كيفية حساب وقت تشغيل البطارية لـ UPS. تومض الأضواء. يتوقف أزيز رفوف الخوادم. للحظة، يسود الصمت. وفي هذا الصمت، سؤال واحد فقط مهم: كم من الوقت لدينا؟
إن معرفة وقت تشغيل UPS ليس مجرد مقياس آخر لتكنولوجيا المعلومات. إنه حجر الأساس لاستمرارية عملك. يمكن أن يكون التخمين هو الفرق بين إيقاف التشغيل النظيف وفقدان البيانات الكارثي. أنت تحمي الأصول المهمة، والأمل في الأفضل ليس استراتيجية.
تم تصميم هذا الدليل لاستبدال هذا الأمل برقم ثابت. سنغطي الطرق الرئيسية لحساب وقت التشغيل، بدءاً من البحث السريع في الرسم البياني إلى الصيغ التي يستخدمها المهندسون. والأهم من ذلك، سنتطرق إلى العوامل الواقعية التي تحوّل التقدير الورقي إلى رقم يمكنك الاعتماد عليه بالفعل عند انقطاع التيار الكهربائي.
بطارية 12 فولت 100 أمبير 100 أمبير 4
بطارية أيونات الصوديوم 12 فولت 100 أمبير
قبل أن تحسب: فهم المتغيرات الأساسية
قبل أن نصل إلى الرياضيات، يجب أن نكون على نفس الصفحة. إذا أتقنت هذه الشروط الخمسة، ستتجنب الأخطاء الأكثر شيوعاً وتكلفة التي أراها في هذا المجال.
- الواط (W) مقابل الفولت أمبير (VA): هذا هو المصدر الأول للالتباس. فكر في VA على أنها "الطاقة الظاهرية"، لكن Watts هي "الطاقة الحقيقية" التي تستخدمها المعدات بالفعل. تعمل معداتك بالواط. وهذا يعني يجب أن تستخدم جميع عملياتك الحسابية في وقت التشغيل واتس. إنه الخطأ الأكثر شيوعاً، ومن السهل تجنبه.
- معامل القدرة (PF): هذه هي النسبة التي تربط بين الواط و VA (W = VA × PF). تحتوي معدات تكنولوجيا المعلومات الحديثة على نسبة PF عالية، عادةً ما تكون من 0.9 إلى 1.0، ولكن عليك استخدام الرقم الصحيح لمعداتك إذا كنت تريد نتائج دقيقة.
- جهد البطارية (V): بسيط. الجهد الاسمي لسلسلة البطارية في وحدة إمداد الطاقة غير المنقطعة الخاصة بك، دائمًا ما يكون من مضاعفات 12 فولت (مثل 24 فولت أو 48 فولت أو 192 فولت).
- سعة البطارية (آه - أمبير - ساعة): هذا يخبرك بتخزين طاقة البطارية، ولكن في ظل ظروف معملية مثالية. يمكن لبطارية 100 أمبير في الساعة أن تعطيك نظرياً 10 أمبير لمدة 10 ساعات. هذه الكلمة "نظرياً" هي التي تبدأ منها كل المشاكل.
- كفاءة UPS: تقوم UPS بتحويل طاقة البطارية من تيار مستمر إلى تيار متردد. هذه العملية ليست فعالة 100%. تُفقد الطاقة دائماً في صورة حرارة. يمكنك أن تتوقع كفاءة تتراوح بين 85-95% لمعظم أنظمة حمض الرصاص، بينما يمكن أن تزيد كفاءة بطارية الليثيوم أيون يو بي إس الحديثة عن 97%. هذه الخسارة هي اقتطاع مباشر من وقت التشغيل.
الطريقة 1: الطريقة السريعة والسهلة (باستخدام مخططات الشركة المصنعة)
الأفضل لـ تقدير سريع ولائق أثناء التخطيط الأولي للمشروع أو للمعدات المكتبية القياسية.
في بعض الأحيان تحتاج فقط إلى رقم تقريبي. بالنسبة للنظرة الأولى، لا بأس بمخططات وقت التشغيل التي تنشرها الشركات المصنعة لنماذجها.
إليك كيفية القيام بذلك:
- أوجد الحمل الإجمالي بالواط: اجمع القوة الكهربائية لكل جهاز. إذا كنت تريد رقماً حقيقياً، استخدم مقياس الواط. لا تخمن.
