معماری منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، قابلیت اطمینان توان را در صنایع فرایندی تعیین می‌کند. افت ناگهانی ولتاژ یا قطعی برق، در تأسیسات خودکار باعث توقف فوری می‌شود. در نتیجه، مهندسانی که شبکه‌های کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) و شبکه‌های برق حیاتی را طراحی می‌کنند، باید زیرساخت UPS مستحکمی به‌کار گیرند.

این راهنمای فنی اصول عملکرد، معماری و مصالحه‌های میان سیستم‌های UPS استاتیک و UPS دوار دینامیکی را در محیط‌های صنعتی ارزیابی می‌کند.

مبانی سیستم‌های توان بدون وقفه صنعتی

سیستم‌های کنترل صنعتی برای جلوگیری از راه‌اندازی مجدد کنترلرها و قطع ارتباط فیلدباس، به توان AC پیوسته و باکیفیت نیاز دارند. سیستم‌های حفاظت توان برای تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی به دو فناوری اصلی متکی هستند.

پیکربندی‌های UPS استاتیک انرژی الکتریکی را در بانک‌های باتری الکتروشیمیایی ذخیره می‌کنند. آن‌ها برای تبدیل انرژی از کلیدهای نیمه‌رسانای توان حالت‌جامد استفاده می‌کنند.

در مقابل، سیستم‌های UPS دوار دینامیکی انرژی را به‌صورت انرژی جنبشی در فلایویل‌های پرسرعت ذخیره می‌کنند. آن‌ها برای تبدیل انرژی از ماشین‌های الکتریکی دوار، مانند موتور-ژنراتورها، استفاده می‌کنند.

بررسی معماری سیستم‌های UPS استاتیک

سیستم‌های UPS استاتیک بر کاربردهای توان پایین تا متوسط غالب هستند. معماری آن‌ها کاملاً به الکترونیک قدرت و بدون اجزای متحرک اصلی متکی است.

سازوکارهای اصلی تبدیل

در عملکرد عادی، یک یکسوساز حالت‌جامد توان AC ورودی را به توان DC تبدیل می‌کند. این ولتاژ DC ضمن تغذیه یک اینورتر حالت‌جامد، بانک باتری را شارژ می‌کند.

اینورتر ولتاژ DC را دوباره به توان AC پاک برای سخت‌افزارهای کنترلی پایین‌دست تبدیل می‌کند. همچنین، کلیدهای استاتیک در شرایط اضافه‌بار، مسیر بای‌پس استاتیک فوری فراهم می‌کنند.

مقیاس‌پذیری ماژولار

واحدهای استاتیک مدرن از بلوک‌های توان ماژولار و قابل تعویض در حالت روشن استفاده می‌کنند. مهندسان تأسیسات می‌توانند ظرفیت توان را به‌صورت تدریجی، از ۵۰۰ VA تا ۲ MW برای هر واحد، افزایش دهند. این مقیاس‌پذیری هزینه سرمایه‌ای اولیه (CAPEX) را کاهش می‌دهد.

بررسی معماری سیستم‌های UPS دوار دینامیکی

سیستم‌های UPS دوار دینامیکی از بارهای صنعتی بزرگ‌مقیاس و شبکه‌های توزیع برق با ولتاژ متوسط محافظت می‌کنند.

ذخیره‌سازی انرژی جنبشی

واحدهای دوار، یک موتور-ژنراتور سنکرون را با یک ماژول فلایویل جنبشی یکپارچه می‌کنند. در عملکرد عادی شبکه، موتور سنکرون فلایویل را با سرعت بالا به حرکت درمی‌آورد.

هنگامی که توان شبکه افت می‌کند، فلایویل انرژی جنبشی خود را به آلترناتور منتقل می‌کند. این تبدیل، ولتاژ AC پیوسته را بدون وقفه حفظ می‌کند.

