یو پی اس، اینورتر و منابع تغذیه متناوب

اگر سر و کارتان با یو پی اس، اینورتر یا منابع تغذیه متناوب باشد، حتما یکبار با واژه‌ی بار خطی و یا بار غیر خطی برخورد کرده‌اید.

استاندارد IEC62040 بطور کلی بارها را به دو گروه خطی (Linear) و غیرخطی (NonLinear) طبقه بندی کرده است. به همین دلیل در مشخصات فنی یو پی اس ها اغلب این کلمات را مشاهده می‌کنیم.

به عنوان مثال اغلب THD ولتاژ خروجی را یکبار برای بارهای خطی و یکبار برای بارهای غیرخطی مشخص می‌کنند. در این متن سعی داریم به بررسی تفاوت این دو نوع بار بپردازیم و بعضی از اشتباهات متداول در این زمینه را تا حد امکان بررسی نماییم.

بارهای خطی

اگر به باری ولتاژ سینوسی بدهیم و جریان بار نیز سینوسی باشد، به آن “بار خطی” می‌گوییم. این یک تعریف ساده شده از بارهای خطی بود. دقت نمایید که حرفی از وجود اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ در میان نیست. اغلب وقتی صحبت از بارهای خطی به میان می‌آید همه به بارهای مقاومتی اشاره می‌کنند و بارهای سلفی یا خازنی را جزء بارهای غیر خطی طبقه بندی می‌نمایند. در صورتیکه چنین نیست! بارهای خازنی و سلفی نیز خطی می‌باشند.

زیرا اگر به آنها ولتاژ سینوسی متصل شود، جریانشان نیز سینوسی است و تنها با شکل موج ولتاژ اختلاف فاز دارد. به طور کلی هر ترکیبی از عناصر پسیو (متشکل از مقاومت، خازن و سلف) به عنوان یک بار خطی بشمار می‌رود. اگر خاصیت سلفی بار غالب باشد جریان آن پسفاز است. یعنی شکل موج جریان اندکی بعد از شکل موج ولتاژ می‌آید و در صورتیکه بار خازنی باشد شکل موج جریان اندکی قبل از شکل موج ولتاژ می‌آید.

اگر هربار که سخن از پسفازی یا پیشفازی بار می‌آید حتما باید فرمولهای مداری را مرور کنید تا یادتان بیاید که کدام جریان در کدام بار قبل یا بعد از ولتاژ می‌آید یک راه حل ساده به نام قانون “CIVIL” را به شما پیشنهاد می‌کنم!

این قانون ترتیب جریان و ولتاژ را در بارها یادآوری می‌کند. مطابق آن در بارهای خازنی(C) جریان (I) پیش از ولتاژ (V) می باشد، پس CIV. ولی در بارهای سلفی (L)، جریان (I) بعد از ولتاژ (V) است، پس VIL.

شکل 1: شکل موجهای جریان و ولتاژ در بارهای مقاومتی، سلفی و خازنی به همراه قانون CIVIL

آیا بارهای موتوری یا ترانسی نیز جزء بارهای خطی به شمار می‌آیند؟ پاسخ این سوال مثبت است. زیرا هر دو این بارها نوعی بار سلفی می‌باشند و در صورت اعمال ولتاژ سینوسی به آنها جریانشان نیز سینوسی خواهد بود. اما نکته ظریفی برای این نوع از بارها وجود دارد. سلفها، ترانسها و موتورها (در صورت اعمال ولتاژ نامناسب به آنها) ممکن است اشباع شوند که در این صورت جریان آنها دیگر سینوسی نیست! شکل 2 جریان یک ترانس اشباع شده را نشان می‌دهد که با وجود ولتاژ ورودی سینوسی، جریان ترانس کاملا غیر سینوسی است. در این شرایط ترانسفورماتور یا موتور به عنوان بار غیر خطی طبقه بندی می‌شوند.

شکل 2: ولتاژ، شار و جریان یک ترانس فورماتور در حالت اشباع

لیستی از بارهای خطی متداول در ادامه آورده شده است:

• کلیه بارهای مقاومتی
• لامپ‌های رشته‌ای
• هیترهای مقاومتی
• موتورها، فنها
• ترانسها
• خازنهای اصلاح ضریب قدرت و…

بارهای غیرخطی:

برخلاف بارهای خطی، اگر به این بارها ولتاژ سینوسی اعمال شود، جریانشان غیر سینوسی خواهد بود. شکل زیر، جریان و ولتاژ یک بار غیرخطی را نشان می‌دهد.

شکل 3: شکل موج ولتاژ سینوسی اعمال شده به یک بار غیر خطی و جریان کشیده شده توسط آن

به عنوان مثال تمام منابع تغذیه سوییچینگ جزء بارهای غیر خطی به شمار می‌روند. این یعنی کامپیوتر، پرینتر، اسکنر، تلویزیون، رادیو، ماکروویو، LED و LCDها، شارژر موبایل، تمامی لامپهای کم مصرف، یوپی اس ها و یا تمامی کانورترها و مبدلهایی که مدارات تصحیح شکل موج جریان ورودی ندارند، رکتیفایرهای دیودی یا تریستوری و بسیاری دیگر از لوازم و ادوات اطراف ما، همگی جزء بارهای غیر خطی به حساب می‌آیند. وجه مشترک تمام این بارها، استفاده از ادوات اکتیو (نیمه هادیهایی مثل دیود، تریستور، IGBT یا ماسفت و…) بجای قطعات پسیو (مقاومت، سلف یا خازن) در ورودی‌شان است. اما چرا استفاده از عناصر نیمه هادی باعث غیر سینوسی شدن شکل جریان ورودی می‌شود؟
برای پاسخ به این سوال، یک مدار ساده یکسوساز را بررسی می‌کنیم.

