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
`