ماذا يفعل مزود الطاقة غير المنقطع؟

نصائح: يعمل مزود الطاقة غير المنقطع (UPS) على حماية الأحمال الحيوية من انقطاع التيار والاضطرابات الكهربائية. ويستخدم نظام UPS الطاقة المخزنة وإلكترونيات الطاقة ووظائف التحكم للحفاظ على استمرارية التيار إلى الأحمال. كما يمكن لمزود الطاقة غير المنقطع تحسين جودة الطاقة، اعتمادًا على التوبولوجيا والتكوين. أ نظام UPS قد تدعم الإغلاق الآمن، واستمرار التشغيل عند انقطاع التيار الكهربائي باستخدام المولدات، وتنظيم الجهد الكهربائي، وموثوقية البنية التحتية الحيوية.

Ⅰ. ما هي وظيفة جهاز UPS؟

1. الإجابة المباشرة

تعمل وحدة الإمداد المستمر (UPS) على توفير الطاقة للمعدات الكهربائية الحيوية عند انقطاع التيار الكهربائي العادي أو عندما يصبح جودته غير مقبولة.

وتشمل وظائفها الأساسية ما يلي:

• توفير طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي.
• ضمان استمرارية إمداد الطاقة للأحمال الحيوية.
• دعم الإغلاق المُحكَم في حالة استمرار انقطاع التيار الكهربائي.
• تنظيم الجهد في تصميمات أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) التي توفر ميزة تنظيم الجهد.
• تحسين بعض خصائص جودة الطاقة.
• توفير الطاقة خلال فترة انقطاع التيار الكهربائي وبدء تشغيل المولد.
• مراقبة حالات المدخلات والمخرجات والحمل والبطارية والإنذارات.
• دعم بنى الطاقة الحيوية ذات النظم الاحتياطية.

يُعرِّف المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) جهاز UPS بأنه نظام يوفر مصدر طاقة بديل عند انقطاع التيار الكهربائي عن المصدر الأساسي، بينما تصف جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) أنظمة UPS بأنها بنية تحتية لحماية الطاقة تُستخدم في تطبيقات مثل مراكز البيانات والمستشفيات وأنظمة التحكم الصناعية والاتصالات.

2. ما لا تقوم به شركة UPS

جهاز UPS ليس حلاً شاملاً لكل مشكلة كهربائية.

وهي لا توفر تلقائيًّا وقتًا غير محدود للنسخ الاحتياطي. كما أنها لا تحل محل المولد الكهربائي في حالات انقطاع التيار لفترات طويلة. ولا تحل محل التوصيل الأرضي، أو التوصيل التوازني، أو حماية الدوائر الكهربائية، أو نظام حماية من زيادة التيار المنسق بشكل سليم.

تعتمد الحماية الفعلية على بنية نظام الإمداد غير المنقطع (UPS) وتكوينه.

على سبيل المثال، يقوم جهاز UPS ذو التحويل المزدوج عبر الإنترنت بتزويد الحمل بالطاقة من خلال العاكس الخاص به أثناء التشغيل العادي. أما جهاز UPS الاحتياطي فيقوم عادةً بتزويد الحمل بالطاقة من خلال مسار شبكة الكهرباء العامة، ثم ينتقل إلى العاكس الخاص به عند الحاجة.

لذلك، فإن عبارات مثل “توفر جميع أنظمة UPS وقت انتقال صفري” أو “توفر جميع أنظمة UPS نفس مستوى معالجة الطاقة” تعتبر غير كاملة من الناحية الفنية.

Ⅱ. كيف يعمل جهاز UPS؟

1. البنية الكهربائية الأساسية

يمكن تمثيل بنية UPS المبسطة على النحو التالي:

مدخل التيار المتردد → المقوم/الشاحن → ناقل التيار المستمر → المحول → الحمل المتردد

يتم توصيل نظام تخزين الطاقة بالجانب الخاص بالتيار المستمر.

تعتمد البنية الدقيقة على طوبولوجيا نظام إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

تُعتبر IEEE أن المقوم، ووحدة تخزين الطاقة، والمحول، والممر الجانبي الثابت عناصر أساسية في العديد من هياكل أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

الغرض من هذه البنية هو عزل الحمل الحيوي عن بعض الاضطرابات على الأقل التي قد تحدث في الإمداد الكهربائي العادي.

2. المقوم

يقوم المقوم بتحويل طاقة الدخل المترددة إلى طاقة تيار مستمر.

في وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التحويل المزدوج عبر الإنترنت، يقوم المقوم عادةً بتزويد ناقل التيار المستمر بالطاقة أثناء التشغيل العادي.

ثم يقوم ناقل التيار المستمر بتزويد العاكس بالطاقة.

كما يمكن للمقوم شحن البطارية من خلال نظام الشحن الخاص بجهاز UPS.

قد تستخدم مقومات التيار في أنظمة UPS الحديثة تقنيات تصحيح معامل القدرة لتحسين خصائص تيار الدخل. ويعتمد الأداء الفعلي للدخل على تصميم نظام UPS.

3. ناقل التيار المستمر

يُعد ناقل التيار المستمر (DC) الوصلة الكهربائية بين مرحلة تحويل الإدخال ونظام تخزين الطاقة والمحول.

أثناء التشغيل العادي، تتدفق الطاقة من شبكة الكهرباء عبر المقوم إلى ناقل التيار المستمر ثم إلى العاكس.

أثناء انقطاع التيار الكهربائي، تعمل طاقة البطارية المخزنة على تزويد ناقل التيار المستمر بالطاقة.

وهذا يتيح للعاكس الاستمرار في توليد تيار متردد للحمل الحيوي.

4. البطارية

تخزن البطارية الطاقة الكهربائية لاستخدامها أثناء انقطاع التيار.

