شرح التأريض ونظام الأرضى وأنواعه ومكوناته وطرق قياس مقاومة الأرضي وتقليل قيمتها

شرح وحدات UPS وتركيبها وأنواعها ومواصفاتها وحساب قدرتها UPS uninterrupted power supply

ما هو ال UPS ؟ 

وهي عبارة عن شبكة من التغذية الكهربائية الفورية للأجهزة التي تتأثر بانقطاع التيار ولو لزمن قصير كأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الطبية الحيوية والأجهزة الأمنية وغيرها، وتتكون هذه الشبكة من بطاريات بجهد 12فولت عادة وترتبط مع بعضها على التسلسل بحيث تصل إلى جهد الشبكة العامة 110 أو 220 أو 380فولت ويكون عددها حسب الإستطاعة اللازمة للأجهزة التي بحاجة لهذا النوع من التغذية ثم يؤخذ التيار من هذه البطاريات إلى جهاز ( Inverter ) يقوم بتحويل التيار المستمر D.C للبطاريات إلى تيار متناوب (متردد) A.C بتردد يماثل تردد الشبكة العمومية، مثلأً 50 هرتز. ثم يقوم بتغذية الأجهزة المذكورة أعلاه عن طريق لوحات خاصة بها.

وحدة التغذية الغير منقطعة UPS

 UPS اختصار لكلمة ( Uninterruptible Power Supply) وهى تعنى مزودات الطاقة الاحتياطية وظيفة هذا اللوحة هي تغذية الحمل في حال انقطعت الكهرباء من المصدر الأساسي لكي يساعد علي استمرارية العمل أثناء انقطاع التيار الكهربائي حيث في حال انقطاع التيار الكهربائي يستطيع المستخدم إتمام أي عمل يقوم به دون إن يفقد أي بيانات محفوظة لمدة زمنية محددة. فعند وجود مولد كهربائي وتم فقدان التيار من المصدر الأساسي  (المحول) فنجد إن المولد يحتاج إلي عدد من الثواني أو الدقائق حتى يعمل وهذه الفترة الزمنية مع صغرها ولكنها تفصل كثير من الأجهزة ولكن عند استخدام وحدات ups فلا نفقد التغذية حيث أنها تكون في حالة تشغيل مع الحمل في الفترة التي يحتاجها المولد لبدء التشغيل

مكونات الـ UPS

1- موحد  Rectifier : حيث يقوم بتحويل التيار المتردد (AC) القادم من المصدر الرئيسي إلى تيار مستمر   (DC)  لشحن البطاريات
2- بطاريات  Batteries : لتخزين التيار المستمر
3- عاكس  Inverter : ويقوم بتحويل التيار المستمر (DC) القادم من البطاريات إلى تيار متردد (AC) مرة أخري لتغذية الحمل

أنواع الـ UPS

أجهزة Standby UPS أو OFF Line UPS

يتم استخدام هذا النوع للأجهزة ذات القدرات المنخفضة (الأقل من 0.5 KVA) مثل الحواسيب الشخصية

فى الحالة الطبيعية normal operation  :يتم تغذية الحمل من خلال التيار المتردد القادم من المصدر الرئيسي (المحول) وفى نفس الوقت يقوم الـ Rectifier بشحن البطاريات من خلال مسار آخر

Standby UPS أو OFF Line UPS

فى حالة إنقطاع الكهرباء : يكون مصدر التغذية فى هذه الحالة هى البطاريات حيث تقوم البطاريات بتفريغ التيار المستمر المخزن بها ليقوم الـ inverter  بتحويل التيار المستمر (DC) الخارج من البطاريات إلى تيار متردد (AC) لتغذية الحمل خلال الفترة التى يقلع فيها المولد Generator

Standby UPS أو OFF Line UPS

- تكون الفترة التى يتم فيها التحويل من التغذية الرئيسية إلى التغذية الإحتياطية (البطاريات) مساوية1/4   دورة كاملة أى 50  مللى ثانية والتى تعتبر كافية للعديد من الأجهزة مثل أجهزة الحواسيب الشخصية

 مرشحات للحماية من التغيرات المفاجئة للتيارSurge Suppressor 

تقوم هذه المرشحات بحماية الحواسب و الأجهزة الكهربائية من الأضرار الناتجة عن التغيرات المفاجئة للتيار. ويكثر استخدامها في الأنظمة الحساسة لأي تغير في التيار مثل الحواسب الإلية

