جهاز ال UPS وأنواعه واستخداماته

توفر أنظمة التزويد بالطاقة الغير منقطعة (UPS) طاقة مستمرة موثوقة وعالية الجودة للأحمال الهامة. وتحمي الأحمال الحساسة من انقطاع التيار الكهربائي وكذلك تحميها من حالات الجهد الزائد أو المنخفض. تقوم أنظمة UPS أيضًا بكبح الاضطرابات التوافقية. تشمل تطبيقات أنظمة UPS المستشفيات والبنوك ومراكز تخزين البيانات ومعدات الطوارئ والاتصالات السلكية واللاسلكية والعمليات الصناعية. وفي المقال التالي شرح جهاز يو بي اس UPS وأنواعه.

ما هو جهاز ال UPS؟

اليو بي اس UPS اختصار (uninterruptible power supply) وتعني مزود الطاقة غير المنقطعة هو جهاز يضمن عدم انقطاع التيار عن الأجهزة والأحمال الهامة مطلقًا عند انقطاع الكهرباء من المصدر الرئيسي، ويحميها أيضًا من ارتفاع أو انخفاض الجهد. بتوفير مصدر بديل لتغذية الأجهزة والأحمال الكهربائية الهامة عبر بطاريات وانفرتر خلال مدة زمنية تصل إلى صفر ثانية.

تتمثل أهمية UPS بأنه يوفر الميزات التالية:

1. حماية الحمل من تغيرات التردد.
2. القضاء على الاضطراب والضوضاء (noise) في الكهرباء.
3. تنظيم الجهد.
4. يوفر طاقة بديلة للأحمال الحرجة أثناء فشل مصدر الشبكة الكهربائية.

كيف يعمل الـ UPS؟

يتم توفير طاقة الدخل لنظام UPS من مصدر خارجي، عادةً من شركة الكهرباء، ويقوم الجهاز بتحويل التيار المتردد القادم من الشبكة إلى تيار مستمر لشحن البطاريات وتغذية الانفرتر الذي بدوره يحول التيار المستمر إلى متردد لتغذية الحمل. وعند انقطاع الكهرباء من الشبكة تستمر البطارية بتزويد الحمل بالتيار عبر الانفرتر (لمدة تعتمد على سعة البطاريات) إلى أن تعود الكهرباء أو تشغيل المولد الكهربائي الاحتياطي.

يقوم UPS بفلترة الطاقة الداخلة لأجهزتك، مما يؤدي إلى منع تغيرات الجهد التي يمكن أن تسبب إجهاد على أجهزتك الإلكترونية أو تتلفها. ويوفر مصدر بديل عند انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة.

مكونات جهاز UPS

تحتوي مكونات نظام UPS الأساسية على شاحن/مقوم وبطاريات وعاكس. شاحن البطارية هو مقوم (rectifier) يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر من أجل شحن البطاريات. تخزن البطاريات الطاقة ليتم توفيرها للحمل عندما يكون هناك فقد في الطاقة أو تكون طاقة الشبكة خارج الحد المسموح به. يقوم العاكس (الانفرتر) بتحويل طاقة التيار المستمر من البطارية إلى طاقة التيار المتردد المستخدمة لتزويد الحمل.

1. المقوم/الشاحن Rectifier/charger: يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر DC لشحن البطارية وتغذية العاكس (inverter).
2. العاكس inverter: يعمل الانفرتر على توليد طاقة كهربائية عالية الجودة، أي خالية من جميع اضطرابات الطاقة في شبكة الكهرباء، لتكون ضمن التفاوتات المتوافقة مع متطلبات الأجهزة الإلكترونية الحساسة.
3. البطارية: توفر طاقة احتياطية لوقت كافي (8 دقائق إلى ساعة واحدة أو أكثر) لضمان استمرار الطاقة.
4. مفتاح ستاتيكي Static switch: جهاز مبني على اشباه الموصلات يعمل على تحويل تغذية الحمل من الانفرتر إلى الشبكة أو العكس بسرعة فائقة دون حدوث أي انقطاع للتيار عن الحمل.

أنواع الـ UPS

يتم تصنيف الـ UPS وفقًا للموصفات IEC 62040 حسب أوضاع التشغيل إلى ثلاثة أنواع : أ) النوع الاحتياطي Passive standby ويسمى off-line ب) الخط التفاعلي Line interactive جـ) التغذية الدائمة (on-line) ويسمى التحويل المزدوج (Double conversion).

