في المنشآت التي لا تحتمل انقطاع الكهرباء، مثل مراكز البيانات والمستشفيات والمطارات والمنشآت الصناعية، لا يقتصر اختيار نظام إمداد الطاقة غير المنقطع (UPS) على حساب الأحمال وتحديد القدرة المناسبة. فتصميم النظام يؤثر أيضاً في حجم غرف الكهرباء، وقدرة المولدات، واحتياجات التبريد، وخطة الصيانة، والمساحة المطلوبة، والتكلفة الإجمالية للمشروع.
يمكن لكل من أنظمة UPS الديناميكية والثابتة توفير الطاقة للأحمال التي تتطلب استمرارية التغذية، لكن لكل تقنية تطبيقات تكون فيها أكثر ملاءمة من غيرها. ويستعرض هذا الدليل أربعة عوامل تساعد المهندسين والاستشاريين على تقييم متى يكون النظام الديناميكي، مثل mtu Kinetic PowerPack (KPP)، خياراً جديراً بالدراسة منذ مرحلة التصميم الأولي.
الخلاصة المباشرة: يجمع نظام UPS الديناميكي (DRUPS) بين المحرك والمولد وعجلة موازنة تخزّن الطاقة الحركية، للمحافظة على التغذية أثناء الانتقال من مصدر الكهرباء الرئيسي إلى التوليد الاحتياطي. أما نظام UPS الثابت فيعتمد عادةً على البطاريات والإلكترونيات القدرة. ويعتمد الاختيار الأنسب على حجم الأحمال الحرجة وتوزيعها ومتطلبات الاستمرارية والمساحة والتكلفة الإجمالية.
ما هو نظام UPS الديناميكي (DRUPS)؟
نظام UPS الديناميكي (DUPS) هو نظام لإمداد الطاقة غير المنقطع يستخدم معدات ميكانيكية دوّارة، عادةً آلة متزامنة وعجلة موازنة أو منظومة لتخزين الطاقة الحركية، بدلاً من الاعتماد بصورة أساسية على محولات إلكترونيات القدرة والبطاريات. وتستخدم بعض الشركات مصطلح DUPS، بينما تستخدم شركات أخرى مصطلح DRUPS، أي نظام UPS الدوّار الديناميكي.
عند انقطاع التغذية من الشبكة، تساعد الطاقة الحركية المخزّنة في عجلة الموازنة على سد الفجوة الزمنية إلى أن يصبح مصدر التوليد الاحتياطي جاهزاً لتغذية الأحمال. ويختلف ذلك عن أنظمة UPS الثابتة التقليدية التي تخزّن الطاقة كيميائياً داخل البطاريات.
ما هو نظام UPS الثابت؟
يعتمد نظام UPS الثابت عادةً على البطاريات لتخزين الطاقة وعلى إلكترونيات القدرة لتحويلها وتوفير التغذية للأجهزة المحمية عند انقطاع مصدر الكهرباء الرئيسي. وتستمر البطاريات في تغذية الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع أثناء بدء تشغيل المولد الاحتياطي وانتقال النظام إلى مصدر الطوارئ.
يمكن تركيب أنظمة UPS الثابتة في وحدات معيارية بالقرب من مجموعات الأحمال المختلفة، مع مواءمة القدرة ومستوى الاحتياطية لكل منطقة كهربائية. وقد يتطلب النظام، إلى جانب وحدات UPS، بطاريات وخزائن أو غرفاً مخصصة لها، وحماية لدوائر التيار المستمر، وتبريداً، ومفاتيح كهربائية ومعدات مساندة. لذلك يجب مقارنة تكلفة المنظومة كاملة، لا سعر وحدة UPS وحدها.
مقارنة بين UPS الديناميكي وUPS الثابت
يوضح الجدول التالي أبرز الفروق الواردة في دليل التصميم. وتظل النتائج الفعلية مرتبطة بالمعدات المختارة وتصميم المشروع.
