همه چیز درباره یو پی اس

یوپی ­اس به زبان ساده چیست؟

یو پی اس دستگاهی الکترونیکی به منظور تامین پیوسته انرژی برای دستگاه­های مصر­ف­ کننده که به اختلالات موجود در شبکه و قطع برق حساس بوده و به دلیل ضرورت و حساسیت­های فوق­العاده زیاد، جزو تجهیزات حیاتی مجموعه­ های کامپیوتری، مخابراتی، کنترل و ابزار دقیق، آزمایشگاهی و بیمارستانی می­باشند.

کاهش یا افزایش ناگهانی ولتاژ، تغییر فرکانس، انواع اعوجاج لحظه­ای یا دایم، نمونه­ هایی از مشکلات ایجاد شده بر روی شبکه­ های برق شهری می­باشند. دستگاه­های الکترونیکی پیشرفته و حساس (نظیر     سیستم­های کامپیوتری، تجهیزات مخابراتی و پزشکی) با توجه به کاربردهای ویژه و حساسی که دارند نیازمند تجهیزات ضروری مانند منبع تغذیه بدون وقفه و نسبتاً دقیق بوده تا ولتاژ و فرکانس ثابت و قابل اطمینان را تامین نماید.

در کشورهای پیشرفته علیرغم قطع برق شهر، دستگاه یو پی اس از وسایل ضروری کامپیوترها محسوب می­شود. به عنوان مثال در صورت وجود کوچکترین اغتشاش در برق شهر بخش کنترل کامپیوتر، با تولید یک پالس موجب خاموش و روشن شدن مجدد (Restart) کامپیوتر می­گردد. لذا با این عمل اطلاعاتی که در حافظه RAM سیستم وجود دارد، از بین رفته و زیان­های جبران­ناپذیری به کاربر وارد شده و حاصل کار کاربر در چند لحظه از بین می­رود.

در مورد سایر سیستم­های حساس نظیر دستگاه­­های مخابراتی و شبکه­ های اطلاعاتی نیز با قطع یا تغییر مشخصات منبع تغذیه، هماهنگی بخش­های مختلف دستگاه به هم خورده و بر اثر قطع و وصل­های متوالی، علاوه بر صدماتی که به قطعات دستگاه وارد می­شود، عملکرد کل سیستم با اختلال مواجه می­گردد. با توجه به مطالب فوق، نیاز به وجود دستگاهی که بتواند جایگزین مناسبی برای برق شهر در مواقع اضطراری گردیده و با حذف اختلالات شبکه تغذیه مدارات حساس را بر عهده گیرد، نمایان می­شود.

این دستگاه یو پی اس نام دارد. لازم به ذکر است که در مواقع قطع برق می­توان از ژنراتوهای AC جهت تغذیه دستگاه­ها استفاده نمود ولی این منابع با توجه به مشکلاتی نظیر شناور بودن ولتاژ و فرکانس، حجم بزرگ، آلودگی صوتی، دودزا بودن، زمان طولانی وصل شدن بعد از قطع برق و لزوم سرویس و بازبینی دایمی عملاً کاربردی در دستگاه های حساس ندارد. دستگاه­های یو پی اس با ابعاد کوچک و بدون نیاز به سرویس دایمی و بدون ایجاد آلودگی­ها با تثبیت ولتاژ و فرکانس، وسایل بسیار مناسبی جهت حفاظت سیستم­­ها در مقابل اختلالات برق شبکه می­باشند.

 

انواع اختلالات رایج در برق شهر

برای درک اهمیت UPS­ها، در این بخش به بررسی اختلالات رایج در برق شهر می­پردازیم.

قطع برق (Blackout/Power Failure)

به قطع کامل برق برای مدتی طولان یتر از یک دقیقه اطلاق شده که در هنگام وقوع آن، منبع برق کاملاً از کار می­افتد. (شکل شماره 1-2)

شکل شماره 1-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

این وضعیت ممکن است در اثر بروز اشکال در خطوط نیرو مانند قطع کلیدها، فیوزها و یا حوادثی نظیر طوفان همراه با رعد و برق و یا سایر شرایط ایجاد گردد.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

