مطالبي در رابطه با يو پي اس

اگر سر و كارتان بايو پي اس،اينورتريا منابع تغذيه متناوب باشد، حتما يو پي اس يكبار با واژه‌ي بار خطي و يا بار غير خطي برخورد كرده‌ايد. استاندارد IEC62040 بطور كلي بارها را به دو گروه خطي (Linear) و غيرخطي (NonLinear) طبقه بندي كرده است. به همين دليل در مشخصات فني يو پي اس ها اغلب اين كلمات را مشاهده مي‌كنيم. به عنوان مثال اغلب THD ولتاژ خروجي را يكبار براي بارهاي خطي و يكبار براي بارهاي غيرخطي مشخص مي‌كنند. در اين متن سعي داريم به بررسي تفاوت اين دو نوع بار بپردازيم و بعضي از اشتباهات متداول در اين زمينه را تا حد امكان بررسي نماييم.

يو پي اس تبريز

بارهاي خطي

اگر به باري ولتاژ سينوسي بدهيم و جريان بار نيز سينوسي باشد، به آن “بار خطي” مي‌گوييم. اين يك يو پي اس تعريف ساده شده از بارهاي خطي بود. دقت نماييد كه حرفي از وجود اختلاف فاز بين جريان و ولتاژ در ميان نيست. اغلب وقتي صحبت از بارهاي خطي به ميان مي‌آيد همه به بارهاي مقاومتي اشاره مي‌كنند و بارهاي سلفي يا خازني را جزء بارهاي غير خطي طبقه بندي مي‌نمايند. در صورتيكه چنين نيست! بارهاي خازني يو پي اسو سلفي نيز خطي مي‌باشند. زيرا اگر به آنها ولتاژ سينوسي متصل شود، جريانشان نيز سينوسي است و تنها با شكل موج ولتاژ اختلاف فاز دارد. به طور كلي هر تركيبي از عناصر پسيو (متشكل از مقاومت، خازن و سلف) به عنوان يك بار خطي بشمار مي‌رود. اگر خاصيت سلفي بار غالب باشد جريان آن پسفاز است.يو پي اس يعني شكل موج جريان اندكي بعد از شكل موج ولتاژ مي‌آيد و در صورتيكه بار خازني باشد شكل موج جريان اندكي قبل از شكل موج ولتاژ مي‌آيد. اگر هربار كه سخن از پسفازي يا پيشفازي بار مي‌آيد حتما بايد فرمولهاي مداري را مرور كنيد تا يادتان بيايد كه كدام جريان در كدام بار قبل يا بعد از ولتاژ مي‌آيد يك راه حل ساده به نام قانون “CIVIL” را به شما پيشنهاد مي‌كنم!

اين قانون ترتيب جريان و ولتاژ را در بارها يادآوري مي‌كند. مطابق آن در بارهاي خازني(C) جريان (I) پيش از ولتاژ (V) مي باشد، پس CIV. ولي در بارهاي سلفي (L)، جريان (I) بعد از ولتاژ (V) است، پس VIL.

باتري يو پي اس

شكل 1: شكل موجهاي جريان و ولتاژ در بارهاي مقاومتي، سلفي و خازني يو پي اس به همراه قانون CIVIL-براي مشاهده نوع بار را انتخاب نماييد.

آيا بارهاي موتوري يا ترانسي نيز جزء بارهاي خطي به شمار مي‌آيند؟

پاسخ اين سوال مثبت است. زيرا هر دو اين بارها نوعي بار سلفي مي‌باشند و در صورت اعمال ولتاژ سينوسي به آنها جريانشان نيز سينوسي خواهد بود. اما نكته ظريفي براي اين نوع از بارها وجود دارد. سلفها، ترانسها و موتورها (در صورت اعمال ولتاژ نامناسب به آنها) ممكن است اشباع شوند كه در اين صورت جريان آنها ديگر سينوسي نيست!

شكل 2 جريان يك ترانس اشباع شده را نشان مي‌دهد يو پي اس كه با وجود ولتاژ ورودي سينوسي، جريان ترانس كاملا غير سينوسي است. در اين شرايط ترانسفورماتور يا موتور به عنوان بار غير خطي طبقه بندي مي‌شوند.

