ชนิดของ UPS ต่างๆ

2014-11-18 15:41:25 ใน ความรู้เกี่ยวกับเครื่องมือต่างๆ »

11299 " UPS " เป็นอุปกรณ์ชนิดแหล่งจ่ายกำลังงานไฟฟ้าประเภทหนึ่ง ที่ช่วยให้อุปกรณ์สามารถมีกำลังงานไฟฟ้าใช้ และ ทำงานได้อย่างต่อเนื่อง
     ในสมัยก่อนเราใช้งาน UPS เป็นอุปกรณ์เสริมเพื่อแก้ไขคุณภาพกำลังไฟฟ้า ( Power Quality ) โดยมักจะมีการใช้เฉพาะงานที่จำเป็น เช่น ในระบบเครื่องมินิคอมพิวเตอร์ ในเครื่องมือแพทย์ ในเครื่องมือวัดเก็บค่าที่ใช้เวลานาน เป็นต้น และยังไม่เป็นที่รู้จักแพร่หลายมากนักเนื่องจากราคาสูง
     แต่ในปัจจุบันการใช้งานเครื่องคอมพิวเตอร์จำนวนมากในระบบบริษัท และ เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลตามบ้านกันมากขึ้น อีกทั้งปัจจัยทางด้านราคาที่ค่อนข้างต่ำของ UPS ในปัจจุบัน ยิ่งส่งเสริมให้ความต้องการใช้งาน UPS มีเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นเมื่อพูดถึงคำว่า UPS เรากล่าวได้ว่าแทบจะไม่มีใครที่ไม่รู้จัก  แต่สำหรับโครงสร้างและการทำงานของ UPS ยังไม่เป็นที่รู้กันมากนัก

สำหรับ UPS มี 2 ระบบใหญ่ๆแบ่งตามลักษณะของแหล่งกำลังงานคือ
1. โรตารี่ UPS( Rotary Uninterruptable Power Supply ) ซึ่งใช้พลังงานจากแหล่งน้ำมันเชื้อเพลิงเพื่อแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า
2. สเตติก UPS ( Static Uninterruptable Power Supply ) ซึ่งมีแบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า

2. สเตติก UPS

คุณภาพกำลังไฟฟ้า ( Power Quality )
คุณภาพกำลังไฟฟ้า เป็นเรื่องของความแน่นอนในการจ่ายกำลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายหลัก ( การไฟฟ้า ) นิยามของคุณภาพไฟฟ้าตามมาตรฐาน IEC และ IEEE จะมีความหมายถึง ลักษณะของกระแสและแรงดัน และความถี่ ของแหล่งจ่ายไฟในสภาวะปกติที่ไม่ทำให้อุปกรณ์ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้า มีการทำงานที่ผิดพลาด หรือ เสียหาย   ในปัจจุบันเรื่องของคุณภาพกำลังไฟฟ้าเป็นที่สนใจและนำมาพิจารณากันมาก เนื่องจากสาเหตุใหญ่ๆ คือ   กระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมมีการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีเทคโนโลยีสูงซึ่งมีความไวในการตอบสนองต่อคุณภาพกำลังไฟฟ้ามากกว่าในอดีต โดยเฉพาะอุปกรณ์ประเภทอิเล็กทรอนิกส์กำลัง , การเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ไฟฟ้าในการปรับ/เพิ่มประสิทธิภาพของระบบไฟฟ้า เช่น การต่อชุดตัวเก็บประจุ ( Capacitor Bank ) ซึ่งจะทำให้เกิดฮาร์มอนิกที่สูงมากขึ้นในระบบกำลัง   , ระบบไฟฟ้าในปัจจุบันมีการต่อเชื่อมโยงถึงกัน ถ้าส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบมีปัญหาหรือจ่ายฮาร์มอนิกเข้าสู่ระบบ จะทำให้อุปกรณ์ หรือระบบข้างเคียงได้รับผลกระทบด้วย   ,   ตัวผู้ใช้ทราบถึงเรื่องของคุณภาพไฟฟ้ากันมากขึ้น เพราะมีผลกระทบต่อการทำงานที่เป็นอยู่  เป็นต้น
สำหรับปัญหาที่เกิดขึ้นกับระบบไฟฟ้าที่ทำให้คุณภาพกำลังงานไฟฟ้าเสียไปนั้นเราอาจจะแบ่งแยกสาเหตุออกได้หลายรูปแบบเช่น  ปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น ฟ้าผ่า   ความผิดพลาดในระบบส่งกำลังของแหล่งจ่ายไฟฟ้าหลัก   การทำงานของอุปกรณ์ ประเภทสวิตชิ่ง ( Switching )   การทำงานของอุปกรณ์ประเภทไม่เป็นเชิงเส้น    การต่อกราวด์ ( Grounding ) ในระบบไม่ถูกต้อง   เป็นต้น  เมื่อเกิดปัญหาเกี่ยวกับคุณภาพของกำลังงานไฟฟ้าขึ้นย่อมจะทำให้ลักษณะของรูปคลื่น แรงดัน กระแส ตลอดจนความถี่ของระบบไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นเราเรียกรวมว่าเป็น “ มลภาวะทางไฟฟ้า ( Electrical Pollution ) ” ดังนั้นเราสามารถนิยาม และพิจารณาถึงมลภาวะทางไฟฟ้าได้ดังนี้