شائع بطارية UPS وتشمل التقنيات ما يلي:

• بطاريات الرصاص الحمضية من نوع VRLA.
• بطارية الرصاص الحمضية المغمورة بالسائل.
• ليثيوم أيون.
• تقنيات تخزين أخرى مخصصة لتطبيقات معينة.

لا يعتمد اختيار البطارية على السعة الاسمية فحسب.

ينبغي على المهندسين مراعاة ما يلي:

• الاستقلالية المطلوبة.
• خصائص التفريغ.
• درجة الحرارة المحيطة.
• طريقة الشحن.
• إدارة البطارية.
• شروط التركيب.
• متطلبات الصيانة.
• العمر التشغيلي المتوقع.
• استراتيجية الاستبدال.
• متطلبات السلامة.

يمكن أن توفر بطاريات الليثيوم أيون مزايا من حيث كثافة الطاقة، والحجم، ودورة الحياة، وخصائص الشحن، لكن بطاريات VRLA لا تزال مناسبة للعديد من تطبيقات أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS). وتشير شركة إيتون إلى أن كلا التقنيتين لا تزالان تلبيان متطلبات التطبيقات المختلفة.

5. العاكس

يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد.

في حالة وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التحويل المزدوج عبر الإنترنت، يُعد العاكس المصدر العادي للطاقة للحمل الحيوي.

يؤثر أداءه على:

• جهد الخرج.
• تردد الخرج.
• جودة شكل الموجة.
• التشويه التوافقي.
• الاستجابة الديناميكية.
• توافق الأحمال.

يُعد استخدام محول عالي الجودة أمرًا بالغ الأهمية، لا سيما بالنسبة للأحمال الإلكترونية والصناعية الحساسة.

ومع ذلك، فإن عبارة “موجة جيبية نقية” وحدها لا تصف أداء العاكس وصفًا كاملاً. يجب على المهندسين أيضًا تقييم تنظيم الخرج، والتشويه التوافقي الكلي (THD)، والاستجابة الديناميكية، وقدرة تحمل الحمل الزائد، والتوافق مع الحمل المتصل.

6. التجاوز الثابت

يوفر الممر الجانبي الثابت مسارًا بديلاً للطاقة يتجاوز نظام التحويل الرئيسي لوحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

يمكن استخدامه في الحالات التالية:

• حالات الحمل الزائد.
• أعطال نظام UPS.
• عمليات الصيانة.
• ظروف التشغيل غير الطبيعية.

يُعد نظام التحويل أمراً مهماً لضمان استمرارية الخدمة، ولكن لا ينبغي الخلط بينه وبين نظام البطارية الاحتياطية.

عندما يكون الحمل في وضع التحويل الجانبي، تعتمد الخصائص الكهربائية على مصدر التحويل الجانبي ونظام توزيع المنشأة.

Ⅲ. ماذا يحدث عند انقطاع التيار الكهربائي؟

1. التشغيل العادي

أثناء التشغيل العادي، تقوم وحدة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS) بمراقبة التيار الكهربائي الوارد.

اعتمادًا على التوبولوجيا، قد تقوم شركة الكهرباء بتزويد الحمل مباشرةً أو تزويد نظام تحويل الطاقة (UPS).

وفي الوقت نفسه، تظل البطارية جاهزة للاستخدام في حالة انقطاع التيار.

قد يقوم نظام التحكم بمراقبة ما يلي:

• جهد الدخل.
• جهد الخرج.
• التردد.
• مستوى الحمولة.
• جهد البطارية.
• حالة البطارية.
• وضع التشغيل.
• درجة الحرارة.
• حالات الأعطال.

2. اضطراب التيار الكهربائي

عندما يخرج جهد الدخل أو التردد عن نطاق التشغيل المحدد لجهاز UPS، يقوم نظام التحكم في الجهاز بتحديد الاستجابة المناسبة.

يعتمد الرد على طوبولوجيا الشبكة.

عادةً ما يقوم جهاز UPS الاحتياطي بنقل الحمل إلى العاكس.

قد يستخدم جهاز UPS التفاعلي مع الشبكة آلية تنظيم الجهد قبل اللجوء إلى البطارية.

يقوم جهاز UPS ذو التحويل المزدوج عبر الإنترنت بتزويد الحمل بالطاقة بالفعل من خلال محول الطاقة الخاص به أثناء التشغيل العادي.

ولهذا السبب يجب استخدام عبارة “وقت النقل” في سياقها الصحيح.

يُعرّف إيتون «وقت التحويل» بأنه الوقت اللازم لجهاز UPS لتحويل الحمل إلى الطاقة المولدة من البطارية، في حين تختلف البنى الهندسية «المتصلة بالشبكة» اختلافًا جوهريًّا لأن العاكس يتحمل الحمل بالفعل أثناء التشغيل العادي.

3. التشغيل بالبطارية

أثناء انقطاع التيار الكهربائي، توفر البطارية طاقة تيار مستمر.

يقوم العاكس بتحويل تلك الطاقة إلى تيار متردد.

يعتمد وقت التشغيل المتاح على:

• القدرة الفعلية للحمل.
• سعة البطارية.
• جهد البطارية.
• كفاءة نظام UPS.
• حالة البطارية.
• درجة الحرارة.
• خصائص التفريغ.
• جهد نهاية التفريغ.
• تقادم البطارية.

لذلك، لا يمكن لسعة البطارية المقاسة بالأمبير-ساعة وحدها أن توفر تقديرًا موثوقًا لمدة التشغيل.

4. إعادة خدمات المرافق العامة

عندما تعود إمدادات الطاقة الكهربائية المقبولة، يعود جهاز UPS إلى وضع التشغيل العادي المناسب.

ثم يقوم شاحن البطارية بتعويض الطاقة التي استُهلكت أثناء انقطاع التيار.

قد تؤدي الانقطاعات المتكررة إلى مشكلة تشغيلية كبيرة.

