) یو پی اس استاتیک (Static UPS)

یو پی اس استاتیک پرکاربردترین سیستم های یو پی اس هستند. آن ها دارای کاربردهای وسیعی از کامپیوترهای خانگی و سیستم های ارتباطی گرفته تا سیستم های پزشکی توان متوسط و سیستم های صنعتی توان بالا می باشند. مزیت اصلی یو پی اس استاتیک بازده بالا، قابلیت اطمینان بالا و THD پایین می باشد. نقطه ضعف ذاتی این یو پی اس ها عملکرد ضعیف در تغذیه بارهای غیرخطی و نامتعادل است و برای تضمین قابلیت اطمینان بالا نیاز به هزینه زیادی است. ساختارهای آنلاین (On-line)، آفلاین (off-line) و لاین اینتراکتیو (line-interactive) انواع اصلی یو پی اس های استاتیک می باشند.

• یو پی اس آنلاین (On-line) یا double-conversion

سیستم های یو پی اس آنلاین (On-line) شامل یکسوساز/شارژر، ست باتری، اینورتر و سوئیچ استاتیک (bypass) می باشد. این یو پی اس با نام double-conversion UPS یا inverter-preferred UPS هم شناخته می شوند. در این ساختار یکسوساز/شارژر به طور مداوم باس DC را تغذیه می کند. توان یکسوساز می بایست 100% توان بار به علاوه توان مورد نیاز شارژ بانک باتری باشد. باتری ها به گونه ای سایز می شوند که نیاز بار در حالت پشتیبانی (back-up) را کاملاً پوشش دهد. توان اینورتر می بایست برابر با توان مورد تقاضای بار باشد که در شرایط نرمال بار را تغذیه نماید. یو پی اس آنلاین به طور سری با بار قرار می گیرد، بنابراین هیچ زمان انتقالی بین حالت نرمال و پیشتیبانی وجود ندارد و این اصلی ترین مزیت یو پی اس آنلاین است. سوئیچ استاتیک در شرایط خطا در UPS یا اضافه بار مسیر مستقیم تغذیه بار را از مسیر bypass فراهم می نماید.

در حالت عملکردی نرمال، توان مورد نیاز بار به طور مداوم از طریق یکسوساز و اینورتر به بار می رسد یعنی در کلیه زمان ها تبدیل AC/DC و DC/AC رخ می دهد که مفهوم double conversion را توجیه می نماید.

از مزایای عمده یو پی اس آنلاین می توان به تلورانس وسیع ولتاژ ورودی و تنظیم دقیق ولتاژ خروجی اشاره کرد. از معایب  این یو پی اس ضریب توان پایین، THD بالا در ورودی و بازده پایین می باشند

Fig. 1. Block diagram of a typical on-line UPS

• یو پی اس آفلاین (Off-line) یا Standby UPS

یو پی اس آفلاین با عنوان Standby UPS یا line-preferred UPS نیز شناخته می شود. یو پی اس آفلاین از یک یکسوساز (مبدل AC/DC)، بانک باتری، اینورتر DC/AC و سوئیچ استاتیک تشکیل شده است. می توان از یک فیلتر در خروجی یو پی اس یا خروجی اینورتر برای بهبود کیفیت ولتاژ خروجی استفاده نمود. سوئیچ استاتیک در شرایط نرمال وصل است و برق شبکه را مستقیماً به بار متصل می کند و در عین حال باتری ها از طریق مبدل AC/DC شارژ می شوند. ظرفیت این مبدل نسبت به ظرفیت مبدل در یو پی اس آنلاین بسیار کمتر است زیرا نیاز نیست ظرفیت بار را نیز پوشش دهد. همین ویژگی باعث می شود که قیمت یو پی اس آفلاین بسیار پایینتر از یو پی اس آنلاین باشد.

یو پی اس آفلاین به صورت موازی با بار متصل می شود و در شرایط نرمال بهره برداری به صورت standby می ماند و زمانی وارد مدار می شود که برق ورودی دچار نوسان شود و یا کلا قطع گردد. در این زمان توان مورد نیاز از طریق باتری و اینورتر تأمین می شود. مدت زمان مورد نیاز جهت سوئیچ بین دو وضعیت فوق بستگی به زمان راه اندازی اینورتر دارد. این زمان انتقال عموماً برابر یک چهارم یک سیکل است که برای اکثر کاربری ها نظیر کامپیوترهای شخصی مناسب است.

