การเลือกซื้อ UPS อย่างไรให้เหมาะสมเมื่อต้องจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับระบบไอที
ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com
 
ในปัจจุบันชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไอที (PSUs) มักจะได้รับการออกแบบให้ทำงานเข้ากันได้อย่างดีกับระบบจ่ายกำลังไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่น มีความทนทานมากกว่าชุดจ่ายกำลังไฟฟ้ารุ่นก่อน ๆ จนสามารถทำงานได้ปกติในช่วงที่แรงดันไฟฟ้าและความถี่แปรปรวนอย่างมาก รวมถึงมีวงจรปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังติดตั้งอยู่ในชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าจนทำให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าสามารถทำงานในสภาวะที่ค่าตัวประกอบกำลังมีค่าใกล้เคียงกับหนึ่ง (Unity Power Factor) ถึงแม้ว่าชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าจะได้รับการออกแบบให้มีความทนทานมากแค่ไหนก็ตาม อุปกรณ์ดังกล่าวก็ยังต้องการการป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นจากปัญหาคุณภาพพลังงานไฟฟ้า (Power Quality Problems) ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากระบบจ่ายกำลังไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่นหรือเกิดขึ้นจากระบบไฟฟ้าภายในอาคารนั้น ๆ เอง ด้วยเหตุผลดังกล่าวนี้ ทำให้อุปกรณ์ไอทียังต้องการแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีความเชื่อถือได้และมีคุณภาพสูงที่จะจ่ายกำลังไฟฟ้าให้ได้ตามมาตรฐานที่อุตสาหกรรมยอมรับ แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าคุณภาพสูงนี้คือ แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าต่อเนื่อง (Uninterruptible Power Supply) หรือ UPS นั่นเอง

เนื่องจาก UPS มีหลากหลายโมเดลให้เลือก UPS รุ่นไหนจึงจะสอดคล้องกับความต้องการของอุปกรณ์ไอที คำตอบนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ หลายปัจจัยประกอบกันขึ้น ได้แก่ แนวโน้มอุตสาหกรรม, เทคโนโลยีที่ก้าวหน้ามากขึ้น และระดับการป้องกันที่ต้องการ ดังนั้นการพิจารณาเลือกซื้อ UPS ผ่านมุมมองของ End–user ในที่นี้ก็คือชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าในอุปกรณ์ไอทีในเรื่องของคุณภาพพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการจึงเป็นวิธีการที่ถูกต้อง ความต้องการดังกล่าวมีรายละเอียดอย่างไรติดตามจากบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

ความต้องการที่ 1 แรงดันไฟฟ้าด้านเข้า (Input Voltage) ต้องอยู่ช่วงที่ยอมรับได้
ผู้ผลิตอุปกรณ์ไอทีมักจะใช้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าชนิดทั่วไปที่สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าหรือความถี่ที่แตกต่างกันในประเทศต่าง ๆ ทั่วโลก เช่น สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่มีค่าน้อย 100 VAC ในประเทศญี่ปุ่น หรือที่แรงดันไฟฟ้าที่มีค่ามาก 240 VAC ในประเทศอื่น ๆ ในสหรัฐอเมริกาชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องทำงานกับระบบไฟฟ้าชนิดเฟสเดียวที่แรงดันไฟฟ้า 120 VAC และ 240 VAC หรือระบบไฟฟ้าชนิด 3 เฟส ที่แรงดันไฟฟ้า 120 VAC, 208 VAC และ 240 VAC

ตามมาตรฐานที่กำหนดขึ้นโดย the Server System Infrastructure (SSI) Forum กำหนดให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันพิกัด 120 VAC ถึง 127 VAC ต้องทำงานได้ปกติที่ระดับแรงดันไฟฟ้าด้านเข้าตั้งแต่ 90 โวลต์ ถึง 140 โวลต์ และชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันพิกัด 200 VAC ถึง 240 VAC ต้องทำงานได้ปกติที่ระดับแรงดันไฟฟ้าด้านเข้าตั้งแต่ 180 โวลต์ ถึง 264 โวลต์ ค่ามาร์จินของแรงดันไฟฟ้าที่แท้จริงค่อนข้างกว้าง เนื่องจากผู้ผลิตต้องการให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าสามารถทำงานได้ในหลายประเทศทั่วโลก แรงดันไฟฟ้าด้านออกของชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าจะถูกจำกัดโดยอัตโนมัติโดยแรงดันไฟฟ้าด้านเข้าเพื่อป้องกันตัวชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าเองและวงจรไฟฟ้าภายในของอุปกรณ์ไอที ทุกวันนี้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าได้รับการออกแบบให้ทนทานมากกว่าเมื่อ 5 ปีที่แล้ว ทำให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าในปัจจุบันสามารถทำงานได้ปกติเมื่อแรงดันไฟฟ้าด้านเข้ามีค่าที่กว้างมากระหว่าง 90 โวลต์ ถึง 264 โวลต์

