Blok neprerušiteľného napájania: účel a špecifiká činnosti domáceho UPS

Na zachovanie funkčnosti spotrebičov pri výpadkoch siete sa používa blok neprerušiteľného napájania. V závislosti od typu obsluhovaných spotrebičov a parametrov elektrickej energie je potrebné vybrať rôzne modely. Tieto zariadenia sú žiadané, preto zakúpenie vhodného kusu podľa parametrov nie je problém.

Pred nákupom je však potrebné samostatne sa oboznámiť s jeho vlastnosťami a nezverovať túto otázku manažérom, ktorí majú záujem o predaj.

V tomto materiáli sa pozrieme na štruktúru a vlastnosti činnosti UPS a tiež vám povieme o pravidlách jeho používania.

Schémy UPS striedavého prúdu

Pre domáce potreby sa používajú zariadenia na neprerušiteľné napájanie, pripojené do jednofázovej siete 220 V, ktoré môžu po určitý čas pri absencii elektrickej energie napájať spotrebiče vyžadujúce rovnaké napätie.

Existujú tiež UPS, ktoré sú na vstupe pripojené k trojfázovej sieti a na výstupe dávajú buď 380 V alebo 220 V. Sú však drahé, používajú sa pri potrebe získať autonómny výkon od 10 kVA, čo pre domáce potreby nie je potrebné.

Domáce UPS striedavého prúdu sa podľa schémy fungovania delia na nasledujúce typy:

• záložné (offline);
• interaktívne (line-interaktívne);
• dvojitej konverzie (online).

Líšia sa kvalitou výstupného napätia a cenou. Najlacnejšie sú záložné, najdrahšie sú dvojitej konverzie.

Najjednoduchšia na vyhotovenie záložná schéma napájania predpokladá prítomnosť prepínacieho relé a pasívnej filtrácie na potlačenie rušenia

Na konverziu striedavého prúdu na jednosmerný v nabíjačke sa používa usmerňovač. Spätná transformácia prebieha pomocou meniča.

V UPS na prepínanie obvodu zo siete na batériu sa spravidla inštalujú bežné elektromechanické relé. Ak je táto súčiastka kvalitná, jej životnosť vystačí na celú dobu fungovania UPS. Najčastejšie však pri poruche bloku problém spočíva práve v tomto konštrukčnom prvku.

Interaktívna schéma sa od rezervnej líši prítomnosťou stabilizátora napätia. Je vyhotovený ako typický autotransformátor s priamo spojenými vinutiami.

Stabilizácia napätia je prítomná aj v mnohých domácich zariadeniach, preto ak sú odchýlky nepatrné, nemá zmysel kupovať drahší lineárne-interaktívny model.

Prítomnosť transformátora často núti výrobcu používať nútené chladenie, preto sú takéto UPS vybavené ventilátormi. Tie vydávajú hluk, ktorý je intenzitou porovnateľný s prácou počítačovej systémovej jednotky.

Napájanie invertora pri online schéme prebieha nepretržite z akumulátorov. Preto pri výskyte porúch v elektrickej sieti je čas prepnutia na náhradné napájanie rovný nule.

Najzložitejšie a najdrahšie zariadenia s dvojitou konverziou majú navyše najnižšiu účinnosť. Elektrická energia sa mení na teplo, ktoré zariadenie vyžaruje. Preto je potrebné ich používanie odôvodniť.

Najvýznamnejšou výhodou tohto typu UPS je okamžitá reakcia na výpadok elektriny. Ale pre väčšinu domácich spotrebičov to nie je také dôležité. Počítače sa bežne vybavujú UPS rezervného alebo interaktívneho typu.

Najdôležitejšie parametre

V súčasnosti je na trhu veľa ponúk na predaj domácich zdrojov neprerušiteľného napájania. Aby ste správne určili ich určenie a nepomýlili sa pri výbere, musíte rozumieť, na ktoré parametre by ste sa mali zamerať v prvom rade.

Základné technické charakteristiky

Výstupný výkon zariadenia určuje maximálnu prípustnú hodnotu, ktorú môže jednotka garantovane dodať spotrebiteľovi. Meria sa vo volt-ampéroch (V·A). Pre pohodlie používateľov sa často uvádza táto hodnota aj vo wattoch.

Na meranie zaťaženia zariadení možno buď použiť ampérmeter, alebo ju vypočítať s použitím hodnôt z bytového elektromera.

Merať spotrebovanú elektrickú energiu možno pomocou domáceho ampérmetra (wattmetra) so zásuvkou. Pripojené zariadenie treba prepnúť do režimu maximálnej spotreby.