إذا لم يكن وقت إعادة شحن البطارية كافياً بين فترات انقطاع التيار، فقد يحدث الحدث الثاني مع انخفاض الطاقة المتاحة سعة البطارية.

Ⅳ. ما هي مشاكل الطاقة التي يمكن أن تحمي منها وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS)؟

1. انقطاع التيار الكهربائي

وتتمثل الوظيفة الأهم في الحفاظ على استمرارية تزويد التيار الكهربائي أثناء انقطاع التيار عن شبكة الكهرباء العامة.

بدون الطاقة الاحتياطية, ، قد يؤدي انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ إلى:

• إيقاف تشغيل الخادم.
• انقطاع الشبكة.
• إعادة ضبط وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).
• تلف البيانات.
• توقف الإنتاج.
• فشل في الاتصال.
• فقدان العمل الذي لم يتم حفظه.

يوفر جهاز UPS الطاقة المخزنة بحيث يمكن للمعدات الحيوية أن تستمر في العمل أو أن يتم إيقاف تشغيلها بطريقة منظمة.

تُعتبر شركة إيتون استمرارية إمداد الطاقة وإيقاف تشغيل النظام من الوظائف الأساسية لأجهزة UPS.

2. انخفاضات الجهد

انخفاض الجهد هو انخفاض مؤقت في الجهد الكهربائي.

اعتمادًا على خصائص الحمل، ومقدار الترهل، ومدته، قد يتعرض الحمل الحساس لخلل في الأداء أو يتوقف عن العمل.

قد تعمل وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) التفاعلية مع الخط على تصحيح بعض التقلبات في الجهد الكهربائي من خلال التنظيم التلقائي للجهد.

يمكن لمصدر الطاقة غير المنقطع (UPS) ذي التحويل المزدوج عبر الإنترنت أن يوفر تحكمًا أكثر دقة في الخرج، لأن التيار يصل إلى الحمل عبر العاكس.

3. الجهد الزائد

قد يؤدي الجهد الزائد إلى زيادة الضغط الكهربائي على الأجهزة المتصلة.

يمكن لمصدر الطاقة غير المنقطع (UPS) المزود بوظائف مناسبة لتنظيم الجهد والحماية أن يقلل من تأثير بعض حالات الجهد غير الطبيعية.

ومع ذلك، يجب الرجوع إلى مواصفات وحدة الإمداد غير المنقطع (UPS) لمعرفة نطاق الحماية الدقيق.

4. الطفرات والظواهر العابرة

قد تنشأ الطفرات والظواهر العابرة عن:

• تبديل المرافق.
• تبديل الأحمال الكبيرة.
• حالات الأعطال.
• الأحداث المرتبطة بالبرق.
• الاضطرابات الكهربائية الداخلية.

قد تشتمل معدات UPS على وظائف الحماية من الطفرات الكهربائية والتصفية.

ومع ذلك، لا ينبغي اعتبار وحدة الإمداد المستمر (UPS) نظامًا كاملاً للحماية من الصواعق.

قد يتطلب التثبيت المصمم بشكل سليم توفير حماية منقذة من الجهد الزائد (SPD) منسقة، بالإضافة إلى التأريض، والتوصيل الترابطي، والحماية في المراحل الأولية.

5. التغيرات في التردد

قد تتأثر الأجهزة الحساسة للتردد عندما يخرج التيار الكهربائي عن النطاق المسموح به.

يمكن لمصدر الطاقة غير المنقطع (UPS) المتصل بالإنترنت ضبط تردد الخرج من خلال محول الطاقة الخاص به، اعتمادًا على وضع التشغيل وتصميم الجهاز.

هذه الميزة هي ما يميز تقنية UPS عن الأجهزة المصممة فقط لتنظيم الجهد الكهربائي.

6. الضوضاء الكهربائية

يمكن لبعض أنظمة UPS تخفيف بعض أشكال الضوضاء الكهربائية.

ومن بين المصادر المحتملة ما يلي:

• مصادر الطاقة التحويلية.
• المحركات.
• محركات التردد المتغير.
• المعدات الصناعية.
• التداخل الكهرومغناطيسي.

يعتمد مستوى التصفية على بنية الشبكة ونظام التصفية.

لذلك، ينبغي على المهندسين تجنب الادعاء بأن كل وحدة إمداد طاقة غير منقطعة (UPS) تقضي على جميع أنواع الضوضاء الكهربائية.

Ⅴ. شرح تخطيطات شبكات UPS

1. لماذا تعتبر بنية شبكة UPS مهمة؟

تحدد بنية شبكة UPS مسار التيار الكهربائي العادي وكيفية الاستجابة للاضطرابات.

البنى الثلاث التي تُناقش عادةً هي:

• وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) في وضع الاستعداد أو غير المتصلة بالشبكة.
• وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) التفاعلية.
• جهاز UPS عبر الإنترنت بنظام التحويل المزدوج.

كما تصنف مواد وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بنى أنظمة الإمداد غير المنقطع (UPS) باستخدام تصنيفات تعتمد على الجهد الكهربائي، مثل VFD وVI وVFI.

2. وحدات إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) في وضع الاستعداد أو غير المتصلة بالشبكة

عادةً ما يقوم جهاز UPS الاحتياطي بتزويد الحمل بالطاقة عبر مسار شبكة الكهرباء العامة.

يظل العاكس قيد التشغيل إلى أن يتطلب اضطراب في التيار الكهربائي التشغيل بالبطارية.

أثناء انقطاع التيار الكهربائي، يقوم النظام بتحويل الحمل إلى العاكس.

تُستخدم هذه البنية عادةً في الحالات التي تكون فيها التكلفة والحماية الأساسية من الانقطاع أكثر أهمية من تكييف الطاقة إلى أقصى حد.

