انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده

انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده

مشاهده محصولات Schneider Electric(APC):

⇐ رک های مرکز داده APC

⇐ راهروهای سرد/گرم مرکز داده APC

انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده

در این پست ترجمه فارسی مقاله اول شرکت APC در خصوص انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده ارائه شده است. شما در انتها این مقاله علاوه بر شناخت انواع مختلف سیستم های UPS برای مراکز داده با موارد ذیل نیز آشنا می شوید:

• متداول‌ ترین روش‌های طراحی UPS .

• سیستم های  UPS آماده‌ به‌ کار.

• سیستم UPS وابسته‌ به‌ خط.

• دستگاه UPS آماده‌ به‌ کار Ferro.

• دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط.

• سیستم UPS تبدیل دلتای برخط.

• مقایسهٔ سیستم تبدیل مضاعف با تبدیل دلتا.

• خلاصه‌ ای از انواع UPS.

• کاربرد انواع UPS در صنعت مرکز داده.

• نتیجه‌ گیری.

مقدمه

گوناگونی UPSها و ویژگی‌های آن‌ها معمولا در صنعت مرکزداده باعث سردرگمی می‌شود. برای نمونه بسیاری بر این باورند که تنها دو نوع سیستم UPS وجود دارد که UPS آماده‌به‌کار و UPS آنلاین (همواره پایدار و درحال‌کار) باشد. ولی فقط این دو سیستم نیستند و سیستم‌های UPS بسیار دیگری هم وجود دارند. بیان تعریف درست از انواع مختلف معماری UPS بسیاری از بدفهمی‌ها را دراین‌باره برطرف می‌کند. ماهیت پایهٔ طراحی UPS را معماری آن نشان می‌دهد. سازندگان مختلف اغلب مدل‌های گوناگونی تولید می‌کنند که با وجود طراحی یا معماری مشابه، ویژگی‌های عملکردی (Performance) بسیار گوناگون دارند.

در اینجا روش‌های متداول طراحی را با توضیحی مختصری دربارهٔ شیوهٔ کارکردن هر معماری بررسی خواهیم کرد. بدین ترتیب می‌توان به‌ درستی این سیستم‌ها را شناخت و با هم مقایسه کرد.

انواع UPS

برای اجرای سیستم‌های UPS، روش‌های طراحی مختلفی به‌کار می‌رود که هریک ویژگی‌های عملکردی خودشان را دارند.

متداول‌ ترین روش‌های طراحی UPS عبارت‌ اند از:

• آماده‌ به‌ کار (Standby)
• وابسته‌ به‌ خط (Line Interactive)
• آماده‌ به‌ کار Ferro ـ (Standby-Ferro)
• تبدیل مضاعف برخط (Double Conversion On-line)
• تبدیل دلتای برخط (Delta Conversion On-line)

سیستم های  UPS آماده‌ به‌ کار-مقاله 1

   شکل ۱ – مقاله ۱

این نوع از UPS بیشتر برای کامپیوترهای شخصی استفاده می‌شود. شیوهٔ کار آن را در نمودار شماتیک شکل ۱ مشاهده می‌کنید.

شکل ۱: نمودار شماتیک UPS آماده‌به‌کار

می‌بینید که کلید انتقال به‌گونه‌ ای به‌کار رفته که ورودی برق متناوبِ فیلترشده را منبع اصلی در نظر گرفته است (مسیر خط ممتد). هرگاه منبع اصلی قطع شود، مسیر به «باتری ـ اینورتر» که سیستم پشتیبان است تغییر می‌کند. برای این کار کلید انتقال باید به کار بیفتد و مصرف را به منبع پشتیبان باتری ـ اینورتر منتقل کند (مسیر خط نقطه چین). اینورتر تنها هنگامی شروع به کار می‌کند که برق قطع می‌شود. به همین دلیل نیز به آن «آماده‌ به‌ کار» می‌گویند. بهره‌ وری خوب، اندازهٔ کوچک، هزینهٔ کم، این سه از مزایای اصلی طراحی آماده‌ به‌ کار به‌ شمار می‌روند. با فیلتر مناسب و Surge Circuitry می‌توان از این سیستم‌ها به‌عنوان فیلتر نویز و ضربه‌ گیر نیز استفاده کرد.

