לקריאת המאמר המלא
Transcription
לקריאת המאמר המלא
רחוב הצורן 8א' פארק תעשייה ספיר נתניה 60524 פקס24 - 4406655 : טלפון24 – 4406666 : שלושה גורמים בתכנון קיבולת מערכות אל פסק הספק הוא אחד המאפיינית העיקריים הנדרשים בבחירת האל פסק ()UPS כמקור זינה אמין .לצורך זה יש לעיין בנתוני האל פסק ולקחת בחשבון את אופי העומס. רכש UPSגדול על הצרכים אולי יאפשר שקט נפשי של המשתמש ,אך מעשה זה הוא בעצם בזבוד כסף מובהק .לעומת זאת ,הערכת חסר בגודל ה UPS -הנדרש כרוכה בהכרח בפגיעה בתפקוד הציוד הקריטי -הדבר בלתי מקובל לחלוטין .כיצד לחשב את קיבולת ה UPS-החדש באופן מדוייק? לשם כך צריך לדעת מקדם ההספק של העומס ,(Power Factor, PF),זה שמגדיר איזה חלק מההספק באמת נצרך ע"י הציוד (הספק פעיל). במשולש ההספקים להלן ניתן לראת באופן גראפי את היחס שבין ההספק הפעיל (הספק אקטיבי) לבין ההספק המדומה הספק הריאקטיבי. הספק פעיל (אקטיבי) P (kW( - cos φ הספק מדומה (אקטיבי) S (kVA) - הספק ריאקטיבי (Q (kVAr אם העומס הוא התנגדותי בלבד ,הוא צורך את כל ההספק המיוצר ע"י מקור זינה .עומס קיבולי נקי (קבל) או השראתי (סליל) בכלל לא צורכים הספק פעיל ,משום שלא הופכים את האנרגיה החשמלית לצורות אנרגיה אחרות .במהלך רבע מחזור של זרם חילופין האנרגיה נטענת בשדה המגנטי של הסליל או בשדה החשמלי של הקבל ,ובהמשך ברבע המחזור הבא היא חוזרת לרשת .במקרים אלה יש רק העברה מחזורית של אנרגיה חשמלית .בשל כך התנגדותם של הסליל והקבל קיבלה שם התנגדות ריאקטיבית ,כאשר ,PF=0בניגוד להתנגדות פעילה האקטיבית של הנגד ,כאשר כאמור .PF=1 אומנם בחיים אמיתיים אין שום דבר מושלם וכל העומסים מהווים בעצם עירוב של התנגדות אקטיבית והתנגדות ריאקטבית .לכן ,גם מקדם הספק נא בין 0ל .1-באופן כללי מחשבים PF כיחס בין ההספק הנצרך (נמדד בווטים )W ,לבין ההספק המסופק המדומה (נמדד בוולט- אמפרים ,)VA ,לפי הנוסחה: הספק אקטיבי ()W מקדם ההספק (--------------------- = )PF הספק מלא ((VA כאשר העומס אינו גורם להיווצרות עיוותים הרמוניים ,מקדם ההספק שווה לקוסינוס זווית " "φבין מופעי זרם ומתח ,לכן לעיטים קרובות מקנים אותו כ( cos φ-טעות נפוצה). רחוב הצורן 8א' פארק תעשייה ספיר נתניה 60524 פקס24 - 4406655 : טלפון24 – 4406666 : עומס עם מרכיב קיבולי מאפיין במקדם ההספק מקדים ( cos φחיובי ,)leading ,עומס השראתי – מאחר ( cos φשלילי.)lagging , העומס הטיפוסי של ה UPS -הוא מחשבים אישים ושרתים .ספקי כוח במתקנים אלה כוללים מיישר עם מסנן קיבולי ולכן המאפיין העיקרי של הספקים האלה הוא הקיבוליות שלהם. מקדם הספק במחשבים פשוטים וזולים נא סביב .0.6÷0.0זה עומר שרק כ 70% -מההספק העומד לרשותם משמש את המחשב. במרכזי מחשבים ( )Data Centersהכוללים ציוד מחשבים מודרני כגון שרתים ,אמצעי אחסון ,ציוד תקשורת וכד' ,מצב טוב בהרבה .ספקי כוח בציוד זה כוללים מנגנונים לתיקון מקדם ההספק אשר מתקרב לערך של .1-אומנם בחישובים עדיף לקחת בחשבון מרכיב קיבולי קטן ולהניח מקדם הספק PF=0.95 מערכות מיזוג אויר אשר לעטים מגבים באמצעות הUPS-ים ,מהווות עומס השראתי הנוצר ע"י מנועים חשמליים המניעים מחדסים ומפוחים .