مزیت اصلی این توپولوژی طراحی ساده، هزینه پایین و سایز کوچک است. در طرف دیگر ایزوله نبودن بار از برق شبکه، عدم رگولاسیون ولتاژ خروجی، زمان سوئیچ زنی بالا و عملکرد ضعیف در تغذیه بارهای غیرخطی از معایب یو پی اس standby است.

Fig. 2. Block diagram of a typical off-line UPS

• یو پی اس لاین اینتراکتیو (line-interactive)

یو پی اس line-interactive از یک سوئیچ استاتیک، یک سلف سری، یک مبدل دوطرفه AC/DC و بانک باتری تشکیل شده است. می توان از یک فیلتر در خروجی یو پی اس یا خروجی اینورتر برای بهبود کیفیت ولتاژ خروجی استفاده نمود. یو پی اس line-interactive می تواند هم به صورت یو پی اس آنلاین (double conversion) و هم به صورت یو پی اس آفلاین (standby) عمل کند. در حالت یو پی اس آفلاین نیاز به سلف سری نمی باشد. با این حال اکثر یو پی اس line-interactive به صورت آنلاین کار می کنند تا ضریب توان را بهبود بخشند یا تنظیم ولتاژ خروجی بار را انجام دهند.

Fig. 3. Block diagram of a typical line-interactive UPS

زمانی که برق شبکه در شرایط نوسانی از قبل تنظیم شده قرار دارد، بار مستقیماً از برق شبکه تغذیه می کند. مبدل دوطرفه AC/DC به صورت موازی با بار قرار می گیرد و باتری را شارژ می کند. همچنین می تواند توان راکتیو مورد نیاز بار را تأمین کند یا ولتاژ خروجی را تنظیم نماید. در حالتیکه بار از طریق باتری تغذیه می شود، مبدل به عنوان اینورتر عمل می کند. در این حالت سوئیچ استاتیک باز می شود.

مزیت اصلی یو پی اس line-interactive طراحی ساده و در نتیجه قابلیت اطمینان بالا و هزینه پایین در مقایسه با یو پی اس آنلاین است. همچنین هارمونیک جریان ورودی آن ها پایین است. از آنجاییکه دارای توپولوژی تک سطحی است بازده انرژی از یو پی اس double conversion بیشتر است.

از معایب یو پی اس line-interactive می توان به ایزوله نبودن کامل بار از برق شبکه می باشد که می توان با استفاده از یک ترانسفورمر ایزوله این مشکل را برطرف کرد. همچنین وضعیت ولتاژ خروجی به دلیل اینکه اینورتر به صورت سری با بار قرار ندارد مناسب نیست. توضیح اینکه در حالت نرمال اینورتر در مدار قرار ندارد که ولتاژ خروجی  و مهمتر از آن فرکانس خروجی را تنظیم نماید.

توپولوژی جدید line-interactive سری-موازی تحت عنوان یو پی اس مبدل دلتا (delta-conversion) می تواند به طور همزمان ضریب توان واحد و تنظیم ولتاژ خروجی را که در مدل های متداول line-interactive امکان پذیر نیست فراهم نماید. یو پی اس مبدل دلتا از دو مبدل دوطرفه متصل به یک بانک باتری و یک ترانسفورمر ایزوله بهره می برد. مبدل دوطرفه سری دارای ظرفیتی معادل 20% توان بار و به از طریق ترانسفورمر ایزوله به شبکه برق متصل است. مبدل دوطرفه دوم عملکردی مشابه مبدل موجود در یو پی اس line-interactive را دارد با ظرفیتی معادل 100% توان بار به صورت موازی به آن متصل است.

Fig. 4. Block diagram of a typical series-parallel line-interactive UPS

مبدل موازی ولتاژ خروجی را از طریق کنترل PWM ثابت نگاه می دارد و مبدل سری اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی را جبران می کند و همچنین ضریب توان ورودی را روی ضریب توان واحد کنترل می کند. زمانی که برق شبکه در شرایط نوسانی از قبل تنظیم شده قرار دارد، بار مستقیماً از برق شبکه تغذیه می کند و معمولا بخش کوچکی از توان (حدود 15%) از مبدل های سری و موازی عبور می کند. این جریان برای جبران اختلاف ولتاژ وروری و خرودی و دستیابی به ضریب توان واحد لازم است. از آنجاییکه بخش عمده توان بدون تبدیل (عبور از مبدل ها) از شبکه به بار منتقل می شود لذا بازده انرژی این یو پی اس بسیار بالا است. بنابراین یو پی اس delta- conversion در کاربردهای توان بالا استفاده می شود. هر چند سیستم کنترل پیچیده این توپولوژی، کاربردهای آن را محدود می کند.

