اینورتر، استابلایزر و UPS سه دستگاهی که با پیشرفت روز افزون علم جای خود را در تک تک منازل و ادارات باز کردهاند. اگرچه این دستگاههای الکترونیکی با ویژگیها و قابلیتی که دارند، زندگی انسان را کاملا دگرگون کردهاند، اما قطعات داخل آنها در برابر نوسانات برق بسیار حساس بوده و در صورت کوچکترین رخدادی از سمت شبکهی اصلی برق، عملکرد دستگاههای الکترونیکی تحت تاثیر قرار می گیرند. بنابراین، مهندسان برق قدرت در طی سالهای اخیر به دنبال توسعهی تجهیزاتی بودند که قادر باشند کامپیوترها و لوازم الکترونیکی را از انواع رخدادهای احتمالی شبکهی قدرت، نظیر افت ولتاژ و افزایش ولتاژ محافظت کنند.
استابلایزر
یکی از تجهیزات توسعه داده شده توسط مهندسان برق، پاور پایدارساز توان یا استابلایزر می باشد که از مزیتهای آن میتوان به طول عمر تجهیزات حساس برق و افزایش بازدهی آن ها اشاره کرد. این دستگاهها که از تجهیزات الکترونیک قدرت و چیپ میکروپروسسوری تشکیل شدهاند؛ باعث ایجاد منبع تغذیهی پایدار و کیفیت بالا در زمانی که ولتاژ شبکه از مقدار نامی خود فاصله دارد میشوند. استابلایزرها نسل جدید نیز با دارا بودن مدار کنترل دیجیتال بهینه، می توانند تنظیمات اعمال شده توسط کاربر را از طریق کیپد دریافت کرده و تغییرات لازم را در سیستم کنترلیشان در لحظه اعمال کنند.
نحوهی عملکرد استابلایزر
همانطور که پیشتر اشاره شد، استابلایزر یک مدار الکتریکی است که یک سطح ولتاژ ثابت را بدون توجه به تغییرات ولتاژ شبکهی برق به مصرفکننده میرساند. در واقع این دستگاه، ماشین یا بار را در مقابل اضافه ولتاژ، کاهش ولتاژ و دیگر تغییرات ولتاژ محافظت میکند. همچنین نام دیگر این تجهیز، تنظیم کنندهی اتوماتیک ولتاژ (AVR) میباشد.
استابلایزرها به دلیل اینکه قادر هستند لوازم برقی گران قیمت را در برابر انواع نوسانات برق و هارمونیکها محافظت کنند، بسیار محبوباند. به برخی از این لوازم برقی میتوان به تهویه کنندهی هوا، تجهیزات آزمایشگاهی، پرینترها، ماشینهای صنعتی و تجهیزات پزشکی اشاره نمود.
استابلایزرها قبل از اینکه برق به مصرفکننده (و یا باری که به نوسانات برق حساس است) برسد، ولتاژ ورودی را تنظیم میکنند. استابلایزر در حالتی که منبع تغذیهی آن تک فاز باشد، ولتاژ را در محدودهی 220 تا 230 ولت نگه می دارد و اگر ورودی آن سه فاز باشد، ولتاژ را در بازهی 380 یا 400 ولت تنظیم میکند. این تنظیم ولتاژ از طریق عملیات باک و بوست توسط مدار داخلی دستگاه انجام میشود.
از انواع استابلایزرها میتوان به استابلایزرهای دستی یا سوییچی، استابلایزرهای ثابت یا حالت جامد و استابلایزرهای کنترل شده توسط سروو (Servo) اشاره کرد. علاوه بر ویژگی پایدارسازی، اکثر استابلایزرها دارای ویژگیهای دیگر از قبیل قطع اضافه ولتاژ، حذف اضافه بار، قطع کمبود ولتاژ ورودی و خروجی، استارت اتوماتیک و دستی و سوییچ ولتاژ صفر می باشند.
کاربرد استابلایزر
در حالت کلی، اکثر لوازم الکترونیکی و برقی برای عمل کردن در بازههای متفاوتی از ولتاژ طراحی شده اند. اما بازهی کارکرد آنها در بازه محدودی تعریف شده است. به عنوان مثال، بعضی از تجهیزات برقی انحراف ولتاژ تا 10 درصد را تحمل میکنند و برخی از لوازم حساستر تنها تا 5 درصد انحراف ولتاژ را تحمل میکنند.