الاحتياطي Off-line UPS

في جهاز يو بي اس الاحتياطي Off-line UPS يتم توصيل الانفرتر بالتوازي مع مصدر التيار المتردد ويبقى الانفرتر في وضع الاحتياط standby للمصدر الرئيسي، في الوضع العادي يتم تغذية الحمل بواسطة مصدر الكهرباء الرئيسية عبر فلتر يعمل على تحسين جودة التيار ويوفر درجة معينة من تنظيم الجهد.

عندما يكون جهد التيار المتردد من المصدر خارج حدود التفاوت (tolerance) المحددة لـ UPS أو عند انقطاع الكهرباء يتم تحويل مصدر التغذية تلقائيًا إلى الانفرتر والبطارية لضمان استمرار إمداد الحمل بالطاقة خلال وقت قصير جدًا (أقل من 10 مللي ثانية). ويستمر UPS في العمل على البطاريات حتى عودة التيار من المصدر الرئيسي -إذا كان الانقطاع لمدة قصيرة- وحينها يعمل الجهاز على إعادة التغذية من المصدر الرئيسي الأصلي ويتم إعادة شحن البطارية إلى سعتها الكاملة.

هذا النوع يعتبر حل وسط بين مستوى مقبول من الحماية ضد الاضطرابات وبين التكلفة. يمكن استخدامه فقط مع قدرات منخفضة (أقل من 2kVA). ويعمل بدون static switch لذلك يحتاج لزمن معين لتبديل الحمل بين المصدر الاحتياطي (الانفرتر والبطاريات) والشبكة الرئيسية، هذه المدة مقبولة لبعض التطبيقات الغير حساسة، ولكنها غير مقبولة مع الأداء المطلوب من قبل الأنظمة الأكثر تعقيدًا وحساسية والتي لا يمكن قطع المصدر عنها ولو لأجزاء من الملي الثانية مثل مراكز الكمبيوتر الكبيرة، بالإضافة لذلك هذا النوع لا يمكنه تنظيم التردد.

المتصل On-line UPS

جهاز يو بي اس التغذية الدائمة On-line UPS أو التحويل المزدوج (double conversion UPS)، من أفضل أنواع UPS وأكثرها موثوقية، يتم تغذية الحمل دائمًا من خلال الانفرتر بطاقة كهربائية بحدود تفاوت دقيقة في الجهد والتردد، بصرف النظر عن حالة شبكة الكهرباء الرئيسية. وعند انقطاع التيار لا تتأثر هذه الاحمال مطلقًا ولا تشعر بأي اهتزاز في مصدر التغذية ويستمر ال UPS في تغذية هذه الأحمال من البطارية لمدة تتوقف على سعة البطارية وكمية التيار المسحوب منها.

في الوضع الطبيعي يمر تيار الحمل بشكل متواصل من خلال جهاز التقويم والشحن Charger/ Rectifier الذي يحول التيار المتردد إلى مستمر يغذي كلاً من البطارية والانفرتر. يحول الانفرتر التيار المستمر إلى متردد يغذي الحمل المتصل بالجهاز. وفي حالة انقطاع التيار الكهربائي تعمل البطارية تلقائيًا ودون أي انقطاع على تغذية الانفرتر من البطارية، وعادةً يوجد مع هذا النظام مولد كهربائي احتياطي يتم تشغيله لتزويد البطاريات بالتيار إلى أن يعود مصدر التيار الرئيسي.

نظرًا لأن الكهرباء تمر عبر المقوم والانفرتر قبل وصولها للحمل يتم التخلص من معظم اضطرابات الجهد من خلال أجهزة ترشيح (فلترة)، أيضًا، لا يعتمد جهد وتردد الحمل على مصدر الشبكة الرئيسية، يسمح الانفرتر بالتحكم بقيمة التردد والجهد. الوقت اللازم لنقل الحمل بين الشبكة والانفرتر مهمل بفضل (static switch) لذلك، يعتبر جهاز UPS دائمة التغذية حلًا جيدًا لأي أجهزة حساسة لاضطرابات الجهد والتردد أو التشويش أو لا يمكنها تحمل أي انقطاع في الطاقة ولو لجزء من الثانية. ولكنها أكثر تكلفة. هذا النوع يعتبر ملائمًا للأحمال الصغيرة (أكبر من 3kVA) أو الأحمال الكبيرة (حتى عدة MVA).