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• أجهزة الكمبيوتر المكتبية.
• معدات المكتب المنزلي.
• أجهزة الشبكة الصغيرة.
• الأحمال الإلكترونية غير الحرجة.

3. وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التفاعل الخطي

عادةً ما يحافظ جهاز UPS التفاعلي مع الشبكة على مسار طاقة يعتمد على شبكة الكهرباء العامة، مع توفير وظائف تنظيم الجهد الكهربائي.

يمكن لنظام تنظيم الجهد التلقائي تصحيح بعض حالات جهد الدخل دون الاستهلاك المستمر لطاقة البطارية.

وهذا يجعل الأنظمة التفاعلية مع الخط مفيدة في الحالات التي تحدث فيها تقلبات في الجهد الكهربائي، لكن التطبيق لا يتطلب البنية الكاملة لوحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) التي تعمل في وضع الاتصال المباشر بالشبكة.

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• معدات الشبكات.
• غرف الخوادم الصغيرة.
• أنظمة تكنولوجيا المعلومات المكتبية.
• معدات الاتصالات.
• أجهزة التحكم الصناعية المختارة.

4. وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التحويل المزدوج عبر الإنترنت

يستخدم نظام الإمداد غير المنقطع (UPS) عبر الإنترنت بنية التحويل المزدوج:

تيار متردد → تيار مستمر → تيار متردد

يقوم المقوم بتحويل التيار المتردد الوارد إلى تيار مستمر.

ثم يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد يتم التحكم فيه.

عادةً ما يتلقى الحمل الحرج الطاقة من العاكس.

ونتيجة لذلك، عند انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة، لا يحتاج الحمل إلى عملية تحويل تقليدية من الشبكة إلى المحول.

تُعتبر هذه البنية خيارًا شائعًا للتطبيقات الحيوية مثل:

• مراكز البيانات.
• التحكم الصناعي.
• البنية التحتية الطبية.
• الاتصالات.
• أتمتة العمليات.
• أنظمة تكنولوجيا المعلومات الحيوية.

5. مقارنة بين أنماط توصيل وحدات UPS

هذه المقارنة هي مقارنة نظرية.

يجب التحقق من الأداء الفعلي مقارنةً بالوثائق الفنية الصادرة عن الشركة المصنعة والمعايير المعمول بها.

Ⅵ. أجهزة UPS مقابل المولدات الكهربائية: لماذا تعملان معًا

1. وظائف مختلفة

تُستخدم وحدة الإمداد بالطاقة (UPS) والمولد الكهربائي لحل مشاكل مختلفة تتعلق بالطاقة.

يوفر جهاز UPS قدرة سريعة على استمرار التشغيل أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

يوفر المولد طاقة تدوم لفترة طويلة.

عادةً ما يحتاج المولد إلى بعض الوقت حتى يبدأ في العمل ويستقر.

تقوم وحدة تزويد الطاقة (UPS) بسد هذه الفجوة.

تُعد هذه البنية ذات أهمية خاصة بالنسبة للمنشآت التي لا يمكنها تحمل أي انقطاع في التيار الكهربائي، ولكنها لا تحتاج إلى الاعتماد كليًّا على البطاريات خلال فترات انقطاع التيار الطويلة.

2. الهندسة المعمارية النموذجية

قد تستخدم المنشأة الحيوية ما يلي:

الخدمات العامة → UPS → الأحمال الحيوية

مع مولد يوفر مصدرًا بديلاً في المنبع:

مصدر الطاقة / المولد → UPS → الحمل الحيوي

التسلسل النموذجي هو:

1. انقطاع التيار الكهربائي.
2. تكتشف UPS الحالة غير الطبيعية.
3. تقوم طاقة البطارية بتزويد الحمل الحيوي بالطاقة.
4. يبدأ المولد في العمل.
5. وصل المولد إلى ظروف تشغيل مقبولة.
6. يتم توزيع الطاقة في المنشأة وفقًا لتصميمها.
7. تواصل UPS حماية الشحنة.

يعتمد التسلسل الدقيق على نظام ATS الخاص بالمنشأة، والمولد الكهربائي، ونظام الإمداد غير المنقطع (UPS)، وبنية شبكة التوزيع.

3. مدة تشغيل UPS تختلف عن مدة تشغيل المولد الكهربائي

غالبًا ما تُصمم بطاريات أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) بناءً على فترة التشغيل المطلوبة، وليس بناءً على المدة الإجمالية لانقطاع التيار الكهربائي الطويل.

تشير إرشادات شركة إيتون بشأن أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) إلى أن العديد من الأنظمة القياسية توفر دعمًا داخليًّا بالبطارية لفترة قصيرة، في حين يمكن لوحدات البطاريات الإضافية أن تطيل مدة التشغيل عند الحاجة.

لذلك، ينبغي أن تكون المسألة الهندسية كما يلي:

ما هي المدة التي تتطلبها المنشأة لإتمام الجولة؟

بدلاً من:

كم ساعة يجب أن تدوم البطارية؟

Ⅶ. كيف يتم تحديد سعة وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS)؟

1. ابدأ بالحمولة

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد كل حمولة يجب أن تظل محمية.

السجل:

• الجهد الكهربائي.
• المرحلة.
• الحالي.
• كيلوواط.
• كيلو فولت أمبير.
• معامل القدرة.
• تيار الاندفاع.
• الخصائص التوافقية.
• ملف تعريف التشغيل.

2. فهم وحدة الكيلوواط (kW) والكيلوفولت أمبير (kVA)

عادةً ما تُقاس قدرة أنظمة UPS بوحدة VA أو kVA.

العلاقة بين القدرة الظاهرية والقدرة الفعلية هي:

كيلو وات = كيلو فولت أمبير × معامل القدرة

على سبيل المثال:

الحمل الذي تبلغ قيمته 100 كيلو فولت أمبير ويعمل بمعامل قدرة يبلغ 0.9 له:

100 × 0.9 = 90 كيلوواط

ومع ذلك، فإن هذا الحساب وحده لا يحدد السعة الصحيحة لجهاز UPS.

