برق اضطراری

برخی ازسیستمهای حساس ومهم در منازل و اماکن عمومی یا در ادارات و کارخانه هاباید هنگام قطع برق شهر به طریقی از یک منبع تغذیه دیگر استفاده کنند و به کار خود ادامه دهند.منابع تغذیه ای که وظیفه تامین برق را در هنگام قطع برق شبکه به عهده دارند منابع تغذیه اضطراری نامیده می شوند. منابع تغذیه اضطراری بسته به سیستم مورد تغذیه خصوصیات متفاوتی دارند.برخی از منابع برق اضطراری که از باتری برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کنند فقط قادرند برای مدت محدودی, بسته به مقدار مصرف سیستم مورد تغذیه, برق آن تامین نمایند ولی برخی دیگر قادرند به مدت نا محدودی تا زمان وصل شدن مجدد برق شهر برق اضطراری را تامین کنند.اینگونه سیتمها دارای موتور مکانیکی وژنراتور می باشند وتا زمانی که سوخت موتور مکانیکی تامین شود می توانند در محدوده قدرت نامی ژنراتور برق اضطراری را تامین نمایند.خصوصیت دیگری که منابع تغذیه اضطراری را از یکدیگر متمایز می کند مدت زمانی است که طول می کشد تا بعد از قطع برق شبکه, برق اضطراری وصل شود. برخی از این سیستمها قادرند بدون تاخیر بعد از قطع برق شهر در عرض چند میلی ثانیه برق اضطراری را وصل نمایند.

اینگونه منابع تغذیه اضطراری که معمولا انرژی خود را از باتری تامین می کنند در مکانهایی مانند اتاق عمل, اتاق کامپیوتر , سیستمهای نظامی و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.در مقابل سیستمهایی که از موتور مکانیکی و مولد برای تولید برق اضطراری استفاده می کنند بدلیل اینکه موتور مکانیکی برای راه اندازی نیازمند زمان است دارای تاخیر در وصل برق اضطراری خواهند بود.لذا با توجه به خصوصیات و نیاز محل مورد استفاده، یکی از این سیستمها یا ترکیبی از هر دو نوع ممکن است استفاده گردد.

برق اضطراری سیستمهای ایمنی وحفاظتی

در سیستمهای ایمنی وحفاظتی نظیر سیستم اعلام حریق و سیستم تلویزیون مدار بسته یاسیستم اعلام سرقت برق اضطراری جزو ضروریات سیستم بوده و بسیار مهم می باشد.معمولا چون ولتاژ تغذیه این سیستمها ولتاژ پایین dc ودر حدود 6 و 12و 24 ولت می باشد لذا در خود تابلوی اصلی سیستم محلی برای باتریهای اضطراری در نظر می گیرند.این باطریها به مدار الکترونیکی تابلو وصل می گردند و در زمان وجود برق شهر توسط سیستم شارژ وآماده نگه داشته می شوند وهنگام قطع برق شبکه بدون تاخیر وارد مدار شده وبرق اضطراری سیستم را تامین می نمایند.

مدت زمان تامین برق اضطراری بستگی به ظرفیت باطریهای مورد استفاده و مصرف سیستم دارد.مشخصات باطری مورد نیاز معمولا در راهنمای پانل اصلی ذکر می گردد.در صورت طولانی شدن زمان قطع برق شهر در اینگونه سیستمها باید قبل از اینکه شارژ باطری پایین بیاید و باطری کارآیی خود را از دست بدهد آنرا با باطری پر تعویض نمود.

دسترسی به شبکه ای عاری از اغتشاش همیشه میسر نیست وبه طور ناخواسته اختلالات و اغتشاشاتی در شبکه برق سراسری به وجود می آید که اعم آنها و تاثیراتشان عبارتند از :

1-   ضربه ولتاژ شدید (Spike) :

ولتاژهای سوزنی با دامنه و فرکانس خیلی بالا ، بادوام چند ده میکروثانیه و با دامنه های چند صد ولت ، که می توانند موجب تخریب برخی قطعات الکترونیکی گردند.

2-   افزایش (Surge) و کاهش (Dip) ناگهانی ولتاژ حداکثر در یک پریود برق شهر این حالت دیده می شود و در اثر آنها ولتاژ برق به مدت 10 الی 20 میلی ثانیه بیش از 10% از ولتاژ نامی شبکه تغییر می نماید.