التفاعلي line interactive UPS

في جهاز يو بي اس التفاعلي line interactive UPS يتم توصيل العاكس بالتوازي مع التيار المتردد من الشبكة، ويتم شحن البطارية أيضًا. يتم تزويد الحمل بطاقة محسنة عبر ربط متوازي للشبكة والانفرتر. يعمل الانفرتر على تحسين الجهد الناتج وشحن البطارية.

في الوضع العادي يتم تزويد الحمل بالطاقة المحددة عبر توصيل متوازي لخط الشبكة والانفرتر. يعمل الانفرتر على تنظيم الجهد وشحن البطارية. يعتمد تردد الخرج على تردد مصدر التيار المتردد للشبكة الرئيسية.

عندما يكون جهد الشبكة خارج حدود التفاوتات المحددة ل UPS أو عند انقطاع الطاقة، يتدخل الانفرتر والبطارية لضمان استمرار إمداد الحمل بالطاقة بعد تحويل التغذية دون انقطاع باستخدام مفتاح استاتيكي يقوم أيضًا هذا المفتاح بفصل خط الشبكة الرئيسية لمنع مرور الطاقة من الانفرتر إلى المصدر. يستمر UPS في العمل على طاقة البطارية حتى انتهاء تفريغها أو عودة الطاقة من الشبكة إلى وضعها الطبيعي، مما يؤدي إلى نقل الحمل مرة أخرى إلى الشبكة (الوضع العادي).

هذا النوع غير مناسب تمامًا لتنظيم الأحمال الحساسة في نطاق القدرة المتوسطة إلى العالية لأن تنظيم التردد غير ممكن. لهذا السبب، نادرًا ما يتم استخدامه بغير تصنيفات الطاقة المنخفضة.

للمزيد اقرأ: أنواع ال UPS

اختيار جهاز ال UPS المناسب

مع وجود العديد من أنواع نظام UPS المتاحة للاختيار من بينها، ما هو الأنسب لتطبيقك؟ يعتمد اختيار نوع أنظمة UPS على العوامل التالية. (1) القدرة المطلوبة، (2) معامل القدرة (3) التكلفة (4) الحجم والوزن (5) طبيعة الشبكة (6) الموثوقية (7) الحماية (8) المستوى المطلوب من جودة الطاقة(9) حجم بنك البطارية.

تتكون عملية اختيار نظام UPS من سبع خطوات.

1. تحديد الحاجة إلى نظام UPS
2. حساب القدرة المطلوبة
3. اختيار نوع جهاز UPS
4. تحديد تركيب نظام UPS
5. سلامة نظام UPS
6. توفر نظام UPS
7. هل تم اختيار نظام UPS بأسعار معقولة؟

يوضح الشكل في الصورة مخطط اختيار نظام UPS لتطبيق معين.

استخدامات جهاز الـ UPS

تشمل تطبيقات أنظمة UPS المرافق الطبية وخاصة الأجهزة المرتبطة بحياة المرضى، ومراكز تخزين البيانات وأنظمة الكمبيوتر، ومعدات الطوارئ، والاتصالات السلكية واللاسلكية، والعمليات الصناعية الهامة، وأنظمة الإدارة عبر الإنترنت.

في الماضي، تم استخدام أنظمة UPS كتركيبات كبيرة في المستشفيات ومرافق الاتصالات ومراكز البيانات. كان الغرض الرئيسي منها توفير طاقة للحمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي وكان النوع الوحيد المتاح ما يسمى UPS المتصل. في وقت لاحق، ظهرت أنظمة UPS الاحتياطية (Off-line UPS) في السوق استجابة للطلب على أنظمة UPS الصغيرة وغير المكلفة المصممة لتزويد حمولة صغيرة معينة. مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية. بعد ذلك، جاءت أنظمة line interactive UPS كحل وسط بين النوع المتصل عالية الأداء والمكلفة، والنوع الاحتياطي الأقل تكلفة ذات الأداء الضعيف. توفر أنظمة UPS الطاقة أثناء انقطاع التيار الكهربائي وأيضًا توفر في معظم الحالات نوعًا من تحسين جودة الطاقة الداخلة للأجهزة.