يو پي اس

شكل 2: ولتاژ، شار و جريان يك ترانس فورماتور در حالت اشباع

ليستي از بارهاي خطي متداول در ادامه آورده شده است:

كليه بارهاي مقاومتي، لامپ‌هاي رشته‌اي، هيترهاي مقاومتي، موتورها، فنها، ترانسها، خازنهاي اصلاح ضريب قدرت و…

بارهاي غيرخطي:

برخلاف بارهاي خطي، اگر به اين بارها ولتاژ سينوسي اعمال شود، جريانشان غير سينوسي خواهد بود. شكل زير، جريان و ولتاژ يك بار غيرخطي را نشان مي‌دهد.

شكل 3: شكل موج ولتاژ سينوسي اعمال شده به يك بار غير خطي يو پي اس و جريان كشيده شده توسط آن شايد جالب باشد بدانيد برخلاف آنچه به نظر مي‌رسد دنياي ما توسط بارهاي غيرخطي احاطه شده است! به عنوان مثال تمام منابع تغذيه سوييچينگ جزء بارهاي غير خطي به شمار مي‌روند. اين يعني كامپيوتر، پرينتر، اسكنر، تلويزيون، راديو، ماكروويو، LED و LCDها،شارژرموبايل، تمامي لامپهاي كم يو پي اس مصرف،يو پي اس ها و يا تمامي كانورترها و مبدلهايي كه مدارات تصحيح شكل موج جريان ورودي ندارند، ركتيفايرهاي ديودي يو پي اس يا تريستوري و بسياري ديگر از لوازم و ادوات اطراف ما، همگي جزء بارهاي غير خطي به حساب مي‌آيند. وجه مشترك يو پي اس تمام اين بارها، استفاده از ادوات اكتيو (نيمه هاديهايي مثل ديود، تريستور، IGBT يا ماسفت و…) بجاي قطعات پسيو (مقاومت، سلف يا خازن) در ورودي‌شان است.

اما چرا استفاده از عناصر نيمه هادي باعث غير سينوسي شدن شكل جريان ورودي مي‌شود؟

براي پاسخ به اين سوال، يك مدار ساده يكسوساز را بررسي مي‌كنيم. لازم است بدانيد تقريبا ورودي تمامي مدارات تغذيه سوييچينگ يو پي اس به نوعي داراي يكركتيفايرمي‌باشد. به همين دليل ماهيت غير خطي جريان ورودي در تمامي آنها تقريبا يكسان است. مطابق شكل 4، يك يكسوساز تمام موج را در نظر بگيريد كه يك بار مقاومتي با خازن آن موازي شده است. اين بار به تدريج خازن را تخليه كرده و ولتاژ آنرا كاهش يو پي اس مي‌دهد. اگر ولتاژ سينوسي به ورودي اين يكسوساز متصل كنيم، تا هنگامي كه ولتاژ ورودي از ولتاژ خازن كمتر است ديودها اجازه عبور جريان را نمي‌دهند، اما به محض آنكه ولتاژ ورودي از ولتاژ خازن بيشتر شد، ديودها هدايت كرده و با كشيده شدن جريان لحظه‌اي از ورودي، خازن راشارژمي‌كنند. هنگاميكه مجددا ولتاژ خازن از ولتاژ سينوسي ورودي بيشتر شود، ديودها ديگر هدايت نكرده و جريان ورودي قطع مي‌گردد. به همين دليل است كه در شكل 5 مي‌بينيم شكل موج جريان (نمودار سبز رنگ) در ابتداي سيكل قطع بوده، سپس ناگهان هدايت كرده و مجددا قطع مي‌شود.

شكل 4: مدار يكسوساز تمام موج با بار مقاومتي

شكل5: شكل موجهاي ولتاژ ورودي، جريان ورودي و ولتاژ خازن يكسوساز تمام موج.

