UPS และการนำไปประยุกต์ใช้งาน
อมร สุวรรณชัยสกุล 

วิศวกรผู้เชี่ยวชาญด้านระบบสำรองไฟฟ้า บริษัท ไซท์ เพรพพาเรชั่น แมเนจเมนท์ จำกัด
amorns@sitem.co.th

    เครื่องสำรองไฟฟ้าต่อเนื่อง (Uninterruptible Power Supply) หรือที่รู้จักกันโดยทั่วไปว่า UPS นั้น เป็นอุปกรณ์สำหรับจ่ายพลังงานไฟฟ้าประเภทหนึ่ง โดยไฟฟ้าที่ผลิตออกมาจะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับจ่ายให้กับอุปกรณ์ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่ว ๆ ไป เพียงแต่มีความพิเศษอยู่ที่ว่าในกรณีไฟฟ้าจากการไฟฟ้าเกิดขัดข้อง UPS ที่ว่านี้จะยังสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออยู่ได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ขาดช่วง

     ในสมัยก่อนนั้นเราใช้ UPS เพียงเพื่อเป็นอุปกรณ์สำหรับปรับปรุงคุณภาพทางไฟฟ้าให้เป็นไปตามที่ต้องการ โดยจะใช้กับอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีความสำคัญและต้องการความเสถียรภาพของไฟฟ้าสูง เช่น ระบบคอมพิวเตอร์, ระบบควบคุม, เครื่องมือแพทย์, เครื่องวัด, เครื่องทดสอบต่าง ๆ รวมถึงระบบเครื่องเสียงใหญ่ ๆ

     แต่ในปัจจุบัน เนื่องจากอัตราการเติบโตของเทคโนโลยีที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ ส่งผลให้มีความต้องการใช้ UPS มากขึ้น ประกอบกับสภาวะการแข่งขันในตลาดที่มีมากขึ้นส่งผลให้ราคาของ UPS เฉลี่ยในปัจจุบันไม่สูงมากนัก UPS จึงเริ่มเป็นที่รู้จัก และได้ถูกนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น

คำนิยามและคุณสมบัติทางเทคนิคพื้นฐานเกี่ยวกับ UPS

          • Power Rating
                       
           การเรียกขนาดของ UPS เราจะเรียกตามพิกัดกำลังไฟฟ้าที่ UPS นั้น ๆ สามารถผลิตออกมาได้ โดยมีหน่วยเป็น VA (Volt-Ampere) ซึ่งโดยทั่วไปเราจะเห็นได้ตั้งแต่ขนาด 500 VA สำหรับใช้กับ PC ทั่ว ๆ ไป จนกระทั่งขนาดมากกว่า 100,000 VA สำหรับใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือศูนย์คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่
                 

          • Power Factor (P.F.)

            ค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์หรือค่าตัวประกอบกำลังทางไฟฟ้า จะเป็นตัวบอกประสิทธิภาพและความสามารถในการรองรับ Load ประเภทต่าง ๆ ที่จะนำมาใช้ร่วมกับ UPS ซึ่งปกติอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างชนิดกันก็จะมีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์ที่แตกต่างกันออกไป ซึ่ง UPS ปกติทั่วไปจะมีค่า Output Power Factor เท่ากับ 0.8 ซึ่งถือว่าเพียงพอต่อการรองรับ Load หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าเกือบทุกประเภท ซึ่งรวมถึงระบบคอมพิวเตอร์, ระบบควบคุม หรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้
              

            • Backup Time

            หรือระยะเวลาการสำรองไฟของ UPS หลังเกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าขัดข้อง ซึ่งค่าดังกล่าวสามารถปรับเปลี่ยนให้มากหรือน้อยได้ตามความต้องการและความเหมาะสมในการใช้งานแต่ละประเภท ซึ่งโดยปกติผู้ผลิตทั่วไปจะออกแบบให้ UPS มีระยะเวลาการสำรองไฟ (ที่สภาวะ Load เต็มพิกัด) อยู่ในช่วงระหว่าง 5-20 นาที นั่นหมายความว่าหากอุปกรณ์ไฟฟ้าที่นำมาเชื่อมต่อกับ UPS มีจำนวนน้อยลงหรือกินไฟน้อยลง ระยะเวลาในการสำรองไฟก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

      ระบบไฟฟ้าที่ใช้งานทั่วไปในประเทศไทย  จะมีอยู่ 2 ระบบคือ

         1. ระบบไฟฟ้า 1 Phase (220 V, 50 Hz) เหมือนไฟฟ้าที่ใช้กันตามบ้านทั่วไป

         2. ระบบไฟฟ้า 3 Phase (380 V, 50 Hz) ซึ่งจะใช้กับไฟฟ้าในอาคารขนาดใหญ่หรือตามโรงงานอุตสาหกรรม
 
