เครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ

เครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ , ระบบกำลังไฟฟ้าต่อเนื่อง (อังกฤษ: uninterruptible power supply) หรือมักเรียกสั้นๆ ว่า เครื่องสำรองไฟ หรือ ยูพีเอส (UPS) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่จ่ายไฟฉุกเฉินกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เมื่อเกิดความขัดข้องกับระบบไฟบ้าน (ไฟดับ รวมถึงไฟตก ไฟเกิน ในบางกรณี), โดยยูพีเอสนั้นแตกต่างกับระบบพลังงานฉุกเฉินหรือเครื่องปั่นไฟสำรอง ตรงที่จะสามารถยับยั้งกระทบจากไฟฟ้าดับได้แบบทันที โดยจ่ายไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือไฟที่ปั่นได้จากล้อตุนกำลัง เข้ามาทดแทน, ซึ่งแม้ว่าระยะเวลาจ่ายไฟสำรองของยูพีเอสส่วนใหญ่ทำได้จะค่อนข้างสั้น เมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรองแบบอื่น (อยู่ในช่วงไม่กี่นาที จนถึงระดับหลายชั่วโมง แต่จะไม่มากไปกว่านั้น^{[ต้องการอ้างอิง]}) แต่ก็เพียงพอสำหรับจุดประสงค์เพื่อพยุงอุปกรณ์หลายชนิดให้ปิดการทำงานลงได้อย่างสมบูรณ์ หรือรอระหว่างที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรองแบบอื่นกำลังเริ่มการทำงานเพื่อเข้ามารับช่วงต่อ

ช่างไฟฟ้ากำลังติดตั้งเครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ

โดยปกติแล้ว ยูพีเอสจะใช้รองรับการจ่ายพลังงานให้กับฮาร์ดแวร์ เช่น คอมพิวเตอร์ ศูนย์ข้อมูล อุปกรณ์ทางโทรคมนาคม หรือ อุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ซึ่งการทิ้งช่วงของพลังงานอย่างฉับพลันอาจก่อให้เกิดการเสียหายทางธุรกิจ หรือ การข้อมูล ขนาดหน่วยของยูพีเอสมีตั้งแต่ที่ออกแบบมาให้ปกป้องคอมพิวเตอร์ตัวเดียว ไปจนถึง การให้พลังงานศูนย์เก็บข้อมูลขนาดใหญ่หรือตึกทั้งตึก ยูพีเอสที่ใหญ่ที่สุดในโลก คือ 46-megawatt Battery Electric Storage System (BESS) ในแฟร์แบงค์ส์ รัฐอลาสก้า ซึ่งให้พลังงานทั้งนครและชุมชนชนบทใกล้เคียงได้ระหว่างไฟฟ้าดับ

ปัญหาพลังงานที่พบได้บ่อย

หน้าที่หลักของยูพีเอสคือการให้พลังงานระยะสั้นเมื่อแหล่งพลังงานนั้นไม่สามารถใช้การได้ ทว่ายูพีเอสส่วนใหญ่นั้นยังสามารถแก้ปัญหาทางพลังงานที่พบได้บ่อย เช่น

1. การเกิดไฟกระชาก หรือ การเกิดภาวะแรงดันเกิน เป็นเวลานาน
2. การลดลงของแรงดันไฟฟ้าเข้าทั้งระยะเวลาหนึ่งและเป็นเวลานาน
3. การรบกวนทางไฟฟ้า ที่ถูกให้ความหมายว่า ทรานเซียนท์ความถี่สูง หรือ การสั่นทางไฟฟ้า ซึ่งปกติแล้วจะเข้าสู่สายผ่านอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้ๆ 
4. ความไม่เสถียรของความถี่กำลังไฟฟ้า
5. ความผิดเพี้ยนฮาร์มอนิก หรือ การแปลกไปจากคลื่นรูปซายน์

หน่วยยูพีเอสนั้นถูกแบ่งเป็นหมวดหมู่ตามการจัดการปัญหาต่างๆด้านบน

เทคโนโลยี

ระบบยูพีเอสสามแบบหลักในปัจจุบันได้แก่ ออนไลน์ ไลน์อินเตอร์แรคทีฟ และ สแตนด์บาย  ออนไลน์ยูพีเอสใช้วิธี "เปลี่ยนแปลงสองครั้ง" สำหรับการรับไฟกระแสสลับขาเข้า เรียงกระแสไปเป็นกระแสตรงเพื่อผ่านไปยังถ่านชาร์จ จากนั้นจึงเปลี่ยนกลับเป็นกระแสสลับ 120 V/230 V AC เพื่อให้พลังงานต่ออุปกรณ์ที่ต้องการจะปกป้อง ไลน์อินเตอร์แรคทีฟยูพีเอสรักษาอินเวอร์เตอร์ในเส้น และย้ายทางเดินกระแสตรงของถ่านจากวิธีการชาร์จธรรมดาไปเป็นการสำรองกระแสไว้เวลาพลังงานขาดไป ในส่วนของระบบสแตนด์บาย ("ออฟไลน์") เครื่องมือนั้นถูกให้พลังงานโดยตรงจากกำลังงานขาเข้า และพลังงานสำรองจะถูกใช้งานในเวลาที่พลังงานหลักไม่อยู่ในสภาวะที่เหมาะสม ยูพีเอสส่วนใหญ่ที่ความจุต่ำกว่า 1 kVA นั้นเป็นแบบไลน์อินเตอร์แรคทีฟ หรือ สแตนด์บายซึ่งมีราคาถูกกว่า

