4-4-3-2-2 سیستم‌های سه پورتي

 سیستم‌های سه پورتي با استفاده ترانسفورماتور خطي با سیم‌پیچي چندگانه به همراه فيلترينگ مناسب، سبب بهبود سازي خط و ايزولاسيون آن از ورودي تا خروجي ميگردند. در اين ساختار، اينورتر به‌صورت دائمی عمل كرده و از همان هسته ترانسفورماتور به‌عنوان سیم‌پیچي ورودي ac استفاده می‌کند. فاز دهي به نحوي تنظيم می‌شود كه اينورتر در عين عمل نمودن به‌صورت دائمی، نيروي برق جزئی يا هیچ‌گونه نيرويي به بار بحراني تحويل نمی‌دهد. در برخي موارد، هنگامی‌که اينورتر نقش ارائه نيروي برق به بار را ايفا نمی‌کند، ممكن است از آن به‌عنوان شارژ کننده باتري استفاده شود. هنگامی‌که ورودي ac در خارج از محدوده مشخصات بوده يا دچار نقص می‌شود، اينورتر پاسخ داده ونيروي برق اعمالي به سيمپيچي اينورتر ازنظر مغناطيسي توسط هسته ترانسفورماتور به بار كوپله شده و بار بحراني را تغذيه می‌کند. ازآنجاکه اينورتر به‌طور پيوسته و دائمی عمل می‌کند، اتصال توان بدون وقفه واقعي به بار بحراني صورت مي پذيرد. در اين آرايش، توان يا نيروي برق می‌تواند به خط ورودي اضافه يا از آن كسر شود تا تنظيم سازي و جريان توان به بار بحراني برقرار نگاهداشته شود. چنين تصحيح تواني را اغلب تعامل خط ناميده و UPS سه پورتي را می‌توان شكلي از UPS تعاملي خط تلقي كرد.

مزاياي سيستم سه پورتي درواقع راندمان سراسري بالاتر در مقايسه با UPS از نوع تبديل دوگانه و در اغلب موارد عدم نياز به شارژ کننده باتري جداگانه است. محدوديت اين نوع سيستم، ايجاد تداخل EMI به‌واسطه كار دائمی اينورتر فركانس بالا می‌باشد. بدين علت اضافه كردن مدار فيلترينگ و شيلدكردن جهت حفاظت بار(هاي) بحراني ضروري است. عيب ديگر آن است كه به سبب خطي بودن ترانسفورماتور، امكان دارد تغييرات در ولتاژهاي ورودي به بار بحراني منتقل‌شده و حذف نويز مود ـ مشترك می‌تواند در سطح نازلي باشد.

3-2-3-4-4 سیستم‌های فرورزونانت

سيستم UPS نوع ترانسفورماتور فرورزونانت مشابه سيستم UPS سه پورتي است. همچنين اين سيستم را می‌توان شكلي از UPS تعاملي خط محسوب كرد. در اين آرايش، ترانسفورماتور فرورزونانت مشابه ترانسفورماتور سه پورتي خطي، ورودي ac را به بار بحراني كوپلاژ مغناطيسي می‌کند. تفاوت اساسي درواقع عبارت است از این‌که در UPS مبتني بر فرورزونانت، اينورتر به نحو دائم عمل نمی‌کند. هنگامی‌که مانيتور خط سيستم نشان می‌دهد كه ولتاژ خط خارج محدوده مشخصات بوده و داراي نويز اضافي سوار شده بر آن است يا ولتاژ مذكور دچار نقص می‌باشد، خط ورودي به‌طور خودكار از اوليه ترانسفورماتور جدا و اينورتر به‌طور هم‌زمان روشن می‌شود. در طول مدت انتقال يا تبديل به توان اينورتر، انرژي ذخیره‌شده در مدار تانك ترانسفورماتور فرورزونانت به تأمین نيروي برق براي بار بحراني ادامه داده و ازآنجاکه قبل از افت ولتاژ تانك مذكور، اينورتر توان را به هسته ارائه می‌دهد، بار توان يا نيروي برق واقعي، دائمی و بدون وقفه را دريافت می‌کند. اين ويژگي ذخيره انرژي، UPS نوع فرورزونانت را به‌عنوان UPS بر ـ خط (on – line) واقعي معرفي و متمايز می‌کند، هرچند در آن اينورتر به‌طور دائمی عمل نمی‌نماید.

