2-8-2-4 انتخاب سيستم روشنايي اضطراري

انتخاب سيستم روشنايي اضطراري به نوع تسهيلات، طرح ساختمان و نواحي آن و كاربري مكان موردنظر (مانند ادارات و دفاتر، انبارها، آزمایشگاه‌ها و غيره) بستگي دارد. نواحي ساختمآن‌که نياز به روشنايي اضطراري دارند و نيز شدت روشنايي مورد لزوم بايد مشخص شود. راهنمايي و دستورالعمل‌های مربوط به تعيين الزامات تسهيلات بخصوص شامل سطوح و شدت روشنايي را می‌توان در NFPA 99 و ANSI/NFPA101 ملاحظه كرد. NEC براي نصب چنين سيستمهايي قابل‌اعمال است ولي به‌هرحال در آن راجع به لزوم به كار گرفتن چنين سيستمهايي و نيز مكان تجهيزات آن‌ها توصيهاي وجود ندارد. حداقل شدت روشنايي اوليه، مشخص‌شده توسط ANSI / NFPA 101 عبارت است از ميانگين 10 لوكس و حداقل در هر نقطه با يك لوكس كه در مسير خروجي و در تراز كف آن اندازه‌گیری شده باشد. اين اعداد می‌تواند به ميانگين 6 لوكس و 6/0 لوكس حداقل در هر نقطه در انتهاي دوره اضطراري كاهش يابد.

3-4 ذخيره انرژي مكانيكي

1-3-4 مقدمه

مقدار قابل‌توجهي از انرژي را می‌توان به شكل انرژي جنبشي (اينرسي) در جرم چرخان ذخيره كرد. اين انرژي توسط يك موتور dc يا ac كه انرژي چرخشي آن به روتور اين موتور و روتور مولد ac انتقال می‌یابد، به وجود می‌آید. انرژي جنبشي ذخیره‌شده را می‌توان با استفاده از مولد ac چرخان به نيروي برق ac مفيد تبديل كرد.

2-3-4 انرژي جنبشي

انرژي موجود در يك جرم چرخان بر اساس رابطه زير تعريف می‌شود.

 J =  12(IA2) (4)

كه در آن گشتاو اينرسي جرم برحسب 2 2I= Kg.m /rad سرعت زاويه اي برحسب A= rad/S

 J= Joules (N.m) انرژي برحسب

اين انرژي توسط يك موتور ac يا dc كه خود و يك مولد ac را مي چرخاند به وجود می‌آید. روتورها و شفت (ها) موتور و مولد درواقع جرم چرخان را تشكيل می‌دهند. می‌توان چرخ لنگري را اضافه كرده و جرم را افزايش داد. كوپلاژ موتور و مولد به طرق مختلف انجام ميپذيرد. كوپلينگ هايي از قبيل قرقرهها و تسمه ها سبب افزايش جرم می‌شوند.

انرژي جنبشي ذخیره‌شده حاصل به چرخاندن مولد ac، در غياب نيروي برق اعمالي به موتور، ادامه خواهد داد. مدت‌زماني كه نيروي برق مفيد توليد می‌شود (زمان گردش) توسط معيارهاي كليدي زير تعيين می‌گردد.

- اينرسي جرم چرخان

- درصد بار اسمي كامل اعمال‌شده به مولد ac

- تولرانس قابل‌قبول براي فركانس خروجي

در مورد موتور ـ ژنراتورهاي تحت بار كامل با حداكثر تولرانس فركانس مادون Hz 1 ـ و بدون چرخ لنگر، مقدار نوعي زمان‌های گردش 50 تا 100 میلی‌ثانیه است. اضافه كردن چرخ لنگر می‌تواند زمان مذكور را به 5/0 ثانيه يا بيشتر افزايش دهد. موتور ـ ژنراتورهايي با چرخ لنگر و زمانه‌ای گردش چند دقيقه اي بر اساس كوپلينگ خاص ساخته‌شدهاند اگرچه ازنظر تجارتي سودمندي آن‌ها به اثبات نرسيده است.

4-4 سیستم‌های باتري / اينورتر

1-4-4 مقدمه

سیستم‌های DC، بخصوص هنگامی‌که بزرگ هستند، می‌توانند اينورترهاي ايستا را به‌عنوان بار تغذيه كنند و درگذشته غالباً به اين اينورترها، منابع تغذيه بدون وقفه ميگفتند. به‌هرحال، در شرايطي كه نياز به منابع نيروي برق بدون وقفه است، استفاده از يك باتري، شارژ کننده، اينورتر و ملحقات اختصاصي امري رايج است.

تركيب مذكور از باتري، یک‌سوساز / شارژ کننده اينورتر ايستا و ملحقات را امروزه سيستم UPS ايستا می‌نامند.