| عنصر المقارنة | UPS الديناميكي (DUPS/DRUPS) | UPS الثابت |
| تخزين الطاقة | طاقة حركية مخزّنة في عجلة موازنة | طاقة كيميائية مخزّنة في البطاريات |
| المكونات الرئيسية | معدات دوّارة وآلة متزامنة وعجلة موازنة ومحرك ومولد | إلكترونيات قدرة وبطاريات ومعدات كهربائية مساندة |
| الأحمال الصغيرة أو الموزعة | تُقيّم ملاءمته وفق التكلفة الإجمالية للمنظومة | حل مرن واقتصادي في كثير من التطبيقات المعيارية |
| الأحمال الكبيرة والمركّزة | قد يحقق جدوى اقتصادية أفضل مع زيادة القدرة المحمية | قد يتطلب وحدات إضافية وبطاريات وبنية مساندة أكبر |
| اعتبارات تحديد السعة | حمل الاستمرارية يؤثر في حجم عجلة الموازنة، وإجمالي حمل الطوارئ يؤثر في حجم المحرك والمولد | تُحدّد سعة البطاريات وفق الحمل المحمي ومدة الاستقلالية المطلوبة |
| المساحة | يشير دليل التصميم إلى إمكانية خفض المساحة بنحو 40% مقارنة بترتيب تقليدي لنظام UPS ثابت | قد يحتاج إلى مساحة للبطاريات والمحولات والمعدات المساندة |
| الأحمال الحثية | يمكن للآلة المتزامنة التعامل مع تيارات بدء مرتفعة ضمن حدود التصميم | قد تؤدي حدود التيار في إلكترونيات القدرة إلى الحاجة لتكبير السعة |
1. حجم الأحمال المحمية ومدى تركّزها
ينبغي عند اختيار بنية نظام UPS النظر إلى القدرة الاسمية للأحمال المحمية وإلى الأثر الاقتصادي لتنفيذ منظومة الحماية الكهربائية كاملة. فإجمالي الحمل الحرج وحده لا يكفي؛ إذ يجب أيضاً معرفة كيفية توزيع الأحمال على كتل كهربائية منفصلة ومستوى تطبيق الحماية.
في الأحمال الصغيرة أو الموزعة، قد توفر أنظمة UPS الثابتة حلاً اقتصادياً ومرناً. ويمكن تركيب وحدات معيارية بالقرب من مجموعات الأحمال، مع ضبط السعة والاحتياطية وفق متطلبات كل منطقة كهربائية.
مع زيادة القدرة المحمية، قد تتطلب وحدات UPS الثابتة الإضافية زيادةً في سعة البطاريات وخزائنها أو غرفها، وحماية دوائر التيار المستمر، والتبريد، وقدرة المولد الاحتياطي، ومعدات التوزيع والأنظمة المساندة. لذلك ينبغي أن تنتقل المقارنة من سعر وحدة UPS إلى التكلفة الإجمالية للمنظومة المركبة.
يشير دليل التصميم إلى أن أنظمة UPS الديناميكية قد تصبح أكثر جدوى من حيث التكلفة عندما يتجاوز الحمل المحمي نحو 1,500 كيلوفولت أمبير لكل كتلة كهربائية. وهذه نقطة تقديرية للمقارنة الاقتصادية الأولية وليست حداً أدنى فنياً، إذ تتوفر أنظمة ديناميكية بقدرات أقل من ذلك.
2. نسبة الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع إلى أحمال الانقطاع القصير
تنقسم أحمال الطوارئ إلى فئتين رئيسيتين:
- الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع: أحمال لا تقبل فقدان التغذية ولو لجزء من الثانية، مثل أحمال تقنية المعلومات في مراكز البيانات، والمعدات الطبية الحرجة في المستشفيات، وأنظمة رادار المطارات وإنارة المدارج.
- الأحمال التي تتحمل انقطاعاً قصيراً: أحمال يمكنها تحمّل انقطاع مؤقت إلى حين بدء المولد، ويشير الدليل الأصلي إلى مدة تقريبية من 10 إلى 15 ثانية. ومن أمثلتها الإنارة العامة والمبرّدات والمضخات، وفق متطلبات كل معدّة.
تُستخدم أنظمة UPS لتغذية الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع، بينما يغطي المولد إجمالي أحمال الطوارئ، أي الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع والأحمال التي تتحمل انقطاعاً قصيراً. وفي الأنظمة الديناميكية، يؤثر حجم أحمال الاستمرارية في تحديد حجم عجلة الموازنة، بينما يؤثر إجمالي حمل الطوارئ في تحديد سعة المحرك والمولد.
كقاعدة إرشادية أولية، يذكر دليل التصميم أن النظام الديناميكي قد يكون مجدياً تجارياً عندما تمثل الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع 50% أو أكثر من إجمالي أحمال الطوارئ. وقد ينطبق ذلك على مراكز البيانات والمستشفيات وأنظمة المطارات الحرجة ومحطات البث ومنشآت التصنيع ذات العمليات الحرجة. وينبغي استخدام هذه النسبة كمؤشر أولي لا كقاعدة اختيار منفردة.