- حدد طراز UPS الخاص بك: احصل على الموديل الدقيق، مثل "إيتون 9PX 3000VA".
- قم بزيارة الموقع الإلكتروني للشركة المصنعة: ابحث عن صفحة المنتج وابحث عن "مخطط وقت التشغيل" أو "الرسم البياني لوقت التشغيل".
- ابحث عن حمولتك على الرسم البياني: ابحث عن الحمل على المحور الأفقي. اقرأ وقت التشغيل على المحور الرأسي.
هذا سريع وخاص بطرازك. المشكلة الكبيرة؟ تفترض هذه المخططات وجود بطاريات جديدة تمامًا في غرفة باردة بدرجة حرارة 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت). نادراً ما يكون العالم الحقيقي متسامحاً جداً.
الأفضل لـ مدراء النظام ومدراء تكنولوجيا المعلومات الذين يحتاجون إلى توثيق وقت تشغيل محدد والدفاع عنه.
عندما تحتاج إلى رقم ثابت لوثيقة تصميم، شيء يمكنك الوقوف وراءه، عليك أن تقوم بالحسابات بنفسك.
وقت التشغيل (بالساعات) = (البطارية آه × جهد البطارية × عدد البطاريات × الكفاءة) / الحمل (بالواط)
مثال عملي خطوة بخطوة
دعنا نحدد مواصفات UPS لخزانة الشبكة. يحتوي على اثنان 12 فولت، 9 أمبير/ساعة البطاريات الداخلية. سنكون متحفظين ونفترض كفاءة 90%. الحمل ثابت 300 واط.
- احسب إجمالي طاقة البطارية (وات/ساعة): 9 أمبير × 12 فولت × 2 بطارية = 216 واط/ساعة
- حساب الكفاءة (الطاقة القابلة للاستخدام): 216 واط ساعة × 0.90 = 194.4 واط ساعة
- حساب وقت التشغيل بالساعات: 194.4 واط/ 300 واط = 0.648 ساعة
- التحويل إلى دقائق: 0.648 ساعة × 60 × 60 = 39 دقيقة تقريبًا
النتيجة: وبحساب ذلك نحصل على حوالي 39 دقيقة. هذه هي نقطة البداية. رقم ورقة المواصفات. والآن، لنتحدث عن سبب خطأ هذا الرقم.
وجهة نظر الخبير: الربط بين النظرية والواقع
تمنحك المعادلة رقمًا نظيفًا. لكن الحياة الواقعية دائماً ما تنال منه. لقد رأيت مشاريع تفشل لأنهم خططوا لرقم ورقة المواصفات وليس الرقم الحقيقي. يخطط المحترف للفجوة بين الاثنين. العوامل الثلاثة الكبرى التي تخلق هذه الفجوة هي معدل التفريغ والعمر ودرجة الحرارة.
العامل 1: معدل التفريغ (قانون بيوكيرت)
كلما استنزفت البطارية بشكل أسرع، قل إجمالي الطاقة التي تمنحك إياها. يعتمد تصنيف 100 أمبير في الساعة هذا دائمًا تقريبًا على تفريغ بطيء جدًا لمدة 20 ساعة. قد تضطر UPS إلى تفريغ شحنتها بالكامل في 15 دقيقة. عند هذا المعدل المرتفع، فإن بطارية الرصاص الحمضية يمكن أن تنخفض السعة الفعالة بمقدار 50%. هذا هو أكبر سبب وحيد لعدم تطابق الحسابات الورقية مع الواقع.
العامل 2: عمر البطارية وصحتها (SOH - الحالة الصحية)
البطاريات مواد مستهلكة. فهي تموت. بطارية حمض الرصاص المختوم (SLA) القياسية لها عمر افتراضي واقعي يتراوح بين 3 و5 سنوات. وبحلول السنة الثالثة، قد لا تحتفظ إلا بـ 70% من شحنتها الأصلية. يمكن لبعض أنظمة الإدارة (نظام إدارة البطاريات) تتبع ذلك، ولكن بالنسبة لمعظم الأنظمة، عليك أن تحسب العمر بنفسك. لا يمكنك تجاهل ذلك.