كما يجب على المهندس أن يأخذ في الاعتبار ما يلي:

• قدرة وحدة إمداد الطاقة (UPS) على الحفاظ على معامل القدرة.
• قدرة التحمل القصوى.
• الأحمال العابرة.
• التوسع في المستقبل.
• التكرار.
• درجة حرارة التشغيل.
• تكوين البطارية.

3. تجنب اختيار المقاس الأكبر من اللازم

إنه شاحن UPS كبير لا يعني ذلك بالضرورة أنه جهاز UPS أفضل.

قد يؤدي استخدام مقاس أكبر من اللازم إلى:

• انخفاض معدل استخدام الحمولة.
• ارتفاع تكلفة رأس المال.
• كفاءة تشغيل أقل.
• المزيد من الطاقة الإنتاجية غير المستغلة.

تشير وزارة الطاقة (DOE) على وجه التحديد إلى أن كفاءة أنظمة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS) تتفاوت حسب الحمل، وأن الأنظمة ذات الأحمال الخفيفة قد تهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة المدخلة. كما توصي وزارة الطاقة (DOE) بالنظر في وحدات UPS المعيارية البنى التي تعمل فيها الأنظمة في ظروف أقل من الشروط التصميمية أو التي يُتوقع أن تشهد نموًّا في المستقبل.

4. إتاحة المجال للنمو المستقبلي

قد يواجه مركز البيانات أو المصنع الذي يشهد نمواً حملاً مستقبلياً أكبر بكثير من حمله الحالي.

يمكن للمهندسين النظر في ما يلي:

• وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التصميم المعياري.
• أنظمة UPS المتوازية.
• التكرار N+1.
• أنظمة البطاريات القابلة للتوسيع.
• وحدات طاقة إضافية.

يمكن للبنية المعيارية أن تتيح زيادة السعة تبعًا للحمل.

Ⅷ. كيف تُحسب مدة تشغيل وحدة الإمداد بالطاقة (UPS)؟

1. الطاقة الأساسية للبطارية

فيما يلي حساب نظري مبسط:

طاقة البطارية ≈ جهد البطارية × سعة البطارية

على سبيل المثال، تحتوي مجموعة البطاريات ذات الجهد الاسمي 240 فولت والسعة الاسمية 100 أمبير ساعة على:

240 × 100 = 24,000 واط·ساعة

أو تقريبًا:

24 كيلوواط/ساعة من الطاقة المخزنة الاسمية

ومع ذلك، فإن هذا لا يعني أن 24 كيلوواط/ساعة متوفرة عند الحمل المتردد.

2. وقت التشغيل الفعلي

التقدير المبسط هو:

مدة التشغيل ≈ طاقة البطارية القابلة للاستخدام × كفاءة وحدة الإمداد غير المنقطع (UPS) ÷ طاقة الحمل

والنتيجة ليست سوى تقريب هندسي.

يتأثر وقت التشغيل الفعلي بالعوامل التالية:

• معدل تفريغ البطارية.
• درجة حرارة البطارية.
• عمر البطارية.
• تركيب البطارية الكيميائي.
• كفاءة نظام UPS.
• جهد قطع التيار المستمر.
• خصائص الحمل.
• تكوين البطارية.

لذلك، ينبغي استخدام منحنيات وقت التشغيل الصادرة عن الشركة المصنعة في التصميم النهائي.

3. مثال

افترض ما يلي:

• الطاقة الاسمية للبطارية: 24 كيلوواط/ساعة.
• النسبة التقديرية القابلة للاستخدام: 80%.
• كفاءة تحويل وحدة تزويد الطاقة (UPS): 90%.
• الحمل: 10 كيلوواط.

يصبح التقدير المبسط كما يلي:

24 × 0.80 × 0.90 ÷ 10 = 1.728 ساعة

هذا ليس وقت تشغيل مضمونًا.

قد تختلف النتيجة الفعلية لأن سعة البطارية ليست مخزونًا ثابتًا للطاقة في جميع ظروف التفريغ.

يوضح هذا المثال طريقة الحساب، ولا يُقدم قيمة أداء عامة.

Ⅸ. كفاءة وحدات الإمداد بالطاقة (UPS) واستهلاكها للطاقة

1. تعتمد الكفاءة على ظروف التشغيل

تختلف كفاءة UPS باختلاف ظروف التشغيل.

ومن بين العوامل المهمة ما يلي:

• نسبة التحميل.
• وضع التشغيل.
• شروط الإدخال.
• معامل القدرة.
• تصميم المحول.
• متطلبات التبريد.

تشير وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) صراحةً إلى أن كفاءة أنظمة الإمداد غير المنقطع (UPS) تتفاوت حسب الحمل، وأن الأنظمة التي تعمل بحمل خفيف قد تفقد جزءًا كبيرًا من الطاقة المدخلة في شكل خسائر في نظام الإمداد غير المنقطع.

2. لماذا يُعد التشغيل بحمل جزئي أمرًا مهمًا

لنتخيل منشأة تقوم بتركيب سعة من أجهزة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) تفوق احتياجاتها الحالية بشكل كبير.

قد تعمل وحدة تزويد الطاقة (UPS) بنسبة منخفضة من طاقتها الاسمية لسنوات عديدة.

اعتمادًا على تصميم وحدة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS)، قد يؤدي ذلك إلى انخفاض الكفاءة.

لذلك،, اختيار UPS يتطلب تحقيق التوازن بين:

• الحمل الحالي.
• النمو في المستقبل.
• الكفاءة.
• التكرار.
• التكلفة الرأسمالية.
• استراتيجية الصيانة.

