אפיון לגיבוי מערכות אל פסק

(UPS - Uninterruptible Power Supply)

כתב: אילן מורג (2021) www.donagsys.com

מאמר זה מיועד למאפיינים העוסקים באפיון פונקציונלי וטכני של מבנים ואינו מיועד לבעלי מקצוע בתחום החשמל

מערכת אל פסק נועדה למנוע הפרעות מנפילות חשמל בציוד רגיש. המערכת מגבה את הזנת החשמל למספר דקות עד לחזרת מתח חברת החשמל או כניסת גנראטור לפעולה. מערכות אל פסק נעשות חשובות יותר ויותר עם השנים ויותר צרכנים נדרשים לגיבוי אל פסק לצרכי תפקוד המערכת. בד"כ קיימת רגישות גבוהה של נפילות מתח למערכות מחשוב ותקשורת שבהם נפילה (או אפילו קפיצה קצרה) של מספר מילישניות "מפיל" את המחשב או את התקשורת ורציפות התפעול נפגעת. מאחר וציוד רב נעזר היום בתעשייה ברכיבי מחשוב, לדוגמא; מכונות CNC, מערכי בדיקה מדויקים וכד' הדרישות למערכות אל פסק גדלה מאד. דוגמא נוספת היא עבור מדפסות תלת מימד שבהם במקרה של הפסקת חשמל גם נגרם נזק למוצר שלפעמים לוקח שעות להדפיס וגם יש סכנה של סתימת הדיזות של החומר.

ייתרון נוסף של מערכת אל פסק הוא בעובדה שהמערכת "מייצרת" את גל הסינוס של זרם החילופין במערכת ועל כן הגל יותר יציב ואינו מושפע מקפיצות או שינויים הנגרמים באספקת החשמל והפרעות חוץ (אפילו מז"א יכול להיות גורם מפריע ליציבות רשת החשמל).

קיימות מערכות אל פסק קטנות לגיבוי מקומי (לא מומלץ) ומערכות מרכזיות לגיבוי של מבנה או מחלקה בתוך המבנה. מערכות אלו זמינות במגוון גדלים ובמגוון שיטות וצורת התקנה ועל כך בהמשך.

העיקרון הבסיס עלין מבוססת מערכת אל פסק הוא המרה של מתח הרשת (AC) לזרם ישר (DC) ומטען לטעינת מצברים, המרה חוזרת לזרם חילופי (AC) לאספקה לצרכנים. כך, שכאשר יש הפסקת חשמל המצברים ממשיכים לספק מתח לממיר DC לAC לכוון הצרכנים. התרשים הבא ממחיש את עקרון העבודה של מערכת אל פסק:

וזה מה שקורה כאשר חשמל הרשת מופסק -

במצב של תקלה במערכת האל פסק קיים ברוב המערכות המודרניות כחלק מהמערכת, מערכת גיבוי מובנת להולכת הזרם באופן עקיף – By-Pass ע"י רכיב שנקרא Static Switch

מראה פנל קדמי של מערכת אל פסק אפשר לראות את מצב המערכת (הזנה תקינה, ממצבר או מעוקף)

עבור מערכת אל פסק נדרש המאפיין להגדיר מספר פרמטרים:

1. עבור איזה צרכנים במבנה נדרש גיבוי אל פסק – מערכת אל פסק נדרשת בחדר עבור צרכנים ייעודים, חשובים וקריטיים. זמן הגיבוי של מערכת אל פסק מוגבל ל 10-15 דקות מאחר והצפי הוא שרשת החשמל תחזור לפעולה או מערך הגנראטורים לגיבוי ייכנס לפעולה. גיבוי אל פסק נדרש רק לצרכנים שנפילה שלהם אפילו לכמה שניות עלולה לפגוע בתפקוד, כגון: מחשבים, בקרים של מכונות רגישות, מכונות הנשמה בבתי חולים או כאמור מדפסות תלת ממד. באפיון המפורט תתבצע הגדרה מדויקת של כל הצרכנים וצריכת האנרגיה שלהם והיא תרוכז בטבלה שתגדיר למעשה את גודל מערכת האל פסק הנדרשת למבנה. גודל האל פסק מוצג ב KVA -Kilo Volt Ampere, ועל כך בהמשך.