מקדם הספק של ציוד זה בדרך כלל בטווח ( lagging 0.6÷0.0ראה טבלה מס' .)1 אז כיצד להעריך מקדם ההספק של עומס הכולל ציוד מסוגים שונים? נניח שבחדר המחשב בחברה יש ציוד כדלהלן: מחשבים אישיים ושרתים בהספק .(leading) PF=0.7 ,4500VA מזגן ,הספק .(lagging) PF=0.8 ,3000VA במקרה זה יש לחשב מקדם ההספק משוקלל ע"י חישוב סתייה ממוצעת מ:1- {4500VA x (1-0.7)– 3000VA x (1-0.8)}/7500VA = +0.1 במקרה זה העומס הוא בעל אופי קיבולי עם PF=0.9 שני מקדמי הספק במפרט הטכני של כמעט כל UPSמציין היצרן מקדם הספק בכניסה .מקדם הספק זה לא קשור למקדם הספק במוצא ה ,UPS -אך מאפשר להבין כיצד ה UPS -עצמו מתנהג כלפי הרשת המזינה אותו .במערכות UPSמודרניות ,כאשר המיישר שלו בנוי על בסיס טרנזיסטורי כוח מסוג ,IGBTמקדם ההספק בכניסה קרוב ל ,1-במלים אחרות הUPS - מתנהג כהתנגדות כמעט מושלמת ולא גורם לעוותים נראים ברשת החשמל .ערך מקדם ההספק בכניסה תלוי לחלוטין בתכנון ומבנהו של ה .UPS-יש לציין בהקשר זה ,כי חברת חשמל לישראל מטילה כנסות משמעותיים על בעלי מתקנים בהם מקדם ההספק כלפי רשת חשמת חשמל נמוך מהתקן שלה. מקדם ההספק במוצא ה UPS -מוגדר ע"י העומס השוטף המחובר אליו .במידה ואנו יודעים את הנתון (יחד עם ההספק המרבי ב )VA-ניתן לקבל הספק מרבי ב VA-ע"י הכפלת אחד רחוב הצורן 8א' פארק תעשייה ספיר נתניה 60524 פקס24 - 4406655 : טלפון24 – 4406666 : בשני ,זה באצם אותו הספק ש UPS -מסוגל לפתח .אם מקדם ההספק של העומס גדול מזה שהוגדר ע"י יצרן ,UPSהמערכת לא תעמוד בדרישה ולא תייצר הספק מרבי ב.VA- ניקח דוגמה נוספת .נניח יש לנו UPSעם הספק נומינלי ,60kVAהמערכת תוכננה עם מקדם ההספק במוצא .)PF=0.9( 0.0ההספק המרבי אותו מסוגל לייצר ה UPS -הוא: .60kVA x 0.9 = 54 kW עומס עם מקדם ההספק 0.0לא מהווה ל UPS -זה כל בעיה: 06kVA x 0.8 = 84 kW < 48kW אך במידה ומקדם ההספק של העומס גבוה מ ,0.0-נניח ,0.00אזי ה UPS -כבר לא מסוגל לייצר הספק מרבי :60kVA 06kVA x 0.95= 57 kW > 54kW כפי שצויין ,מקדם הספק של הUPS-ים מתקדמים עבור ציוד ITמתקרב ל ,1-לכן צריך מאוד להקפיד בהתאמת UPSלעומסו .רבים מהמתכננים מעדיפים בחישוביהם להשתמש בהספק מוצא של ה UPS -הנמדד ב .kW-במידה וקיים קושי בחישוב מקדם ההספק ,PFעדיף לקחת UPSעם הספק ב kW-גדול יותר מאשר העומס ב .kVA-אך במקרה זה עלולים לחרוג באופן משמעותי בקיבולת ה UPS-ולהסתכן ברכש UPSעם קיבולת גדולה מהנדרש .על מנת לחשב את הקיבולת הנדרשת מדוייק יותר ,יש לחבר כלל מרכיבי העומס ב .kVA-לחבר לאחר מכן את ה PF-המשוקלל ,ולבסוף בהכפלת שתי תוצאות אלה נקבל הספק העומס ב- .kWבכל מקרה אסור שהספק ה UPS -יהיה נמוך מנתוני העומס המחושב באותן יחידות. שני גורמים נוספים קיימים שני מאפיינים חשובים נוספים המגדירים אופי העומס Surge Factor :וCrest - .Factorהראשון מחושב ע"י יחס הערך המרבי של הזרם לערכו הממוצע ) .(RMSלגלים מלבניים ,Crest Factor =1לגל סינוס מושלם הוא שווה .(√2) 1,414 אומנם Crest Factorהוא מאפיין של העומס ,אך הוא מושפע גם מנתוני מקור הזרם. במחשבים ספקי כוח ממותגם והם צורכים זרם באופן לא לינארי ,לכן Crest Factorלעומסים אלה בדרך כלל נא בין 2ל .3-אך כל זה במידה והעומס מוזן באמצעות גל סינוס נקי .