مميزات Standby UPS 

• التصميم غير معقد أو بسيط
• الكفاءة عالية
• التكلفة قليلة
• يمتاز بالحجم الصغير

عيوب Standby UPS 

• لا يوجد عزل كامل بين الحمل والتيار المتردد القادم من المصدر الرئيسي
• لا يوجد تنظيم للجهد الخارج من الـ UPS أى no voltage regulation
• زمن الانتقال transition time من التغذية الرئيسية الى التغذية الاحتياطية من البطاريات يعتبر كبير نوعا ما
• أداؤة ضعيف بالنسبة للاحمال الغير خطية nonlinear loads

أجهزة Double Conversion On-Line UPS

- يستخدم هذا النوع لتغذية الأحمال ذات القدرات الأعلى من 10KVA

Double Conversion On-Line UPS

فى الحالة الطبيعية (وجود التغذية الرئيسية) : يقوم الـ rectifier بتحويل التيار المتردد (AC) الى تيار مستمر (DC) جزء من هذا التيار المستمر يستخدم لشحن البطاريات والجزء الآخر يقوم بتغذية الحمل بالقدرة اللازمة بعد تحويلة إلى تيار متردد مرة أخرى بواسطة الـ inverter 

Double Conversion On-Line UPS

فى حالة إنقطاع الكهرباء : يكون مصدر التغذية فى هذه الحالة هى البطاريات حيث تقوم البطاريات بتفريغ التيار المستمر المخزن بها ليقوم الـ inverter  بتحويل التيار المستمر (DC) الخارج من البطاريات إلى تيار متردد (AC) لتغذية الحمل خلال الفترة التى يقلع فيها المولد Generator

Double Conversion On-Line UPS

- يجب تصميم الـ rectifier بحيث يكون ذو قدرة كافية لتغذية الحمل وفى نفس الوقت شحن البطاريات

- يستخدم الـ bypass switchفى حالة الحاجة لعمل صيانة أو إصلاح للـ UPS نتيجة وجود عطل أو فى حالة وجود overloading او over temperature بالـ UPSحيث يتم غلق المفتاح لتوفير مسار بديل لتغذية الحمل من المصدر الرئيسي وعزل الـ UPS تماما عن العمل

مميزات Double Conversion On-Line UPS 

• زمن الانتقال transition time من التغذية الرئيسية الى التغذية الاحتياطية يساوى صفر أى لا يوجد زمن انتقال
• يعمل تحت مدى واسع من تغييرات الجهد (جهد المصدر الرئيسي)
• يقوم بتنظيم جهد المصدر الرئيسي أى يقوم بتثبيت الجهد فى حالة الإرتفاع أو الإنخفاض

عيوب Double Conversion On-Line UPS 

• الكفاءة منخفضة
• وجود توافقيات عالية أوحدوث تشوية للتيار القادم من المصدر الرئيسي بسبب الـ inverter ويتم معالجة ذلك بإستخدام دائرة فلترة PFC مما يزيد من التكلفة النهائية للـ UPS

أجهزة Line interactive UPS

- يستخدم هذا النوع لتغذية الأحمال ذات القدرات الأقل من5KVA مثل Web Servers

إضافة شرح

فى هذا النوع يكون الـ inverter متصل دائما بخرج الـ UPS أو بالأحمال المراد تغذيتها ويعمل الـ UPS كالآتى :-
فى الحالة الطبيعية (وجود التغذية الرئيسية) : يتم غلق المفتاح (transfer switch) ليمر التيار من المصدر الرئيسي إلى الحمل وفى نفس الوقت يعمل الـ inverter بطريقة عكسية كما بالرسم حيث يقوم بتحويل التيار المتردد القادم من المصدر الرئيسي إلى تيار مستمر لشحن البطاريات

Line interactive UPS

فى حالة إنقطاع الكهرباء : يكون مصدر التغذية فى هذه الحالة هى البطاريات حيث تقوم البطاريات بتفريغ التيار المستمر المخزن بها ليقوم الـ inverter بتحويل التيار المستمر (DC) الخارج من البطاريات إلى تيار متردد (AC) لتغذية الحمل خلال الفترة التى يقلع فيها المولد Generator

Line interactive UPS

- يحتوى هذا النوع على Tap-Changing Transformer حيث يقوم هذا المحول بعمل تنظيم لجهد الدخل عن طريق تغيير موضع الـ taps حسب التغير الحادث فى جهد الدخل 

مميزات Line interactive UPS 

• التصميم غير معقد أو بسيط
• الكفاءة عالية
• التكلفة أقل مقارنة مع النوع السابق 
• يقوم بتنظيم جهد المصدر الرئيسي أى يقوم بتثبيت الجهد فى حالة الإرتفاع أو الإنخفاض