สำหรับแหล่งพลังงานขนาดใหญ่บางครั้งจะใช้ เครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติแบบพลวัต (Dynamic Uninterruptible Power Supplies หรือ DUPS) พลังงานถูกเก็บไว้ในล้อตุนกำลัง เมื่อแหล่งพลังงานหลักไม่สามมารถใช้งานได้ ข้อบังคับกระแสไหลวนรักษาพลังงานไว้ในเครื่องมือรับพลังงานไฟฟ้าขณะที่ล้อตุนกำลังยังมีพลังงานอยู่

ยูพีเอสเซลล์เชื้อเพลิงได้ถูกพัฒนาขึ้นในไม่กี่ปีก่อนโดยใช้ไฮโดรเจน และ เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงาน ซึ่งมีศักยภาพในการให้พลังงานระยะยาวในพื้นที่เล็กๆ^{[citation needed]}

ออฟไลน์/สแตนด์บาย

 

ยูพีเอสแบบออฟไลน์/สแตนด์บาย ซึ่งมีระยะเวลาการป้องกันอยู่ระหว่าง 0 ถึง 20 นาที โดยส่วนใหญ่แล้วจะไม่สามารถขยายความจุได้

ยูพีเอสแบบออฟไลน์/สแตนด์บาย (SPS) มีเพียงลักษณะพื้นฐาน คือ การป้องกันไฟฟ้ากระชากและการสำรองแบตเตอรี่เท่านั้น ปกติแล้วอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันจะต่อกับตัวจ่ายพลังงานโดยตรง เมื่อกระแสไฟฟ้าในขาเข้ามีกำลังตกลงต่ำกว่าปกติ หรือ เพิ่มเกินกว่าระดับที่กำหนดไว้ SPS จะทำการเปิดวงจรอินเวอร์เตอร์กระแสตรง-สลับ ซึ่งใช้พลังงานจากถ่านสำรองภายใน จากนั้นยูพีเอสจึงสลับอุปกรณ์มาต่อกับอินเวอร์เตอร์กระแสตรง-สลับขาออก เวลาในการเปลี่ยนอาจนานถึง 25 มิลลิวินาที ขึ้นอยู่กับเวลาที่ SPS ใช้ในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ขาดไป 

ไลน์อินเตอร์แรคทีฟ

 

ยูพีเอสแบบไลน์อินเตอร์แรคทีฟ ซึ่งมีระยะเวลาการป้องกันอยู่ระหว่าง 5 ถึ 30 นาที โดยส่วนใหญ่แล้วจะไม่สามารถขยายความจุได้หลายชั่วโมง

ยูพีเอสแบบไลน์อินเตอร์แรคทีฟทำงานคล้ายกับแบบสแตนด์บาย ทว่ามีการเพิ่มเติมของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบอัตโนมัติ ซึ่งคือแบบพิเศษหม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถเพิ่มหรือลดขดลวดที่ให้พลังงาน และส่งผลในการเพิ่มหรือลดสนามแม่เหล็กและจำนวนกระแสไฟไหลออกจากหม้อแปลงไฟฟ้า

ยูพีเอสแบบนี้นั้นทนต่อภาวะไฟตกเป็นระยะเวลานาน และ ไฟกระชาก โดยไม่ใช้พลังจากถ่านอันมีพลังงานจำกัด โดยการเลือกแถบพลังงานต่างๆของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบอัตโนมัติโดยอัตโนมัติ การเปลี่ยนแถบของหม้อแปลงไฟฟ้าแบบอัตโนมัติอาจทำให้เกิดการหยุดให้พลังงานเพียงระยะเวลาสั้นๆแล้วแต่การออกแบบตัวเครื่อง ซึ่งอาจทำให้ยูพีเอสซึ่งต่อกับตัวเตือนเมื่อพลังงานขาด "ร้องขึ้น" สักพักหนึ่ง

ออนไลน์/เปลี่ยนแปลงสองครั้ง

ถ่านของยูพีเอสแบบออนไลน์/เปลี่ยนแปลงสองครั้งนั้นจะต่อกับอินเวอร์เตอร์อยู่ตลอด จึงไม่จำเป็นต้องทำการสลับพลังงาน เมื่อการสูญเสียพลังงานเกิดขึ้น ตัวทำกระแสตรงนั้นจะออกจาวงจรไป และถ่านจะช่วยให้พลังงานที่คงที่ เมื่อพลังงานกลับมา ตัวทำกระแสตรงกลับมาช่วยรับพลังงานส่วนใหญ่และเริ่มชาร์จถ่าน แม้กระแสไฟฟ้าที่ถูกใช้การชาร์จนั้นอาจถูกจำกัดเพื่อป้องกันตัวทำกระแสตรงกำลังสูงไม่ให้ทำให้ถ่านร้อนเกินไปจนทำให้อิเล็กโทรไลต์เดือด ประโยชน์หลักของออนไลน์ยูพีเอสคือความสามารถในการสร้าง "ไฟร์วอลล์ไฟฟ้า" ระหว่างพลังงานที่เข้ามากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อันบอบบาง

ยูพีเอสแบบออนไลน์นั้นเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมซึ่งอุปกรณ์นั้นบอบบางต่อการแปรผันของพลังงานและมีความจำเป็นจะต้องมีแหล่งพลังงานที่มีความมั่นคง

อ้างอิง

1. "Electricity storage: Location, location, location … and cost - Battery storage for transmission support in Alaska". eia.gov.
2. E-book on choosing a UPS topology based on application type "Avoiding Trap Doors Associated with Purchasing a UPS System" (PDF). 
3. Solter, W. (2002), A new international UPS classification by IEC 62040-3, doi:10.1109/INTLEC.2002.1048709 
4. Detailed explanation of UPS topologies "High-Availability Power Systems, Part I: UPS Internal Topology" (PDF).
5. "UPS On-Line Uninterruptible Power Supply Backup Power Source".