מכיוון ש UPS -מייצר גל מדורג שהוא רק מקורב לגל סינוס ,אזי הערך הזה יכול לרדת מתחת ל,2- ו בUPS-ים קטנים הוא בדרך כלל נא בין 1.1ל .1.0-באופן כללי שימוש במסננים ומתקני עיוותים הרמונים מסייע להפחתת הפרעות הרמוניות ובכך להפחית גם את Crest Factor (זרם רגעי גבוה) ובכך להימנע מהתחממות יתר של רכיבים במערכות זינה. רוב מערכות UPSבעומס מלא מסוגלים לתמוך ב) Crest Factor=3-ככל שהעומס יורד ,כך הפרמטר זה עולה) לכן ,בדרך כלל ,לא נוצרות בעיות קריטיות .גם אם ה UPS -אינו מאפשר זרם רגיעי הנדרש ,עבודתו לא תשתבש ,אם כי יופיעו עוותים בגל הזרם. רחוב הצורן 8א' פארק תעשייה ספיר נתניה 60524 פקס24 - 4406655 : טלפון24 – 4406666 : המצב שונה במתקנים גדולים בהם יש כמות גדולה מאוד של מחשבים אישיים – העיוותים עשוים לעלות למימדים כה גדולים עד לפגיעה בתפקוד העומס .לכן חשוב מאוד שCrest - Factorהנתמך ע"י ה UPS -לא יהיה נמוך יותר מזה של העומס. לחישוב Crest Factorהמשוקלל של העומס הבנוי מסוגי ציוד שונים ניתן להמליץ שיטה שהשתמשנו בה לחישוב מקדם ההספק המשוקלל .נחזור לדוגמה שלנו: מחשבים אישיים ושרתים בהספק Crest Factor=3 ,4500VA מזגן ,הספק Crest Factor=1.4 ,3000VA Crest Factorהמשוקלל ניתן לחשב באופן דומה: (4500VA x 3 + 3000VA x 1.4)/7500VA = 2.36 אם במפרט טכני של ה UPS -צויין Crest Factorגדול יותר ,לא תהיה שום בעיה לעבדה עם עומס זה. בכל אופן לא ניתן לדבר על Crest Factorשל UPSללא התייחסות לאופי העומס .במלים אחרות Crest Factorהנו מאפיין התנהגות מקור הזינה סוגי עומס שונים. Surge Factorהוא המקדם המראה עד כמה זרם התנעה של ה UPS -גדול מי זה שנדרש ע"י העומס בשגרה .למשל ,על מנת להפעיל מנוע חשמלי נדרש מומנט התנעה גדול מאוד, לכן מדחסי קרור בהפעלתם צורכים זרם פי כמה גדול יותר מזרם נומינאלי שלהם (ראה טבלה מס' .)1זרם התנעה של מערכת תאורה עם נורות ליבון גם עשוי להיות גבוה בהרבה מהזרם הנומינאלי .הסיבה בכך שהתנגדות חשמלית של טונגסטם ,ממנו עושים חוטי הלהט, במידה רבה תלויה בטמפראטורה :ערכה ב ,55×10-9 Om×m 20°C -אך בטמפרטורה 1727°Cעולה ל .557х10-9 Om×m -זרם התנעה בהתאם יהיה פי 10מהזרם הנומינאלי. בציוד ITערכו של Surge Factorבדרך כלל לא עולה על 1.0ורוב מערכות UPSמסוגלות בהחלט להתמודד עם הפעלתו ועבודתו האמינה .במידה ועומס הקריטי כולל ציוד עם זרם התנעה גבוה ,אזי Surge Factorשל ה ,UPS-יש לבחון באופן מדוקדק. בנוסף ולאחר חישוב נכון קיבולת ה UPS-לאחר חישוב של כל הגורמים האלה ,על מנת לאפשר אספקה אמינה וסדירה של חשמל יש לקבוע רזרבה של כ.55%-02%- לסיכום לבחירת גודל ה UPS-יש להתייחס בכל הרצינות .מחד גיסה זה יאפשר תיפקוד בטוח ולאורך זמן של ציוד הקריטי ומאידך חסכון כספי ניכר. רחוב הצורן 8א' פארק תעשייה ספיר נתניה 60524 פקס24 - 4406655 : טלפון24 – 4406666 : טבלה :1מאפיינים טיפוסיים של עומסים שונים מקדם ההספק (Power )Factor Crest Factor Surge Factor מחשב אישי עם ספק כוח פשוט ( 0.0÷0.6קיבולי) מ 3-עד 6 עד 3 שרתים ,אמצעי אחסון ותקשורת מודרניים ( 0.00קיבולי) עד 3 1.0 מזגנים וכל ציוד כולל מנועים חשמליים ( 0.0÷0.6השראתי) עד ( 3במקרים מסויימים עד )6 עד 6 תאורה עם נורות ליבון 1 2 מ 0-ועד 10 סוג העומס כתב :אלכס שיינקמן| חשמלאי מהנדס | מערכות אנרגיה בחברת אלכסנדר שניידר בע"מ