نوسانات ولتاژ (کاهش و افزایش جزئی دامنهی ولتاژ از مقدار نامی آن) یکی از پدیدههای متداول در شبکهی قدرت و خصوصا شبکههای توزیع است. برخورد رعد و برق به هادیهای شبکه، خطاها و اتصال کوتاه و به مدار آمدن و از مدار خارج شدن بارهای سنگین باعث بروز نوسانات ولتاژ قابل توجه در شبکه میشوند. این نوسانات ولتاژ باعث عدم کارکرد درست لوازم برقی میشوند.
از مضررات اضافه ولتاژ مداوم در شبکه میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- ایجاد صدمات جدی و دائمی به تجهیزات حساس الکترونیکی
- خرابی و کاهش عمر عایق هادیها و کابلها
- وقفهی ناخواسته در عملکرد بارها و مصرف کنندهها
- افزایش تلفات در کابلها و تجهیزات مربوطه
- کاهش توان لوازم برقی و همچنین کاهش طول عمر آنها
همچنین از مضررات کاهش ولتاژ مداوم در شبکه میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- عدم عملکرد صحیح تجهیزات
- کاهش بازدهی قابل توجه مصرف کننده
- افزایش مصرف جریان در مقایسه با جریان نامی مصرف کننده که باعث ایجاد گرمای اضافه در مدارات الکتریکی میشود.
- خطاهای محاسباتی
- کاهش سرعت موتورها
بنابراین لازمهی کارکرد صحیح تجهیزات، ثابت و پایدار بودن ولتاژ ارائه شده توسط شبکه است. استابلایزرها میتوانند کارکرد درست وسایل برقی در هنگامی که نوسانات ولتاژ در شبکه توزیع وجود دارند را تضمین کنند.
اینورتر چیست؟
اینورتر دستگاهی است که برق مستقیم یا DC را به برق AC یا متناوب تبدیل می کند. این دستگاه به وفور در خانه های و مراکز صنعتی زمانی که برق AC نیاز باشد و تنها برق DC در دسترس باشد مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال، در نیروگاههای خورشیدی تنها برق DC توسط پنلهای موجود در نیروگاه تولید میشود که این برق مستقیم به اینورتر وارد شده و توسط اینورتر به برق متناوب یا AC تبدیل میگردد. وجود اینورترها برای کارکرد درست طیف وسیعی از وسایل برقی و با بازدهی بالا ضروری میباشد.
اینورتر چگونه کار میکند؟
همانطور که اشاره شد، اینورتر با دریافت برق DC از باتری یا پنل خورشیدی، با استفاده از کلید زنی و تکنیکهای پیشرفته مدولاسیون، برق AC نزدیک به حالت سینوسی (و تا حد امکان عاری از هارمونیکهای فرد و سوم) را تولید میکند. از اجزای اینورتر میتوان به سوییچها (مانند IGBT یا MOSFET)، ترانسفورماتور و سیستم کنترلی (جهت ایجاد سوییچزنی بهینه در اینورتر) اشاره کرد.
باید توجه داشت که برق خروجی اینورتر تا حد امکان باید به موج سینوسی نزدیک باشد. وجود هارمونیکها، بهویژه هارمونیکهای فرد مرتبه پایین، میتواند باعث کاهش راندمان تجهیزات و در نهایت آسیب به آنها شود. برای کاهش این هارمونیکها، اینورترها از انواع فیلترها استفاده میکنند تا اعوجاج موج خروجی به حداقل برسد.
علاوه بر این، اینورتر میتواند از فیلترهای EMI یا فیلترهای حذف نویز بهره بگیرد. این فیلترها از انتقال نویزهای ناشی از کلیدزنی اینورتر به تجهیزات الکترونیکی اطراف جلوگیری میکنند و از ایجاد اختلال در عملکرد آنها جلوگیری میشود.
اینورترها با توجه به کاربردی که دارند میتوانند به دو دسته تقسیم شوند. اینورترهایی که موج سینوسی خالص تولید میکنند و اینورترهایی که موج مربعی ایجاد میکنند. اینورترهای متعلق به دستهی اول برای بارها و تجهیزات صنعتی حساس بکار میروند؛ در حالی که اینورترهای دستهی دوم با توجه به قیمت مناسبی که دارند، کاربردشان محدود است.
مزیتهای اینورتر
تبدیل توان با بازدهی بالا
اینورترهای نسل جدید در حین تبدیل برق DC به AC دارای بازدهی بالای 90 درصد که باعث کاهش قابل توجه اتلاف انرژی حین تبدیل توان میشود.