هدف اوليه UPS تأمین نيروي برق دائم و باکیفیت به بارهاي اصلي و بحراني مورد تغذيه است. باتری‌های به‌کاررفته در سیستم‌های UPS از نوع ثابت و موردبررسی در بخش 4- 2-2 می‌باشند.

سيستمهـاي UPS به‌صورت طرح‌ها و اندازه‌های مختلف در گستره كمتر از W100 تا چند مگاوات وجود دارند.

سیستم‌های مذكور قادر به تأمین نيروي برق تك فاز يا سه فاز در فركانس هاي برق 50 تا 60 هرتز يا فركانسهاي بالاتر مانند 400 هرتز می‌باشند. علاوه براين، سیستم‌های UPS ايستا به علت گستره وسيع طرح ها و كاربردهاي آن‌ها، م يتوانند نيروي برقي را تأمین كنند كه در آن خلوص خروجي از موج سينوسي تقریباً كامل (اعوجاج كل هارمونيكي كمتر از 1٪) تا اساساً موج مربعي (اعوجاج كل هارمونيكي بزرگ‌تر از 25٪) تغيير نمايد.

2-4-4 توصيف سيستم UPS ايستا

سيستم UPS ايستا يك سيستم حالت ـ جامد با كنترل الكترونيكي است كه به‌منظور تأمین نيروي برق مناسب، قابل‌اعتماد و بدون وقفه به تجهيزات كاربر طراحي می‌شود. اين تجهيزات را اغلب به‌عنوان بار بحراني يا حفاظت شده نام می‌برند. سيستم UPS در صورت وقوع رخداد خرابي جزئی يا كلي نيروي برق معمولي كه نوعاً از برق شهري تغذيه می‌شود، نيروي برق لازم براي بار بحراني را فراهم ميسازد.

پيكربندی‌های مختلفي از UPS وجود دارد كه در آن‌ها تنظيم ولتاژ، مناسبسازي خط، حفاظت در برابر رعد و برق، اضافات، مديريت تداخل الكترومغناطيسي، زمان اجراي توسعه يافته، انتقال بار به ساير واحدها و ساير ویژگی‌های موردنیاز جهت حفاظت بار(هاي) بحراني در مقابل خرابي منبع ac معمولي يا در برابر ساير اختلالات سيستم نيروي برق، پیش‌بینی و صورت مي پذيرد.

امروزه، فناوري UPS به تغيير كردن ادامه داده و مناسب‌تر است كه سيستم UPS را برحسب مشخصههاي عملكردي آن بجاي قطعات و عناصر الكترونيكي آن‌که می‌تواند از سيستمي به سيستم ديگر و با توجه به گذشت زمان و تحولات فناوري تغيير كند، توصيف كرد. بنابراين؛ يك سيستم بايد حداقل ویژگی‌های اوليه زير را دارا باشد:

- سيستم UPS بايد نيروي برق بدون وقفه را تأمین كند. در شرايطي كه منبع نيروي برق معمولي در خارج از محدوده ولتاژ قرار می‌گیرد و يا به‌طور بسيار زيادي نويزي می‌شود و بنظر می‌رسد امكان قطع و وقفه وجود دارد يا قادر به اجراي عملكرد قابل‌قبولي نيست، UPS بايد به تأمین نيروي برق دائمی و بدون توقف به بار(هاي) بحراني خود حداقل به مدت‌زمان پشتيباني ادامه دهند. حداقل زمان پشتيباني عموماً توسط كاربر مشخص می‌شود ولي زمان كار واقعي توسط اندازه وسيله ذخيره انرژي يعني باتري موجود در UPS يا به‌وسیله بار UPS در زمان خرابي منبع نيروي برق نرمال تعيين می‌شود.

- UPS بايد نيروي برق خويش را در فركانس پايداري تأمین كند. فركانس اصلي می‌تواند فركانس هاي برق مانند 50 يا 60 هرتز يا فركانس هاي ديگري مانند 400 يا 1000 هرتز باشد. الزامات نوعي براي سیستم‌های UPS 50 تا 60 هرتزي، قرار داشتن فركانس اصلي در محدوده 5/0± درصد است.

- در اغلب كاربردها، شكل موج خروجي سيستم UPS بايد سينوسي با اعوجاج كل هارمونيكي 10٪ يا كمتر، هنگامی‌که با بار خطي و با تك فركانس 5٪ يا كمتر مورد آزمون قرار می‌گیرد، باشد. به‌هرحال بارهايي وجود دارند كه می‌توانند به‌طور قابل‌اعتمادي با شكل موج هاي ورودي داراي محتواي هارمونيكي بالاتر و يا در حالت افراطي، يا ور وديهاي موج مربعي (مانند شكل موجهاي شبه سينوسي پلهاي) عمل نمايند.