ب) یو پی اس های گردان (Rotary UPS)

یو پی اس گردان یا روتاری شامل یک موتور الکتریکی AC، یک موتور الکتریکی DC، یک ژنراتور AC و بانک باتری است. ماشین های الکتریکی به صورت مکانیکی کوپل شده اند. دو حالت عملکردی وجود دارد: 1) نرمال 2) انرژی ذخیره ای. در حالت نرمال، شبکه برق موتور الکتریکی AC را تغذیه می کند که این موتور، موتور DC را می گرداند. موتور  DC نیز ژنراتور AC را می گرداند که تغذیه کننده بار است. در حالت انرژی ذخیره ای، بانک باتری موتور DC را تغذیه می کند و موتور DC نیز ژنراتور AC را می گرداند که تغذیه کننده بار است. یو پی اس گردان قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به نوع استاتیک دارد لیکن نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتر دارد و از نظر سایز و وزن بسیار بزرگتر و سنگین تر هستند.

Fig. 5. Block diagram of a typical rotary UPS

ج) یو پی اس ترکیبی استاتیک/گردان (Hybrid Static/Rotary UPS)

یو پی اس ترکیبی استاتیک/گردان ویژگی های اصلی هر دو یو پی اس استاتیک و گردان را با هم ترکیب نموده است. این یو پی اس دارای قابلیت اطمینان بالا، امپدانس خروجی پایین، پایداری فرکانس عالی و تعمیر و نگهداری پایین هستند. یو پی اس ترکیبی استاتیک/گردان شامل یک مبدل دوطرفه AC/DC و یک موتور الکتریکی AC، یک موتور الکتریکی DC، یک ژنراتور AC و بانک باتری است و در کاربرهای توان بالا استفاده می شوند.

Fig. 6. Block diagram of a typical hybrid static-rotary UPS

ارزیابی عملکرد یو پی اس

عملکرد یو پی اس از طریق چندین عامل ارزیابی می گردد. اولین و مهمترین عامل، کیفیت ولتاژ خروجی است. ولتاژ خروجی می بایست سینوسی با THD پایین معمولاً کمتر از 5% حتی در زمان تغذیه بارهای غیرخطی و نامتعادل باشد. علاوه بر این یو پی اس باید پاسخ گذرا مناسب در تغییرات ناگهانی بار داشته باشد. همچنین لازم است توانایی تنظیم و حفظ ولتاژ خروجی را داشته باشد.

با در نظر گرفتن تکنولوژی های الکترونیک قدرت، یو پی اس آنلاین در رتبه اول عملکرد بهینه قرار دارد و پس از آن یو پی اس line-interactive و یو پی اس آفلاین قرار دارند. در یو پی اس آنلاین، اینورتر در هر دو حالت نرمال و اضطراری به صورت سری با بار قرار دارد و به طور پیوسته تبدیل توان انجام می پذیرد که سبب تحویل ولتاژ خروجی مناسب می شود.

دومین عامل از نظر اهمیت، ضریب توان جریان ورودی است. در کابردهای با توان بالا، تکنولوژی تصحیح ضریب توان (PFC) اکتیو استفاده می شود. در این فن آوری ها یکسوساز PWM با تکنیک PFC کنترل می شود و یا یک مدار تصحیح ضریب توان DC/DC اضافی استفاده می شود. این روش ها برای یو پی اس آفلاین و آنلاین بکار می روند. برای یو پی اس line-interactive تصحیح ضریب توان با کنترل زاویه ولتاژ ورودی و خروجی استفاده می شود.

عامل مهم دیگر برای ارزیابی عملکرد یو پی اس ها زمان انتقال (Transfer Time) است. از این منظر، یو پی اس آنلاین برتری دارد. ساختار این یو پی اس به طور طبیعی تضمین می کند که بار به صورت پیوسته برقدار است و عملاً زمان انتقالی وجود ندارد. زمان انتقال در یو پی اس line-interactive وابسته به زمان لازم برای تبدیل توان از باتری و انتقال از طریق اینورتر به بار خواهد بود.

روش های کنترل یو پی اس

اغتشاشات هارمونیک (THD) ولتاژ خروجی و پاسخ دینامیکی یو پی اس از مهمترین ویژگی های عملکردی یو پی اس ها هستند. این ویژگی ها عمدتاً وابسته به استراتژی کنترلی اینورترهای UPS هستند. استراتژی کنترلی یو پی اس و توپولوژی الکترونیک قدرت یو پی اس عملکرد کلی یو پی اس را تعیین می کنند.