2. לכמה זמן נדרש הגיבוי – הגדרת זמן הגיבוי הוא בדקות. ככל שזמן הגיבוי יהיה ארוך יותר כך יידרשו סוללות גדולות יותר וכפועל יוצא עלויות הקמה ותחזוקה גבוהות יותר. זמן הגיבוי הוא פונקציה של זמינות מערכת החשמל והגנראטור לגיבוי באתר. מקובל להגדיר כזמן גיבוי מינימלי 10 דקות, 15 דקות הוא זמן אופטימלי. במצבים קיצוניים ובמערכות מאד רגישות אפשר להגדיר זמנים ארוכים יותר אבל תמיד לזכור כי אל פסק הוא לא תחליף לגנראטור. בשלב הזה ניתן גם להכניס משתנה קצת מורכב. וזה הולך כך – זמן החישוב של הגיבוי מתייחס למערכת (לאל פסק) בעומס מרבי, כלומר אם יתוכנן אל פסק ל 100KVA אז הסוללות יעמדו ב 15 דקות לצריכה מרבית. בפועל, אם הצריכה בזמן נפילת רשת החשמל הייתה רק 50KVA הסוללות יחזיקו מעמד 30 דקות. כאן נשאלת השאלה אז למה להגדיר מערכת כפולה בגודל מהנדרש? התשובה מורכבת מכמה הגדרות שנרחיב עליהם בהמשך. בד"כ אפיונים נוטים להגדיר דרישות חשמל עם יכולת גידול עתידי (באחוזים מסך הצריכה המחושבת) שלרוב אינו מתקיים במציאות בגלל שאנחנו נוטים להגדיר צריכת יתר בזמן האפיון (והתכנון) כדי להיות בטוחים. היבט נוסף הוא שאם הוגדרו 2 מערכות אל פסק לגיבוי מלא בתצורת 2xN הרי בפועל אם לא הייתה תקלה באחת היחידות נקבל גיבוי שהוא יותר מכפול בזמן מהמוגדר והגיבוי יהיה ל 30 דקות. לסיכום צריך לקחת בחשבון מספר נקודות חשובות בהגדרת משך הגיבוי:

א. מערכת אל פסק היא לא במקום מערכת גנראטורים לגיבוי ממושך והיא נועדה רק לגשר על הזמן עד שהגנראטור נכנס לפעולה.

ב. כל הגדרה של גודל מערכת אל פסק שחורג מהצורך האמיתי עולה הרבה מאד כסף ברכש המערכת והסוללות, מקום למערכות (שטח בניין) ובתחזוקה לאורך השנים.

ג. חשוב לזכור כי מערכת המיזוג לא מחוברת למערכת האל פסק ואם הגנראטור לא יכנס לפעולה או רשת החשמל לא תחזור החדרים שבהם מותקן הציוד המוגבה באל פסק יתחממו מאד עד כדי גרימת נזק לציוד (בעיקר חדרי שרתים ותקשורת) על כן הגדרת זמן גיבוי ארוך יכולה לפעמים לגרום יותר נזק מתועלת.

מערכות אל פסק מסוגים וגדלים שונים

3. תצורת התקנת האל פסק – אל פסק אפשר להתקין בתצורת גיבוי אחת N או בתצורות נוספות הדומות באופן עקרוני לתצורת התקנת גנראטורים

א. תצורת N – היא גיבוי של אל פסק יחיד על קו מתח אחד המזין את יחידת הקצה (מחשב, מכונה). זוהי התצורה הבסיסית והיא נותנת מענה לתקלה אחת בו זמנית. בהפסקת חשמל רשת האל פסק ייגבה את המערכות עד לכניסת הגנראטורים או חזרת הרשת

תצורה אופיינית למערכת אל פסק יחידה – N

ב. תצורת 2xN – גיבוי אל פסק כפול משתי הזנות למבנה או מהזנה אחת. מערכת כזו תמשיך לעבוד גם בכשל אחת המערכות אבל לא כל מרכיבי הצרכנים ימשיכו לעבוד אלא אם לאותו רכיב יש אפשרות לקבל הזנה כפולה של חשמל (מקובל לעיתים בציוד מחשוב, שרתים ותקשורת).

תצורה למערכת אל פסק כפולה עם הזנה יחידה של חברת החשמל 2XN

תצורה של מערכת אל פסק כפולה עם שתי מקורות רשת חברת חשמל 2XN

ג. תצורת 2x(N+1) ומערכות מודולואריות– גיבוי אל פסק כפול משתי הזנות למבנה או מהזנה אחת כשבכל מערכת יש מערכת נוספת. התקנה זו אפשרית בד"כ במערכות מודולאריות כאשר ניתן להוסיף רכיבים נוספים למערכת והם מסונכרנים ביניהם. כמה מילות הסבר על סנכרון המערכות ומדוע אי אפשר לחבר שתי מערכות אל פסק עצמאיות לאותה רשת. מתח המוצא של הרשת ומערכות האל פסק הוא מתח AC, כלומר זרם חילופי. זרם חילופי הוא זרם שמחליף קוטביות באופן מחזורי (גל סינוס - Sine Wave). בארץ התדר שבה הזרם משנה קוטביות הוא 50 פעם בשנייה (50HZ). כל מערכת אל פסק מוציאה את הגל בתזמון שונה לכן כדי לחבר שתי מערכות אל פסק נדרשת מערכות בקרה משותפת שמסנכרנת את גל המוצא. אם התקנו מערכת כזו אזי אין ערך לשתי מערכות אל פסק מכוון שקיים רכיב שהוא נקודות כשל. על כן ניתן להגדיר תצורת 2X(N+1) או N+1 רק למערכות שבנויות בתצורה כזו ע"י היצרן (תצורה מודולארית) עם בקר מובנה או בד"כ בקרים מסתגלים כך שכל מודול יודע לעבוד עם מודול אחר ללא בקר אחד מרכזי ובכך נוצרת מערכת אל כשל.