سیستم UPS وابسته‌ به‌ خط

سیستم UPS وابسته‌ به‌ خط-مقاله1

شیوهٔ کار UPS وابسته‌ به‌ خط را در شکل ۲ می‌بینید. این روش رایج‌ترین نوع طراحی است که برای کسب‌ وکارهای کوچک، وب، همچنین برای سرورهای اداری استفاده می‌شود.

شکل ۲ – مقاله ۱

شکل ۲: نمودار شماتیک UPS وابسته‌به‌خط

در این طراحی، مبدل باتری به برق AC (اینورتر) همیشه به خروجی UPS متصل است. در حالت عادی که برق AC به ورودی وصل است و مصرف را فراهم می‌کند. اینورتر تا وقتی‌ که باتری کاملا شارژ بشود با عمل برعکس. برق AC را به DC تبدیل می‌کند و آن را در باتری ذخیره می‌سازد. برق ورودی که قطع بشود. کلید انتقال قطع می‌شود و برق را از باتری به خروجی UPS جریان می‌دهد. در این طراحی روشن‌ بودن دائمی اینورتر و اتصال آن به خروجی باعث می‌شود فیلتر اضافی فراهم شود و نوسان مقطعی کمتری در مقایسه با UPSهای نوع آماده‌ به‌ کار داشته باشد.

همچنین

طراحی وابسته‌ به‌ خط معمولا در خودش ترانسفورماتوری با کلید تغییر حالت (Tap-changer) دارد که هرگاه تغییر و نوسانی در ولتاژ ورودی روی بدهد. آن را تنظیم می‌کند. در شرایطی که برق فشارضعیف باشد، این ویژگی مهم است. زیرا بدون آن، در حالی که واقعا برق قطع نشده است، UPS به‌حالت استفاده از باتری درمی‌آید و آن‌قدر به تغذیه با باتری ادامه می‌دهد که برق دستگاه‌ها با تمام‌ شدن ذخیرهٔ شارژ قطع می‌شود. از سویی باتری‌ها نیز به این دلیل که بیش از اندازه استفاده می‌شوند. عمر مفیدشان زودتر از موقع به پایان می‌رسد. البته می‌توان اینورتر را به‌ گونه‌ای طراحی کرد که حتی اگر خرابی پیش بیاید، بازهم بتواند: برق را از ورودی AC فراهم کند. احتمال بروز نقاط بحران‌ خیز را کاهش بدهد، همچنین دو مسیر مستقل برای برق فراهم سازد.

بهره‌ وری خوب، اندازهٔ کوچک، هزینهٔ کم، اطمینان‌پذیری خوب (Reliability)،

هنگامی که این‌ها با قابلیت اصلاح شرایط در خطوط فشارضعیف یا فشارقوی همراه می‌شوند. این نوع از UPS را به گزینه‌ای پرکاربرد در برق ۰٫۵ تا ۵ کیلوولت‌آمپر تبدیل می‌سازد.

دستگاه UPS آماده‌ به‌ کار Ferro

زمانی استفاده از این نوع UPSها در بازهٔ ۳ تا ۱۵ کیلوولت‌آمپر معمول بود. این طراحی به ترانسفورماتورهای اشباع که سه سیم‌پیچ دارند (اتصالات برق) وابسته است. مسیر اصلی برق از ورودی AC آغاز می‌شود، سپس از کلید انتقال و ترانسفورماتور می‌گذرد و به خروجی می‌رسد. اگر برق قطع بشود، کلید انتقال نیز قطع می‌شود و بار مصرفی به اینورتر انتقال می‌یابد.