มลภาวะทางไฟฟ้า ( Electrical Pollution )  คือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบไฟฟ้า แล้วทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้า หรือ โหลด ไม่สามารถทำงานได้อย่างปกติ หรือ อาจเกิดปัญหาให้โหลดเสียหายได้ โดย เราสามารถแบ่งมลภาวะทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในระบบสายส่งกำลังแบบ 220 โวลต์อาร์เอ็มเอส ( V_RMS ) ความถี่ 50 เฮิรตซ์ ( Hertz ) ออกตามลักษณะได้ 10 ประเภทคือ

1. ไฟเกิน ( Over Voltage )  เป็นสภาวะที่แรงดันไฟฟ้ามีค่าสูงเพิ่มขึ้นเป็นระยะเวลานาน โดยอาจจะมีสาเหตุต่างๆกัน เช่น เกิดจากตำแหน่งใช้งานที่ใกล้แหล่งจ่ายไฟฟ้า  เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  เกิดจากการปลดโหลดขนาดใหญ่ออกจากระบบ  การสวิตชิ่งตัวเก็บประจุเข้าระบบ หรือ การปรับ แทป ( Tab ) ของหม้อแปลงไม่เหมาะสม เป็นต้น โดย “ ลักษณะของแรงดันไฟเกินจะวัดได้จากการที่ค่าอาร์เอ็มเอส ( RMS ) ของแรงดันในสายกำลังมีค่าเกินกว่า 242 - 264 V_RMS ในช่วงเวลานานกว่า 1 นาที ”  ซึ่งจะมีผลกระทบต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต่อใช้งานอยู่ให้มีคุณภาพเสื่อมลง และ มีอายุใช้งานสั้นลง ลักษณะของการเกิดไฟเกินแสดงรูปคลื่นได้ดังรูปที่ 1

2. ไฟตก ( Under Voltage )  เป็นสภาวะที่แรงดันไฟฟ้ามีค่าลดต่ำลงเป็นระยะเวลานาน โดยอาจจะเกิดได้จากหลายสภาวะ เช่น  การใช้กำลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำลังงานสูง  ตำแหน่งใช้งานอยู่ไกลจากแหล่งจ่ายไฟฟ้า  เกิดจากการต่อโหลดขนาดใหญ่เข้าสู่ระบบ การสวิตชิ่งตัวเก็บประจุออกจากระบบ เป็นต้น โดย “ ลักษณะแรงดันไฟตกจะวัดได้จากการที่ค่าอาร์เอ็มเอส ( RMS ) ของแรงดันในสายกำลังมีค่าต่ำกว่า 176 - 198 V_RMS ในช่วงเวลานานกว่า 1 นาที ”  ซึ่งส่งผลให้เครื่องใช้ไฟฟ้าไม่สามารถทำงานได้ดี หรือ อาจจะดึงกระแสสูงขึ้น ( Overload ) ทำให้เกิดความเสียหาย หรือ อายุใช้งานสั้นลง ลักษณะของการเกิดไฟตกแสดงรูปคลื่นได้ดังรูปที่ 2

3. ไฟดับ ( Blackout หรือ Sustained Interruptions ) เป็นสภาวะที่แหล่งจ่ายกำลังงานทางไฟฟ้าหยุดจ่ายกำลังงานทำให้ไม่มีแรงดันปรากฏในสายกำลัง โดยอาจจะมีสาเหตุเกิดมาจาก แหล่งจ่ายกำลังงานได้รับความเสียหาย หรือ มีการลัดวงจรในสายกำลัง ทำให้อุปกรณ์ป้องกันมีการตัดวงจรแหล่งจ่ายไฟออกถาวร โดย “ ลักษณะแรงดันไฟดับจะวัดได้จากการที่ค่าอาร์เอ็มเอส ( RMS ) ของแรงดันในสายกำลังมีค่าลดลงเป็น 0 V_RMS ในช่วงเวลานานกว่า 1 นาที ” ซึ่งจะส่งผลให้เครื่องใช้ไฟฟ้าหยุดทำงานทันที ถ้าเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์อาจจะสร้างความเสียหายแก่ข้อมูล หรือ อุปกรณ์หน่วยความจำได้ ลักษณะไฟดับแสดงได้ดังรูปที่ 3

