یو پی اس (UPS) یا منبع تغذیه بدون وقفه، یکی از تجهیزات مهم در حفاظت از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی در برابر قطعی برق، نوسانات ولتاژ، افت و افزایش ولتاژ و برخی اختلالات کیفیت توان است. از یو پی اس در محیطهای مختلفی مانند مراکز داده، سرورها، تجهیزات کامپیوتری، تجهیزات مخابراتی، تجهیزات پزشکی، سیستمهای کنترلی و بسیاری از تجهیزات حساس استفاده میشود.
یکی از مهمترین موضوعاتی که هنگام انتخاب، طراحی و خرید یو پی اس باید مورد توجه قرار گیرد، نوع بار متصل به UPS است. انواع بارهای وارد شونده به یو پی اس از نظر نحوه مصرف جریان به دو گروه اصلی بار خطی (Linear Load) و بار غیرخطی (Nonlinear Load) تقسیم میشوند.
شناخت تفاوت این دو نوع بار اهمیت زیادی دارد؛ زیرا بارهای غیرخطی میتوانند باعث ایجاد هارمونیک، افزایش جریان RMS، افزایش جریان سیم نول، گرم شدن تجهیزات و در شرایط خاص، کاهش کیفیت توان و ایجاد مشکلاتی برای UPS شوند.
در ادامه این پست از بهین صنعت، مرکز فروش یو پی اس ایران، به بررسی این موضوع می پردازیم.
دفتر مرکزی : تهران ، خیابان جانبازان شرقی، پلاک 19, طبقه ۲
2005 44 77 – 021 – 2 74 75 779 – 021
تلفن همراه:
09123064586 – 09135445006 – 09199015006 – 09195445002
دفتر اصفهان: کاشان – نبش بلوار دانش – بالاتر از شیرینی یاس – تقاطع بهفرد (رودخانه)
031-55470990 – 031-55470900
دفتر مشهد: مشهد – بلوار جانباز- جانباز ١٣ – نبش شهيد عجمی ١١
٣٧٦٢٨٩٥٠-051
دفتر سمنان: شاهرود – بلوار دانشجو
09124732658
بار الکتریکی چیست؟
هر وسیلهای که انرژی الکتریکی را از شبکه یا خروجی UPS دریافت و مصرف کند، یک بار الکتریکی محسوب میشود. این بار میتواند یک وسیله ساده مانند هیتر یا لامپ رشتهای باشد یا یک تجهیز الکترونیکی پیچیده مانند سرور، کامپیوتر یا منبع تغذیه سوئیچینگ.
از دیدگاه رفتار الکتریکی، مهمترین تفاوت بارها به رابطه میان ولتاژ و جریان و شکل موج جریان مربوط میشود.
اگر یک ولتاژ سینوسی به بار اعمال شود و جریان حاصل نیز سینوسی باشد، بار در حالت ایدهآل خطی است. اما اگر ولتاژ سینوسی به بار اعمال شود و جریان مصرفی شکل غیرسینوسی داشته باشد، با یک بار غیرخطی مواجه هستیم.
بار خطی چیست؟
بار خطی باری است که در آن، جریان متناسب با ولتاژ تغییر میکند. به عبارت دیگر، اگر یک ولتاژ سینوسی به یک بار خطی اعمال شود، جریان عبوری نیز سینوسی خواهد بود؛ هرچند ممکن است بین ولتاژ و جریان اختلاف فاز وجود داشته باشد.
بنابراین خطی بودن بار به این معنا نیست که جریان و ولتاژ حتماً همفاز باشند؛ بلکه شکل موج جریان باید متناسب و سینوسی باقی بماند.
برای مثال، اگر بار دارای ماهیت مقاومتی باشد، جریان و ولتاژ تقریباً همفاز هستند. در بارهای سلفی، جریان نسبت به ولتاژ پسفاز است و در بارهای خازنی، جریان نسبت به ولتاژ پیشفاز میشود. با وجود این اختلاف فاز، هر دو میتوانند بار خطی باشند.
نمونههایی از بارهای خطی
- لامپهای رشتهای
- هیترها و گرمکنهای الکتریکی
- بارهای مقاومتی
- بسیاری از موتورهای القایی در شرایط کاری متعارف
- سلفها
- خازنها
- برخی بارهای دارای اصلاح ضریب توان
نکته مهم این است که سلفی یا خازنی بودن بهتنهایی به معنی غیرخطی بودن بار نیست. یک بار سلفی یا خازنی میتواند کاملاً خطی باشد، مشروط بر اینکه رابطه ولتاژ و جریان آن خطی باشد.