• از دست رفتن اطلاعات در حال اجرا در RAM و یا Cache
• توقف عملیات اجرایی و عدم امکان فعالیت
• ضرر ناشی از زمان از دست رفته برای تنظیم یا تعمیر سیستم آسیب دیده
• زیان­های تجاری در معاملات اینترنتی On-line
• بروز خطر جانی در تجهیزات درمانی (سیستم­های کنترل حفظ حیات)

افت لحظه­ ای ولتاژ (Sag Power)

به کاهش کوتاه مدت ولتاژ برق اطلاق شده که تقریبا 85% از کل اختلالات موجود در برق شهر را شامل می­شود. (شکل شماره 2-2)

شکل شماره 2-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

این امر ناشی از سوئیچ کردن یک بار با توان بالا مانند دستگاه­های تهویه هوا یا راه انداختن موتورهای الکتریکی، تاسیسات حرارتی و برودتی و یا بروز اتصال کوتاه در مناطق اطراف می­باشد. همچنین عدم دقت در انتخاب سایز مناسب برای کابل­های برق استفاده شده در ساختمان و تغییرات شبکه در زمان اوج مصرف بخصوص در فصل گرما از دیگر عوامل ایجاد این اختلال است.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

در صورتیکه ولتاژ منبع اصلی آنقدر پایین بیایدکه منبع تغذیه کامپیوتر نتواند ولتاژی دریافت کند، افت  ولتاژ باعثRestart شدن کامپیوتر می­شود. هنگ کردن کامپیوتر، قفل کردن صفحه کلید، کم یا زیاد شدن نور لامپ­ها و کوچک شدن صفحه تصویر مانیتور از دیگر تبعات این نوع اختلال می­باشد.

همچنین بدلیل ثابت بودن توان الکتریکی دستگاه مصرف­­کننده، افت ولتاژ سبب افزایش کوتاه مدت جریان شده و به تبع آن باعث کم شدن راندمان و کوتاه شدن عمر دستگاه مصرفی می­گردد.

افزایش لحظه ای ولتاژ (Power Surge)

عبارتست از افزایش لحظه ای دامنه­ ی ولتاژ که برای چند سیکل پیاپی ادام هدار و در حدود  ثانیه طول می­کشد. (شکل شماره 3-2)

شکل شماره 3– 2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

این اختلال معمولاً به دلیل سوئیچ نمودن بار در مراکز فرعی و یا به یکباره خاموش شدن دستگاه­های توان بالا و یا پرمصرف بوجود می­آید. همچنین اتصال کوتاه و عدم توجه به سایز مناسب برای کابل­های برق نیز از عوامل ایجاد آن می­باشند.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

این اختلال باعث وارد آمدن فشار به دستگاه­های حساس شده و در طول زمان سبب خرابی آنها        می­گردد. همچنین می­تواند باعث بروز خطا در داده ­های دیجیتال و قفل شدن کامپیوتر شود.

کم و زیاد شدن نور لامپ­ها و تغییرات ناگهانی در عرض تصویر مانیتور نیز از اثرات محسوس افزایش لحظه ای ولتاژ می­باشد.

ولتاژ ضعیف (Brownout/Under Voltage)

به ضعیف شدن ولتاژ برای مدت زمان طولانی گفته می­شود. (شکل شماره 4-2)

شکل شماره 4-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

این اختلال زمانی ایجاد می­شود که منبع اصلی تولید برق، قدرت تامین توان مورد نیاز شبکه (بار مصرفی) را ندارد، به همین دلیل شرکت برق، ولتاژ شبکه سراسری را کاهش می­دهد.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

برای یک بار مصرفی، با توان ثابت، کاهش ولتاژ شبکه سبب افزایش جریان بار خواهد شد که این افزایش به نوبه خود می­تواند سبب کاهش طول عمر قطعات بکار رفته در دستگاه مصرفی شود.

کاهش ولتاژ بیش از یک دقیقه می­تواند موجب عملکرد نادرست تجهیزات گردد. مثلا در یک موتور القایی، می­تواند منجر به بالا رفتن تلفات حرارتی و یا تغییر سرعت (دور موتور) شود.

ولتاژ قوی (Over Voltage)

به قوی و یا بیشتر شدن دامنه ­ی ولتاژ برای مدت زمان طولانی که می­تواند موجب بالا رفتن توان راکتیو در خروجی بانک­های خازنی شود اطلاق می­شود. (شکل شماره 5-2)

شکل شماره 5-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

صاعقه و رعد و برق از مهمترین عوامل ایجادکننده این نوع اختلال می­باشد.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

باعث سوختن دستگاه مصرفی و یا آتش سوزی می­شود.