4. ไฟกระชาก ( Surge หรือ Spike ) และ การออสซิลเลต ( Oscillate ) สภาวะไฟกระชากเป็นสภาวะที่แรงดันสูงขึ้นทันที ซึ่งมักจะมีสาเหตุมาจากปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น ฟ้าผ่า และมักเป็นสาเหตุให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเสียหายทันที ลักษณะของตัวอย่างแรงดันไฟกระชากสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 4 และ มีการแบ่งลักษณะไฟกระชากตามมาตรฐาน IEEE 1159-1995 ได้ดังตารางที่ 1

ตารางที่1 แสดงลักษณะของไฟกระชากตามมาตรฐาน IEEE 1159-1995

ชนิดของไฟกระชาก ( surge )	ระยะเวลาที่แรงดันเริ่มสูงขึ้น ( rise time )	ช่วงระยะเวลาที่เกิด ( duration )
แบบนาโนวินาที ( Nanosecond )	5 ns	< 50 ns
แบบไมโครวินาที ( Microsecond )	1 ms	50 ns – 1 ms
แบบมิลลิวินาที ( Millisecond )	0.1 ms	> 1 ms

ส่วนสภาวะการออสซิลเลตเป็นปรากฏการณ์ที่แรงดัน หรือ กระแส มีค่าสูงอย่างทันทีทันใด โดยมีการเปลี่ยนแปลงของรูปคลื่นทั้งขั้วบวกและลบ แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่ ดังแสดงใน รูปที่ 5

มาตรฐาน IEEE 1159-1995 มีการแบ่งการเกิดออสซิลเลตของสายกำลังในสภาวะชั่วครู่ตามขนาดของแรงดัน และช่วงระยะเวลาที่เกิดขึ้นดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงลักษณะของการเกิดออสซิลเลตตามมาตรฐาน IEEE 1159-1995

ลักษณะการออสซิลเลต	ความถี่	ช่วงเวลาในการเกิด	ขนาดแรงดันเมื่อคิดตามแหล่งจ่าย 220 โวลต์ 50 เฮิรตซ์
ความถี่ต่ำ ( Low Frequency )	< 5 kHz	0.3-50 ms	88 โวลต์
ความถี่ปานกลาง ( Medium Frequency )	5-500 kHz	5-20 ms	176 โวลต์
ความถี่สูง ( High Frequency )	0.5-5 MHz	0-5 ms	88 โวลต์

5. ไฟตกชั่วขณะ ( Voltage Sag ) เป็นปรากฏการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าขาดหายไปในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากการใช้งานมอเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งต้องการกระแสสูงกว่าปกติประมาณ 10 เท่า ในขณะเริ่มทำงาน ทำให้มีผลกับอุปกรณ์ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการความต่อเนื่องของแรงดัน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ โดยอาจจะทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์หยุดทำงาน ( Hang ) หรือ เกิดการรีเซ็ต ( Reset ) ได้ โดย “ ลักษณะไฟตกชั่วขณะจะคิดจากการที่แรงดันอาร์เอ็มเอสของสายกำลังมีค่าลดลงอยู่ระหว่าง 22 - 198 V_RMS ในช่วงเวลาประมาณ 10 มิลิวินาที – 1 นาที ” แสดงได้ดังรูปที่ 6

6. ไฟเกินชั่วขณะ ( Voltage Swell ) เป็นปรากฏการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากการใช้งานของชุดตัวเก็บประจุ ( Capacitor Bank ) ทำให้มีผลกับอุปกรณ์ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการความต่อเนื่องของแรงดัน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ โดยอาจจะทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์หยุดทำงาน ( Hang ) หรือ เกิดการรีเซ็ต ( Reset ) ได้เช่นเดียวกัน โดย “ ลักษณะไฟเกินชั่วขณะจะคิดจากการที่แรงดันอาร์อ็มเอสของสายกำลังมีค่าเพิ่มขึ้นอยู่ระหว่าง 242 - 396 V_RMS ในช่วงเวลาประมาณ 10 มิลิวินาที – 1 นาที ” แสดงได้ดังรูปที่ 7