لازم است بدانید تقریبا ورودی تمامی مدارات تغذیه سوییچینگ به نوعی دارای یک رکتیفایر می‌باشد.
به همین دلیل ماهیت غیر خطی جریان ورودی در تمامی آنها تقریبا یکسان است.
مطابق شکل 4، یک یکسوساز تمام موج را در نظر بگیرید که یک بار مقاومتی با خازن آن موازی شده است.
این بار به تدریج خازن را تخلیه کرده و ولتاژ آنرا کاهش می‌دهد. اگر ولتاژ سینوسی به ورودی این یکسوساز متصل کنیم، تا هنگامی که ولتاژ ورودی از ولتاژ خازن کمتر است دیودها اجازه عبور جریان را نمی‌دهند، اما به محض آنکه ولتاژ ورودی از ولتاژ خازن بیشتر شد، دیودها هدایت کرده و با کشیده شدن جریان لحظه‌ای از ورودی، خازن را شارژ می‌کنند.
هنگامیکه مجددا ولتاژ خازن از ولتاژ سینوسی ورودی بیشتر شود، دیودها دیگر هدایت نکرده و جریان ورودی قطع می‌گردد. به همین دلیل است که در شکل 5 می‌بینیم شکل موج جریان (نمودار سبز رنگ) در ابتدای سیکل قطع بوده، سپس ناگهان هدایت کرده و مجددا قطع می‌شود.

شکل 4: مدار یکسوساز تمام موج با بار مقاومتی

شکل5: شکل موجهای ولتاژ ورودی، جریان ورودی و ولتاژ خازن یکسوساز تمام موج.

ماهیت غیرخطی جریان، لحظه‌ای بودن و در نتیجه ضربه‌ای بودن آن، پیک بالاتر آن نسبت به جریان مشابه سینوسی، بالاتر بودن کرست فاکتور (برای آشنایی بیشتر با پارامتر Crest Factor به اینجا مراجعه کنید) و بالا بودن قابل ملاحظه‌ی هارمونیک آن نسبت به یک جریان سینوسی (برای آشنایی با مفاهیم هارمونیک و THDبه اینجا مراجعه کنید)، بارهای غیرخطی را برای هر منبع تغذیه‌ای نامناسب می‌نماید. به همین دلیل استاندارد IEC 62040-3 توجه بسیاری به بارهای غیرخطی دارد و تست یو پی اس با بارهای غیرخطی را به یک الزام برای هر سازنده‌ای بدل نموده است. جالب است بدانید اکثر بارهایی که به یو پی‌اس متصل می‌شود غیر خطی هستند. فرضا یک سایت کامپیوتر را در نظر بگیرید سرور، پرینتر، اسکنر، پلاتر و کلیه کامپیوترهای موجود در سایت بدلیل استفاده از مدارات تغذیه سوییچینگ تماما غیرخطی به حساب می‌آیند.

شاید این سوال برایتان مطرح شود که با توجه به ماهیت نامناسب جریان بارهای غیرخطی، چگونه می‌توان تشخیص داد که یک یو پی اس  مورد نظر می‌تواند تغذیه بارهای غیرخطی را بخوبی تامین نماید؟ پاسخ این سوال را می‌بایست در جدول مشخصات فنی یو پی‌اس جستجو نمایید. مطابق استاندارد، سازندگان مکلف به ارائه پارامتری به عنوان THD یا در صد اعوجاج ولتاژ خروجی یوپی اس به خریدار هستند. اگر بخواهیم تعریف ساده‌ای از این پارامتر داشته باشیم به این معنی است که با اعمال بار کامل خطی یا غیر خطی، چه مقدار کیفیت شکل موج ولتاژ خروجی یو پی‌اس کاهش می‌یاید. هر چه عدد THD ولتاژ کمتر باشد نشان‌گر کیفیت بهتر یو پی اس است. طبق استاندارد، بهتر است این عدد کمتر از 8 باشد.

شکل 6: نمایش THD ولتاژ خروجی یک UPS در جدول مشخصات فنی آن

همانطور که انتظار داشتیم ماهیت ضربه‌ای بارهای غیر خطی باعث می‌شود که کیفیت ولتاژ خروجی یو پی اس در بارهای غیرخطی نسبت به بارهای خطی کاهش یابد، یا به عبارتی THD ولتاژ آن در بارهای غیرخطی بالاتر باشد. برای دسترسی به اطلاعات فنی دقیق تر در خصوص مفهوم THD لطفا به اینجا مراجعه فرمایید.

در جدول زیر مقایسه بین بارهای خطی و غیر خطی آورده شده است:

	بارهای خطی	بارهای غیرخطی
1	در صورت اعمال ولتاژ سینوسی، شکل موج جریان بار سینوسی است	در صورت اعمال ولتاژ سینوسی، شکل موج جریان بار سینوسی نیست
2	کرست فاکتور جریان همواره 1.41 است.	کرست فاکتور بار بیشتر از 2 است.
3	امپدانس بار براحتی بر اساس قانون اهم قابل محاسبه است.	امپدانس بار براحتی بر اساس قانون اهم قابل محاسبه نیست.
4	شکل موج جریان بدون هارمونیک است.	شکل موج جریان دارای هارمونیک بالا است.
5	بدلیل ماهیت سینوسی جریان، مشکل کمتری برای یو پی اس ایجاد می‌کند	بدلیل ماهیت ضربه‌ای و پیک بالاتر جریان نسبت به جریان سینوسی، باعث کاهش کیفیت نسبی ولتاژ خروجی یوپی اس می‌شود.