اینورتر در طراحی آماده‌ به‌ کار Ferro

اینورتر در طراحی آماده‌ به‌ کار Ferro در حالت آماده‌ به‌ کار است و با قطع برق ورودی و قطع کلیدِ انتقال به کار می‌افتد. هر ترانسفورماتور دارای قابلیت فرورزونانس مشخصی است. یعنی تنظیمات ولتاژی محدود و خروجی سینوسی‌ شکل دارد. این جداسازی نوسانات کوتاهِ برق AC که ترانسفورماتورهای Ferro انجام می‌دهند، به‌اندازهٔ هر نوع از فیلتر که اعمال شود یا حتی بیشتر سودمند است. ولی ترانسفورماتورهای Ferro خودشان اختلال یا نوسان‌های بسیار کوتاه و شدیدی در ولتاژ خروجی ایجاد می‌کنند که ممکن است از اتصال کوتاه AC نیز بدتر باشد. طراحی این سیستم در واقع همانند UPS آماده‌به‌کار است ولی حرارت زیادی تولید می‌کند؛ ترانسفورماتورهای Ferro Resonant اصولا بهینه نیستند. این ترانسفورماتورها همچنین شباهت زیادی به ترانسفورماتورهای متداول در ایزوله‌ سازی دارند؛ به همین دلیل نیز UPSهای آماده‌به‌کار Ferro بسیار بزرگ و سنگین هستند.

دستگاه UPS آماده‌به‌کار Ferro-مقاله1

سیستم UPS آماده‌به‌کار Ferro ، اغلب دستگاه آنلاین معرفی می‌شود. زیرا با اینکه کلید انتقال دارد، اینورتر آن همواره در حالت آماده‌به‌کار است و هرگاه برق AC قطع بشود، مصرف را به منبع دیگری منتقل می‌کند. معماری این سیستم را در شکل ۳ ببینید.

شکل ۳ – مقاله ۱

شکل  ۳: نمودار شماتیک UPS آماده‌به‌کار Ferro

برتری این طراحی در اطمینان‌ پذیری خوب و فیلترینگ مناسب خطوط است. هرچند اگر با ژنراتورها و کامپیوترهایی به کار رود که ضریب توان اصلاح‌شده داشته باشند، ناپایدار می‌شود و بهره‌ وری بسیار کمی خواهد داشت. دلیل کاهش چشمگیر استفاده از این طراحی نیز همین مشکل است.

این سیستم در تامین برق کامپیوترهای مدرن ناپایدار عمل می‌کند و همین مسئلهٔ مهم است که باعث شده از آن کمتر استفاده بشود. تمامی سرورهای بزرگ و روترها از منبع تغذیهٔ با «ضریب توان اصلاح‌شده» استفاده می‌کنند که مانند لامپ‌های رشته‌ ای‌ تنها با جریان برق سینوسی کار می‌کند. این جریان را خازن‌هایی ایجاد می‌کنند که باعث پیش‌افتادگی ولتاژ از جریان می‌شوند. سیستم Ferro Resonant UPS دارای ترانسفورماتورهای اصلی بزرگ با خاصیت القایی است؛ این یعنی ولتاژ نسبت به جریان پس‌ افتادگی پیدا می‌کند. ترکیب این دو باعث ایجاد مدار انباره می‌شود. در مدارهای انباره (Tank)، بروز رزونانس باعث جریان شدید و تخریب بارها می‌شود.

دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط

دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط-مقاله1

این نوع از UPS متداول‌ترین سیستم برای تامین توان بیش از ۱۰ کیلوولت‌ آمپر است. شکل ۴ نمودار شماتیک آن را نشان می‌دهد. تنها تفاوت UPS تبدیل مضاعف برخط با سیستم آماده‌به‌کار در این است که مسیر اصلی به‌جای برق AC از اینورتر می‌گذرد.