اگرچه برخي بارها می‌توانند با ورودي موج مربعي به خوبي كار كنند ولي تداخل الكتريكي حاصل از موج مربعي می‌تواند بر ساير تجهيزات الكتريكي در مجاورت UPS اثرگذار باشد.

- امكان دارد سيستم شامل تجهيزاتي باشد كه نيروي برق را از خط به باتري يا از باتري به خط به نحو ناپيوسته و غیردائمی كه به الزامات بار يا كاربر بستگي دارد، انتقال دهد. اين دستگاه‌ها را كه در طول انتقال از خط به باتري يا از باتري به خط دچار ايست و وقفه می‌شوند، سیستم‌های نيروي برق پشتيبان (SPS) می‌نامند. در برخي مواقع آن‌ها را به‌اشتباه سیستم‌های UPS پشتيبان مي خوانند. بسياري دستگاه‌های SPS امروزه هنوز مورداستفاده قرارگرفته و بخصوص در سیستم‌های UPS كوچك مانند سیستم‌های كامپيوتري كوچك به کار می‌روند. در چنين سيستمهايي، وقفه اي در جريان نيروي برق توسط مشخصه زمان گردش منبع تغذيه كامپيوتر جبران می‌شود، اگرچه قابليت زمان گردش، هنگامی‌که منبع نيروي برق معمولي كمتر از نرمال است، می‌تواند از بين برود.

3-4-4 انواع سیستم‌های UPS

دو نوع اصلي از ميان سیستم‌های UPS مورداستفاده در عصر حاضر قابل تفكيك و تشخيص است. اين سیستم‌ها در پيكربنديهاي مختلف به کار گرفته می‌شوند. انواع سیستم‌های UPS در اين بخش موردبررسی قرار می‌گیرند، درحالی‌که پيكربنديهاي مختلف در بخش 4-4-4 معرفي و توصيف می‌شوند. انواع و ساختارهاي UPS تحت بررسي، مورد تك باتري را در نظرگرفته ولي می‌تواند به‌صورت تک‌سلولی يا از چند زنجير سلول‌ها بااتصال موازي به‌منظور حصول ظرفيت مورد لزوم باتري، تشکیل‌شده باشد. به‌طورکلی، اين دو نوع سيستم UPS، اگر به نحو مناسب استفاده شوند، قابل‌اعتماد می‌باشند. قابليت اعتماد هر سيستم UPS می‌تواند بر اساس چند عامل تغيير كند. مشابهادر دسترس بودن سيستم UPS می‌تواند با افزايش سويچ هاي انتقال، تجهيزات اضافي و غيره افزايش يابد. موضوع قابليت اعتماد در استاندارد IEEE Std 493 و قابليت اعتماد سیستم‌های نيروي برق پشتيبان و اضطراري در فصل 6 اين استاندارد تعريف و مورد توصيه قرارگرفته است.

1-3-4-4 سیستم‌های تبديل دوگانه

سیستم‌های دوگانه بر اساس توپولوژي توصيف و مشخص می‌شوند. در اين سیستم‌ها، در ابتدا خط ورودي به dc تبديل شده و سپس dc مذكور نيروي ورودي به مبدل dc به ac (يعني اينورتر) را تأمین می‌کند. خروجي اينورتر به‌صورت ac بوده و نيروي برق تحويلي به بار بحراني را تشكيل می‌دهد. تعداد بسياري از اينورترهاي متفاوت كه هر يك از يك فناوري متنوع موجود استفاده می‌کند، به كار می‌روند. بايد توجه كرد كه در NEMAPE 1، از سيستم تبديل دوگانه به‌عنوآن‌یکسوساز ـ اينورتر نام برده می‌شود.

ازنظر تاريخي UPS با تبديل دوگانه بيشترين كاربرد را در صنعت به خود اختصاص داده است. سيستم UPS تبديل دوگانه سال‌های متمادي به کار رفته و در شرايطي كه در محدوده طراحي خود عمل كند تجربه نشان داده كه سيستمي قابل‌اعتماد است. اين نوع سيستم درواقع معادل الكتريكي ايستاي مجموعه موتور ـ ژنراتور است. باتري به‌طور موازي با ورودي dc به اينورتر وصل شده و نيروي برق پيوستهاي را، در هر زمآن‌که خط ورودي برق ناقض مشخصات فني بوده يا دچار نقص شود، تأمین می‌کند. سويچ شدن به باتري به‌صورت خودكار بوده و هیچ‌گونه وقفه اي در ورودي به اينورتر يا خروجي آن رخ نمی‌دهد.

سيستم تبديل دوگانه داراي چند مزيت است:

- پايداري فركانسي بسيار خوبي را دارا است.

- درجه بالايي از ايزولاسيون در برابر تغييرات ولتاژ و فركانس خط برق ورودي دارد.

- زمان انتقال صفر امك انپذير است.

- عمليات نسبتاً آرام و بي سروصدا است.