رفتار بار خطی در UPS
هنگامی که UPS یک ولتاژ سینوسی مناسب به بار خطی اعمال میکند، جریان مصرفی نیز شکل موجی نسبتاً سینوسی خواهد داشت. در نتیجه، اعوجاج هارمونیکی جریان معمولاً پایین است و UPS شرایط سادهتری برای تأمین توان خواهد داشت.
البته در بارهای سلفی یا خازنی، اختلاف فاز میتواند باعث کاهش ضریب توان شود. بنابراین در طراحی UPS تنها مقدار توان اکتیو بر حسب وات اهمیت ندارد و باید توان ظاهری، ضریب توان و نوع بار نیز در نظر گرفته شود.
بار غیرخطی چیست؟
بار غیرخطی باری است که رابطه جریان و ولتاژ آن خطی نیست. در این حالت، حتی اگر ولتاژ ورودی کاملاً سینوسی باشد، جریان مصرفی ممکن است سینوسی نباشد.
یکی از رایجترین دلایل ایجاد بار غیرخطی، استفاده از یکسوسازها، دیودها، تریستورها، خازنهای ورودی و منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) است.
در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی، ابتدا ولتاژ AC توسط یک مدار یکسوساز به DC تبدیل شده و سپس توسط مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد. نحوه عملکرد این مدارها باعث میشود جریان تنها در بخشهایی از سیکل ولتاژ از شبکه کشیده شود. در نتیجه شکل موج جریان بهجای یک سینوس کامل، به صورت پالسی یا اعوجاجیافته خواهد بود.
نمونههایی از بارهای غیرخطی
- کامپیوترها
- سرورها
- تجهیزات شبکه
- پرینترهای لیزری
- منابع تغذیه سوئیچینگ
- تجهیزات مخابراتی
- PLCها
- درایوهای الکترونیکی
- بالاستهای الکترونیکی
- تلویزیونها
- بسیاری از تجهیزات پزشکی الکترونیکی
- برخی تجهیزات دارای یکسوساز و خازن در ورودی
امروزه بخش قابل توجهی از تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده در ساختمانها و مراکز صنعتی دارای ورودی غیرخطی هستند.
تفاوت اصلی بار خطی و غیرخطی
مهمترین تفاوت این دو نوع بار را میتوان در شکل موج جریان مشاهده کرد.
در بار خطی، اگر ولتاژ سینوسی باشد، جریان نیز سینوسی خواهد بود. اما در بار غیرخطی، ولتاژ سینوسی میتواند جریان غیرسینوسی ایجاد کند.
| ویژگی | بار خطی | بار غیرخطی |
|---|---|---|
| رابطه ولتاژ و جریان | خطی | غیرخطی |
| شکل جریان در برابر ولتاژ سینوسی | سینوسی | غیرسینوسی |
| هارمونیک جریان | بسیار کم یا ناچیز | معمولاً قابل توجه |
| اختلاف فاز | ممکن است وجود داشته باشد | ممکن است همراه با اعوجاج وجود داشته باشد |
| نمونه رایج | هیتر و بار مقاومتی | کامپیوتر و SMPS |
| شکل جریان | نسبتاً نرم | اغلب پالسی یا اعوجاجیافته |
| اثر بر سیم نول | معمولاً محدود | در شرایط خاص میتواند قابل توجه باشد |
| نیاز به توجه در طراحی UPS | معمولی | بیشتر |
هارمونیک چیست و چرا اهمیت دارد؟
یکی از مهمترین پیامدهای بارهای غیرخطی، ایجاد هارمونیکها در جریان است.
شکل موج سینوسی ایدهآل دارای یک فرکانس اصلی است؛ برای مثال در شبکه 50 هرتز، فرکانس اصلی 50 هرتز است. اما یک جریان غیرسینوسی را میتوان به مجموعهای از مؤلفههای فرکانسی مختلف تجزیه کرد.
این مؤلفهها شامل فرکانس اصلی و مضربهایی از آن هستند که به آنها هارمونیک گفته میشود.
برای مثال در شبکه 50 هرتز:
- هارمونیک اول: 50 هرتز
- هارمونیک سوم: 150 هرتز
- هارمونیک پنجم: 250 هرتز
- هارمونیک هفتم: 350 هرتز
در بسیاری از بارهای غیرخطی تکفاز، هارمونیکهای فرد بهخصوص هارمونیکهای سوم، پنجم و هفتم میتوانند قابل توجه باشند.