• استراتژی حلقه کنترل ولتاژ تکی (Single Voltage Control Loop Strategy)

این استراتژی کنترلی از یک حلقه فیدبک استفاده می کند تا ولتاژ خروجی رگوله شده با THD پایین را فراهم نماید. کنترل فیدبک می تواند پیوسته (آنالوگ) یا ناپیوسته باشد. متداول ترین کنترل فیدبک، PWM سینوسی است.

Fig. 7. Block diagram of a single feedback loop

• استراتژی حلقه های کنترلی ولتاژ (Multiple Control Loop Strategy)

عملکرد بهتر حتی برای بارهای غیرخطی و یا تغییرات پله ای بار می تواند با استراتژی حلقه های کنترلی ولتاژ بدست می آید. در این استراتژی کنتری دو حلقه کنترلی داخلی و خارجی وجود دارد. حلقه کنترلی خارجی از ولتاژ خروجی به عنوان سیگنال فیدبک استفاده می کند و با سیگنال مرجع مقایسه می شود. خطا از طریق یک کنترل کننده PI جبران می شود تا ولتاژ خروجی پایدار و ثابت حاصل شود. همین خطا برای حلقه کنترلی داخلی نیز استفاده می شود که از یک سلف یا خازن فیلتر جریان خروجی به عنوان سیگنال فیدبک استفاده می کند. حلقه جریان پاسخ دینامیکی سریع و عملکرد خوب برای بارهای غیرخطی و پله ای را تضمین می کند. رگولاتورهای جریان پایه شامل رگولاتور هیسترزیس، رگولاتور PWM سینوسی و رگولاتور پیش بین به عنوان حلقه های جریانی کوچک به سیستم اعمال می شود.

Fig. 8. Block diagram of a typical control system with multiple feedback Loops

اتصال موازی یو پی اس

امکان اتصال دو یا چند یو پی اس به یکدیگر وجود دارد. اگر یو پی اس آنلاین را مد نظر قرار دهیم، مفهوم اتصال یو پی اس می تواند با موازی کردن یکسوسازها یا موازی کردن اینورترها و یا موازی کردن یو پی اس به صورت کلی حاصل شود. در یک نمونه دو یا چند یکسوساز AC/DC به صورت موازی به یک دیگر متصل شده و باس DC مشترک را تغذیه می کنند. در سمت دیگر باس DC یک یا چند اینورتر به صورت موازی بایکدیگر قرار می گیرند و بار حیاتی مدنظر را تغذیه می کنند. بانک باتری به باس DC متصل می شود و تبادل انرژی صورت می پذیرد.

Fig. 9. Block diagram of a typical UPS with several rectifiers and inverters in parallel

روش های کنترل یو پی اس موازی

• کنترل متمرکز (Concentrated Control)

در این روش کنترلی از حلقه های قفل شونده فاز (PLL) در هر اینورتر استفاده می شود تا ولتاژ خروجی از نظر فرکانس و فاز سنکرون شوند. حلقه های کنترل جریان با استفاده از فیدبک های جریانی کنترل سیستم را بر عهده دارد.

• کنترل ارباب-برده (Master-Slave Control)

اساساً روش کنترلی Master-Slave شبیه کنترل متمرکز می باشد و تنها تفاوت در این است که در این روش PLL روی اینورتر master قرار می گیرد که مسئول فراهم نمودن ولتاژ خروجی سینوسی ثابت و سنکرون شده از نظر فرکانس و فاز با ولتاژ باس اصلی می باشد. اینورترهای دیگر به عنوان slave عمل می کنند و اینورتر master را دنبال می کنند. اگر اینورتر master دچار خطا شوند یک اینور slave جایگزین آن می شود.

• کنترل مستقل بی سیم (Wireless Independent Control)

در این روش load-sharing داخلی بین اینورترها وجود ندارد و کنترل بر اساس داده های محلی در ترمینال اینورتر شامل ولتاژ، جریان و فرکانس صورت می پذیرد.

نتیجه گیری

طبقه بندی عمومی یو پی اس توضیح داده شد و توضیحاتی مختصر در خصوص توپولوژی، عملکرد و کاربرد یو پی اس ها با تمرکز بر یو پی اس استاتیک ارائه گردید. اصول پایه موازی کردن یو پی اس ارائه شد. علاوه بر این ساختارهای مختلف و استراتژی های کنترلی یو پی اس به صورت تکی و مجموعه موازی توضیح داده شد. همچنین استراتژی های کنترلی single voltage control loop و multiple control loops بیان شد. رگولاتورهای جریان پایه به عنوان حلقه کنترل جریان ارائه گردید.

ترجمه و تالیف: دکتر مهدی رجب زاده - وب سایت eBonak