خانه وبلاگ
8
بهمن
1391
بیشتر بدانیم:

محاسن وجود PFC در یوپی اس چیست؟

دارا بودن قابلیت Power Factor Correction یا تصحیح کنندگی ضریب توان یکی از ویژگی‌هایی است که در برخی از یوپی اس‌های آنلاین وجود دارد. امکان تصحیح ضریب توان، تواما چند ویژگی را برای یوپی اس به ارمغان می‌آورد که در متن پیش رو سعی داریم تا به صورت کلی هرکدام از این ویژگی‌ها و متعاقب آن محاسنشان را بررسی کنیم.

دارا بودن قابلیت PFC (Power Factor Correction) یا تصحیح کنندگی ضریب توان یکی از ویژگیهایی است که در برخی از یوپی اس‌های آنلاین وجود دارد. امکان تصحیح ضریب توان، تواما چند ویژگی را برای یوپی اس به ارمغان می‌آورد که در متن پیش رو سعی داریم تا به صورت کلی هرکدام از این ویژگی‌ها و متعاقب آن محاسنشان را بررسی کنیم.
غالب بارهایی که به یوپی اس‌ها متصل می‌شود از نوع کامپیوتری است و بار کامپیوتری یعنی بار غیر خطی! ویژگیهای این نوع از بارها را در مقاله ای با نام "بارهای خطی و غیرخطی چه تفاوتی باهم دارند" مورد بررسی قرارداده بودیم. بارهای کامپیوتری بدلیل ماهیت غیرخطی خود دارای معایب زیر می‌باشند:

  1. عموما دارای ضریب توان (PF) بین 0.55 تا 0.75 می‌باشند. یعنی در تغذیه کامپیوترها، تنها 55 تا 75 درصد جریان ورودیشان صرف انجام کار مفید (توان اکتیو) می‌شود و مابقی جریان به صورت توان راکتیو مصرف می‌گردد. شاید توضیح تفاوت توانهای اکتیو و راکتیو بحث اصلی این متن نباشد ولی بطور خلاصه توان اکتیو، آن بخش از توان است که برای ما کار انجام می‌دهد، این کار مثلا در یک منبع تغذیه کامپیوتر توانیست که باعث عملکرد هارد، CPU و سایر بخشهای یک کامپیوتر می‌شود. ولی ممکن است برای آنکه تغذیه کامپیوتر بدرستی کار کند نیاز به انرژی جهت ایجاد میدانهای الکترومغناطیسی در ترانسهای سوییچینگ منبع تغذیه باشد. به این نوع از توان که مستقیما خود کاری انجام نمی‌دهد و صرف آماده سازی شرایط محیطی می‌شود، توان راکتیو می‌گویند. در حقیقت 25 تا 45 درصد از کل توان ورودی به منابع تغذیه کامپیوترها صرف آماده سازی محیط (مثل شارژ خازنهای داخلی یا ایجاد میدان مغناطیسی در ترانس سوییچینگ) برای عملکرد صحیح آنها می‌شود، گرچه این انرژی تلف نمی‌شود ولی مستقیما برای انجام کار نیز مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
  2. بارهای غیرخطی عموما بارهایی با کرست فاکتور بیش از 2 می‌باشند و بدلیل ماهیت لحظه‌ایشان موجب ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ تغذیه خود می‌شوند. بوجود آمدن اختلال در شکل موج ولتاژ باعث می‌شود، بارهای حساس دیگری که احتمالا از همان ولتاژ تغذیه می‌کنند نتوانند عملکرد صحیحی داشته باشند. (جهت دسترسی به اطلاعات بیشتر با مفهوم کرست فاکتور به متن "آشنایی با Crest Factor" رجوع فرمایید.)