اثر هارمونیکها بر سیستم UPS
وجود بارهای غیرخطی لزوماً به این معنی نیست که UPS نمیتواند آنها را تغذیه کند؛ اما این بارها میتوانند شرایط کاری دشوارتری برای UPS ایجاد کنند.
از مهمترین پیامدهای هارمونیکها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
1. افزایش جریان RMS
جریان اعوجاجیافته میتواند مقدار RMS بیشتری نسبت به جریان سینوسی متناظر ایجاد کند. افزایش جریان RMS باعث افزایش تلفات و گرمای ایجادشده در هادیها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات میشود.
2. افزایش حرارت تجهیزات
عبور جریان هارمونیکی از کابلها، ترانسفورماتورها و سایر اجزای سیستم میتواند تلفات اضافی ایجاد کند و دمای تجهیزات را افزایش دهد.
3. کاهش کیفیت توان
بارهای غیرخطی میتوانند باعث افزایش اعوجاج هارمونیکی جریان شوند و در برخی شرایط، این اعوجاج از طریق امپدانس شبکه به اعوجاج ولتاژ نیز منجر شود.
4. ایجاد فشار بیشتر بر UPS
UPS باید جریان غیرسینوسی بار را تأمین کند. بنابراین اگر UPS برای نوع بار و میزان اعوجاج آن بهدرستی انتخاب نشده باشد، ممکن است در شرایط بار سنگین، عملکرد آن تحت تأثیر قرار گیرد.
5. احتمال اختلال در تجهیزات دیگر
هارمونیکهای قابل توجه میتوانند بر برخی تجهیزات متصل به همان شبکه اثر منفی داشته باشند و در شرایط نامناسب باعث عملکرد نادرست تجهیزات حساس شوند.
تأثیر بارهای غیرخطی بر سیم نول
یکی از مهمترین موضوعات در سیستمهای سهفاز چهار سیمه، اثر هارمونیکهای خاص بر جریان سیم نول است.
در یک سیستم سهفاز متعادل، جریانهای فرکانس اصلی سه فاز دارای اختلاف فاز 120 درجه هستند و مجموع برداری آنها تقریباً صفر میشود. در نتیجه جریان نول در حالت ایدهآل بسیار کم خواهد بود.
اما هارمونیک سوم رفتار متفاوتی دارد.
هارمونیک سوم هر سه فاز نسبت به یکدیگر در یک راستا قرار میگیرد؛ بنابراین این مؤلفهها بهجای خنثی شدن، در هادی نول با یکدیگر جمع میشوند.
به همین دلیل، در یک سیستم سهفاز که تعداد زیادی بار غیرخطی تکفاز دارد، جریان نول میتواند به مقدار قابل توجهی برسد؛ حتی در شرایطی که بار اصلی سیستم از نظر توان تقریباً متعادل باشد.
یک مثال ساده
فرض کنید در یک سیستم سهفاز، جریان اصلی هر فاز 100 آمپر باشد و مؤلفه هارمونیک سوم هر فاز معادل 30 آمپر باشد.
از آنجا که هارمونیک سوم در سه فاز با یکدیگر جمع میشود، مؤلفه هارمونیک سوم جریان نول میتواند به حدود:
30 + 30 + 30 = 90 آمپر
برسد.
این مثال نشان میدهد که صرفاً متعادل بودن بارهای سهفاز به معنی پایین بودن جریان نول نیست؛ نوع بار و میزان هارمونیک نیز باید بررسی شود.
ضریب توان در بارهای خطی و غیرخطی
یکی دیگر از تفاوتهای مهم این دو نوع بار، نحوه تعریف و تفسیر ضریب توان است.
در یک بار خطی که تنها دارای اختلاف فاز میان جریان و ولتاژ است، ضریب توان را میتوان با رابطه:
PF = cosφ
بیان کرد.
اما در بارهای غیرخطی، موضوع پیچیدهتر است؛ زیرا جریان علاوه بر اختلاف فاز، دارای اعوجاج هارمونیکی نیز هست.
در چنین شرایطی، ضریب توان کلی تحت تأثیر دو عامل قرار میگیرد:
- ضریب توان جابهجایی یا فازی
- ضریب اعوجاج
بنابراین در بارهای غیرخطی نمیتوان صرفاً با نگاه کردن به اختلاف فاز، ضریب توان واقعی را مشخص کرد.