عيوب  Line interactive UPS

• لا يوجد عزل كامل بين الحمل والتيار المتردد القادم من المصدر الرئيسي ويمكن معالجة ذلك باستخدام محول عزل isolating transformer  عند خرج الـ UPS لكن سيزيد من التكلفة الكلية للجهاز

أجهزة Delta Conversion On-Line UPS

- يستخدم هذا النوع لتغذية الأحمال ذات القدرات التى تتراوح من 5 KVA إلى  MVA 1.6

- هذا النوع يتلافى العيوب الموجودة فى أجهزة Double Conversion On-Line UPS والتى كانت تتمثل فى أن قدرة الحمل المراد تغذيته بواسطة الـ UPS دائما (سواء فى الحالة الطبيعية أو انقطاع الكهرباء) يتم سحبها عن طريق الـ Rectifier و الـ inverter مما يقلل من الكفاءة الكلية للـ UPS

- هذا النوع يشبه فى تركيبه إلى حد كبير أجهزة Double Conversion On-Line UPS كما يشبهه فى طريقة عمله لكن يختلف فى أنه يحتوي على محول الدلتا Delta Transformer 

فى الحالة الطبيعية (وجود التغذية الرئيسية) : يتم إمداد جزء من القدرة المطلوبة من الحمل بواسطة الـ Delta Transformer والجزء الآخر من خرج الـ inverter وفى نفس الوقت يتم شحن البطاريات

Delta Conversion On-Line UPS

Delta Conversion On-Line UPS

فى حالة إنقطاع الكهرباء : تقوم البطارية بتفريغ التيار المستمر المخزن بها ليتم تحويله إلى تيار متردد بواسطة الـ inverter لتغذية الحمل

توصيل وحدة UPS مع المولد

يتم ذلك عن طريق لوحة ATS حيث تحتوي علي مدخلين ومخرج واحد حيث احد المدخلين قادم من مصدر التغذية الرئيسي والمدخل والأخر قادم من المولد الكهربائي إما المخرج فيربط مع الأحمال المراد تزويدها من ضمنها UPS وهنا نود الإشارة إلى إن لوحة ATS لا تقوم بتزويد المصدرين في وقت واحد فهناك نظام تحكم خاص لمنع حدوث ذلك .

كيفية تشغيل وحدة UPS مع مولد الطوارئ وشبكة التغذية الرئيسية

1- الشكل القادم يوضح كيفية توصيل وحدة UPS مع مولد الطوارئ وشبكة التغذية الرئيسية حيث في الحالة الطبيعية يتم التغذية من المحول فيمر التيار من خلال مفتاح ATS ثم يمر التيار في اتجاهين احدهما للأحمال الهام التي لا نريد أن نفقد التيار فيها بصورة مفاجئة من خلال وحدة UPS والتي تتصل بصورة دائمة بلوحة البطاريات والمسار الأخر هو للأحمال الغير هامة كالإنارة والمكيفات كما هو موضح بالصورة القادمة

2- أما عند فقدان مصدر التيار فانه مفتاح ATS يتحول إلي وضع مولد الطوارئ لكي يعمل المولد يحتاج زمن وبهذا نكون فقدنا التيار في الأحمال التي لا نريد أن نفقد التيار بها ومن هنا تأتي أهمية وحدة UPS التي تعمل مباشرة لتغذية الحمل بالتيار ولكن لوقت قليل يكون كافي لبدء مولد الطوارئ للعمل كما موضح بالصورة الآتية

حيث بعد عمل مولد الطوارئ تخرج وحدة UPS عن التغذية لكنها تستمر للإعادة شحنها مرة أخري كما موضح بالشكل القادم

1- إما عند إعادة مصدر التغذية مرة أخري فيحس مفتاح ATS ويتم التحويل مباشرة من وضع المولد إلي وضع المحول وهذا يكون بزمن يكفي لفصل الأحمال الهامة وتأتي مرة أخري أهمية وحدة UPS التي تدخل في العمل وتغذي الأحمال حتى يحدث التغير من المولد إلي وضع المحول بصورة سليمة كما هو موضح بالصورة القادم

2- ثم بعد التحويل تخرج وحدة UPS من التغذية ولكنها تبقي للإعادة شحنها مرة أخري كما موضح بالشكل القادم

حساب قدرة ال ups اللازمة لتغذية حمل معين

       UPS Power  = Total  Load  Power  (KVA) * 1.2

أنواع بطاريات ال UPS

البطارية السائلة

وھى مصممة أكثر للعمل على السيارات لبداية الحركة حيث تكون مصممة لتعمل لوقت قصير ولتفرغ تيارھا بسرعة عالية ليتم إشعال الوقود ودوران المحرك لذلك فھى غير مناسبه لأجھزة ال UPS وأصبحت قديمه 