3-   کاهش دراز مدت ولتاژ (under Voltage) : گاهی در اثر وجود یک بار مصرفی بزرگ در بخشی از شبکه ولتاژ برق در آن بخش با کاهش مواجه می شود اگر میزان افت ولتاژ از حدی بیشتر باشد می تواند موجب اختلال در عملکرد دستگاههای الکتریکی مانند Reset شدن کامپیوترها شود.

4-   اعوجاج (Sag) و نویز (Noise) در شبکه: در اثر اتصال بارهای غیر خطی مانند سوئیچینگ تریستورها و موتورهای القائی, جریان ضربه ای از شبکه کشیده می شود که موجب شکستگی و نویز در شکل موج ولتاژ شبکه می گردد. این نویزها در شبکه های کامپیوتری می توانند موجب خطا درخطوط دیتا و از دست رفتن سیگنال های اطلاعاتی گردند..

5-   قطع برق (Black-Out) : ممکن است برق بخشی از شبکه سراسری در اثر افزایش بار مصرفی یا در اثر خرابی تجهیزات توزیع، یا حوادث طبیعی برای مدتی کوتاه یا طولانی قطع گردد. قطع برق موجب از کار افتادن سیستم های کنترل صنعتی و شهری و نیز موجب Reset شدن کامپیوترها می شود که علاوه بر از دست رفتن اطلاعات نرم افزارهای در حال کار ,می تواند موجب صدمه کلی به نرم افزار و سخت افزار سیستم ها گردد.

برق اضطراری برای کامپیوترها

برای کامپیوترها وسایر دستگاههایی که در صورت قطع برق امکان از دست رفتن اطلاعات درآنها وجود دارد یا برای مواردی مانند تجهیزات اتاق عمل که نیاز به اِعمال برق اضطراری به سیستم بدون تاخیر می باشد از منابع تغذیه اضطراری بدون تاخیر(UPS) (uninterruptable power systems) استفاده می گردد.

UPS سیستمی است که در مسیر برق ورودی دستگاههای الکتریکی قرار گرفته و کیفیت برق ورودی را افزایش می دهد و در زمان قطع برق شبکه ، یک مسیر تغذیه جانشین برای بار مصرفی ایجاد می کند به طوری که تغذیه دستگاههای مذکور تحت هر شرایطی عاری از نویز نوسان و وقفه باشد . هر اندازه که یک UPS مقادیر بیشتری از اختلالات موجود در برق شهر را تصحیح یا حذف نماید و شکل موج ولتاژ خروجی آن در هر شرایطی به شکل موج سینوسی بدون اعوجاج و با دامنه ثابت نزدیکتر باشد از کیفیت بالاتری برخوردار است  .

 در UPS ها برق باتریها توسط مدار اینورتر به ولتاژv 220 AC تبدیل می گرددو در صورت قطع برق شهر در عرض چند میلی ثانیه در اختیار سیستم قرار می گیرد.UPS. در توانهای متفاوتی نظیر 300 -700 -1000 -6000 ولت آمپر ساخته می شوند وباید با توجه به تعداد ومصرف دستگاههایی که باید تغذیه شوند UPS با توان مناسب را انتخاب نمود . البته علاوه بر محدودیتی که توان خروجیUPS در تعداد دستگاههای مورد تغذیه ایجاد می کند محدودیتی نیز در زمان تغذیه دستگاهها وجود دارد.هر چه ظرفیت باتریها بیشتر باشد مدت طولانی تری میتوان دستگاهها را تغذیه کرد. 
باطریها بطور جداگانه یا در کابینت های خاصی (Battery Pack) قرار می گیرد و به ترمینال ورودی DC در پشت UPS وصل می شوند  . UPS ها با ولتاژ ,12,24,48 V dc  

تغذیه می شوند. برای ولتاژ 24 ولت دو باتری 12 ولت و برای 48 ولت 4 باتری کاملا یکسان را با هم سری کرده و به UPS وصل می کنند. معمولاًUPS ها دارای تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ( AVR) (Automatic Voltage Regulation )می باشندتا در هنگام وجود برق شبکه عمل تثبیت ولتاژ را نیز در محدوده مشخصی انجام دهند. مقدار محدوده تثبیت ولتاژ معمولاٌ بصورت درصد در مشخصات فنی UPS ذکر می گردد .هنگامی که ولتاژ ورودی پایین است AVR ولتاژ را بالا می برد(Boost) و هنگامی که ولتاژ ورودی بالا است AVR ولتاژ را پایین می آورد (Buck). در UPS های جدید یک پورت RS 232 وجود دارد که در پشت UPS قرار می گیرد و از آن, جهت اتصال به کامپیوتر استفاده می شود . بعد از وصل کردن UPS به کامپیوتر می توان با نرم افزار ارائه شده به همراه آن تنظیمات مربوطه را انجام داد. کانکتور اتصال به برق شهر نیز در پشت UPS قرار می گیرد و خروجیهای برق 220 ولت از پریزهای پشت UPS گرفته می شود