نوسانات فرکانسی (Frequency Variation)

به تغییر فرکانس شکل موج ورودی اطلاق می­شود. (شکل شماره 6-2)

شکل شماره 6 – 2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

این اختلال معمولا در جاهایی دیده می­شود که منبع تولید انرژی برای تغذیه­ ی دستگاه­ ها، ژنراتور (موتور برق) باشد.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

نوسانات فرکانسی باعث برش ولتاژ و کاهش دقت دستگا­­ه های حساس آزمایشگاهی، مخابراتی، تجهیزات پزشکی و… و همچنین به هم خوردن همزمانی (Synchronizing) در برخی دستگاه­ ها که با عبور از صفر ولتاژ کار می­کنند، می­شود.

اعوجاج­ هارمونیکی (Harmonic Distortion)

به اغتشاش­های پریودیک و شبه سینوسی ولتاژ منبع و یا به جریانی که بارهای غیر خطی از منبع می­کشد گفته می­شود. (شکل شماره 7-2)

شکل شماره (7-2)

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

هارمونیک­ها عموما توسط بارهای غیرخطی بوجود می­آیند که از برق شهر جریان هایی بالا می­کشند. مانند کامپیوتر، دستگاه ­های فتوکپی، پرینترهای لیزری، موتورهای دوار با سرعت متغیر، دستگاه­ های جوشکاری و…

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

هارمونیک­ها باعث افزایش نامناسب جریان می­شوند و این افزایش اثر خود را در دماهای بالا نشان داده و باعث خرابی اجزای تشکیل­ دهنده و افزایش حرارت دستگاه می­شوند.

دمای تولید شده بوسیله هارمونیک­ها می­تواند سیم­ های اصلی نول سایت را خراب کند مگر آنکه سیم­ها به اندازه کافی ضخیم در نظر گرفته شوند.

حالت­های گذرای سوئیچینگ (Switching Transients)

به تغییرات ناخواسته و لحظه­ های فرکانس از مقدار تعیین شده گفته می­شود. (شکل شماره 8-2)

شکل شماره 8-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

پیدایش عناصر نیمه هادی (ترانزیستورها) و استفاده­ ی فراوان از آنها در شبکه ­های قدرت، عامل مهمی برای ایجاد هارمونیک در سیستم­های قدرت می­باشد.

اکثر PC­ها توسط منابع تغذیه سوئیچینگ تغذیه می­شوند و این باعث می­شود مشکلات مربوط به هارمونیک­ها با افزایش تعداد کامپیوترها به صورت تصاعدی بالاتر رود.

نویز الکتریکی (Electrical Line Noise)

نویز در واقع تغییرات نامنظم و کاملا اتفاقی ولتاژ است. تداخل الکترومغناطیس (EMI) و یا تداخل ناشی از فرکانس­های رادیوئی (RFI) از انواع نویز هستند. (شکل شماره 9)

شکل شماره  9 – 2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

نویز الکتریکی در اثر مشکلات کابل، کابل­کشی و مجاورت با تجهیزات فرکانس رادیویی، القای امواج روی خطوط انتقال، کارکرد ترانسفورمرها، ژنراتورها و دستگاه­ های صنعتی بوجود می­آید.

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

نویزها باعث سوء کارکرد و بروز خطا در برنامه­ های اجرایی و فایل­های اطلاعاتی می­گردد. به طور­کلی نویز الکتریکی می­تواند باعث اشکالات نرم افزاری (مانند Hang نمودن کامپیوتر) و در نتیجه از دست رفتن اطلاعات شده ولی موجب آسیب­های سخت­افزاری نمی­گردد.