البطارية الجافة

بطارية Deep Cycle

وھذا أفضل نوع مناسب لتطبيق UPS ولكن غالية الثمن جدا أضعاف البطاريه الجافه وأيضا غير متواجده فى الأسواق بسھوله

بطارية الجل Gel Battery 

وھذا النوع أيضا مناسب لتطبيق UPS ولكنه أيضا له نفس عيوب بطارية deep cycle حيث أنها غالية الثمن وغير متوفره 

إذا يجب أن يقع الإختيار على بطارية من نوع deep cycle  أو gel type  أو البطاريه الجافه ومعظم الأشخاص تستخدم البطاريه الجافه لأنها جيده وسعرھا مناسب جدا

ملاحظات ھامة : 

•  بعض البطاريات خصوصا deep cycle  تكون عرضة للإنفجار عند تعرضھا للھب 
•  بعد تجميع الجھاز وتشغيله إذا كانت ھناك حاجه لتوفير زمن أكبر لتشغيل البطارية بعد إنقطاع التيار الكھربائى يتم شراء بطارية إضافية أو أكثر ويتم توصيلھا على التوازى مع البطارية الأصلية .

إختيار بطاريات ال UPS

معظم البطاريات تكون ١٢ فولت وھذا يفضل استخدامه فقبل شراء البطارية لا بد من معرفة الوقت المطلوب التي تعمل به البطارية بعد انقطاع التيار الكھربى وايضا معرفة قدرة الأجھزة العاملة

 مثال  : لو أن مجموع الأحمال ٥٠٠ وات ومحتاج أن البطارية تعمل لمدة ٣ ساعات بعد إنقطاع التيار  ... إذا لحساب سعة البطارية (أمبير.ساعة) اللازمه نقوم بتطبيق ھذه المعادله 

سعة البطارية (أمبير.ساعة) = (زمن التشغيل المطلوب × القدرة المطلوب تشغيلھا) / جھد البطارية

 

إذا بتطبيق ھذه المعادلة على ھذا المثال نجد أننا نحتاج بطارية سعة ١٢٥ أمبير. ساعة وحيث أنه يمكن ألا تتوفر بطارية ١٢٥ امبير ساعة فى الأسواق إذا نختار الأعلى قليلا وتكون ١٥٠ أمبير ساعة

حساب سعة وعدد البطاريات اللازمة لوحدة ال UPS

أولا : حساب سعة البطارية :

لحساب سعة البطارية اللازمة لتغذية نظام ال UPS يتم إستخدام المعادلة الآتية

KVA : Power required by Loads 

p.f  : Power Factor of Load

Inverter Efficiency (DC to AC Conversion Efficiency) : Given by manufacturer

Number of cells (Given by manufacturer)

مثال : إذا كان لدينا أحمال قدرتها الإجمالية ( قدرة ال UPS) مساوية 300 ك.ف.أ  ومعامل القدرة لهذه الأحمال مساويا (0.8) وكفاءة الإنفرتر تساوى (94 %) ويراد إستخدام ال UPS لتغذية هذه الأحمال لمدة 30 دقيقة (back up time)

إحسب عدد البطاريات المطلوبة لتغذية الأحمال

الإجابة :

أولا : لحساب عدد الخلايا (Number of cells) بالمعادلة السابقة فإذا 

* كان جهد ال UPS وهو (DC Bus Voltage) مساويا (480 فولت) 

* وكان جهد البطارية المطلوبة (12 فولت) حيث تتكون البطارية الواحدة من 6 خلايا وجهد الخلية الواحدة (2 فولت)

حيث ( جهد البطارية = عدد الخلايا * جهد الخلية الواحدة = 6 *2 = 12 فولت )

  لذا يكون عدد البطاريات المطلوب فى المجموعة الواحدة (bank) = الجهد الكلى / جهد البطارية = 480 / 12 = 40 بطارية

batteries / bank = 40 battery

    ويكون عدد الخلايا المطلوبة للمجموعة الواحدة (bank) = عدد البطاريات فى المجموعة * 6 = 40 * 6 = 240 خلية

Cells / bank = 240 cell 

ملحوظة : جهد الخلية الواحدة للبطارية يختلف من خلية الى أخرى حسب المصنع

وحيث أن القدرة الناتجة تعتبر عاليه بالنسبة لقدرة خلية واحدة لذا يمكننا إستخدام 3 مجموعات من الخلايا أو البطاريات يتم توصيلها على التوازي بحيث تكون قدرة الخلية الواحدة مساوية (1063 / 3 = 354 وات) 