นั่นก็หมายถึงว่า UPS ต้องสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าภายในช่วงดังกล่าวให้กับชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าไม่ว่าแรงดันไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่นหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปรปรวนไปมากขนาดไหนก็ตาม เช่น ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีพิกัดกำลังไฟฟ้าสูงต้องการแรงดันไฟฟ้าด้านเข้าระหว่าง 200 โวลต์ ถึง 240 โวลต์ UPS ต้องสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 180 โวลต์ ถึง 264 โวลต์

ความต้องการที่ 2 ความถี่ด้านเข้า (Input Frequency) ต้องอยู่ช่วงที่ยอมรับได้
โดยทั่วไป ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีต้องสามารถทำงานได้ปกติในช่วงความถี่ระหว่าง 45 Hz ถึง 65 Hz เพื่อรองรับระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่นที่ความถี่ 50 Hz และ 60 Hz ดังนั้น UPS ต้องสามารถปรับแต่งและควบคุมความถี่ด้านออกของ UPS เพื่อให้เป็นไปตามที่ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีต้องการไม่ว่าความถี่ของระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่นหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปรปรวนไปมากขนาดไหนก็ตาม

ความต้องการที่ 3 ต้องมีกำลังไฟฟ้าด้านเข้า (Input Power) ที่เพียงพอเพื่อชดเชยผลจากค่าตัวประกอบกำลัง
วงจรไฟฟ้าที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนชนิดรีแอกทีฟ (คาปาซิเตอร์, อินดักเตอร์ และอุปกรณ์สวิตชิ่ง) จะมีคุณลักษณะของค่าตัวประกอบกำลังชนิด Distortion Power Factor กระแสไฟฟ้าด้านเข้า (Input Current) ของวงจรไฟฟ้าดังกล่าวนี้จะมีกระแสไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency) รวมกับกระแสไฟฟ้าที่ความถี่ฮาร์มอนิก (เป็นจำนวนเท่าของความถี่มูลฐาน) ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีก็มีคุณลักษณะดังกล่าวนี้ด้วย ความเพี้ยนฮาร์มอนิกและค่าตัวประกอบกำลังมีความสัมพันธ์กันโดยตรง ถ้าค่าตัวประกอบกำลังของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีมีค่ามาก ความเพี้ยนฮาร์มอนิกก็จะน้อยลง

ค่าตัวประกอบกำลังที่มีค่าน้อยเนื่องจากความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่มีค่าสูงเป็นสาเหตุทำให้เกิดกระแสเกินในตัวนำนิวตรอล, หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังเกิดความร้อนเกิน และร้ายแรงที่สุดก็คือเกิดเพลิงไหม้ภายในอาคาร ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่น่าเป็นห่วงสำหรับการใช้งานชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าชนิด Switch–mode Power Supply รุ่นเก่าที่ออกแบบมาเมื่อ 10 ปีที่แล้ว ปัญหานี้นำไปสู่การพัฒนาและกำหนดเป็นมาตรฐาน EN61000-3-3, EN61000-3-2, IEC 1000-4-7 เพื่อจำกัดความเพี้ยนฮาร์มอนิกของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า

ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าสมัยใหม่ที่มีพิกัดกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 50 วัตต์จะได้รับการออกแบบให้แก้ปัญหาค่าตัวประกอบกำลังที่มีค่าน้อย โดยมีวงจรปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังที่ด้านเข้าของอุปกรณ์เพื่อทำให้ค่าตัวประกอบกำลังมีค่าสูงขึ้นและทำให้กระแสไฟฟ้าด้านเข้ามีความเพี้ยนลดลง ยิ่งไปกว่านั้นชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีพิกัดกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 200 วัตต์ขึ้นไปจะมีวงจรปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังชนิดแอกทีฟที่ทำงานอัตโนมัติตามความต้องการกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอที ด้วยฟังก์ชั่นที่เพิ่มมากขึ้นนี้ทำให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าสามารถทำงานที่ค่าตัวประกอบกำลังที่มีค่าใกล้เคียงกับหนึ่งได้ โดยมีค่าตั้งแต่ 0.95 จนถึง 0.99