3. وحدات الإمداد المتواصل بالطاقة غير المنقطعة

يمكن لأنظمة UPS المعيارية أن تتغلب على هذا التحدي.

يمكن توزيع السعة على شكل وحدات بدلاً من تركيب السعة المستقبلية بالكامل منذ اليوم الأول.

يمكن لهذا النهج أن يحسّن استغلال الطاقة الإنتاجية ويبسط عملية التوسع.

تحدد وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) على وجه التحديد أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التصميم المعياري كخيار للتطبيقات التي تتوقع نموًا مستقبليًّا أو التي تعمل بشكل مستمر بأقل من السعة التصميمية.

Ⅹ. جهاز UPS مقابل جهاز تثبيت الجهد

1. الاختلاف الجوهري

توفر وحدة الإمداد المستمر (UPS) في المقام الأول استمرارية الطاقة والاحتياطي من الطاقة المخزنة.

A مثبت الجهد يقدم بشكل أساسي تنظيم الجهد.

الجهد مُثبِّت لا يمكنها عادةً توفير طاقة مدعومة بالبطارية أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

قد توفر وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) وظيفة تنظيم الجهد، لكن هذه القدرة تعتمد على هيكلها.

2. مقارنة هندسية

هذا التمييز مهم في المنشآت الصناعية.

قد يحتاج الموقع الذي يشهد تقلبات شديدة في الجهد الكهربائي، مع استمرارية موثوقة في إمدادات الكهرباء، إلى نظام لتنظيم الجهد.

قد يحتاج الموقع الذي يتعرض لانقطاعات متكررة في التيار الكهربائي إلى جهاز UPS.

قد يحتاج الموقع الذي يعاني من هاتين المشكلتين إلى معدات منسقة لحماية التيار الكهربائي.

تقدم BKPOWER بالفعل محتوى تقنيًا منفصلاً يتناول الفروق بين أجهزة UPS ومثبتات الجهد.

Ⅺ. أين تُستخدم أنظمة UPS؟

1. مراكز البيانات

تستخدم مراكز البيانات أنظمة UPS لحماية الأحمال الحيوية في مجال تكنولوجيا المعلومات والبنية التحتية.

تشمل المعدات المحمية النموذجية ما يلي:

• الخوادم.
• التخزين.
• محولات الشبكة.
• أنظمة الأمن.
• أنظمة التحكم.
• معدات المراقبة الحيوية.

كما يمكن لوحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) أن تسد الفجوة الزمنية بين انقطاع التيار الكهربائي وتوافر المولد.

بالنسبة للمنشآت ذات التوافر العالي، قد تشكل أنظمة UPS جزءًا من بنية N+1 أو غيرها من بنى الطاقة الاحتياطية.

2. الأتمتة الصناعية

قد تتأثر الأتمتة الصناعية باضطرابات الطاقة القصيرة الأمد.

تشمل الأحمال النموذجية ما يلي:

• أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).
• أنظمة SCADA.
• أجهزة الكمبيوتر الصناعية.
• أجهزة الاستشعار.
• شبكات التحكم.
• الأجهزة.
• أنظمة التحكم في العمليات.

اعتمادًا على خصائص الحمل، قد يؤدي انقطاع قصير إلى إعادة ضبط وحدة التحكم أو انقطاع العملية.

قد يكون الأثر الاقتصادي أكبر بكثير من تكلفة الطاقة الناتجة عن انقطاع التيار نفسه.

3. الرعاية الصحية

تحتوي المنشآت الصحية على أحمال كهربائية ذات مستويات مختلفة من الأهمية الحرجة.

قد تدعم أنظمة UPS ما يلي:

• الإلكترونيات الطبية.
• أنظمة تكنولوجيا المعلومات.
• معدات المراقبة.
• أنظمة الاتصالات.
• معدات التحكم.

يجب أن يتوافق التصميم الفعلي لوحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) مع المتطلبات الكهربائية ومتطلبات السلامة السارية على التركيب.

تُدرج شركة «UL Solutions» قطاعات الرعاية الصحية ومراكز البيانات وغرف الخوادم والاتصالات والمؤسسات المالية ضمن مجالات تطبيق أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

4. اﻻتصاﻻت السلكية والﻻسلكية

تعتمد أنظمة الاتصالات على التوافر العالي.

يمكن لأنظمة UPS حماية:

• معدات الشبكات.
• معدات الاتصالات.
• أنظمة نقل البيانات.
• أنظمة التحكم.

مدة عمل البطارية و المراقبة عن بُعد تُعد ذات أهمية خاصة بالنسبة للمنشآت الموزعة.

5. الشؤون المالية وتكنولوجيا المعلومات المؤسسية

قد تكون المؤسسات المالية وأنظمة تكنولوجيا المعلومات الخاصة بالشركات شديدة الحساسية تجاه انقطاع التيار الكهربائي.

يمكن لوحدة إمداد الطاقة (UPS) أن تدعم:

• الخوادم.
• البنية التحتية للشبكة.
• التخزين.
• أنظمة الاتصالات.
• أنظمة المعاملات.

تعتمد البنية المطلوبة على مدى أهمية التطبيق.

Ⅻ. كيفية اختيار وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) المناسبة

1. تعريف الحمل الحرج

لا تبدأ باختيار طراز من أجهزة UPS.

ابدأ بتحديد المعدات التي تحتاج فعليًّا إلى الحماية.

صنف الأحمال إلى:

• حرج.
• هام.
• غير حرج.

ويمكن أن يمنع ذلك وجود سعة زائدة غير ضرورية في وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

2. تحديد المتطلبات الكهربائية

اجمع:

• جهد الدخل.
• جهد الخرج.
• تكوين المرحلة.
• التردد.
• كيلوواط.
• كيلو فولت أمبير.
• معامل القدرة.
• تيار الاندفاع.
• الخصائص التوافقية.