این موضوع در انتخاب UPS اهمیت دارد؛ زیرا دو بار ممکن است توان اکتیو مشابهی مصرف کنند اما به دلیل تفاوت در ضریب توان و شکل موج جریان، نیاز متفاوتی از نظر توان ظاهری و ظرفیت UPS داشته باشند.
ضریب قله (Crest Factor) در UPS
یکی دیگر از پارامترهای مهم در بررسی بارهای غیرخطی، Crest Factor یا ضریب قله است.
ضریب قله از نسبت حداکثر مقدار لحظهای جریان به مقدار RMS آن به دست میآید:
Crest Factor = Ipeak / Irms
در یک موج سینوسی ایدهآل، ضریب قله تقریباً 1.414 است.
اما در بارهای غیرخطی، به دلیل شکل پالسی جریان، مقدار ضریب قله میتواند بیشتر باشد.
این موضوع برای UPS اهمیت زیادی دارد؛ زیرا UPS باید بتواند علاوه بر جریان RMS، جریانهای لحظهای و پیکهای جریان را نیز بدون ایجاد افت ولتاژ یا اختلال جدی تأمین کند.
جریان راهاندازی و بارهای دارای پیک جریان
برخی بارها هنگام روشن شدن، جریان بسیار بیشتری نسبت به جریان عادی خود میکشند. این جریان را میتوان جریان راهاندازی (Inrush Current) نامید.
این مسئله در تجهیزاتی مانند موتورها، ترانسفورماتورها و برخی منابع تغذیه و تجهیزات دارای خازن ورودی اهمیت دارد.
اگر جریان راهاندازی یک بار زیاد باشد و UPS ظرفیت کافی برای تأمین آن نداشته باشد، ممکن است هنگام روشن شدن بار، افت ولتاژ، هشدار اضافهبار یا حتی خاموشی حفاظتی رخ دهد.
بنابراین در انتخاب UPS نباید فقط به توان مصرفی عادی تجهیزات توجه کرد؛ بلکه پیک جریان و شرایط راهاندازی نیز باید بررسی شود.
چرا شناخت نوع بار هنگام انتخاب UPS مهم است؟
ظرفیت UPS معمولاً بر اساس توان ظاهری VA یا kVA و همچنین توان واقعی W یا kW مشخص میشود. اما صرفاً محاسبه مجموع توان نامی تجهیزات همیشه برای انتخاب صحیح کافی نیست.
هنگام انتخاب UPS بهتر است عوامل زیر بررسی شوند:
- مجموع توان واقعی بارها
- توان ظاهری بارها
- ضریب توان
- نوع بار
- میزان غیرخطی بودن بار
- جریان راهاندازی
- ضریب قله
- میزان هارمونیک جریان
- نوع سیستم تکفاز یا سهفاز
- مقدار بار قابل توسعه در آینده
- نیاز به افزونگی و ظرفیت رزرو
بهخصوص در مراکز داده و محیطهایی که تعداد زیادی سرور، تجهیزات شبکه و منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد، توجه به ویژگیهای بار غیرخطی اهمیت بیشتری پیدا میکند.
آیا بار غیرخطی برای UPS خطرناک است؟
نمیتوان گفت هر بار غیرخطی الزاماً برای UPS خطرناک است. بسیاری از UPSهای مدرن از ابتدا برای تغذیه بارهای غیرخطی طراحی شدهاند.
مشکل زمانی ایجاد میشود که ظرفیت یا مشخصات UPS متناسب با نوع بار انتخاب نشده باشد.
به عنوان مثال، اگر یک UPS برای یک بار ساده و تقریباً مقاومتی انتخاب شده باشد اما بعداً تعداد زیادی تجهیزات الکترونیکی با جریان پالسی و ضریب قله بالا به آن متصل شوند، ممکن است عملکرد سیستم با شرایط پیشبینیشده متفاوت باشد.
بنابراین هنگام انتخاب UPS باید مشخصات فنی آن، بهویژه توان قابل تأمین، محدوده ضریب توان، قابلیت تحمل بار غیرخطی و توانایی تأمین جریانهای پیک بررسی شود.
راهکارهای مدیریت بارهای غیرخطی
برای کاهش مشکلات ناشی از بارهای غیرخطی میتوان اقدامات مختلفی انجام داد:
- استفاده از UPS مناسب
یکی از مهمترین اقدامات، انتخاب UPS متناسب با نوع بار و مشخصات واقعی آن است. ظرفیت UPS باید علاوه بر توان مصرفی، ویژگیهایی مانند ضریب قله و رفتار غیرخطی بار را نیز پوشش دهد.