العامل 3: درجة الحرارة المحيطة
بيئتك مهمة أكثر مما تعتقد. درجة الحرارة المثالية لبطاريات SLA هي 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت). فكل 8 درجات مئوية (15 درجة فهرنهايت) تزيد عن ذلك، فإنك تقلل عمر البطارية إلى النصف. كما أن درجات الحرارة الأكثر برودة تقلل مؤقتاً من السعة المتاحة لديك. خلاصة القول بسيطة: الحرارة تقتل هذه البطاريات.
دراسة حالة متعمقة: التحقق من الواقع بجهد 12 فولت 100 أمبير
السيناريو
- الحمل الحرج: حامل خوادم صغير، يرسم على حامل خوادم صغير، يرسم 500 واط (واط).
- البطارية: معيار واحد بطارية حمض الرصاص المحكم الغلق (SLA) بجهد 12 فولت 100 أمبير/ساعة.
- الهدف: اكتشف وقت التشغيل الفعلي.
الخطوة 1: الحساب المثالي (خطأ المبتدئين)
بمجرد النظر إلى الملصق، تكون العملية الحسابية سهلة.
- إجمالي الطاقة النظرية (Wh): 100 أمبير × 12 فولت = 1200 واط/ساعة
- وقت التشغيل النظري: 1200 واط/ 500 واط = 2.4 ساعة، أو 144 دقيقة. الخلاصة: خطأ خطير. قد يتوقع شخص جديد في هذا المجال أن يستغرق الأمر ساعتين ونصف الساعة تقريباً.
الخطوة 2: الحساب الاحترافي (تطبيق الواقع)
1. ضبط كفاءة العاكس UPS: افترض كفاءة 90%.
- السحب الفعلي للطاقة من البطارية: 500 وات (الحمل) / 0.90 (الكفاءة) = 556 وات
- وقت التشغيل المصحح: 1200 واط/556 واط = 2.16 ساعة، أو ~حوالي 130 دقيقة تقريباً. التحقق من الواقع #1: لقد أضعنا 14 دقيقة فقط من البداية، فقط لتشغيل UPS.
2. ضبط معدل التفريغ (قانون بيكرت): هذه هي المشكلة الكبيرة بالنسبة لحامض الرصاص.
- تيار التفريغ: 556 واط / 12 فولت = 46.3 أمبير
- معدل التفريغ (C-معدل التفريغ): 46.3 أمبير / 100 أمبير = 0.46C هذا التصنيف 100 أمبير في الساعة لسحب صغير C/20 (5 أمبير). عند معدل 0.46C أعلى بكثير، فإن البطارية السعة الفعالة الدبابات، تنخفض إلى ربما 80% من تصنيفها.
- سعة البطارية الفعالة: 100 آه × 0.80 = 80 آه
- وقت التشغيل على أساس السعة الفعالة: (80 أمبير × 12 فولت) / 556 واط = 960 واط/556 واط = 1.72 ساعة، أو ~حوالي 103 دقائق. التحقق من الواقع #2: انخفض وقت التشغيل من 130 إلى 103 دقائق. هذا هو المكان الذي يحترق فيه معظم الناس.
3. ضبط عمر البطارية وصحتها (SOH): افترض أن البطارية 3 سنوات وتعود صحته إلى 75%.
- السعة الفعالة النهائية: 80 آه (معدل المعدل) × 0.75 (السعة النسبية) = 60 آه
- نهائي، صحيح وقت التشغيل التقديري الحقيقي: (60 أمبير × 12 فولت) / 556 واط = 720 واط/556 واط = 1.29 ساعة، أو ~حوالي 77 دقيقة.
خاتمة دراسة الحالة: هذا الحساب الأولي الذي يستغرق 144 دقيقة هو الآن حساب واقعي 77 دقيقة. إذا كنت تثق في ورقة المواصفات، فسوف تتعطل أنظمتك قبل وقت طويل من توقعك.
| مرحلة الحساب | العوامل التي تم أخذها في الاعتبار | وقت التشغيل (بالدقائق) | الاختلاف عن النظرية |
|---|
| النظري | المواصفات الاسمية فقط | 144 | – |
| المعدل 1 | + كفاءة UPS (90%) | 130 | -14 دقيقة |
| المعدل 2 | + معدل التفريغ (بيوكيرت) | 103 | -41 دقيقة |
| الواقعية النهائية | + عمر البطارية (3 سنوات) | 77 | -67 دقيقة (-47%) |
البديل الحديث: ماذا لو استخدمنا بطارية LiFeFePO₄ 100 أمبير في الساعة بجهد 12.8 فولت؟
إذن ماذا يحدث إذا قمنا بتبديل بطارية فوسفات الحديد الليثيوم؟ الاختلافات صارخة.