    اعوجاج شکل موج ولتاژ بر اثر وجود بارهای کامپیوتری
    شکل 1: اعوجاج شکل موج ولتاژ بر اثر وجود بارهای کامپیوتری
     
  3. جریان بارهای غیر خطی شدیدا هارمونیکی است. THD جریان بارهای کامپیوتری بیش از 50 درصد است (طبق استاندارد IEC62040-3، THD جریان مطلوب می‌بایست کمتر از 10 درصد باشد). این هارمونیکها می‌تواند باعث ایجاد نویز و اختلال در عملکرد دستگاههای حساس و یا موجب گرم شدن سیمها و ترانسفورماتورهایی شوند که احتمالا در مسیر عبور جریان واقع شده‌اند. (جهت آشنایی بیشتر با مفهموم THD به مقاله "THD در صنعت یوپی اس" مراجعه فرمایید.)

با پیشرفت تکنولوژی و پیدایش MOSFET وIGBT، امکان کاهش تاثیرات نامطلوب بارهای غیرخطی فراهم گردید و یکی از راه حل‌ها، طراحی مدارات PFC در بخش ورودی یو پی اس‌ها بود.
به زبان ساده PFC، یک مدار رکتیفایر بوست (Boost Rectifier) است که علاوه بر تبدیل AC به DC در یوپی اس‌های آنلاین، باعث می‌شود تا از دید برق شهر، یوپی اس و بارهایش به صورت بارخطی و اهمی دیده شوند!
این عمل بدان معناست که بارهای غیرخطی که به خروجی یوپی اس متصل هستند مانند قبل، جریانهای غیرخطی از یو پی اس می‌کشند، اما جریانی که ورودی یوپی اس از برق شهر می‌کشد، کاملا خطی است! و این همان معجزه مدارات PFC در ورودی یوپی اس‌های آنلاین است. در حقیقت وظیفه این مدار به شرح ذیل می‌باشد:

  • تبدیل ولتاژ AC به DC. البته یکسوسازی مذکور به کمک دیودها یا تریستورها که تکنولوژی قدیمی‌تری دارند انجام نمی‌شود، بلکه عموماً به کمک یک مدار فرکانس بالای سوییچینگ بوست (BOOST) و با استفاده از سوییچهای IGBT یا MOSFET انجام می‌گردد. استفاده از این مدار کانورتر بوست (که خاصیت تقویت سطح ولتاژ DC را نیز داراست) یکی از اصلی ترین دلایل تولید یوپی اس‌های بدون ترانس (Transformer Less) نیز می‌باشد. چرا که دیگر دامنه سطح DC تولید شده توسط این کانورتر، بسته به نظر طراح می‌تواند مقادیری بیشتر از سطح ولتاژی که توسط یک رکتیفایر معمولی دیودی یا تریستوری قابل حصول است را تولید نماید و بدین ترتیب نیازی به افزودن ترانس در خروجی مدارات اینورتر وجود ندارد.
  • مدارات PFC مثل یکسوسازهای دیودی نیستند؛ یعنی علاوه بر تبدیل ولتاژAC به DC، شکل موج جریان ورودی یکسوساز را نیز فرم می‌دهند. اگر جریان ورودی یکسوساز هم فاز و مشابه ولتاژ ورودی یکسوساز باشد، ضریب توان ورودی یک می‌شود و کل توان کشیده شده از ورودی بصورت توان اکتیو خواهد بود. این که چگونه می‌توان جریان را فرم داد و آنرا مشابه شکل ولتاژ نمود مقداری پیچیده بوده و نیاز به بررسی الگوریتم کنترلی و مباحث الکترونیک قدرتی مدارات PFC دارد که فراتر از حوصله این مقاله است، اما نکته اصلی آنست چه به صورت آنالوگ (به کمک آی‌سیهای سوییچینگی مثل UC3854) و چه به صورت کنترل دیجیتال میتوان جریان ورودی مدارات PFC را مشابه شکل موج ولتاژ ورودی آن نمود. اگر از این بحث بگذریم ممکن است این سوال اساسی مطرح شود که اگر توان راکتیو از ورودی یوپی اس کشیده نمی‌شود پس توان راکتیو مورد نیاز بار از کجا تامین می‌شود؟ پاسخ آنست که این توان، توسط خازنهای ظرفیت بالای باس DC داخل یو پی اس تامین خواهد شد. همانطور که می‌دانید خازنها، ژنراتور توان راکتیو هستند. حتما بیاد دارید که برای اصلاح ضریب توان از بانک خازنی استفاده می‌شود. از آنجا که هر یوپی اس آنلاینی دارای خازنهای ظرفیت بالایی در باس DC خود است براحتی میتواند توان راکتیو بار خود را درصورت نیاز تامین نماید. در اینصورت بدلیل آنکه توان راکتیو از ورودی کشیده نمی‌شود، جریان ورودی یوپی اس به تناسب کاهش می‌یابد. بنابراین می‌توان قطر کابلهای و سیمهای ورودی یوپی اس را کاهش داد. ضمنا تلفات سیمها نیز کاهش می‌یابد. از طرفی دیگر هزینه برق مصرفی کاهش می‌یابد. لازم بذکر است در کنتورهای صنعتی بابت توان راکتیو نیز هزینه‌ای در نظر گرفته می‌شود و در صورت استفاده از این نوع از یوپی اسها اولا هزینه برق مصرفی کاهش می‌یابد ثانیا دیگر نیاز به استفاده از بانکهای خازنی و یا فیلترهای اکتیو جهت جبران سازی توان راکتیو دیگر وجود ندارد.