         ซึ่ง UPS ที่ใช้กันในปัจจุบัน ก็มีให้ผู้ใช้งานสามารถเลือกใช้ได้ตามความต้องการทั้งที่รองรับระบบไฟฟ้าแบบ 1 Phase (220 V, 50 Hz) และแบบ 3 Phase (380 V, 50 Hz) ดังนี้ 
         
      - UPS แบบที่รับไฟด้านเข้าแบบ 1 Phase (220 V, 50 Hz)/ผลิตไฟฟ้าออกมาเป็น 1 Phase (220 V, 50 Hz) ปกติจะมีตั้งแต่ขนาด 500VA – 20,000 VA (20 kVA)
    
      - UPS แบบที่รับไฟด้านเข้าแบบ 3 Phase (380 V, 50 Hz)/ผลิตไฟฟ้าออกมาเป็น 1 Phase (220 V, 50 Hz) ปกติจะมีตั้งแต่ขนาด 10,000 VA (10 kVA) – 100,000 VA (100 kVA)

      - UPS แบบที่รับไฟด้านเข้าแบบ 3 Phase (380 V, 50 Hz)/ผลิตไฟฟ้าออกมาเป็น 3 Phase (380 V, 50 Hz) ปกติจะมีตั้งแต่ขนาด 10,000 VA (10 kVA) – 800,000 VA (800 kVA)

 การแบ่งประเภทของ UPS

     เครื่องสำรองไฟฟ้าต่อเนื่อง หรือ UPS ในอุดมคตินั้น นอกจากจะต้องสำรองไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องในกรณีที่เกิดไฟฟ้าขัดข้อง แล้ว ยังจะต้องสามารถผลิตไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูงมาก ๆ ออกมาได้ กล่าวคือ ขนาดแรงดันไฟฟ้า (Voltage) และความถี่ (Frequency) ที่ UPS ผลิตออกมาจะต้องตรงตามที่ต้องการ (1 Phase/220V/50Hz หรือ 3 Phase/380V/50Hz) รวมทั้งมีความเสถียรภาพของไฟฟ้าสูง คือมีความผิดเพี้ยนจากขนาดปกติน้อยที่สุด ในทุก ๆ สภาวะการทำงานของเครื่อง
           
       ดังนั้นการแบ่งประเภทของ UPS ในปัจจุบัน จึงแบ่งออกตามสมรรถนะในการทำงานของ UPS นั้น ๆ โดยอ้างอิงตามมาตรฐานยุโรป และสากล EN 50091-3/IEC 62040-3 ซึ่งแบ่ง UPS ออกเป็น 3 ประเภทหลัก ๆ ดังนี้

1. VFD Class (Voltage and Frequency Dependent)
              
     หรือในชื่อเดิมที่คุ้นเคยกันคือ “OFF-LINE” UPS โดยลักษณะของไฟฟ้าที่ผลิตออกมาจาก UPS VFD Class นี้ จะขึ้นกับคุณภาพของไฟฟ้าจากการไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่ ทั้งในเรื่องแรงดันไฟฟ้าและความถี่ กล่าวคือ ถ้าไฟฟ้าจากการไฟฟ้าเกิดผิดเพี้ยนไปจากปกติ ก็จะส่งผลให้ไฟฟ้าที่ UPS ผลิตออกมาผิดเพี้ยนไปด้วย
   ซึ่ง UPS ประเภทนี้ เหมาะกับการใช้งานกับอุปกรณ์ทั่ว ๆ ไปที่ไม่ต้องการคุณภาพไฟฟ้าที่สูงมากนัก และเหมาะสำหรับใช้ในบริเวณที่ได้รับไฟฟ้าจากการไฟฟ้าที่ค่อนข้างเสถียร และเกิดปัญหาไม่บ่อยมากนัก

2. VI Class (Voltage Independent)
      
      หรือที่เดิมเคยเรียกกันว่า “Line Interactive” UPS ซึ่ง UPS VI Class นี้จะแตกต่างจาก UPS VFD Class ตรงที่ลักษณะของไฟฟ้าที่ผลิตออกมา จะขึ้นกับคุณภาพของไฟฟ้าจากการไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่ เฉพาะในเรื่องของความถี่เท่านั้น กล่าวคือ ถ้าไฟฟ้าจากการไฟฟ้าเกิดผิดเพี้ยนไปจากปกติ จะส่งผลให้ความถี่ทางไฟฟ้าที่ UPS ผลิตออกมาผิดเพี้ยนไปด้วย แต่จะไม่เป็นผลกับขนาดแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตออกมาแต่อย่างใด
UPS ประเภทนี้ เหมาะกับการใช้งานกับอุปกรณ์ที่ต้องการคุณภาพไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยเฉพาะในเรื่องของแรงดันไฟฟ้า และใช้ในบริเวณที่ได้รับไฟฟ้าจากการไฟฟ้าที่ค่อนข้างเสถียร และเกิดปัญหาไม่บ่อยมากนักเช่นกัน