اگرچه ورودي ac به اين سيستم اعمال می‌شود، ترانسفورماتور فرورزونانت سبب تحقق مناسب سازي خط، حفاظت در برابر رعد و برق، ايزولاسيون در برابر نويز، ايزولاسيون زمين و تنظيم ولتاژ با سيمپيچي بار فرورزونانت كه در حالت اشباع عمل می‌کند، خواهد بود. جبران و ترميم در طرح فرورزونانت باعث می‌شود كه موج سينوسي خوبي به بار بحراني اعمال گردد بدون آن‌که نياز به عناصر فيلترينگ گران قيمت و پيچيده باشد. در ترانسفورماتور فرورزونانت، سیم‌پیچي ها روي بخش‌های مختلف هسته پيچيده می‌شوند. چنين ساختاري ايزولاسيون فيزيكي و نويزي بين سیم‌پیچي هاي اوليه و ثانویه‌ایجاد می‌کند. شيلد فاراده سبب ايجاد ايزولاسيون نويز اضافي و ارتقاء حفاظت در مقابل رعد و برق می‌گردد.

در كاربردهاي UPS تبديل يگانه، ترانسفورماتور فرورزونانت در مقايسه با ترانسفورماتور خطي چند مزيت را دارا است. براي مثال، ترانسفورماتور فرورزونانت داراي تنظيم خط، نوعاً 3 درصد به ازاء 15٪ تغييرات در ورودي ac است. همچنين ترانسفورماتور فرورزونانت، نويز ورودي مود ـ مشترك را تقریباً 120 دسيبل تضعيف كرده ونويز مود ـ متقاطع را در حدود 70 دسيبل دفع و حذف می‌کند. اگر واحد در حالت كار بر ـ خط (on – line) باشد راندمان هاي عملياتي نوعي 91 درصد و بيشتر در بار كامل بوده واگر در حالت كار بر ـ اينورتر (on – inverter) باشد راندمان هاي عملياتي نوعي 89 درصد در بار كامل خواهد بود. علاوه بر اين، حذف نويز مود ـ مشترك بالا و ايزولاسيون خوبي نيز صورت ميپذيرد. ترانسفورماتور فرورزونانت سبب همواري ضريب توان ورودي شده و هنگامی‌که ترانسفورماتور داراي بارهايي با ضريب توان ضعيف است، ضريب توان نزديك به يك را به خط ارائه می‌دهد. نوعاً بار با ضريب توان (تاخيري) 7/0 به اوليه ترانسفورماتور فرورزونانت به‌صورت باري با ضريب توان 97/0 انعكاس می‌یابد.

ترانسفورماتور فرورزونانت قادر به تأمین توان بارهايي با ضريب رأس (crest factor) بالا می‌باشد. انرژي ذخیره‌شده اضافي در مدار تانك مغناطيسي می‌تواند جریان‌هایي با پيك بالا توليد كند. فركانس خروجي بر ـ خط همان مقدار مناسب شبكه خط برق شهري را خواهد داشت (نوعاً 5/0± درصد) ـ پايداري فركانسي بر ـ اينورتر از كامپيوتر منشأ گرفته ونوعا بهتر از 3٪± هرتز (در سيستم 60 هرتز) می‌باشد. اينورتر ترانسفورماتور فرورزونانت در فركانس خط (50 يا 60 هرتز) عمل می‌کند. عملكرد فركانس پايين اينورتر به راندمان اينورتر بالا، اتلاف هاي حرارتي كمتر، EMI کاهش‌یافته و هزينه كمتر منجر می‌شود.

البته، ترانسفورماتور فرورزونانت معايبي دارد كه از آن جمله وزن آن در مقايسه با اينورتر PWM فركانس بالاي معادل است. در اغلب تأسیسات، به‌هرحال، اين امر مشكل بخصوصي نيست، چون UPS جزء تجهيزات ثابت منظور شده و پس از نصب، جابجا نمی‌شود. علاوه بر اين، با كاهش تراز بار به پايين 50 درصد، هارمونیک‌هاي خروجي افزايش مييابند. به هر صورت، در اغلب موارد اعوجاج كل هارمونيكي در حدود 5٪ است. اگرچه ترانسفورماتور فرورزونانت هنگامی‌که در يا مجاورت مقدار اسمي عمل می‌کند همان كارآمدي ترانسفورماتور خطي را دارد، راندمان آن هنگامی‌که داراي بار سبكي است كاهش می‌یابد. به‌عنوان‌مثال، زماني كه ترانسفورماتور در 25 درصد مقدار اسمي عمل می‌کند راندمان آن نوعاً 77٪ خواهد بود. مقايسه اي بين ترانسفورماتورهاي خطي و فرورزونانت در جدول 24- ارائه‌شده است.

جدول 4 -2: مقايسه ترانسفورماتورهاي فرورزونانت و خطي با مقدار اسمي يكسان

 (60Hz،7500 VA،220V)

راندمان ترانسفورماتور خطي (درصد) راندمان ترانسفورماتور

فرورزونانت (درصد) بار

(درصد)

 82 60 10

 92 75 25

 93 85 50

 92/5 90 75

 91 92 100

3-3-4-4 انواع ديگر

ساير سیستم‌های UPS شامل سیستم‌های dc به dc می‌شود كه اغلب در كاربردهاي خاص استفاده می‌شوند.