به طوری که دیده می شود در هر UPS دو مسیر تغذیه برای  بار وجود دارد یکی از طریق حذف ضربه های ولتاژ و فیلتراسیون برق ورودی از شبکه و دیگری از مسیر شارژر باتری واینورتر که باتری در هنگام قطع برق شهر به عنوان Back-up  سیستم پشتیبانی بار مصرفی را به عهده دارد. یکی از این دو مسیر به عنوان مسیر اصلی در هنگام کار نرمال سیستم بار را تغذیه می کند و در هنگام بروز خطا در مسیر اصلی مسیر دیگر به عنوان جانشین وارد مدار می شود. UPS ها با توجه به نوع شکل موج خروجی و نیز مسیر اصلی و جانشین در بلوک فوق و ساختار مداری آن به انواع مختلفی با مزایا و معایب متفاوت تقسیم می شوند.

در پانل جلوی UPS معمولا نشانگرهای زیر وجود دارد:

-نشانگر مقدار شارژ باطری 
- نشانگر مقدار بار
- نشانگر اضافه بار
-نشانگر اضافه ولتاژ در شبکه
- نشانگر استفاده از برق باطری
- نشانگر استفاده از برق شبکه
-نشانگر تعویض باطری
-نشانگر کم بودن ولتاژ در شبکه
- دگمه خاموش 
-دگمه روشن و تست

اصول اولیه UPS

سیستم های UPS جهت کار دستگاههای  الکترونیکی تغذیه شده توسط برق به صورت بلاانقطاع مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع اضافه کردن UPS به سیستم تغذیه دو امتیاز را موجب می گردد:

1- کیفیت بهتر قدرت تحویلی به مصرف کننده

2-  یک منبع تغذیه کمکی

منظور از افزایش کیفیت قدرت شبکه جلوگیری از ضربات برق شهر مانندSurgea-sag و نویز روی بار می باشد.

از طرف دیگر از طریق یک واحد کمکی در صورت قطع برق شهر, UPS  ,کار تغذیه سیستم را انجام می دهد. در واقع UPS های Online و Standby از نظر

بلوک دیاگرام با یکدیگر تفاوتی ندارند. نکته اصلی در انتخاب دو مسیر 1 و 2 می باشد.. اگر چه تفاوت کمی بین دو سیستم Standby و Online موجود است.

 اما در عمل این تفاوت بسیار مهم است. یک تفاوت جالب بین این دو سیستم این است که در نوع Standby ایجاد هر گونه اشکال در برق شهر باعث تغییرات در وضعیت کلید تبدیل می گردد. که این برخلاف سیستم های online کلاسیک است.

انواع UPS :

UPS ها به دو دسته کلی On Line و Off Line تقسیم می شوند. در نوع On line بارخروجی همواره از اینورتر و باتری که به وسیله شارژر متصل به شبکه ,در حالت شارژ دائم است تغذیه می گردد . یعنی اینورتر سیستم همواره فعال بوده و هر گونه اختلال و اغتشاش در  برق ورودی به خروجی منتقل نمی گردد و خروجی مستقل از ورودی می باشد. برعکس در نوع Off Line بار خروجی از طریق ولتاژ شبکه که فیلتر شده است تغذیه می شود و تنها در حالت قطع یا خطا در برق ورودی ، اینورتر فعال شده واز طریق باتری خروجی را تغذیه می کند.

در UPS های نوع On Line  شارژر و اینورتر هر دو همیشه فعال هستند و شارژر علاوه بر جریان باتری، جریان DC ورودی اینورتر را نیز تامین می کند که این تبدیل و انتقال توان از برق ورودی به شارژر و سپس اینورتر ، بیش از 30% تلفات دربرخواهد داشت که حرارت تولید شده راندمان و طول عمر دستگاه را کاهش 
می دهد . ولی در نوع Off line اینورتر تنها در حالت وجود خطا دربرق ورودی، فعال می شود و شارژر نیز تنها جریان شارژ باتری ها را که بسیار کمتر از جریان مصرفی اینورتر است تامین می کند. بنابراین تلفات حرارتی در نوع Off Line بسیار کمتر است لذا این نوع UPS ها از راندمان و طول عمر بیشتری برخوردارند.