ดังนั้นในการคำนวณขนาดของ UPS ค่ากำลังไฟฟ้าที่แท้จริง (kW) มีความสำคัญมากกว่าค่ากำลังไฟฟ้าปรากฏ (kVA) เนื่องจากอุปกรณ์ไอทีมีค่าตัวประกอบกำลังที่มีค่าสูง ดังนั้นเมื่อต้องคำนวณหากำลังไฟฟ้าด้านออกและ Battery Back-up Time ต้องไม่ลืมที่จะใช้ค่ากำลังไฟฟ้าที่แท้จริงของ UPS

ความต้องการที่ 4 การถ่ายโอนไปยังแหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรองต้องเร็วกว่า PSU’s Hold-up Time
ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีจะมีอุปกรณ์สะสมพลังงานไฟฟ้า (Energy Storage Device) ส่วนใหญ่เป็นคาปาซิเตอร์ ทำหน้าที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไอทีเพื่อให้สามารถทำงานในช่วงเวลาสั้น ๆ ขณะที่ระบบไฟฟ้ากำลังปกติหยุดชะงัก ช่วงเวลาดังกล่าวนี้เรียกว่า “Hold-up Time” และขึ้นกับค่าความจุไฟฟ้าภายใน (Internal Capacitance) ของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าด้านออก

ตามมาตรฐานของอุปกรณ์ไอทีที่กำหนดโดย SSI Forum ได้กำหนดให้ค่า Hold–up Time มีค่าเท่ากับหนึ่งลูกคลื่น (One Cycle) ที่ค่ากำลังไฟฟ้าด้านออกสูงสุด เนื่องจากอุปกรณ์ไอทีได้รับการออกแบบให้จำหน่ายไปทั่วโลก ดังนั้นค่า Hold–up Time ที่น้อยที่สุดเท่ากับ 20 msec (50 Hz AC Cycle) เวลานี้อาจจะนานขึ้นถ้ามีโหลดน้อย

อย่างไรก็ตามจากภาวะกดดันด้านการตลาดทำให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าจะมีขนาดที่เล็กลงและลดต้นทุนลง ทำให้ผู้ผลิตมักจะออกแบบให้ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้ามีขนาดคาปาซิเตอร์ที่เล็กลงทำให้ Hold–up Time สั้นลง ในกรณีนี้อาจจะชดเชยด้วยการออกแบบให้มีแหล่งจ่ายไฟฟ้า 2 แหล่งจ่ายชนิด Redundancy โดยแหล่งจ่ายไฟฟ้าแต่ละแหล่งจ่ายโหลดไฟฟ้าเพียง 50% ทำให้สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดได้นานขึ้น

ประเด็นที่เกี่ยวข้องกับ Hold–up Time อีกประเด็นหนึ่งก็คือกระแสกระชากสูงสุด (Peak Inrush Current) ที่เกิดขึ้นเมื่อต้องชาร์จตัวเก็บประจุให้เต็มหลังจากที่ดิสชาร์จไปแล้ว เมื่อต่ออุปกรณ์ไอทีกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Source) อุปกรณ์ไอทีจะดึงกระแสไฟฟ้าที่มีค่าสูงมากตั้งแต่ 10–60 เท่าของกระแสโหลดปกติในช่วงเวลาสั้นตั้งแต่ 2 msec ถึง 10 msec

และเช่นเดียวกันกับการเกิดกระแสกระชากเมื่อเปิดเครื่องใหม่ กระแส surge current เกิดขึ้นเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุเมื่อไฟฟ้าปกติหยุดชะงักเป็นเวลาสั้น ๆ ถ้าไฟฟ้าหยุดชะงักเป็นเวลา 5 msec จะเกิดกระแส Surge Current นาน 10 msec และมีขนาด 300% ของกระแสโหลดปกติ และถ้าไฟฟ้าหยุดชะงักเป็นเวลา 10 msec ถึง 15 msec กระแส Surge Current ที่เกิดขึ้นจะมีค่ามากถึง 700% ถึง 1,000 % ของกระแสโหลดปกติ และเกิดขึ้นเป็นเวลานานตั้งแต่ 20 msec ถึง 30 msec (1 Cycle–1.5 Cycle)