اين نوع سیستم‌ها در سیستم‌های كامپيوتري كوچك، سیستم‌های كنترل و سیستم‌های اعلام خطر به کار گرفته می‌شوند.

4-4-4 پيكربندي ها

در اين بخش، خواننده با پي كربنديهاي مختلف UPS آشنا می‌شود. در تمام مثالها سیستم‌های تبديل دوگانه نشان داده‌شده اند ولي پيكربندی‌های مشابه براي سیستم‌های تبديل يگانه نيز وجود دارد.

شکل‌های رسم شده در اين متن ازنظر ارائه، ساده تر شده و نبايستي تصور شود كه اين شكلها تمام اجزاء سيستم UPS را در برگرفته و نمايش می‌دهند. براي مثال، در مورد سويچ ها، فقط سويچ انتقال يا تبديل نشان داده‌شده است درحالی‌که در تأسیسات واقعي ممكن است از سويچهاي ايزوله، سويچ هاي كنارگذر نگهداري، سويچ هاي قطع كننده و غيره استفاده شود. نشريه NEMA PE 1 چهار گروه اصلي از UPS ها راتعريف و مشخص می‌کند. اين گروه ها عبارت‌اند از:

- گروه 1: سیستم‌های تبديل دوگانه بدون كنارگذر

- گروه 2: سیستم‌های تبديل دوگانه با كنارگذر

- گروه 3: سیستم‌های تبديل يگانه بدون كنارگذر

- گروه 4: سیستم‌های تبديل يگانه با كنارگذر

هر سيستم داراي سمبول ساده شده‌ای است كه جهت توصيف آن به كار می‌رود (شكل 4-15). در هر گروه، NEMA PE 1 بيان می‌کند كه چند عدد از اين UPS هاي تكي را می‌توان به‌صورت موازي تركيب كرد.

همچنين پيكربنديهاي موازي كه براي افزايش ظرفيت به کار می‌روند و پيكربنديهاي موازي كه جهت افزونگي به کار گرفته می‌شوند معرفي می‌شوند. در اين بررسي، توصيف خود پيكربندي اطلاعات كافي به خواننده می‌دهد كه قادر به تشخيص این‌که UPS پيكربندي تكي يا موازي دارد، باشد. در مورد پيكربندی‌های موازي هنگامی‌که براي افزونگي به کار می‌روند، توصيف شامل كلمه افزونه خواهد بود.

1-4-4-4 واحد UPS تكي با یک‌سوساز / شارژ کننده

پيكربندي اساسي UPS درواقع يك UPS تكي با یک‌سوساز / شارژ کننده بوده و از يك یک‌سوساز / شارژ کننده، باتري و اينورتري كه به‌طور دائمی و پيوسته عمل می‌کند، تشكيل يافته است. ورودي ac نرمال به یک‌سوساز / شارژ کننده اعمال‌شده و بار(هاي) بحراني از خروجي اينورتر تغذيه می‌شوند. واحدهاي مذكور به هر دو شكل تك فازه و سه فازه وجود داشته و واحدهاي سه فازه در اندازههايي تا بيش از KVA500 را می‌توان يافت. نمودار بر ـ خط نوعي در شكل 4-16 نشان داده‌شده است.

توانايي اينورتر در گرفتن نيروي برق خويش از یک‌سوساز / شارژ کننده يا باتري به‌عنوان مشخصه اصلي UPS تكي تلقي می‌گردد. هنگامی‌که منبع ac نرمال يا یک‌سوساز / شارژ کننده دچار نقص می‌شود. باتري توان ورودي به اينورتر را تأمین كرده و بار(هاي) بحراني تغذيه می‌شوند. مدت‌زماني كه در طول آن سيستم، بدون وجود منبع توان ac نرمال، می‌تواند عمل كند ظرفيت باتري را تعيين می‌نماید. بسته به الزامات كاربر، زمان‌های پشتيباني می‌تواند از چند دقيقه تا چند ساعت تغيير كند ولي هرچه زمان پشتيباني طولانی‌تر باشد، ظرفيت باتري بزرگ‌تر خواهد بود. امروزه، اغلب سیستم‌ها از زمان پشتيباني 15 دقيقه براي باتري استفاده كرده و در صورت لزوم به ديزل ـ ژنراتورها يا توربین‌های احتراقي اضطراري اتكا دارند تا به‌صورت بر – خط وارد عمليات شده و توان برق اضطراري را براي دوره هاي زماني طولانی‌تري تأمین كنند.

الف) سيستم تبديل دوگانه

ب) سيستم تبديل يگانه

شكل 4 -15: توصيف سادهاي از يك سيستم UPS

شكل 4 -16: واحد UPS تكي با یک‌سوساز / شارژ کننده