وبإستخدام ال Data Sheet الخاص بالبطاريات المطلوب توريدها وكان كالتالى 

من ال Data Sheet   نجد أن قدرة الخلية المناسبة هى (372 وات) عند زمن 15 دقيقة لذا نختار موديل (S12V370(F 

وحيث أننا استخدمنا 3 مجموعات من البطاريات على التوازى لذا يكون

عدد البطاريات الكلية المطلوبة = عدد البطاريات  للمجموعة الواحدة * عدد المجموعات المحسوبة = 40 * 3 = 120 بطارية

عدد الخلايا الكلية المطلوبة = عدد الخلايا المطلوبة للمجموعة الواحدة * عدد المجموعات المحسوبة = 240 * 3 = 720 خلية

وتكون البطاريات موصلة كالتالى 

حساب زمن التغذية ( back up time) لبطاريات ال UPS

لحساب زمن التغذية بمعلومية سعة البطارية نستخدم القانون التالى :

إنفرتر ال UPS

انواع إنفرتر ال UPS

يوجد نوعين من أنواع الإنفرتر inverter

النوع الأول Pure sine wave power inverter

 أى يكون خرج الإنفرتر فى ھذه الحالة نقى تماما ومماثل تقريبا للكھرباء التى نحصل عليھا من شركة الكھرباء وھذا النوع مناسب لكافة الاستخدامات مثل الإضاءة وأجهزة الحاسب والمراوح (ذات قدرة غير عالية) وغيرھا

النوع الثانى  Modified sine wave power inverter 

ويكون خرجه غير نقى أى يحتوي على توافقيات Harmonics ھذه التوافقيات قد تسبب مشاكل لبعض الأجهزة الحساسة مثل الأجھزة الإلكترونية الحساسة والمحركات (إذا استخدم مع مراوح سيحدث زنه ويقلل من عمر المروحه وجھاز الإنفرتر نفسه)

ملاحظات:
- إذا كانت الأحمال المراد تشغيلھا ھى الإضاءة والكترونيات بسيطة مثل التلفاز والكمبيوتر أو مروحة صغيره يتم إختيار النوع الثانى modified power inverter لرخص ثمنه (ولكن يجب التأكد من جوده المنتج )
- إذا كانت الأحمال تحتوى على محركات كبيره أو حساسه مثل الثلاجة أو مراوح كثيره أو غساله وما شابه يجب ھنا إختيار النوع الأول Pure sine wave power inverter
- يجب أن يحوي الإنفرتر على حمايه ضد الحمل الزائد overload حيث عند تحميل أجهزة بقدرة أعلى من قدرة الإنفرتر يرفض الإنفرتر العمل وعادة يعطى صفارة إنذار 
- يجب ان يكون الإنفرتر به حماية ضد حدوث قصر short circuit حيث يحتوى على فيوز ويمكن تغييره بسھولة

إختيار قدرة الإنفرتر 

لشراء إنفرتر لابد من تحديد قدرة الأجھزة فمثال لو أن مجموع قدرة الأجھزة المراد تشغيلھا ١٥٠٠ وات نشترى إنفرتر أعلى كمثال إنفرتر بقدرة ٢٠٠٠ وات (عادة يكون المتوفر فى الأسواق بقدرة ٥٠٠ و ١٠٠٠ و ١٥٠٠ و ٢٠٠٠ وات و حتى ٣٠٠٠ وات أو أكثر)

طريقة توصيل الإنفرتر والبطارية لتكوين جھاز ال UPS 

- يتم توصيل موجب البطارية مع موجب الإنفرتر مع موجب الشاحن
- يتم توصيل سالب البطارية مع سالب الإنفرتر مع سالب الشاحن
- يتم تغذية الشاحن بالكھرباء
- يتم أخذ خرج الإنفرتر (٢٢٠ فولت) ونقوم بتغذية الحمل المراد تغذيته

ملاحظات ھامة لتشغيل UPS
- يجب تجنب توصيل الطرف الموجب بالسالب أو العكس حيث أن ذلك يؤدى لتلف أجزاء ال UPS أو كلھا
- يجب وضع الجھاز بأكمله فى مكان جيد التھوية

لوحات التغذية الغير منقطعة UPS Uninterruptible Power Supply الإنارة Standby UPS OFF Line UPS Double Conversion Online UPS Line interactive UPS Delta Conversion ups توصيل الـ UPS مع المولد