ویژگیهای ایمنی
اینورترها به ویژگیهای امنیتی متفاوتی مجهز شدهاند که می توانند اینورتر و بار را از انواع خطاها و رخدادهای شبکهی توزیع حفاظت کنند. برخی از این ویژگیها عبارتاند از:
- حفاظت اضافه بار: اینورتر را از جریان اضافهای که توسط بار کشیده میشود محافظت میکند.
- حفاظت در برابر اتصال کوتاه: زمانی که خطایی در شبکه اتفاق میافتد، اینورتر خاموش شده تا از صدمات جدی جلوگیری شود.
- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و کاهش ولتاژ: اینورتر بار را از نوسانات ولتاژ محافظت میکند.
- حفاظت در برابر گرما: سیستم هوشمند اینورتر، دمای دستگاه را نظارت کرده و در برابر گرمای اضافی محافظت میشود.
سیستم نظارت هوشمند
اینورترهای نسل جدید به سیستم مانیتورینگ هوشمند مجهز هستند که با استفاده از آن میتوان پارامترهای اینورتر را در لحظه نظارت و بتوان آنها را از راه دور توسط موبایلهای هوشمند کنترل کرد. این ویژگیها به کاربر این اجازه را میدهد تا اشکالات موجود در اینورتر را شناسایی و حتی پارامترهای اینورتر را کنترل نمود.
خاصیت ماژولار
بعضی از اینورترهای هیبریدی دارای خاصیت ماژولار هستند. این قابلیت زمانی کاربرد دارد که در یک کاربری انرژی مورد نیاز بار در طی زمان در حال افزایش است و کاربر میتواند با نصب ماژول ظرفیت اینورتر را افزایش دهد.
منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)
منبع تغذیه بدون وقفه که به اختصار UPS نامیده میشود، دستگاهی است که در زمان قطعی برق، توان لازم برای وسایل ضروری مانند کامپیوترها، تجهیزات الکترونیکی و سیستمهای پزشکی را بهصورت موقت تامین میکند. این دستگاه دارای باتری داخلی است که هنگام وجود برق، شارژ میشود. در صورت قطع برق، اینورتر داخلی UPS جریان DC باتری را به جریان AC تبدیل میکند تا وسایل متصل همچنان فعال بمانند. در این حالت، باتری بهتدریج دشارژ میشود.
UPS از تجهیزات حساس در برابر آسیبهای ناشی از قطعی برق یا نوسانات شدید ولتاژ محافظت میکند. هنگامی که دستگاههای برقی به کیفیت توان حساس باشند یا خاموشی ناگهانی موجب آسیب به آنها شود، استفاده از UPS ضروری خواهد بود.
این دستگاهها معمولاً برای تأمین پایدار برق در دیتاسنترها، سیستمهای کامپیوتری، تجهیزات صنعتی و دستگاههای پزشکی به کار میروند.
نحوهی عملکرد UPS
برای اینکه UPS بتواند توان با کیفیت و پایدار را در هر لحظه به مصرفکننده برساند، از اجزایی مانند اینورتر، یکسوکننده، سیستم کنترلی و باتری تشکیل میشود. هنگامی که UPS بین شبکه توزیع و مصرفکننده قرار میگیرد، برق AC شبکه ابتدا به کمک یکسوکننده (با کنترل تریستوری یا دیودی) به برق DC تبدیل میشود. این توان DC برای تغذیه اینورتر یا شارژ باتری مورد استفاده قرار میگیرد.
باتری UPS که معمولا از نوع لیتیوم یونی است، زمانی که دستگاه فعال نیست، توسط یکسوکننده شارژ میشود. در هنگام قطعی برق، UPS از انرژی ذخیرهشده در باتری استفاده کرده و با استفاده از اینورتر، برق DC را به برق AC تبدیل کرده و به مصرفکننده منتقل میکند. در این فرآیند، باتری تخلیه میشود.
یکی دیگر از اجزای اصلی UPS، سیستم کنترلی آن است. این سیستم وظیفه دارد عملکرد بخشهای مختلف UPS را هماهنگ کند. همچنین در هنگام سوییچ بین منابع توان (شبکه برق و باتری)، ولتاژ و فرکانس خروجی را تنظیم و پایش میکند.