3. حدد الشكل الهندسي

هذا إطار عمل أولي.

يجب أن تراعي عملية الاختيار النهائية المتطلبات الكهربائية والتشغيلية الفعلية.

4. تحديد وقت التشغيل

حدد ما إذا كان جهاز UPS مخصصًا لـ:

• دعم الإغلاق المنظم.
• تشغيل مولد الجسر.
• الحفاظ على العملية لفترة زمنية محددة.
• توفير نسخ احتياطي موسع.

يجب حساب مدة التشغيل بناءً على الحمولة ومقارنتها ببيانات الشركة المصنعة.

5. تقييم التكرار

بالنسبة للمنشآت الحيوية، يجب مراعاة ما يلي:

• ن.
• N+1.
• 2N.
• البنى الموزعة ذات التكرار.

تعتمد البنية الصحيحة على متطلبات توفر المنشأة.

6. مراجعة المعايير المعمول بها

تتناول المواصفة القياسية IEC 62040-1 متطلبات السلامة الخاصة بأجهزة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS).

تتناول المواصفة القياسية IEC 62040-3 أداء أجهزة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS) واختبارها.

ينطبق الإصدار الموحد الحالي للمعيار IEC 62040-1 على أنظمة UPS المزودة بوحدات تخزين الطاقة ضمن النطاق المحدد، ويحدد متطلبات السلامة.

بالنسبة للتطبيقات في أمريكا الشمالية، توفر المواصفة UL 1778 إطارًا أساسيًا لتقييم سلامة أنظمة الطاقة غير المنقطعة (UPS) ومنح الشهادات لها. وتصف شركة UL Solutions المواصفة UL 1778 بأنها «المواصفة القياسية لأنظمة الطاقة غير المنقطعة».

تعتمد متطلبات الامتثال الفعلية على السوق المستهدفة، والتركيب، وتصميم المنتج، ومواصفات المشروع.

ⅩⅢ. الأخطاء الشائعة في اختيار أجهزة UPS

1. الاختيار بناءً على kVA فقط

تعد وحدة kVA عاملاً مهمًا، لكنها لا تشكل عملية الاختيار بأكملها.

كما ينبغي على المهندسين تقييم ما يلي:

• كيلوواط.
• معامل القدرة.
• تيار الاندفاع.
• ملف تعريف الحمل.
• قدرة التحمل الزائد.
• النمو في المستقبل.
• التكرار.

2. بافتراض أن جميع أنظمة UPS تتمتع بزمن انتقال يساوي صفرًا

هذا هو أحد أكثر سوء الفهم التقني شيوعًا.

عادةً ما تحتاج وحدات الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS) من النوع الاحتياطي أو التفاعلي مع الشبكة إلى إجراء عملية تحويل بين مسارات الطاقة أثناء حدوث اضطرابات معينة.

عادةً ما يقوم جهاز UPS ذو التحويل المزدوج عبر الإنترنت بتزويد الحمل بالطاقة من خلال العاكس الخاص به.

لذلك، فإن البنية هي التي تحدد معنى وأهمية وقت النقل.

3. افتراض أن جهاز UPS يحل محل المولد الكهربائي

عادةً ما يتم تصميم وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) لتوفير إمداد طاقة مؤقت لفترة قصيرة، ما لم يتم تصميم نظام بطارية ممتد خصيصًا لهذا الغرض.

يمكن للمولد أن يوفر إمدادًا بالطاقة لفترة أطول بكثير.

فيما يتعلق بالبنية التحتية الحيوية، غالبًا ما تكون هاتان التقنيتان متكاملتين.

4. تجاهل حالة البطارية

لا يضمن التصنيف الاسمي للبطارية توفير نفس كمية الطاقة القابلة للاستخدام في جميع الظروف.

تُعد درجة الحرارة والعمر ومعدل التفريغ وتكوين البطارية عوامل مهمة.

5. اختيار وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات سعة أكبر من اللازم

قد يؤدي اختيار أحجام أكبر من اللازم إلى زيادة التكلفة الرأسمالية، وقد يقلل من كفاءة التشغيل عند الأحمال المنخفضة.

توصي وزارة الطاقة (DOE) على وجه التحديد بأخذ هياكل التحميل والهياكل المعيارية في الاعتبار عند تقييم الأداء الطاقي لأنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).

6. اعتبار وحدة الإمداد غير المنقطع (UPS) بمثابة نظام الحماية بأكمله

ينبغي عادةً اعتبار وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) جزءًا من بنية طاقة أوسع نطاقًا.

وقد تشمل الطبقات الأخرى ما يلي:

• الحماية من زيادة التيار.
• التأريض.
• الترابط.
• حماية الدائرة.
• أنظمة المولدات.
• تكرار التوزيع.
• المراقبة.
• التحكم البيئي.
• حماية البطارية.

ⅩⅣ. ما الذي يجعل نظام UPS موثوقًا؟

1. البنية الكهربائية الصحيحة

تبدأ الموثوقية بتصميم النظام.

ومن بين الاعتبارات المهمة ما يلي:

• الطوبولوجيا المناسبة.
• السعة الصحيحة.
• تكوين البطارية.
• بنية التجاوز.
• تنسيق الجهود في مجال الحماية.
• تصميم شبكة التوزيع.

2. إدارة الحرارة

تولد إلكترونيات الطاقة في وحدات UPS حرارة.

يمكن أن تؤثر الظروف الحرارية على العمر الافتراضي للمكونات وأداء البطارية.

ولذلك، فإن غرفة UPS تحتاج إلى تصميم بيئي مناسب.

3. إدارة البطارية

ينبغي أن تشمل إدارة البطارية ما يلي:

• المراقبة.
• الشحن الصحيح.
• إدارة درجة الحرارة.
• الفحص الدوري.
• الاختبارات المناسبة.
• استبدال مخطط له.