- كفاءة UPS: هذا أفضل. افترض 95%. يبلغ سحب الطاقة الآن 500 واط / 0.95 = 526 واط.
- معدل التفريغ: إن كيمياء LiFeFePO₄ فعالة للغاية. فهي لا تعاني حقًا من قانون بيوكيرت. وتبقى قدرتها الفعالة قريبة من 100%.
- عمر البطارية: بعد مرور 3 سنوات، لا يزال LiFePO₄ LiFePO↩₄ عادةً أكثر من 95% الصحة.
- السعة الفعالة النهائية: 100 آه × 0.95 = 95 آه
- وقت تشغيل LiFePO₄ النهائي: (95 أمبير × 12.8 فولت) / 526 واط = 1216 واط/ 526 واط = 2.31 ساعة، أو ~حوالي 139 دقيقة.
المقارنة النهائية:
- بطارية SLA عمرها 3 سنوات: 77 دقيقة
- بطارية LiFeFePO₄ ذات الـ 3 سنوات 139 دقيقة تمنحك بطارية الليثيوم ضعف وقت التشغيل تقريباً. ولكن بنفس القدر من الأهمية، يتطابق أداؤها في العالم الحقيقي مع ورقة المواصفات. هذه القدرة على التنبؤ تجعل التخطيط أسهل بكثير.
توضح دراسة الحالة ما يلي: إن كيمياء البطارية التي تختارها لا تقل أهمية عن الرياضيات.
| الخصائص | حمض الرصاص المحكم الغلق (SLA) | ليثيوم أيون (LiFePO₄) | أيون الصوديوم - أيون الصوديوم (Na-ion) |
|---|
| عمر الخدمة | 3-5 سنوات | 8-10 سنوات فأكثر | أكثر من 10 سنوات (متوقعة) |
| درجة الحرارة. التحمل | ضعيف (يتحلل بسرعة >25 درجة مئوية) | ممتاز (من -10 درجات مئوية إلى 55 درجة مئوية) | متميز (-20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية) |
| الوزن/الحجم | ثقيل/ضخم | خفيف/صغير الحجم (50% أقل) | معتدل |
| التكلفة المقدمة | منخفضة | عالية | منخفضة-متوسطة (الناشئة) |
| التكلفة الإجمالية (TCO) | مرتفع (بسبب الاستبدال) | منخفضة (عدد أقل من البدائل) | منخفض جداً (متوقع) |
| الأفضل لـ | المكاتب القياسية التي يتم التحكم في درجة حرارتها؛ والمشاريع ذات الميزانية المحدودة. | تكنولوجيا المعلومات الحرجة والحوسبة المتطورة والبيئات الساخنة, الترقيات القديمةمتطلبات العمر الافتراضي الطويل | مواقع درجات الحرارة القصوى، وتخزين الشبكة على نطاق واسع (استخدام UPS في المستقبل). |
أربعة سيناريوهات واقعية: من قياسي إلى مطور
مع هذه الخلفية، دعونا نلقي نظرة على بعض التطبيقات الشائعة.
السيناريو 1: مكتب الأعمال الصغيرة
الهدف هنا هو الحصول على 15 دقيقة من وقت التشغيل لجهاز كمبيوتر شخصي (200 واط) وشاشة (50 واط) وجهاز توجيه (10 واط)، مما يمنحك الوقت لإيقاف التشغيل بأمان. الحمل الكلي هو 260 وات. وحدة إمداد بالطاقة غير متقطعة برجية قياسية مزودة بوحدتي إمداد بالطاقة غير متقطعة داخليتين بطاريات 12 فولت، 7 أمبير/ساعة SLA (بكفاءة 88%) تُحسب بحوالي 34 دقيقة. لكن هذه بطارية جديدة تماماً. الرقم الأكثر واقعية، مع الأخذ في الاعتبار معدل التفريغ العالي، هو أقرب إلى 20-25 دقيقة. بعد ثلاث سنوات، ستكون محظوظًا إذا حصلت على 15 عامًا. هذه هي إشارتك لاستبدالها.