3. قيود المساحة
قد يوفر نظام UPS الديناميكي وفراً في المساحة يصل إلى نحو 40% مقارنة بنظام UPS ثابت تقليدي، وفقاً لدليل التصميم الأصلي. وقد تشمل منظومة UPS الثابتة محولات القدرة، ولوحات تصحيح معامل القدرة، والبطاريات، ومرشحات التوافقيات، ومفتاح التحويل الآلي ومجموعات المولدات.
أما النظام الديناميكي فيجمع المحرك والمولد وعجلة الموازنة ضمن منظومة واحدة، إلى جانب لوحات القدرة والتحكم، ما قد يقلل الحاجة إلى غرف بطاريات منفصلة ومساحة للمكونات الأخرى. ويعتمد الوفر الفعلي على المعدات المختارة وتخطيط الموقع وحدود المقارنة.
الشكل 2: الترتيب التقليدي لنظام UPS الثابت
الشكل 3: ترتيب نظام UPS الديناميكي
4. الأحمال الحثية
تحتاج الأحمال الحثية، مثل المحركات والمضخات، إلى تيار مرتفع عند بدء التشغيل. وبما أن نظام UPS الثابت يعتمد على إلكترونيات القدرة لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، فإن قدرته على توفير تيارات البدء تخضع لحدود تصميمية محددة. وقد يتطلب تلبية هذه المتطلبات اختيار نظام بسعة أكبر.
يوفر نظام UPS الديناميكي الطاقة من خلال آلة متزامنة يمكنها دعم متطلبات تيار البدء المرتفع، وفقاً لقدرات المعدات وتصميم النظام. وفي التطبيقات المناسبة، قد يقلل ذلك الحاجة إلى تكبير السعة لأغراض بدء التشغيل، بما ينعكس على التكلفة الإجمالية.
كيف تختار نظام UPS الأنسب لمشروعك؟
يتطلب اختيار نظام UPS الأمثل تقييم منظومة الحماية الكهربائية كاملة، وليس الحمل الحرج المتصل فقط. وتظل الأنظمة الثابتة مناسبة للأحمال الصغيرة والموزعة التي تستفيد من المرونة والتصميم المعياري. أما الأحمال الكبيرة والمركّزة، فقد توفر أنظمة UPS الديناميكية لها جدوى أفضل على مدى دورة الحياة ومساحة تركيب أقل، بحسب متطلبات المشروع.
دعم تصميم أنظمة UPS من المسعود ، قسم الطاقة
المسعود، قسم الطاقة هي الموزع المعتمد لـ mtu، إحدى حلول Rolls-Royce، في الإمارات العربية المتحدة والعراق والبحرين. وبخبرة تتجاوز خمسة عقود في حلول الطاقة، تجمع الشركة بين المعرفة الإقليمية وأفضل الممارسات الهندسية لدعم العملاء بدءاً من الاستشارات والتصميم، وصولاً إلى التركيب وخدمات ما بعد البيع.
كما يضم فريق الخدمة فنيين مدرّبين ومعتمدين لصيانة المحركات، وتوفر الشركة مركز خدمة مجهزاً لأعمال التشخيص والصيانة والإصلاح.
هل تخطط لمشروع يتطلب طاقة احتياطية موثوقة؟ يمكنك تصميم المخطط الأحادي الخط (SLD) لنظام DUPS باستخدام أداة mtu SLD Builder، أو التواصل مع فريق المسعود للطاقة للحصول على الدعم الفني المناسب لمشروعك.
هل نظام UPS الديناميكي أكثر موثوقية من النظام الثابت؟
ليس بالضرورة في جميع الحالات. يمكن تصميم كلا النظامين لتوفير مستوى عالٍ من موثوقية التغذية. وتعتمد النتيجة على بنية النظام، والاحتياطية، واختيار المكونات، والصيانة، وطريقة التكامل مع مصدر التوليد الاحتياطي.
ما أعمال الصيانة المطلوبة لنظام DRUPS؟
يتطلب نظام DRUPS صيانة دورية للمحرك والمولد والمكونات الدوّارة وعجلة الموازنة وأنظمة التحكم والمعدات الكهربائية المرتبطة بها. ويجب تحديد الأعمال والفترات الزمنية وفقاً لتوصيات الشركة المصنّعة وطراز المعدات وظروف التشغيل.
هل يمكن استخدام UPS الديناميكي في المستشفيات ومراكز البيانات؟
نعم، يمكن دراسة استخدام UPS الديناميكي في المستشفيات ومراكز البيانات عندما تتوافق خصائص الأحمال وتصميم منظومة الطوارئ مع متطلبات النظام. ويجب التمييز بين الأحمال التي لا تحتمل الانقطاع والأحمال التي تتحمل انقطاعاً قصيراً، مع مراعاة الاحتياطية والمعايير والمتطلبات المعمول بها.