یکپارچه‌سازی موتور دیزلی (DRUPS)

تداوم توانِ جنبشی فلایویل معمولاً فقط چند ثانیه طول می‌کشد. بنابراین، در کاربردهای سنگین، موتور دیزلی از طریق کلاچ یک‌طرفه به محور کوپل می‌شود.

فلایویل این فاصله را در زمان راه‌اندازی موتور دیزلی و رسیدن آن به سرعت کامل عملیاتی پوشش می‌دهد. این پیکربندی در زمان قطعی‌های طولانی‌مدت برق شبکه، پشتیبان توان نامحدود فراهم می‌کند.

مقایسه مهندسی: UPS استاتیک در برابر UPS چرخشی دینامیک

سناریوی کاربرد میدانی: حفاظت توان در یک مرکز ساخت نیمه‌رسانا

یک مرکز تولید نیمه‌رسانا دچار افت‌های گذرای ولتاژ ناشی از خطاهای موضعی شبکه شد. این افت‌های چندمیلی‌ثانیه‌ای ولتاژ، رک‌های PLC حساس لیتوگرافی نوری را از مدار خارج کردند و باعث ازبین‌رفتن بچ‌ها شدند.

تحلیل مشکل

واحدهای UPS استاتیک باتری‌دار موجود با اعوجاج هارمونیکی شدید مشکل داشتند. علاوه بر این، فرسودگی باتری در تابلوهای کنترل داغ، هزینه‌های تعمیرونگهداری را افزایش داده بود.

راهکار فنی

مهندسان کارخانه سیستم پشتیبان متمرکز را با یک UPS چرخشی دینامیک ۲٫۵ مگاولت‌آمپری (DRUPS) که به شینه فشار متوسط متصل بود، جایگزین کردند.

1. کاهش هارمونیک: اندوکتانس ذاتی موتور سنکرون، هارمونیک‌های ولتاژ ورودی را بدون فیلترهای اکتیو جداگانه پالایش کرد.
2. رفع اتصال کوتاه: سیستم چرخشی جریان بالایی برای رفع خطا فراهم کرد و به کلیدهای پایین‌دست اجازه داد بدون افت ولتاژ شینه اصلی قطع کنند.
3. تاب‌آوری عملیاتی: فلای‌ویل جنبشی قطعی‌های کوتاه‌تر از یک ثانیه را بدون مشکل مدیریت کرد و هزینه‌های تعمیرونگهداری باتری را به صفر رساند.

نکات فنی و تحلیل کارشناسی

انتخاب میان حفاظت توان استاتیک و چرخشی مستلزم ارزیابی هزینه کل مالکیت (TCO) در یک چرخه عمر ۱۵ساله است. سیستم‌های UPS استاتیک هزینه سرمایه‌ای اولیه (CAPEX) کمتر و مقیاس‌پذیری آسانی دارند. بااین‌حال، هزینه بالای تعویض باتری و الزامات سخت‌گیرانه سرمایش HVAC، هزینه‌های عملیاتی (OPEX) را افزایش می‌دهد.

سیستم‌های UPS چرخشی دینامیک به سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر و تعمیرونگهداری مکانیکی تخصصی نیاز دارند. بااین‌حال، عمر بیش از ۲۰ سال، بازدهی بالا و مقاومت آن‌ها در برابر محیط‌های صنعتی سخت، این سیستم‌ها را برای اتوماسیون سنگین، تولید برق و کارخانه‌های فرایندی پیوسته ایدئال می‌کند.

درباره نویسنده

هوانگ جون معمار ارشد کیفیت توان و یکپارچه‌سازی سیستم‌هاست و ۱۵ سال تجربه در طراحی زیرساخت‌های حیاتی توان برای پروژه‌های DCS، TSI و اتوماسیون پست‌های فشارقوی دارد. تخصص او شامل توپولوژی توان بدون وقفه، تحلیل پایداری گذرا و تاب‌آوری توزیع توان صنعتی است.