السيناريو 2: خزانة الشبكة الحرجة (اتفاقية مستوى الخدمة مع EBM)
تحتاج إلى 60 دقيقة للمفاتيح الأساسية والخادم لإعطاء المولد وقتًا لتشغيله. الحمل عبارة عن خادم (400 واط) بالإضافة إلى مفاتيح التبديل (150 واط)، من أجل 550 وات. الخيار الجيد هو وحدة يو بي إس محمولة على حامل مع وحدة بطارية خارجية، مما يمنحك ثمانية بطاريات 12 فولت، 9 أمبير/ساعة SLA بكفاءة 92%. يمنحك الحساب على الورق 87 دقيقة. هذا تصميم جيد - فهو يوفر لك مخزونًا احتياطيًا يزيد عن متطلباتك لمدة 60 دقيقة، وهو ما ستحتاجه لأن بطاريات SLA تفقد قدرتها على مدار عمرها الافتراضي الذي يتراوح بين 3 و5 سنوات.
السيناريو 3: ترقية النظام القديم عالي القيمة
المشكلة: وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) ذات الحامل الحرجة، التي يبلغ عمرها 3 سنوات بطارية SLA بجهد 12 فولت 100 أمبير. الحمل هو 500W. وكما رأينا، انخفض وقت تشغيله الحقيقي إلى حوالي 77 دقيقةوهو ما لم يعد كافياً. الهدف هو تمديد وقت التشغيل دون استبدال الوحدة المكلفة بالكامل.
الحل هو الاستبدال السريع. استبدل جيش تحرير السودان القديم بجهاز حديث بطارية Lifepo4 بجهد 12.8 فولت 100 أمبير/ساعة. سيكون وقت التشغيل الجديد الموثوق به حوالي 139 دقيقة. هذه هي الطريقة الأذكى للحصول على زيادة هائلة في الموثوقية. يمكنك زيادة الفعلية وقت التشغيل بأكثر من 80% مع تبديل مكون واحد. بالإضافة إلى ذلك، ستدوم البطارية الجديدة أكثر من 8-10 سنوات، مما يقلل من الصيانة ويقلل من التكلفة الإجمالية للملكية (TCO).
السيناريو 4: عقدة حوسبة الحافة الصناعية
التحدي: 30 دقيقة من وقت التشغيل الموثوق به لنظام تحكم في مستودع ساخن تصل درجة حرارته إلى 40 درجة مئوية (104 درجة فهرنهايت). الحمولة عبارة عن كمبيوتر شخصي صناعي وأجهزة إدخال/إخراج، يبلغ مجموعها 400 واط.
في هذه البيئة، الخيار الحقيقي الوحيد في هذه البيئة هو وحدات الإمداد بالطاقة غير المنقطعة المستندة إلى الليثيوم، ربما مع واحد حزمة 48 فولت، 20 أمبير/ساعة (بكفاءة 97%). تعطيك العملية الحسابية حوالي 140 دقيقة. وهنا سينتهي عمر بطارية SLA في أقل من عامين، وسيكون أداؤها مقامرة. سيوفر نظام الليثيوم وقت تشغيله بشكل موثوق لسنوات، مما يجعل تكلفته الأولية الأعلى استثماراً أكثر ذكاءً على المدى الطويل.
الخاتمة
إذن هذه هي مجموعة الأدوات. مخطط الشركة المصنعة لإلقاء نظرة سريعة، والمعادلة للتخطيط الجاد، والعوامل الواقعية للحصول على رقم يمكنك الاعتماد عليه بالفعل.
إن فهم هذه الطبقات يعني أنه يمكنك الانتقال من مجرد شراء صندوق إلى بناء استراتيجية طاقة حقيقية. تتوقف عن الأمل وتبدأ في التخطيط. سواء كنت تقوم بتصميم نظام جديد أو ترقية الأجهزة الحالية، فإن اختيار البطارية المناسبة هو المفتاح للحصول على وقت تشغيل يمكن التنبؤ به.
عندما تكون المخاطر كبيرة ولا يكون خيار "قريب بما فيه الكفاية" خياراً مطروحاً، فأنت بحاجة إلى محادثة أعمق. إذا كنت تصمم تطبيقًا مهمًا أو تحتاج إلى تنشيط بنيتك التحتية, اتصل بنايمكن لفريقنا المساعدة في تصميم حل يوفر الموثوقية التي يتطلبها عملك، مهما كانت البيئة.