    مسیر عبور توانهای اکتیو و راکتیو در یوپی اسی که دارای ورودی PFC است
    شکل 2: مسیر عبور توانهای اکتیو و راکتیو در یوپی اسی که دارای ورودی PFC است.
     
    ضمنا اگر جریان ورودی مشابه شکل موج ولتاژ شود، دیگر کرست فاکتور آن کاهش یافته و یکی از عوامل ایجاد اعوجاج و هارمونیک در ولتاژ برق شهر حذف می‌شود. ضمنا THD جریان از عددی بیش از 50 به کمتر از 5 کاهش می‌یابد، در اینصورت نویز الکترومغناطیسی ناشی از جریان ورودی یوپی اس بشدت کاهش یافته و تاثیرات مخرب آن بر بارهای حساس و همچنین تلفات ناشی از عبور جریانهای فرکانس بالا از سیمها حذف می‌شود. در شکل زیر تفاوت جریان ورودی یوپی اس‌هایی با یکسوساز معمولی و یکسوساز دارای مدارتصحیح کننده ضریب توان یا همان PFC را نمایش داده شده است. همانطور که گفته شد، مدار PFC علاوه بر فرم دادن شکل موج جریان ورودی یکسوساز می‌تواند سطح DC خروجی آنرا نیز تقویت نماید، که این افزایش ولتاژ خروجی نیز یکی از وجوه تمایز محسوب می‌شود.

    شکل موج ولتاژ و جریان ورودی یکسوساز
    شکل 3: شکل موج ولتاژ و جریان ورودی یکسوساز و دامنه ولتاژ DC خروجی آن در بخش یکسوساز یوپی اسهایی که فاقد مدار PFC هستند.
     


    شکل 4: شکل موج ولتاژ و جریان ورودی یکسوساز و دامنه ولتاژ DC خروجی آن در بخش یکسوساز یوپی اسهایی که دارای مدار PFC هستند.
     
    وجود مدارات PFC در رکتیفایرها باعث می‌شود، یکسوسازهای معمول که یکی از اصلی ترین نمونه‌های بارهای غیرخطی به شمار می‌روند، به بار کاملا خطی تبدیل گردند و لذا هیچیک از معایب بارهای غیرخطی را نخواهند داشت.