อันดับแรก ในกรณีที่ UPS เกิดการหยุดชะงัก ไม่สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าที่ด้านออกของ UPS ได้ กรณีนี้ต้องเกิดขึ้นไม่นานไปกว่า Hold–up Time ของชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอที และนั่นก็หมายความว่า UPS ต้องมีค่า transfer time อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ เช่น จาก Normal Mode ไปยัง Battery Back-up Mode หรือในทางกลับกัน หรือระหว่าง High–efficiency Mode กับ Double Conversion Mode ของ UPS ประเภท New Energy Saving

ค่า Hold–up Time ของเซิร์ฟเวอร์ชนิด Single–corded และชนิด Multiple–corded มีค่าที่แตกต่างกัน เนื่องจากยิ่งมีชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าในอุปกรณ์ไอทีมากเท่าไร โหลดไฟฟ้าที่ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องจ่ายให้แต่ละชุดก็จะมีค่าน้อย ทำให้ Hold–up Time นานขึ้น อุปกรณ์ไอทีชนิด Single–corded ต้องการ UPS ที่มีค่า Transition Time ที่น้อยเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาอุปกรณ์ไอทีหยุดทำงานหรือต้องบูตเครื่องใหม่กะทันหัน

เวลาการถ่ายโอนของ UPS ต้องเร็วกว่า Maximum Hold–up Time เพราะว่ายิ่งชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าทำงานขณะระบบไฟฟ้าหยุดชะงักชั่วคราวนานเท่าไร ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าก็จะยิ่งดึงกระแส Surge Current เมื่อไฟฟ้ากลับมาเป็นปกติมากยิ่งขึ้นเท่านั้น ในกรณีที่ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าอุปกรณ์ไอทีทำงานขณะไฟฟ้าปกติหยุดชะงักเป็นเวลานานมากกว่า 5 msec ถึง 10 msec กระแส Inrush Current ที่ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีต้องการจะมีปริมาณมากกว่าที่ ชุดอินเวอร์เตอร์ของ UPS จะจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ได้ ในที่สุดก็จะทำให้ UPS หยุดทำงานเพื่อป้องกันอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์ของ UPS

ความต้องการที่ 5 การป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นจากปัญหา Power Condition
ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไอทีมักจะได้รับการออกแบบให้สามารถทำงานในกรณีที่เกิดแรงดันตก (Sag) ต่ำกว่าแรงดันปกติ (Nominal Voltage) 10% หรือเกิดแรงดันเกิน (Surge) สูงกว่าแรงดันปกติ (Nominal Voltage) 10% ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องสามารถทำงานในกรณีที่เกิดแรงดันเกิน 30% จากจุดกึ่งกลาง (Mid-point) ของแรงดันปกติ (286 V สำหรับชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้า 220 VAC) ในช่วงเวลา 0.5 ลูกคลื่น หรือเป็นเวลา 8 msec ถึง 10 msec

สำหรับปรากฏการณ์ทรานเซียนต์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Fast AC Line Transients) แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องได้รับการออกแบบให้เป็นไปตามมาตรฐาน EN61000-4-5 Directive และ IEC1000-4-5:1995/the Level 3 Requirements for Surge โดยชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องทนทานต่อแรงดันเกินโดยไม่ทำให้การทำงานปกติหยุดชะงัก  

ความทนทานเหล่านี้ได้กำหนดโดยกราฟ Information Technology Industry Council (ITIC) ซึ่งพิมพ์เผยแพร่โดย ITIC Technical Committee 3 (TC3) กราฟ ITIC ได้กำหนดกรอบแรงดันไฟฟ้า (Voltage Envelope) ที่ชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไอทีสามารถทนทานได้โดยไม่หยุดทำงาน

รูปที่ 1 กราฟ ITIC

แรงดันไฟฟ้าด้านออกของ UPS ต้องอยู่ในโซนที่ยอมรับได้ตามที่กำหนดโดยกราฟ ITIC สำหรับทุก ๆ กรณีของแรงดันไฟฟ้าด้านเข้า UPS ต้องได้รับการออกแบบให้สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับชุดจ่ายกำลังไฟฟ้าโดยแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวนี้ต้องไม่อยู่ในโซนต้องห้ามที่กราฟ ITIC ห้ามเอาไว้ (Prohibited Range) เพราะแรงดันไฟฟ้าในโซนต้องห้ามนี้เป็นอันตรายต่ออุปกรณ์ไอที

เอกสารอ้างอิง
1. www.ecmweb.com
2. What Your IT Equipment Needs From A UPS–EC&M December 2011