شکل ۴ – مقاله ۱

شکل  ۴: نمودار شماتیک UPS تبدیل مضاعف برخط

قطع‌شدن برق AC، کلید انتقال را در این طراحی فعال نمی‌کند. زیرا منبع باتری پشتیبان با همین مسیر برق شارژ می‌شود و باتری نیز برق ورودی به اینورتر را تامین می‌کند. بدین ترتیب هرگاه برق AC قطع بشود، بدون هیچ وقفه‌ای، انتقال به باتری ادامه می‌یابد و عملیات را آنلاین و پیوسته نگه می‌دارد. در اینجا تبدیل کل برق مصرفی را شارژر باتری (رکتیفایر یا یکسوکننده) و اینورتر هر دو بر عهده دارند.

عملکرد این UPS در تامین برق خروجی کما بیش مطلوب است. ولی اجزایی که در مسیر برق قرار می‌گیرند، اطمینان‌ پذیری را در مقایسه با دیگر طراحی‌ها کاهش می‌دهد. همچنین جریان برق ورودی به شارژرهای بزرگ باتری ممکن است غیرخطی شود و با سیستم برق کل ساختمان تداخل پیدا کند، یا مشکلاتی در ژنراتورهای آماده‌ به‌ کار پیش آورد.

سیستم UPS تبدیل دلتای برخط

سیستم UPS تبدیل دلتای برخط-مقاله1

شکل ۵ – مقاله ۱

این طراحی UPS (شکل ۵) جدیدتر از فناوری‌های دیگر است و در بازهٔ ۵ کیلوولت‌آمپر تا ۱٫۶ مگاوات ساخته می‌شود.

شکل  ۵: نمودار شماتیک UPS تبدیل دلتای برخط.

ده سالی هست که این سیستم برای اصطلاح معایب طراحی تبدیل مضاعف برخط عرضه شده است. ولتاژ لازم در این سیستم، همانند طراحی تبدیل مضاعف برخط، همواره با اینورتر تامین می‌شود. البته کانورتر دلتای اضافی این سیستم نیز در رساندن برق ورودی به اینورتر نقش دارد. این سیستم هنگام قطع جریان AC یا اختلال در آن، همچون سیستم تبدیل مضاعف برخط رفتار می‌کند.

برای درک بهره‌وری انرژی در معماری تبدیل دلتا به شکل ۶ دقت کنید. این تصویر نمادین دربارهٔ مقدار مصرف انرژی در جابه‌جاکردن بسته‌ای از طبقهٔ چهارم به طبقهٔ پنجم ساختمان است. در فناوری تبدیل مضاعف، هر بسته در فاصلهٔ اختلاف (دلتا) میان نقطهٔ آغاز و پایان مسیر جابه‌جا می‌شود. این کار صرفه‌جویی در انرژی به همراه دارد. دستگاه UPS تبدیل مضاعف برخط بدین شکل کار می‌کند که جریان AC را به برق باتری و سپس دوباره به برق AC تبدیل می‌کند. در مقایسه دیدیم که اجزای سیستم تبدیل دلتا یک‌راست برق را از ورودی به خروجی منتقل می‌کند.

مقایسهٔ سیستم تبدیل مضاعف با تبدیل دلتا

مقایسهٔ سیستم تبدیل مضاعف با تبدیل دلتا-مقاله1

شکل ۶: مقایسهٔ سیستم تبدیل مضاعف با تبدیل دلتا

شکل ۶ – مقاله ۱

مبدل دلتا در این سیستم با دو هدف کار می‌کند. هدف اول نظارت بر مشخصات جریان ورودی است. این درگاهِ فعال با سینوسی‌ کردن جریان، تاثیرات هارمونیک بر برق شهری را به حداقل می‌رساند. از این طریق قابلیت انطباق سیستم ژنراتور و برق را بهینه می‌کند و گرما و استهلاک را نیز کاهش می‌دهد. کارکرد دوم آن شارژ منظم باتری است.