به طوری که قبلا گفته شد هر گاه یک UPS میزان بیشتری از اختلالات برق ورودی را حذف یا اصلاح نماید از کیفیت بهتری برخوردار است . یک UPS نوع On Line تقریبا تمامی این اختلالات را اصلاح می نماید ولی یک UPS نوع Off Line بخشی از اختلالات را حذف می کند ولی از آنجایی که یک UPS نوع On Line بسیار گران تر و حجیم تر ازیک UPS نوع Off Line است با توجه به نیاز مصرف کنندگان و به منظور تلفیق برخی مزایای انواع On Line و Off Line بسیاری از UPS های موجود مطابق تعریف کلاسیک به صورت مشخص On Line یا Off Line نیستند بلکه با ساختاری متفاوت ساخته می شوند که چند نمونه پرکاربردتر به شرح زیر معرفی می شوند:

1-UPS های مدل Hybrid در این ساختار , در مسیر اصلی برق ورودی یک یکسوساز قرار می گیرد که ورودی را یکسو نموده و بعد اینورتر ولتاژ یکسو شده را به ولتاژ AC در خروجی تبدیل می کند.در مسیر جانشین پس از شارژر و باتری یک مبدل DC به DC اضافه شده که هنگام وجود خطا در برق شبکه ولتاژ باتری را به ولتاژ DC برابر با مقدار یکسو شده شبکه تبدیل نموده وبه ورودی اینورتر اعمال می نماید. در این سیستم چون همواره اینورتر فعال است مشابه On Line عمل می کند واز آنجایی که مسیر جانشین از باتری و مبدل DC به DC در هنگام وجود خطا  در شبکه فعال می گردد مشابه UPS های Off Line می باشد.

 2- UPS های Ferroresonance

این ساختار بر اساس خواص نوعی از ترانس با هسته فرورزنانس و دارای یک سیم پیچ کنترل اضافه عمل می کند. ماده مخصوص فرورزنانس موجود در هسته با

محدود کردن برخی نوسانات برق ورودی موجب رگولاسیون و تثبیت شکل موج خروجی در وضعیت وجود برق شبکه نیز می شود همچنین ایزولاسیون بین خروجی و ورودی را هم ایجاد می کند. این ترانسفورمرها اگرچه به عنوان فیلتر جهت حذف نویزها وحالت های گذرا در شبکه عمل می کنند ولی به علت این که برای رگولاسیون در منطقه اشباع کار می کنند موجب ایجاد اعوجاج ولتاژی در خروجی می شوند.

اشباع بودن ترانسفورمر، فرورزنانس حرارت زیادی تولید می کند لذا راندمان این گونه سیستم ها را بسیار کاهش می دهد در خروجی ترانسفورمر خازن هایی با ظرفیت نسبتا زیاد قرار داده می شود که همراه با امپدانس ترانسفورمر ایجاد یک فیلتر LC با Q نسبتا بالا می کنند که به تضعیف حالت های گذرا و اختلالات شبکه کمک شایانی خواهند نمود.

ترانسفورمر فرورزنانسی در هنگام بروز خطا در برق ورودی و انتقال به اینورتر انرژی ذخیره شده در هسته اشباع شده را به صورت رزنانس LC به خروجی منتقل می کند  و زمان انتقال را گاه تا حد صفر ثانیه کاهش می دهد از این رو بعضا این UPS ها را به عنوان On Line یا نیمه On Line معرفی می کنند. در صورتی که اینورتر این UPS ها فقط در هنگام قطع برق ورودی فعال شده و در حقیقت از نوع On Line می باشند.

3- UPS های مدل Line Interactive

در این طرح یک مبدل AC به DC دو طرفه وجود دارد که در صورت وجود شبکه به عنوان شارژر باتری و در هنگام وجود خطا در برق ورودی به صورت اینورتر عمل کرده و بار را از طریق باتری تغذیه می کند. در این طرح بخشی از ترانسفورمراینورتر همیشه به خروجی متصل بوده و به عنوان فیلتر برق شبکه عمل می کند. این UPS ها دارای راندمان و قابلیت اطمینان بالا بوده و بسیاری از اغتشاشات برق ورودی را حذف یااصلاح می نمایند و زمان انتقال از برق ورودی به اینورتر نیز در این نوع سیستم ها کمتر از سیستم های Off Line معمولی می باشد.