- استفاده از منابع تغذیه با اصلاح ضریب توان
در تجهیزات جدید، استفاده از منابع تغذیه دارای PFC (Power Factor Correction) میتواند شکل موج جریان ورودی را بهبود دهد و اعوجاج جریان را کاهش دهد.
- توجه به ظرفیت سیم نول
در سیستمهای سهفاز چهار سیمه که تعداد زیادی بار غیرخطی تکفاز دارند، جریان نول باید بهطور دقیق محاسبه و بر اساس شرایط واقعی سیستم انتخاب شود.
استفاده از هادی نول با ظرفیت بالاتر میتواند در برخی طراحیها ضروری باشد، اما مقدار آن باید بر اساس محاسبات مهندسی، استانداردهای مربوطه و میزان هارمونیک واقعی تعیین شود و نمیتوان یک ضریب ثابت را برای تمام پروژهها توصیه کرد.
- توزیع مناسب بارهای تکفاز
در سیستمهای سهفاز، توزیع مناسب بارهای تکفاز میان فازها میتواند به تعادل بار کمک کند. البته باید توجه داشت که تعادل توان بهتنهایی مشکل هارمونیکهای مرتبه سوم را حذف نمیکند.
- اندازهگیری هارمونیکها
در پروژههای حساس، بهتر است بهجای حدس زدن درباره نوع بار، شکل موج جریان و پارامترهای کیفیت توان با تجهیزات اندازهگیری مناسب بررسی شوند.
بار خطی بهتر است یا بار غیرخطی؟
بهطور کلی نمیتوان گفت بار خطی همیشه بهتر و بار غیرخطی همیشه نامطلوب است.
بارهای غیرخطی بخش جداییناپذیر بسیاری از تجهیزات الکترونیکی مدرن هستند و وجود آنها در یک سیستم امروزی کاملاً طبیعی است.
موضوع اصلی این است که UPS و زیرساخت الکتریکی باید متناسب با نوع بار طراحی شوند.
یک UPS مناسب میتواند بارهای غیرخطی را بهخوبی تغذیه کند، اما برای دستیابی به عملکرد مطمئن باید ظرفیت، کیفیت خروجی، توان لحظهای، ضریب قله و مشخصات بار در زمان طراحی مورد توجه قرار گیرند.
جمعبندی
بارهای متصل به UPS را میتوان از نظر رفتار الکتریکی به دو گروه اصلی خطی و غیرخطی تقسیم کرد.
در بارهای خطی، اعمال ولتاژ سینوسی باعث ایجاد جریان سینوسی میشود. بارهای مقاومتی، سلفی و خازنی میتوانند در شرایط مناسب در این گروه قرار گیرند. اختلاف فاز میان جریان و ولتاژ در بارهای سلفی و خازنی، آنها را غیرخطی نمیکند.
در مقابل، در بارهای غیرخطی، جریان متناسب با ولتاژ نیست و حتی در صورت سینوسی بودن ولتاژ، جریان میتواند شکل پالسی و غیرسینوسی داشته باشد. منابع تغذیه سوئیچینگ، کامپیوترها، سرورها، تجهیزات شبکه و بسیاری از تجهیزات الکترونیکی در این دسته قرار میگیرند.
مهمترین پیامد بارهای غیرخطی، ایجاد هارمونیکهای جریان است. این هارمونیکها میتوانند باعث افزایش جریان RMS، افزایش حرارت، افزایش جریان نول، کاهش کیفیت توان و ایجاد فشار بیشتر بر تجهیزات الکتریکی و UPS شوند.
از این رو، هنگام انتخاب و طراحی سیستم UPS نباید فقط مجموع توان مصرفی تجهیزات را در نظر گرفت. نوع بار، ضریب توان، ضریب قله، جریان راهاندازی، میزان هارمونیک و ساختار تکفاز یا سهفاز سیستم نیز باید بررسی شود.
شرکت بهین صنعت با ارائه انواع یو پی اس (یو پی اس صنعتی ، یوپی اس خانگی ، یو پی اس اداری)، استابلایزر و انواع باتری یو پی اس در خدمت جامعه و ادارات و سازمان ها می باشد. برای اطلاع بیشتر در ارتباط با خرید یو پی اس، نگهداری از یو پی اس و همین طور نگهداری از باطری یو پی اس و مشاوره می توانید از صفحات مربوطه بازدید نمایید یا با شماره 77442005 در تهران تماس حاصل فرمایید.