4. الرصد والتواصل

قد توفر أنظمة UPS الحديثة ما يلي:

• جهد الدخل.
• جهد الخرج.
• التردد.
• نسبة التحميل.
• حالة البطارية.
• حالة الإنذار.
• المدة التقديرية للتشغيل.

يمكن أن يتيح الاتصال بالشبكة لمشغلي المنشأة مراقبة النظام عن بُعد.

5. الصيانة

لا ينبغي اعتبار وحدة تزويد الطاقة (UPS) بنية تحتية لا تحتاج إلى صيانة.

اعتمادًا على تصميم النظام، قد تشمل أعمال الصيانة ما يلي:

• فحص البطارية.
• فحص المكثف.
• فحص نظام التبريد.
• فحوصات الاتصال.
• اختبار جهاز الإنذار.
• صيانة البرامج الثابتة أو نظام المراقبة.
• الصيانة الوقائية.

ⅩⅤ. حلول BKPOWER لمصادر الطاقة الاحتياطية (UPS)

تشمل مجموعة منتجات UPS الحالية لشركة BKPOWER أجهزة UPS ذات التردد الصناعي، وأجهزة UPS عالية التردد، وأجهزة UPS المثبتة على حامل، وأجهزة UPS المعيارية، وأجهزة UPS التفاعلية مع الخط، وبطاريات UPS، وخزانات البطاريات. وتشمل مجموعتها المعيارية أنظمة تحويل مزدوج ثلاثية الأطوار تعمل في وضع «أونلاين» (online) بتكوينات سعة متعددة.

كما تنشر BKPOWER مواد تقنية تتناول بنية أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS)، ومدة التشغيل، ومعامل القدرة في أنظمة UPS، واختيار أنظمة UPS الصناعية، والعلاقة بين أنظمة UPS وتثبيت الجهد الكهربائي.

فيما يتعلق بالمشروع الهندسي، ينبغي أن تركز عملية الاختيار على ما يلي:

• الحمولة الفعلية.
• كيلوواط وكيلوفولت أمبير.
• معامل القدرة.
• بنية أحادية الطور أو ثلاثية الطور.
• الاستقلالية المطلوبة.
• جودة الخدمات العامة.
• حساسية الحمل.
• التكرار.
• الظروف البيئية.
• تكنولوجيا البطاريات.
• التوسع في المستقبل.
• المعايير المعمول بها.

بالنسبة للتطبيقات الصناعية، يمكن تقييم هياكل أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) التي تعمل في وضع التشغيل المباشر وأنظمة UPS ذات التردد الصناعي وفقًا لخصائص الحمل والبيئة الكهربائية ومستوى التوافر المطلوب.

ⅩⅥ. الاستنتاجات الهندسية النهائية

إذن،, ما هي وظيفة جهاز UPS؟

الإجابة المختصرة هي:

يضمن جهاز UPS استمرارية الإمداد بالطاقة للأحمال الحيوية عند انقطاع التيار الكهربائي العادي أو عندما يصبح جودته غير مقبولة.

الإجابة الهندسية أكثر شمولاً.

تجمع وحدة الإمداد بالطاقة (UPS) بين:

• تحويل الطاقة.
• تخزين الطاقة.
• تقنية العاكس.
• أنظمة التحكم.
• التبديل.
• الحماية.
• المراقبة.

يعتمد أداء الجهاز على التوبولوجيا، والحمل، وتكوين البطارية، ووضع التشغيل، وبنية النظام.

بالنسبة لجهاز كمبيوتر بسيط، قد توفر وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) من نوع «الاستعداد» أو «التفاعل المباشر» حماية كافية.

في حالة مراكز البيانات أو أنظمة التحكم الصناعية، قد يكون من المناسب النظر في استخدام وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات التحويل المزدوج في الوضع المباشر، لأن العاكس يزود الحمل بالطاقة بشكل مستمر أثناء التشغيل العادي.

في حالة المنشآت التي تتعرض لانقطاعات طويلة في التيار الكهربائي، يمكن أن يعمل نظام الإمداد غير المنقطع (UPS) جنبًا إلى جنب مع المولد الكهربائي.

بالنسبة للمواقع التي تعاني من تقلبات شديدة في الجهد الكهربائي ولكن مخاطر انقطاع التيار فيها محدودة، قد يساعد جهاز تثبيت الجهد في معالجة جانب آخر من مشكلة الطاقة.

وبالتالي، لا ينبغي اختيار وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) المناسبة بناءً على قيمة kVA وحدها.

ينبغي على المهندسين تقييم ما يلي:

• الحمل (كيلوواط).
• الحمل بالكيلو فولت أمبير.
• معامل القدرة.
• تكوين المرحلة.
• الجهد والتردد.
• خصائص التيار الاندفاعي.
• وقت التشغيل المطلوب.
• تكنولوجيا البطاريات.
• الكفاءة.
• بنية التجاوز.
• التكرار.
• الظروف البيئية.
• معايير السلامة والأداء المعمول بها.

تحدد المواصفة القياسية IEC 62040-1 متطلبات السلامة الخاصة بوحدات الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS)، بينما تحدد المواصفة القياسية IEC 62040-3 متطلبات الأداء والاختبار الخاصة بهذه الوحدات.

النهج الأكثر موثوقية هو التعامل مع وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS) باعتبارها جزءًا من بنية الحماية من انقطاع التيار الكهربائي الحرجة, ، وليس مجرد صندوق للبطاريات.

يتيح هذا النهج للمهندسين دمج استمرارية الطاقة، وجودة الطاقة، وطاقة البطاريات، وتكامل المولدات، والتكرار، والكفاءة، وإدارة دورة الحياة في تصميم واحد متماسك.

جمع المعلومات ذات الصلة

المصادر المرجعية

الأسئلة الشائعة