דוגמאות למערכות אל פסק מודולארית

שימוש במערכת מודולארית מגביל אותנו ליצרן יחיד שאח"כ גם יגזור קופן נכבד בתחזוקה ובתיקונים. לעומת זאת הייתרון במערכות מודולאריות המורכבות ממספר יחידות הוא היכולת לבצע תיקונים והחלפות של רכיבים בשיטת החלפה "חמה" ללא השבתה. יתרון נוסף של הגדרת מערכת אל פסק מודולארית היא היכולת להוסיף יחידות לגידול עתידי ללא החלפת כל המערכת. למרות שתאורטית זה נכון וגם היצרנים ישמחו להמליץ על המערכות המודולארית שלהם בפועל אחרי כמה שנים כשיידרש הגידול סביר להניח שלא יימצאו במלאי יחידות הרחבה למערכת ונאלץ להחליף את כל המערכת.

4. מה גודל מערכת האל פסק הנדרש – לפני נתחיל כמה מושגי יסוד לשפה משותפת בתחום החשמל בלי להיכנס להסברים יותר מידי מדעיים או נוסחאות מסובכות:

א. מתח - וולט (Volt) מסומן באות V. המתח הוא הפרש הפוטנציאל בין מקור המתח לאדמה במקרה של חברת החשמל או בין שני קטבים של סוללה. בבית שלכם המתח שיש בשקעים בקיר הוא 230-240V, בסוללות 1.5 יש מתח של 1.5V. מתח הסוללות ברכבים הוא 12V.

ב. הספק – יחידת מידה בוואט ((Watt – הוא צריכת האנרגיה של רכיב (מחשב, מנורה, מנוע חשמלי) והוא מסומן באות P (Power) – דוגמא, דוד חימום בבית צורך P=2,300W המחשב שלך צורך כ 250W, כמובן תלוי בדגם ובקונפיגורציה של המחשב.

ג. גודל הזרם החשמלי (I) נמדד באמפר (Ampere), אם W (וואט) מסמן צריכת חשמל רגעית ו V (וולט) את המתח אז אמפר הוא הכמות הוואט חלקי הוולט .

ד. כדי לחשב כמה אמפר נדרש כדי להפעיל מכשיר חשמלי מחלקים את ההספק במתח, לדוגמא – תנור ספירלה בבית שצורך 2,300W גודל הזרם שנדרש עבורו יהיה 10 אמפר.

ה. מושג נוסף הוא Volt-Ampere, מסומן באותיות VA. למעשה זהה ל Watt . אם נכפיל את הוולט (V) באמפר (A) נקבל את ההספק שאפשר לכנות אותו W או VA. יש ויכוח האם זה בדיוק אותו מושג או לא, לעיתים נהוג לבטא את המושג VA כמושג המגדיר את מוצא הזרם מהרשת (מרשת החשמל, מהגנראטור או ממערכת האל פסק) ואילו W הוא מושג המתייחס לצריכת האנרגיה של רכיב מסוים.

ו. ואחרון, אחרון מושג ה קילו – Kilo, אז זהו, שקילו הוא לא רק בחשמל קילו זה אלף (1,000). כמו קילו-גרם, קילו-מטר, קילו-בייט, בחשמל קיים המושג קילו-וואט (ויש גם קילו-וולט), כלומר 1,000W זה 1KW כמו שאלף גרם זה אחד קילו-גרם.

ז. במוצא זרם כמו במערכות אל פסק (או גנראטורים) נהוג להגדיר את היציאה לפי KVA כלומר קילו-וולט-אמפר. אם תעיינו בדף המכונה של מכונת אל פסק תראו שצריכת המכונה היא נניח 2100W (שזה 2.1KW) ואילו מוצא המכונה לצרכן 2000VA (שזה 2KVA), אז לאן נעלמו 100W? לא בגלל שהמושגים שונים (אמרנו ש W זה בעצם VA) אלא בגלל הפסדי המכונה או הנצולת של המכונה שחלק מהאנרגיה שלה הופך לחום. מערכת טובה היא מערכת שההפסדים שלה נמוכים ככל האפשר. אי אפשר להגיע ל אפס הפסד, כל המרת מתח יש בה הפסדים ובמערכת אל פסק יש המרה כפולה פעם ממתח חילופי לישר (AC ל DC) ופעם שנייה בחזרה ל AC לאספקה לצרכן ועל כן הכניסה למכונה היא שונה מהיציאה.