UPS به پریز برق متصل میشود و در صورت تشخیص قطعی برق، نوسان فرکانس یا افت ولتاژ، بهسرعت فعال میشود. این دستگاه باید در کمترین زمان ممکن به باتری سوییچ کند تا تجهیزات متصل دچار اختلال نشوند. به همین دلیل، باتریها تا زمانی که شارژ دارند، نقش منبع توان اضطراری را ایفا میکنند.
UPSها با اندازهها و ظرفیتهای گوناگون تولید میشوند و میتوانند از یک کامپیوتر شخصی گرفته تا کل توان مصرفی یک دیتاسنتر را تأمین کنند.
انواع UPSها
این دستگاهها با توجه به کاربرد گستردهای که در صنعت و ادارات دارند، در انواع مختلفی در بازار عرضه شدهاند، که میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
Online Double Conversion UPS
این نوع UPSها که به عنوان Online UPS نیز شناخته میشوند، میتوانند برق ورودی AC را به DC و دوباره به AC بصورت پیوسته تبدیل کنند و همچنین این UPSها از انواع نویزها، اضافه و کاهش ولتاژ موجود در شبکهی توزیع در امان هستند. از کاربردهای این UPS میتوان به دیتاسنترها و تجهیزات پزشکی اشاره کرد.
Line-Interactive UPS
تجهیزات UPS از این گروه، دارای تنظیم ولتاژ خودکار (AVR) برای تصحیح نوسانات جزئی ولتاژ (اضافه ولتاژ) بدون نیاز به سوییچ به باتری میباشد. این نوع تجهیزات دارای کیفیت توان بهتر در خروجی نسبت به UPSهای آفلاین بوده اما دارای یک تاخیر جزئی در سوچینگ (4 تا 8 میلی ثانیه) در هنگام قطعی برق است. این نوع UPSها در تجهیزات شبکه و مکانهای تجاری کاربرد دارد.
Offline/Standby UPS
این UPS در حالت عملکرد عادی توان را مستقیما به بار می رساند و در هنگام قطع توان از سمت شبکه با کمی تاخیر (6 تا 8 میلی ثانیه) به باتری سوییچ میکند. این دستگاه دارای حفاظت جهش ولتاژ و قابلیت پشتیبان میباشد، ولی نقطه ضعف آن عدم وجود ویژگی تنظیم ولتاژ میباشد. این نوع UPS نسبت به بقیهی دستهها بصرفهتر بوده و جهت مصارف خانگی (تامین توان کامپیوتر و روترها) بکار میرود.
نقاط قوت UPS
چند نمونه از ویژگیها و نقاط قوت UPS در پایین توضیح داده شده است:
جلوگیری از دست رفتن اطلاعات دیتا
این قابلیت که برای دیتاسنترها و مراکز کامپیوتری بسیار حائز اهمیت است، تجهیزات را در مقابل قطعی برق محافظت کرده و سیستمها را به درستی خاموش مینماید.
فیلتر کردن اختلالات در سیستم قدرت
یو پی اس نویز، اضافه ولتاژ و اعوجاج موجود در شبکه را مدیریت کرده و آنها را در سمت مصرفکننده از بین میبرد؛ که در نهایت باعث تامین توان با کیفیت و پایدار برای مصرفکننده میشود.
حفاظت از سختافزارها
تجهیزات حساس (کامپیوتر، شبکه، دیتاسنترها) را از رخدادهای احتمالی مانند نویز، اضافه ولتاژ و نوسانات شدید فرکانسی حفاظت کرده که در نهایت باعث افزایش عمر دستگاههای برقی میشود.
جمعبندی
استابلایزر (ولتاژ) وظیفهی تنظیم نوسانات ولتاژ ورودی (مانند افت یا افزایش ولتاژ) را برعهده دارد تا از تجهیزات در برابر ناپایداری برق شهر محافظت کند. اینورتر تبدیل برق DC به برق AC را انجام میدهد و امکان استفاده از منابع انرژی جایگزین را فراهم میکند. یو پی اس برق بدون وقفه (حتی در قطعیهای آنی) برای تجهیزات حیاتی مانند سرورها یا سیستمهای پزشکی تامین مینماید. بنابراین، انتخاب بین این دستگاهها بستگی مستقیم به نیازهای ایمنی، حساسیت تجهیزات و کیفیت برق محیط دارد، بهطوری که یو پی اس بهعنوان راهحلی جامع برای حفاظت همه جانبه در موقعیتهای بحرانی عمل میکند.