3. VFI Class (Voltage and Frequency Independent)

      หรือเดิมคุ้นเคยกันในชื่อของ True on-line หรือ Double Conversion ซึ่งคุณภาพของไฟฟ้าที่ผลิตออกมาจาก UPS ประเภท VFI Class นี้ ถือว่าสมบูรณ์ที่สุด โดยไฟฟ้าที่ UPS ผลิตออกมานั้นจะมีแรงดันและความถี่ทางไฟฟ้าคงที่ตลอดเวลา แม้ว่าสภาพของไฟฟ้าจากการไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่จะเป็นอย่างไรก็ตาม
UPS ประเภทนี้จึงเหมาะกับการใช้งานกับอุปกรณ์ที่ต้องการคุณภาพและเสถียรภาพของไฟฟ้าที่สูงมาก ๆ หรือใช้ในบริเวณที่พบปัญหาบ่อยในเรื่องคุณภาพไฟฟ้าจากการไฟฟ้า

แนวคิดในการออกแบบเพื่อการต่อขนานเครื่องสำรองไฟฟ้าต่อเนื่อง (UPS) 

           หลายคนอาจจะเคยได้ยินเกี่ยวกับการนำ UPS หลาย ๆ เครื่องมาเชื่อมต่อเพื่อทำงานร่วมกัน (Parallel Connect) แต่รู้หรือไม่ว่าการนำ UPS มาเชื่อมต่อแบบ Parallel นี้ มีผลดีต่ออุปกรณ์ที่เชื่อมต่อด้วยอย่างไรบ้าง ?
 วัตถุประสงค์ในการใช้งาน UPS โดยนำมาเชื่อมต่อแบบขนานกันนั้น สามารถทำได้ 2 กรณีโดยแบ่งออกตามวัตถุประสงค์ของการใช้งานซึ่งขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้งานและประเภทของการใช้งานนั้น ๆ คือ

           หลายคนอาจจะเคยได้ยินเกี่ยวกับการนำ UPS หลาย ๆ เครื่องมาเชื่อมต่อเพื่อทำงานร่วมกัน (Parallel Connect) แต่รู้หรือไม่ว่าการนำ UPS มาเชื่อมต่อแบบ Parallel นี้ มีผลดีต่ออุปกรณ์ที่เชื่อมต่อด้วยอย่างไรบ้าง ? วัตถุประสงค์ในการใช้งาน UPS โดยนำมาเชื่อมต่อแบบขนานกันนั้น สามารถทำได้ 2 กรณีโดยแบ่งออกตามวัตถุประสงค์ของการใช้งานซึ่งขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้งานและประเภทของการใช้งานนั้น ๆ คือ

           หลายคนอาจจะเคยได้ยินเกี่ยวกับการนำ UPS หลาย ๆ เครื่องมาเชื่อมต่อเพื่อทำงานร่วมกัน (Parallel Connect) แต่รู้หรือไม่ว่าการนำ UPS มาเชื่อมต่อแบบ Parallel นี้ มีผลดีต่ออุปกรณ์ที่เชื่อมต่อด้วยอย่างไรบ้าง ? วัตถุประสงค์ในการใช้งาน UPS โดยนำมาเชื่อมต่อแบบขนานกันนั้น สามารถทำได้ 2 กรณีโดยแบ่งออกตามวัตถุประสงค์ของการใช้งานซึ่งขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้งานและประเภทของการใช้งานนั้น ๆ คือ

     1. การเชื่อมต่อแบบขนานกันเพื่อเพิ่มขนาดพิกัดกำลังของเครื่องสำรองไฟฟ้า (Expansion Capacity)
                  
     การเชื่อมต่อชนิดนี้ ส่วนใหญ่จะใช้ในกรณีที่มี UPS เดิมใช้อยู่แล้ว แต่เนื่องด้วยภาระไฟฟ้าหรืออุปกรณ์ที่ใช้งานนั้นเพิ่มจำนวนขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งเกินพิกัดกำลังไฟฟ้าของ UPS เดิม จึงจำเป็นต้องติดตั้ง UPS ในขนาดพิกัดกำลังที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งเทคโนโลยีของ UPS ในปัจจุบันสามารถติดตั้ง UPS รุ่นเดียวกันเพิ่ม โดยให้ทำงานร่วมกับ UPS ที่ติดตั้งอยู่เดิมได้ทันที โดยไม่มีผลกระทบในเรื่องคุณภาพของไฟฟ้าที่จ่ายออกมา อีกทั้งยังไม่ก่อให้เกิดปัญหาเรื่องความไม่สอดคล้องกันของเฟสทางไฟฟ้าที่ออกมาจาก UPS ทั้งสองเครื่อง (Phase Synchronization) อีกด้วย