5. אז מה גודל האל פסק הנדרש? גודל האל פסק הוא סיכום כל צריכות האנרגיה שנדרשות עבור מרכיבים שאותם נרצה לגבות (מחשבים, מסכים, רכיבי תקשורת, מכונות הנשמה) כולל הגידול העתידי שהגדרנו שנדרש לתכנן עבור מערכות החשמל (באחוזים) ומקדם הצריכה. איך מגדירים הספק של רכיב ואיך מחשבים עבורו את הצריכה האמיתית בהמשך.

6. מערכת אל פסק נכון לתכנן ללא יותר מ 80% צריכה מגודל המערכת ע"מ לאפשר עומסים רגעיים. לדוגמא: סך כל צריכות האנרגיה של מבנה (כולל גידול עתידי ומקדם בו זמניות) למערכות המחשוב הוא 20KW ועל כן יתוכנן אל פסק בגודל 27KVA – החישוב כולל – הגדרת ניצולת של 95% (אמרנו שבכל מערכת כזו יש הפסדים) ומקסימום ניצולת של 80% - לכן זו הנוסחה: 20 / 0.95 / 0.8 = 26.3

7. גודל מערכת אל-פסק במערכות בשרידות 2N צריכה לקחת בחשבון כי כל העומס של הצריכה יעבור למערכת אחת ובהתאם להגדרה שמקסימום הניצולת הוא 80% נכון לתכנן כל מערכת ל 40% ניצולת בפועל ולהגיע ל 80% כשהמערכת אחת נופלת על כן בדוגמא של 20KW, יוגדרו שתי מערכות בגודל זהה של 27KVA

8. חישוב גודל המערכת הוא עניין למתכנן החשמל, תפקיד המאפיין הוא לספק נתונים לצורכי החישוב, כלומר, סיכום האנרגיה הנדרשת של המערכות שנדרש לגבות. נקודה חשובה! ייתכן ויהיו מערכות נוספות שנדרש לגבות והם לא באחריות המאפיין אלא באחריות המתכננים והם שיגדירו למתכנן החשמל את הדרישות שלהם לאנרגיה הדרושה. לדוגמא, עבור מערכת המיזוג יידרש גיבוי אל-פסק לבקרי המערכת או גיבוי לחיישנים ובקרים אחרים של לוחות חשמל או מעליות, דרישה זו תועבר למתכנן החשמל ע"י היועצים השונים (מיזוג, מעליות וכד').

9. האם מערכת האל פסק צריכה להיות ממוגנת? – בוודאי, המערכת צריכה להיות ממוגנת כמו כל המבנה, החדר המיועד למערכת האל פסק צריך להיות במיגון זהה לכלל המיגון הנדרש למבנה או לחדר התקשורת הראשי במבנה (ההגדרה המחמירה). את מיגון המערכת לא נדרש להגדיר באפיון באופן מיוחד, המתכנן יבין שזה אמור לשרת את המערכות שבחלק הממוגן וימגן את המערכת בהתאם.

10. חדר מערכת – הגדירו חדר נפרד למערכת האל פסק ולא ביחד עם מערכות מבנה אחרות כמו תקשורת או מיזוג, זו מערכת רגישה שמצריכה טיפול של אנשי מקצוע ונכון להגביל גישה למערכת מהמשתמשים האחרים במבנה. במבנים גדולים שבהם מערכות אל פסק נפרדות נכון להגדיר חדר למערכת ואפילו חדר נפרד למצברים במבנים קטנים אפשר אבל לא מומלץ להגדיר את מיקום האל פסק בחדר החשמל של המבנה.

לסיכום, אפיון מערכת הגיבוי של מערכות האל פסק צריך לכלול את הנושאים הבאים:

1. מה רוצים לגבות – רשימת צרכני החשמל שצריך לגבות והספקים שלהם

2. מה תצורת השרידות הנדרשת למערך האל פסק - N, 2xN, 2x(N+1)

3. מה זמן הגיבוי הנדרש– 10 דקות / 15 דקות / 20 דקות / 60 דקות

4. האם נדרש להפריד את המערכות (בהנחה שיש תצורת 2xN) לשני חדרים נפרדים באזורי אש נפרדים, או שהגיבוי הוא לצרכים טכניים בלבד