- برخي سیستم‌ها می‌توانند موج خروجي سينوسي با اعوجاج ناچيزي را توليد كنند.

در كاربردهاي UPS با توان كمتر 1(/0 تا 20 كيلووات،) UPS تبديل دوگانه داراي معايب زير است. البته می‌توان با استفاده از جديدترين تولوپوژيها، دقيقا طراحي و مشخصات آن را تعيين كرده و اين معايب را به حداقل رساند.

- راندمان كلي پاييني دارد.

- منبع تغذيه dc بزرگي را نياز دارد (نوعاً، 5/1 برابر نرخ كامل بار UPS)

- ايزولاسيون نويز خط برق با بار می‌تواند ضعيف باشد.

- اتلاف حرارتي بيشتري رخ‌داده كه می‌تواند بر طول عمر كاري UPS اثرگذار باشد.

علاوه براين، اگر اينورتر از نوع مدولاسيون پهناي پالسي (PDM) باشد، مدار فركانس بالا می‌تواند باعث ايجاد تداخل الكترومغناطيسي (EMI) شود. امكان دارد در اين رابطه به فيلترينگ و شيلدكردن خاص به‌منظور حفاظت تجهيزات حساس در برابر تداخل تشعشعي و هدايتي، نياز باشد. همچنين UPS تبديل دوگانه می‌تواند جريان موجكي اضافي باتري را توليد كرده و سبب كاهش طول عمر باتري شود.

2-3-4-4 سیستم‌های تبديل يگانه

در سیستم‌های تبديل يگانه، در طول عمليات نرمال، خط ورودي، نيروي برق را از طريق ترانسفورماتور يا برخي امپدانس سري به بار بحراني تحويل می‌دهد. برخي انواع UPS تبديل يگانه به‌عنوان تعاملي خط طبقه‌بندی می‌شوند. UPS تبديل يگانه معمولاً با هزينه كمتر راندمان عملياتي بالاتري در مقايسه با UPS تبديل دوگانه تحت شرايط قابليت اعتماد تقریباً يكسان، ارائه می‌دهد.

برخلاف سيستم تبديل دوگانه، خط ورودي به UPS تبديل يگانه به‌منظور توليد نيروي برق dc ورودي به اينورتر، يكسوسازي نمی‌شود. نيروي برق ac معمولي از طريق اندوكتور سري يا ترانسفورماتور خطي يا فرورزونانت مستقیماً به بار بحراني اعمال می‌شود. نيروي ac معمولي همچنين شارژ کننده كوچكي كه باتری‌های UPS را در شرايط شارژ كامل نگاه می‌دارد، تغذيه می‌کند. بنابراين باتري فقط هنگامي به كار می‌رود كه اينورتر به خروجي باتري به‌منظور تكميل يا جايگزيني نيروي برق نرمال، نياز دارد. سیستم‌های UPS تبديل يگانه شامل نوع فرورزونانت، برخي نسخ نوع سه پورتي، انواع تعاملي خط و برخي انواع ديگر می‌باشد.

بررسي برخي از سیستم‌های مذكور در بخش‌های زير ارائه می‌شود.

4-4-3-2-1 سیستم‌های تعاملي خط

UPS تعاملي خط به‌سرعت در صنعت كاربرد پيدا كرده و هزينه كمتر، سادگي طرح و ساختار و حجم بسته‌بندی كوچك تر برخي از مزاياي آن هستند.

در UPS تعاملي خط، نيروي برق خط به dc تبديل نشده بلكه مستقیماً از طريق اندوكتور سري يا ترانسفورماتور بار بحراني را تغذيه می‌کند. عمل تنظيم و تحويل نيروي دائمی به بار توسط عناصر سويچينگ اينورتر همراه با اجزاء مغناطيسي اينورتر مانند اندوكتورها، ترانسفورماتورهاي خطي يا ترانسفورماتورهاي فرورزونانت، صورت مي پذيرد. اصطلاح UPS تعاملي خط از اين واقعيت ناشي می‌شود كه به‌منظور ثابت نگاه‌داشتن ولتاژ بار بحراني، اينورتر با خط برق تعامل كرده و نيروي برق ورودي را تقويت نموده و يا جايگزين آن می‌شود. در غياب نيروي برق خط شهري، UPS تعاملي خط، نيروي برق كل بار بحراني را تأمین می‌کند.

برخي محصولات تعاملي خط در طول انتقال خط ـ به ـ باتري يا باتري ـ به ـ خط، وقفه‌ای در نيروي برق اعمالي به بار بحراني از خود نشان می‌دهند. طرح‌های ديگر قادر به توليد برق واقعي بدون وقفه به بار بحراني هستند. UPS هاي تعاملي خط به شكل واحدهاي یک‌فازه يا سه فازه در دسترس وموجود هستند.