     2. การเชื่อมต่อแบบขนานกันเพื่อเพิ่มความเสถียรภาพของระบบ (Parallel Redundancy)

    วิธีการออกแบบเพื่อเชื่อมต่อเครื่องสำรองไฟฟ้าประเภทนี้ จะพบได้มากในศูนย์ข้อมูล, ศูนย์คอมพิวเตอร์, ห้องควบคุมระบบ หรือการติดตั้งใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ที่มีความสำคัญมาก ๆ เนื่องจากการเชื่อมต่อแบบ Parallel Redundancy นี้ มีความเสถียรภาพของระบบสูงมาก ๆ (Reliability > 99%) ซึ่งสามารถรองรับการทำงานของอุปกรณ์ได้อย่างต่อเนื่อง แม้ในกรณี UPS เครื่องใดเครื่องหนึ่งที่ใช้งานอยู่เกิดมีปัญหา หรือจำเป็นต้องหยุดระบบ UPS เพื่อการซ่อมบำรุง

 

   (a) สภาวะการทำงานปกติ โดยกำหนดให้ UPS ทั้งสองเครื่องจะแบ่งจ่ายไฟฟ้าสูงสุดที่เครื่องละ 50% ของพิกัด UPS แต่ละเครื่อง

 

     (b) สภาวะการทำงานที่ UPS เครื่องใดเครื่องหนึ่งชำรุด หรือต้องการหยุดระบบเพื่อตรวจเช็ค,

      ซ่อมบำรุง เครื่องที่เหลือจะรองรับการจ่ายไฟฟ้าที่ 100% Load โดยอัตโนมัติทันที

  รูปแสดงลักษณะการเชื่อมต่อแบบขนานกันเพื่อเพิ่มความเสถียรภาพของระบบ (Parallel Redundancy)

 

 

(c) สภาวะการทำงานปกติ โดยกำหนดให้ UPS ทั้งสองเครื่องจะแบ่งจ่ายไฟฟ้าสูงสุดเต็มพิกัดของเครื่อง UPS แต่ละเครื่อง

 รูปแสดงลักษณะการเชื่อมต่อแบบขนานกันเพื่อเพิ่มขนาดพิกัดกำลังของเครื่องสำรองไฟฟ้า (Expansion Capacity)

                ในเรื่องของจำนวนเครื่อง UPS ที่จะนำมาเชื่อมต่อร่วมกันนั้น ขึ้นอยู่กับการออกแบบและความเหมาะสมในแต่ละประเภทงาน แต่โดยปกติจะสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะดังนี้ 
                       
         - Parallel Redundancy with 2 x N Concept
          
                 ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่มีความจำเป็นต้องใช้ UPS 10 kVA รวมกันจำนวน 2 เครื่อง สำหรับจ่ายให้อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ จะทำการออกแบบและติดตั้ง UPS สำหรับกรณีนี้ทั้งหมด จำนวน 2 x 2 = 4 เครื่อง (เพื่อรองรับกรณี UPS เกิดปัญหาหรือต้องการหยุดระบบเพื่อตรวจสอบพร้อมกันทั้ง 2 เครื่อง)

         - Parallel Redundancy with N + 1 Concept

                 ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่มีความจำเป็นต้องใช้ UPS 10 kVA รวมกันจำนวน 2 เครื่อง สำหรับจ่ายให้อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ จะทำการออกแบบและติดตั้ง UPS สำหรับกรณีนี้ทั้งหมด จำนวน 2 + 1 = 3 เครื่อง (เพื่อรองรับกรณี UPS เครื่องใดเครื่องหนึ่งเกิดปัญหาหรือต้องการหยุดระบบเพื่อตรวจสอบ)

             เทคโนโลยีสำหรับ UPS ในปัจจุบัน ออกแบบให้สามารถรองรับการเชื่อมต่อแบบขนานกันได้ทั้งกรณีในเครื่องเครื่องเดียวกัน เพียงการนำเครื่อง UPS ในรุ่นและในขนาดพิกัดกำลังที่เท่ากันมาเชื่อมต่อกันโดยจะมี Communication Board สำหรับการสื่อสารข้อมูลระหว่างเครื่องที่ขนานกัน เพื่อให้คุณภาพไฟฟ้าที่จ่ายออกมาจาก UPS ทั้งสองเครื่องเป็นไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งปัจจุบันมี UPS บางผลิตภัณฑ์ได้พัฒนาให้สามารถรองรับการทำงานแบบต่อขนานกันได้หลายเครื่อง และยังสามารถเชื่อมต่อกันได้ในพิกัดกำลังที่แตกต่างกันอีกด้วย