7. ไฟดับชั่วขณะ หรือ ไฟกระพริบ ( Short Interruption ) เป็นปรากฏการณ์ที่แรงดันไฟฟ้าขาดหายไปในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากการลัดวงจรภายในระบบ ทำให้อุปกรณ์ป้องกันทำการตัดวงจรชั่วคราว ทำให้อุปกรณ์ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้าหยุดทำงานได้ โดย “ ลักษณะไฟดับชั่วขณะจะคิดจากการที่แรงดันอาร์อ็มเอสของสายกำลังมีค่าลดลงต่ำกว่า 22 V_RMS ในช่วงเวลาประมาณ 10 มิลิวินาที – 1 นาที ” แสดงได้ดังรูปที่ 8

8. ความผิดเพี้ยนของรูปคลื่น ( Waveform Distortion ) เป็นปรากฏการณ์ที่ลักษณะของรูปคลื่นมีการเบี่ยงเบนไปจากไซน์ ซึ่งอาจจะเกิดจาก องค์ประกอบไฟตรง ( DC Offset ) ฮาร์มอนิก ( Harmonic ) คลื่นแบบน็อตช์ ( Notch ) สัญญาณรบกวน ( Noise ) และ อินเตอร์ฮาร์มอนิก ( Interharmonic ) มักจะเกิดจากสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ( EMI ) หรือ สัญญาณวิทยุความถี่สูง ( RFI )จากเครื่องใช้ไฟฟ้า หรือ ปรากฏการณ์ธรรมชาติ เช่น โหลดไม่เป็นเชิงเส้น เครื่องเชื่อมไฟฟ้า สวิตช์ เครื่องส่งสัญญาณวิทยุกำลังสูง หรือ ฟ้าผ่า เป็นต้น ซึ่งสัญญาณรบกวนจะถูกเหนี่ยวนำกับสายส่งกำลังทำให้สัญญาณแรงดันมีรูปคลื่นไม่เรียบสม่ำเสมอ ทำให้เกิดความผิดพลาดในการประมวลผล หรือ การสื่อสารข้อมูลได้ ซึ่งเราอธิบายลักษณะความผิดเพี้ยนของรูปคลื่นแบบต่างๆได้ดังนี้

องค์ประกอบไฟตรง ( DC Offset ) – เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดความไม่สมมาตรของรูปคลื่น ทำให้ค่าเฉลี่ยของรูปคลื่นมีค่าไม่เป็นศูนย์ ซึ่งก็คือค่าของแรงดันไฟตรงที่ปรากฏอยู่ในระบบ ผลของแรงดันไฟตรงนี้จะทำให้เกิดความสูญเสียในรูปความร้อนที่หม้อแปลงและ ระบบส่งกำลังได้

ฮาร์มอนิก ( Harmonic ) – คือองค์ประกอบของสัญญาณที่มีรูปร่างเป็นไซน์ที่มีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่ที่สัญญาณหลักมูล ( fundamental frequency ) เช่น ความถี่ในระบบไฟฟ้าบ้านเรามีค่า 50 เฮิรตซ์ ฮาร์มอนิกของสายกำลังจะมีค่าความถี่ต่างๆขึ้นอยู่กับอันดับของฮาร์มอนิก เช่น ฮาร์มอนิกอันดับ3 ( 3th Harmonic ) จะมีความถี่เท่ากับ 150 เฮิรตซ์ ฮาร์มอนิกอันดับ 5 ( 5th Harmonic )จะมีความถี่เท่ากับ 250 เฮิรตซ์ เป็นต้น ซึ่งเมื่อมีองค์ประกอบที่ฮาร์มอนิกต่างๆปะปนเข้ามาในระบบจะส่งผลให้รูปคลื่นของแรงดัน หรือ กระแส มีขนาดและเฟสเปลี่ยนไป หรือที่เราเรียกว่าเกิดความผิดเพี้ยนของรูปคลื่น ( Distortion Waveform ) นั่นเอง มักจะเกิดในระบบไฟฟ้าที่มีการใช้งานโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น ปรากฏการณ์เช่นนี้จะมีผลให้อุปกรณ์ไฟฟ้าบางประเภท หยุดทำงาน หรือทำงานผิดพลาด และ อาจสร้างความเสียหายกับโหลด เช่น มอเตอร์ ได้ ถ้าองค์ประกอบของฮาร์มอนิกมีขนาดใหญ่มาก

ขอขอบคุณบทความดีๆจาก

www.ee.mut.ac.th