نویزها دو نوع اند:

1. Normal Mode Noise
2. Common Mode Noise

1- Normal Mode Noise 

این نویزها عموما بین خطوط فاز و نول شبکه دیده شده و باعث آسیب منابع تغذیه، بردها و اجزای تشکیل دهنده مدار می­شوند. (شکل شماره 10-2)

شکل شماره  10-2

2- Common Mode Noise

بیشتر نویزها از این دسته ­اند و بین خطوط فاز و ارت یا نول و ارت وجود داشته و باعث از دست رفتن اطلاعات در کامپیوترها می­شوند. (شکل شماره 11-2)

شکل شماره  11-2

تاثیر نویز در بیت­های اطلاعاتی:

طبق منطق موجود در تجهیزات و دستگا­ه ­های کامپیوتری، سطح ولتاژ صفر ولت، سطح منطقی صفر و سطح ولتاژ 5 ولت، سطح منطقی یک در نظر گرفته شده است.

نویزهای وارد شده به سیستم­ها در سطوح منطقی مختلف، می­توانند بر روی سیستم تأثیر­ گذاشته و سطح منطقی را تغییر دهند. (شکل شماره 13-2)

شکل شماره 13-2: بیت­های نویزه

شکل شماره 12-2: بیت­های عادی

اسپایک (Spike)

عبارتست از افزایش بسیار زیاد لحظه­ای ولتاژ (شکل شماره 14-2)

شکل شماره  14-2

عوامل موثر در ایجاد اختلال:

ضربات ناشی از رعد و برق و یا عواملی که باعث سقوط خطوط انتقال برق می­شوند، باعث بروز این اختلال می­گردند. مانند: طوفان، تصادفات و …

تاثیر اختلال بر شبکه و بار مصرفی:

باعث سوختن مدارهای داخل کامپیوتر شده و یا با سوختن هارد (Hard Disk) باعث از بین رفتن اطلاعات می­گردد.

آماری از اختلالات برق

آمار اختلالات برق بر روی کامپیوتر، ارائه شده توسط Computer World

 

شکل شماره 1-3

آمار اختلالات برق در مدت یک ماه، ارائه شده توسط شرکت IBM

شکل شماره 2-3

آمار انواع اختلالات برق در مدت یک ماه، ارائه شده توسط شرکتAT&T

شکل شماره 3-3

پارامترهای اصلی جهت خرید دستگاه یوپی اس

(Total Harmonic Distortion) THD

وجود بارهایی که از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می­کنند، به دلیل ایجاد هارمونیک در شبکه، باعث داغ شدن سیم­ های نول و به تبعه آن باعث بروز گرما در سیستم برق می­شوند. بنابراین برای مکان­هایی که تعداد دستگاه ­های کامپیوتری زیادی دارند، توصیه می­شود از یو پی اس باTHD جریان ورودی پایین مثلا 10% استفاده شود.

Switch Time

به فاصله زمانی بین سوئیچ از برق شهر به باتری و بالعکس گفته می­شود. هر چه این زمان بیشتر باشد احتمال Restart شدن کامپیوتر در لحظه سوئیچ بیشتر خواهد بود. دستگاه­ هایی که زمان سوئیچ آنها حدود صفر است به دستگاه ­های On-Line معروف هستند.

Backup Time

زمان مورد نیاز برای وضعیتی است که برق شهر قطع شده و لازم است برای تغذیه بار مصرفی از شارژ باتری استفاده شود. این زمان بستگی به باتری دارد و با کم و زیاد شدن باتری، کم و یا زیاد می­شود. یو پی اس  ممکن است دارای باتری داخلی بوده و یا امکان اضافه نمودن باتری خارجی (کابینت باتری) به جهت طولانی نمودن مدت زمان برق­ دهی، برای آن وجود داشته باشد.

Noise Filtration

فیلتراسیون نویز بسته به مکان استفاده تغییر می­کند و زمانی که کنترل نویزهای Normal و Common ورودی به سیستم مهم است از آن استفاده می­شود.

Audible Noise

زمانی که دستگاه روشن است بر اساس صدای ناشی از فن یا ترانس دستگاه میزان نویز صوتی سیستم مشخص می­شود.

Size & Weight

سایز و حجم دستگاه می­تواند بر­اساس مکان استفاده متفاوت و در بحث حمل و نقل و یا خدمات مهم باشد.

Interface and Ergonomy

شکل ظاهری و تناسب دستگاه با توجه به نوع و مکان استفاده، نقش مهمی در انتخاب یو پی اس دارد.

Robustness and Reliability

استحکام و قابلیت اطمینان زیاد در برابر شرایط سخت و بحرانی از مهمترین پارامترهای انتخاب یوپ یاس مناسب می­باشد.