این نوع دستگاه UPS ویژگی‌هایی همانند جریان خروجی در طراحی تبدیل مضاعف برخط دارد. گرچه که خصوصیات جریان ورودی معمولا متفاوت است. در طراحی تبدیل دلتای برخط، جریان ورودی با انجام کنترل دینامیکی، ضریب توان اصلاح‌ شده‌ای را ایجاد می‌کند که دیگر نیازی به استفادهٔ غیر موثر از بانک فیلتر و روش‌های سنتی نیست. کاهش چشمگیر در هدررفت انرژی مهم‌ترین مزیت آن است. تنظیم‌کردن جریان برق ورودی همچنین موجب می‌شود دستگاه UPS با تمام مجموعه‌های ژنراتور سازگار باشد. همچنین در کابل‌کشی و ژنراتورها نیازی به ملاحظات اضافهٔ طراحی نیست. فناوری تبدیل دلتای برخط در واقع تنها فناوری مهم در سیستم‌های UPS امروزی است. با این حال چون امتیاز تولید آن انحصاری و محدود است، بیشتر سازندگان آن را عرضه نمی‌کنند.

تبدیل دلتا به UPS در شرایط ثابت این امکان را به‌وجود می‌آورد که برق مصارف با بهره‌ وری بهتری نسبت به طراحی تبدیل مضاعف فراهم شود.

خلاصه‌ ای از انواع UPS

جدول ۱ ویژگی‌های انواع گوناگون UPS را نشان می‌دهد. برخی از این ویژگی‌ها مانند بهره‌وری، بستگی به نوع UPS دارد. از سویی اجرا و کیفیت تولید تجهیزات علاوه بر ویژگی‌های طراحی تاثیر بیشتری بر خصوصیاتی همچون اطمینان‌پذیری دارد. در نتیجه این عوامل باید ارزیابی بشوند.

کاربرد انواع UPS در صنعت مرکز داده

UPSهای امروزی به‌ مرور زمان تکامل یافته‌ اند و بیشتر ویژگی‌های طراحی‌هایی را که در بالا گفته‌ ایم در خود دارند. هر نوع از این UPSها متناسب با ویژگی‌هایی که دارند، برای کاربردهای متفاوتی انتخاب می‌شوند. جدول ۲ گوناگونی محصولات تولیدی اشنایدر الکتریک و APC را به‌ نمایش گذاشته است. بهره‌ وری انرژی در طراحی‌های UPS نقش بسیار مهمی دارد. برای نمونه، ترانسفورماتورهای داخلی که پیش‌تر در UPS ها وجود داشت، در بیشتر سیستم‌های امروزی به کار نرفته است. در سیستم‌های UPS امروزی همگام با کاهش وزن و اندازه و حجم موادی که در ساخت آن‌ها به‌ کار می‌رود، بهره‌ وری افزایش یافته است. نمونه‌ای از بهره‌وری انرژی، سیستم Eco Mode است که با سبک‌ سنگین کردن هزینه و منافع همراه است.

نتیجه‌ گیری

هریک از انواع UPS کاربرد متفاوتی دارد و نمی‌شود یکی از آن‌ها برای همهٔ کاربردها مناسب باشد. ما در این مقاله مزایا و معایب معماری‌های مختلف UPS را در بازار امروز بررسی کردیم.

میان مزایای معماری‌های مختلف UPS از لحاظ نظری و عملی تفاوت‌های بسیاری در اهداف و کاربردها وجود دارد. با این حال آنچه مهم‌ ترین نقش را در تعیین عملکرد نهایی مطابق با درخواست مشتری دارد، دو مسئلهٔ کیفیت اصلی اجرای طراحی و همچنین کیفیت تولید تجهیزات است.

انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده، در این پست ترجمه فارسی مقاله اول شرکت APC در خصوص انواع مختلف سیستم های UPS برای مرکز داده ارائه شده است. پیشنهاد می شود به صورت روزانه جهت اطلاع از بروز ترین اطلاعات به بخش مقالات مراجعه فرمایید.