 

ردیف محاسن استفاده از مدار PFC در ورودی یوپی اس سودمندی
1 افزایش سطح DC خروجی یکسوساز دارای مدارات PFC از ولتاژ سطح DC برای تبدیل DC به AC استفاده می‌شود، لذا اگر این ولتاژ به اندازه کافی بالا باشد، ولتاژ خروجی اینورتر نیز بالا می‌رود و دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتور، جهت تقویت ولتاژ خروجی اینورتر وجود ندارد. این به معنی تولید یوپی اس بدون ترانس یا Transformer Less می‌باشد.
2 جریان ورودی یکسوساز یا همان جریان ورودی یوپی اس، هم فاز و مشابه ولتاژ ورودی است در اینصورت ضریب توان یا پاور فاکتور ورودی بسیار نزدیک به "یک" می‌شود. لذا توان کشیده شده از ورودی، تنها توان اکتیو بوده و بدلیل عدم صرف توان راکتیو از ورودی، جریان ورودی به طرز قابل توجهی کاهش می‌یابد. این به معنی امکان استفاده از کابلهایی با قطر کمتر در سیم کشی ورودی یوپی اس و ساختمان است. ضمنا تلفات ناشی از عبور جریان در سیمها بدلیل کاهش دامنه جریان، کم می‌شود.
3 THD جریان ورودی به طرز قابل توجهی کاهش می‌یابد نویز تولید شده ناشی از عبور هارمونیکهای جریان ورودی به طرز قابل توجهی کاهش می‌یابد و تاثیرات مخرب این نویزها در مدارات و مصرف کننده‌های حساس حذف می‌شود.
4 کرست فاکتور جریان ورودی کاهش می‌یابد جریان ورودی یوپی اس دیگر باعث ایجاد اعوجاجات هارمونیکی و افزایش THD ولتاژ برق شهر نمی‌گردد.
5 توان راکتیو از ورودی کشیده نمی‌شود پول برق مصرفی بویژه در مصارف صنعتی کاهش می‌یابد. ضمنا دیگر نیازی به استفاده از بانکها خازنی جبران ساز توان راکتیو و یا فیلترهای فعال وجود ندارد.
اختصاصی: تهیه شده توسط تیم UPSpedia.com
مطالب برگزیده
بحث و تبادل نظر
عزتی
1392/09/18 12:15
با سلام،
جا داشت در ادامه مطلب به معایب این سیستم در حالت عملیاتی و با سیستم های کنترلی نا مناسب نیز اشاره ای میشد.
در حال حاضر دستگاههای دارای PFC که دارای ترانس در خروجی هستند (به عنوان فیلتر خروجی یا ترانسفورمر بیس) نیز در بین محصولات اکثر شرکت های معتبر وجود دارند و به علاوه دستگاههای ترانسفورمر بیس 10KVA با توپولوژی سه فاز ورودی و تک فاز در خروجی در محصولات تمام شرکت ها با ورودی دیود و ترانس کاهنده ورودی نیز وجود دارند که این مقاله اشاره ای به علت عدم استفاده از تکنولوژی ترکیبی که ارزان تر نیز میباشد نمیکند.
به نظر من هیچ سیستمی مطلقا خوب یا مطلقا بد نیست و کاربرد هر سیستم توجیه کننده ایده طراحی در زمینه های صنعتی خواهد بود.
لذا ظرافت در تشخیص دستگاه متناسب با مصرف کننده و شرایط الکتریکی کاری مورد مصرف کاملا امری تکنیکی و مهم در فروش یو پی اس خواهد بود.
در مجموع مطالب فوق برای دوستانی که تازه وارد زمینه مبدل های سوییچینگ شده اند مفید خواهد بود.
موفق باشید
پاسخ دهید...
sara
1392/06/13 22:47
مقاله عالی بود واقعا از مطالعه مقاله خیلی استفاده بردم. ممنونم
پاسخ دهید...
نظر دهید
انصراف
ثبت‌نام در خبرنامه همورا
تلاش می‌کنیم ماهیانه اطلاعات خوبی را برای شما ارسال کنیم.
بر من پا گذاشتی کوبیده‌تر سخت‌تر محکم‌تر شدم، تابیدی به من، آب شدم... (شهاب مقربین )