Technology & Wave Shape

یکی از پارامترهای مهم در انتخاب یوپی اس مناسب، تکنولوژی ساخت آن می­باشد که توضیحات آن­ها در ادامه آمده است.

چنانچه منابع تغذیه دستگاه ­های مورد استفاده (بار) بسیار حساس بوده و هیچگونه نویز یا اعوجاجی نباید به آن وارد شود و شکل موج خروجی به صورت سینوسی کامل و بدون قطعی و بدون وابستگی به ولتاژ ورودی لازم باشد، توصیه می­شود از یو پی­ اس ­های On-line استفاده شود و چنانچه ورود نویز یا تغییر شکل موج خروجی از درجه اهمیت کمتری برخوردار است، یوپ­یاس­های Line-Interactive توصیه می­شود.

Rated VA

توان نامی دستگاه پارامتری است که از دو راه می­توان مقدار آن را محاسبه و سپس دستگاه مناسب را خریداری نمود.

روش اول: مجموع مقادیر توان دستگاه­های مصرفی بر حسب وات را محاسبه نموده و بر0.6  تقسیم می­نمائیم. عدد به دست آمده، مقدار توان مصرفی می­باشد.

روش دوم: مقدار کل جریان را به دست آورده و آن را در 220 ضرب نموده تا مقدار توان مصرفی به دست آید.

 

Input Voltage Range

به میزان تغییرات ولتاژ ورودی یوپی اس گفته می­شود. مثلا دستگاه یو پی اس که بازه­ ی ولتاژ ورودی آن VAC 148-270باشد، بدان معناست که یو پی اس بین ولتاژ  148 تا 270 ولت برق شهر بدون استفاده از باتری و با در اختیار گرفتن فیلتراسیون داخلی به کار خود ادامه داده و ولتاژ خروجی مناسبی را ارائه می­دهد.

Input Frequency Range

به میزان تغییرات فرکانس ورودی یو پی اس گفته می­شود. مثلا دستگاه یو پی اس که بازه­ ی فرکانس ورودی آن %5 ± Hz­50­می­باشد، بدان معناست که  یوپی­ اس در بازه­ ی فرکانسی47.5  تا 52.5 هرتز بدون استفاده از باتری و با در اختیار گرفتن فیلتراسیون داخلی به کار خود ادامه داده و خروجی مناسبی را ارائه می­دهد. یو پی اس در خارج از این بازه، ورودی یو پی اس را غیرنرمال تشخیص داده و در حالت Backup و ولتاژ خروجی را از باتری تأمین می­نماید.

Output Voltage Range

• Line Regulation
• Load Regulation

بازه ­ی ولتاژ خروجی یو پی اس که مقدار آن با بازه­ ی ولتاژ ورودی دستگاه­های مصرفی باید هماهنگ باشد.

Output Frequency Range

بازه­ ی فرکانس خروجی یو پی اس که مقدار آن با بازه­ ی فرکانس ورودی دستگاه­ های مصرفی باید هماهنگ باشد.

Efficiency

• Normal Mode
• Backup Mode

مقدار توان خروجی دستگاه یو پی اس با توجه به مقدار توان ورودی دستگاه تحت عنوان Efficiency مطرح بوده که این عدد معمولا %100 نیست، زیرا مقداری از توان ورودی توسط خود یوپ یاس مصرف   می­شود.

میزان راندمان و کارایی دستگاه بنا به نوع تکنولوژی ساخت متفاوت و به خصوص در حالت باتری به علت تغذیه از باتری­ها از اهمیت ویژه برخوردار است.

Efficiency در دستگاه­ های Line-Interactive  بین % 80-70 بوده و در دستگاه ­های On-Line بیش از %80 می­باشد.

UPS Management Software

یکی از معیارهای مهم جهت خرید یوپی­اس، بررسی بحث مدیریت آن توسط نرم­ افزارهای مرتبط با یو پی اس می­باشد. مانیتورینگ و کنترلینگ یو پی اس (حتی به صورت Remote)، مکانیزم Auto Saving فایل­ها در زمان­های بحرانی، کاربرپسند بودن و پشتیبانی آن از سیستم عامل­های مختلف از جمله مهمترین ویژگی­های یک نرم­افزار مدیریت یوپی­اس می­باشد.