ماهيت غيرخطي جريان، لحظه‌اي بودن و در نتيجه ضربه‌اي بودن آن، پيك بالاتر آن نسبت به جريان مشابه سينوسي، بالاتر بودن كرست يو پي اس فاكتور (براي آشنايي بيشتر با پارامتر Crest Factor به اينجا مراجعه كنيد) و بالا بودن قابل يو پي اس ملاحظه‌ي هارمونيك آن نسبت به يك جريان سينوسي (براي آشنايي با مفاهيم هارمونيك و THDبه اينجا مراجعه كنيد)، بارهاي غيرخطي را براي هر منبع تغذيه‌اي نامناسب مي‌نمايد. به همين دليل استاندارد IEC 62040-3 توجه بسياري به بارهاي غيرخطي دارد و تستيو پي اسبا بارهاي غيرخطي را به يك الزاميو پي اس براي هر سازنده‌اي بدل نموده است. جالب است بدانيد اكثر بارهايي كه به يو پي اس متصل مي‌شود غير خطي هستند. فرضا يك سايت كامپيوتر را در نظر بگيريدسرور، پرينتر، اسكنر، پلاتر و كليه كامپيوترهاي موجود در سايت بدليل استفاده از مدارات تغذيه سوييچينگ تماما غيرخطي به حساب مي‌آيند.

شايد اين سوال برايتان مطرح شود كه با توجه به ماهيت نامناسب جريان بارهاي غيرخطي، چگونه مي‌توان تشخيص داد كه يك يو پي اس  مورد نظر مي‌تواند تغذيه بارهاي غيرخطي را بخوبي تامين نمايد؟ پاسخ اين سوال را مي‌بايست در جدول مشخصات فني يو پي اسجستجو نماييد. مطابق استاندارد، سازندگان مكلف به ارائه پارامتري به عنوان THD يا در صد اعوجاج ولتاژ خروجييوپي اسبه خريدار هستند. اگر بخواهيم تعريف ساده‌اي از اين پارامتر داشته باشيم به اين معني است كه با اعمال بار كامل خطي يا غير خطي، چه مقدار كيفيت شكل موج ولتاژ خروجي يو پي اس كاهش مي‌يايد. هر چه عدد THD ولتاژ كمتر باشد نشان‌گر كيفيت بهتر يو پي اس است. طبق استاندارد، بهتر است اين عدد كمتر از 8 باشد.

يو پي اس

شكل 6: نمايش THD ولتاژ خروجي يك يو پي اس در جدول مشخصات فني آن

همانطور كه انتظار داشتيم ماهيت ضربه‌اي بارهاي غير خطي باعث مي‌شود كه كيفيت ولتاژ خروجي يو پي اسدر بارهاي غيرخطي نسبت به بارهاي خطي كاهش يابد، يا به عبارتي THD ولتاژ آن در بارهاي غيرخطي بالاتر باشد. براي دسترسي به اطلاعات فني دقيق تر در خصوص مفهوم THD لطفا به اينجا مراجعه فرماييد.

در جدول زير مقايسه بين بارهاي خطي و غير خطي آورده شده است:

آيتم بارهاي خطي بارهاي غيرخطي يو پي اس

1 در صورت اعمال ولتاژ سينوسي، شكل موج جريان بار سينوسي است در صورت اعمال ولتاژ سينوسي، شكل موج جريان بار سينوسي نيست

2 كرست فاكتور جريان همواره 1.41 است. كرست فاكتور بار بيشتر از 2 است.

3 امپدانس بار براحتي بر اساس قانون اهم قابل محاسبه يو پي اس است. امپدانس بار براحتي بر اساس قانون اهم قابل محاسبه نيست.

4 شكل موج جريان بدون هارمونيك است. شكل موج جريان داراي هارمونيك بالا است.

5 بدليل ماهيت سينوسي جريان، مشكل كمتري براي يو پي اس ايجاد مي‌كند بدليل ماهيت ضربه‌اي و پيك بالاتر جريان نسبت يو پي اس به جريان سينوسي، باعث كاهش كيفيت نسبي ولتاژ خروجي يو پي اس مي‌شود.