مقدمه ای بر تامین برق اضطراری (UPS) و طراحی آن

مقدمه ای بر تامین برق اضطراری (UPS) و طراحی آن
منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) یک دستگاه الکترونیک است که وقتی منبع اصلی یا منبع تغذیه ورودی نتواند قدرت را به یک بار تحویل دهد. این نه تنها به عنوان یک منبع انرژی اضطراری برای لوازم خانگی عمل می کند، بلکه برای حل مشکلات رایج برق نیز کار می کند. هر یو پی اس یک عنصر ذخیره سازی انرژی دارد که انرژی را به شکل انرژی شیمیایی ذخیره می کند مانند انرژی که در باتری ذخیره می شود.
 
این همانند انرژی است که به صورت حرکت در یک flywheel ذخیره می شود. به همین دلیل است که این دستگاه ها نیز پشتیبان گیری باتری یا پشتیبان فلاش می باشند. یو پی اس نه تنها قدرت اضطراری را فراهم می کند، بلکه همچنین به حل مسائل مرتبط با قدرت مشترک مانند تامین حفاظت از وقفه برق ورودی، حفاظت از ولتاژ بالا، تنظیم ولتاژ خروجی و تثبیت کمک می کند.
 
مدل های مختلف یو پی اس دارای توانایی متفاوت برای تامین قدرت به بار هستند. درجه توانایی کاملا بستگی به چقدر شارژ در داخل UPS ذخیره می شود. به عنوان مثال، یو پی اس های طراحی شده برای رایانه ها می توانند قدرت را فقط برای مدت زمان کمی زمانی که قدرت خاموش می شود، اما زمان کافی برای ذخیره فایل هایی است که کاربر ممکن است کار کند. بنابراین، به دلایل روشن، توانایی ذخیره سازی شارژ هر UPS در طراحی آن با توجه به کاربرد آن تعیین می شود.
تصویر نمونه یو پی اس
تصویر نمونه یو پی اس
تفاوت UPS و منبع برق اضطراری معمولی
منابع برق اضطراری سنتی از ژنراتورها با سوئیچ انتقال برای تأمین انرژی دستگاه استفاده می کنند. این می تواند قدرت را برای ساعت تا سوخت در ژنراتور در دسترس است. با این حال، این یک نقص است. دستگاه در هنگام اتصال به ژنراتور، وقفه در هنگام شکست منبع اصلی اصلی را تجربه می کند. این وقفه اتفاق می افتد به این دلیل که ژنراتور باید برای بازگرداندن قدرت روشن شود. بسته به نوع مکانیزم سوئیچینگ، قطع برق در بار به وقوع می پیوندد.
 
بر خلاف منابع برق اضطراری، منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) با استفاده از باتری یا چرخ فلک، بدون نیاز به وقفه، قدرت مداوم را به دستگاه می دهد. اما مدت زمانی که UPS نیروی برق را به دستگاه اعمال می کند، بسته به اندازه و تعداد باتری یا فلاویل مورد استفاده محدود است.
 
استفاده از یو پی اس در برنامه های کاربردی بسیار رایج است که در آن دستگاه ها نمی توانند هر گونه وقفه ای را تحمل کنند. مانند واحدهای بهداشتی، تجهیزات پزشکی، دفاتر IT، مخابرات، مراکز داده، بانک ها و در بسیاری از مکان های دیگر که نیاز به برق اضطراری دارد.

در این سری، یک یو پی اس طراحی خواهد شد که دارای یک باتری به عنوان عنصر ذخیره سازی است و در صورت خرابی برق می تواند قدرت را برای دستگاه تامین کند. طراحی یو پی اس را می توان به بخش های مختلفی که نقش مشخصی در عملکرد یو پی اس دارند (همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است) شکسته می شود.
 
 
بلوک های ساختمان یک مدار یو پی اس
 
UPS های طراحی شده در این سری چهار بخش مدار را به صورت زیر دنبال خواهد کرد:
1. شارژر -
اول از همه، یک شارژر برای شارژ کردن عنصر ذخیره انرژی طراحی شده است که باتری در این مورد است. از آنجایی که دو نوع از باتری های مورد استفاده قرار می گیرند - باتری های لیتیوم یون و باتری های سرب اسید، دو مدار مختلف شارژر برای هر یک طراحی شده است. این شارژر باتری به شرح زیر طراحی می شود -
i) شارژر باتری اسید سرب
در این مدار شارژر باتری، ولتاژ ثابت ولتاژ شارژر سرب اسید طراحی خواهد شد یعنی شارژر یک ولتاژ ثابت برابر با حداکثر ولتاژ باتری با جریان شارژ محدود فراهم می کند. بنابراین در این شارژر، باتری هرگز از شارژ شارژ از پیش تعیین شده عبور نمی کند.
 
در زیر الگوریتم شارژ باتری است که جریان و ولتاژ باتری را نشان می دهد.
شارژ ولتاژ ثابت برای باتری های اسید سرب
 
شارژ ولتاژ ثابت برای باتری های اسید سرب
 
ii) شارژر باتری لیتیوم یون
بر خلاف باتری های سرب اسید، باتری های لیتیوم یون نیاز به شارژ شدن از طریق یک روش ثابت ولتاژ ثابت جریان دارند. طراحی یک شارژر باتری لیتیوم یون به یک مدار هوشمند نیاز دارد که جریان و همچنین ولتاژ باتری را می سنجد. در ابتدا مدار شارژ در حالت فعلی ثابت قرار می گیرد و جریان ثابت را به باتری ارائه می دهد. هنگامی که ولتاژ باتری به ولتاژ پیش فرض یا حداکثر ولتاژ نامی برسد، شارژر به حالت ولتاژ ثابت تغییر خواهد کرد. جریان در این حالت به آرامی شروع به کاهش با حفظ ولتاژ ثابت.
 
در زیر نمودار الگوریتم شارژ باتری لیتیوم یون را نشان می دهد که درک درستی از مراحل مختلف شارژ دارد.
 
ولتاژ ثابت و شارژ جریان ثابت برای باتری های لیتیوم یون
به خوبی شناخته شده است که لوازم خانگی برای ولتاژ AC کار می کنند. اما باتری به عنوان عنصر ذخیره سازی مورد استفاده، قدرت DC را فراهم می کند. بنابراین برای تبدیل این سیگنال دی سی به سیگنال AC، یک اینورتر باید باشد