Pri určovaní reálneho výkonu počítača by ste sa nemali riadiť menovitým výkonom napájacieho zdroja, pretože ten sa vždy kupuje s rezervou.

Ak nemáte ampérmeter, musíte vykonať nasledujúce kroky:

1. Vypnite všetky okruhy v rozvádzači okrem toho, z ktorého je napájaný počítač.
2. Vypnite všetky zariadenia v tomto okruhu.
3. Zapnite počítač a spustite na ňom typický program (napríklad video z YouTube).
4. Počkajte, kým na elektromeri nedôjde k zmene hodnoty desatiny kilowatthodiny.
5. Zaznamenajte čas do nasledujúcej zmeny.

Priemerný výkon spotreby (P, watt) za toto obdobie (t, minút) možno vypočítať podľa vzorca:

P = 100 * (60 / t)

Ďalšou dôležitou charakteristikou je doba autonómnej prevádzky. Tento ukazovateľ závisí od záťaže, ktorú v danom momente UPS znáša. Pri maximálnom prípustnom výkone batérie domáceho zariadenia fungujú 1-3 minúty. Pri polovičnej záťaži je to oveľa dlhšie (až 10 minút).

Z grafu závislosti času autonómnej prevádzky batérií od priemernej záťaže je zrejmé, že táto závislosť je nelineárna. Je to spôsobené spôsobom vybíjania batérií.

Z toho vyplývajú dva závery:

• pri výpadku elektriny je potrebné maximálne znížiť záťaž spotrebovanú zariadeniami;
• je vhodné zakúpiť UPS s výkonom, ktorý presahuje vypočítaný aspoň o 30%.

Rozsah vstupného napätia udáva minimálne a maximálne prípustné napätie siete, pri ktorom nedôjde k prepnutiu napájania na batérie. Spravidla všetky UPS znesú interval 180-260 V.

U niektorých výrobcov možno nájsť veľmi dobré (reklamné) hodnoty, napríklad dolná hranica – 110 V. Tu je potrebné overiť, že tieto čísla sú uvedené práve pre maximálnu záťaž, a nie pre polovičnú.

Ďalším dôležitým technickým ukazovateľom je hladina hluku. UPS vyrobené lineárne-interaktívnou alebo online technológiou produkujú veľa tepla, preto na ne výrobcovia inštalujú ventilátory. Ak sú chladiče lacné, časom začnú vydávať hučanie, čo je pre obytnú miestnosť nežiaduce.

Rozhranie a vykonanie nastavenia

Vonkaší vzhľad jednotiek môže byť veľmi rôznorodý. Zvyčajne majú klasický obdĺžníkový tvar, pričom na prednej strane sú indikátory alebo displej a na zadnej strane sú napájacie konektory. Ich počet nie je až taký dôležitý, pretože na výstup možno pripojiť predlžovač s rozbočovačom. To nijako neodporuje koncepcii UPS.

Model môže mať LCD displej, na ktorom sa zobrazí situácia s napájaním pripojených zariadení: prítomnosť napájania, počet spotrebičov, nabitie batérie atď.

Systém indikácie znižuje cenu zariadenia. Okrem toho je praktickejší. Ak je potrebné zistiť nejaké parametre, mnohé modely majú implementovanú funkciu pripojenia k počítaču.

Ak chcete zistiť parametre elektrického napájania, stav batérií UPS a ako funguje, môžete ho pripojiť k počítaču. Pre mnohé modely je táto funkcia implementovaná a je vyvinutý softvér.

Existujú tri základné typy rozhraní:

• USB. Najčastejšie používané spojenie počítača a UPS.
• RS-232 (COM port). Zriedkavo sa vyskytuje v domácich modeloch.
• Ethernet 10/100. Používa sa na diaľkové ovládanie UPS.

Softvér na získavanie charakteristík z UPS a jeho ovládanie je vyvinutý nielen pre rôzne verzie Windows. Napríklad u známeho výrobcu Powercom existuje Android verzia softvéru, ktorá umožňuje na diaľku sledovať stav napájania a v prípade potreby upravovať činnosť neprerušiteľného zdroja.

Softvér umožňuje sledovať základné charakteristiky elektrickej siete, ako je vstupné a výstupné napätie, frekvenciu. Taktiež je možné zistiť nabitie batérií a teplotu zariadenia.

Neprerušiteľné zdroje sa umiestňujú v bezprostrednej blízkosti chránených spotrebičov elektriny. Zvyčajne sa dávajú na podlahu alebo na police. Niektoré modely sú vybavené úchytmi, ktoré umožňujú montáž na steny.

Kvalita vydávaného prúdu

Neprerušiteľné zdroje napájania musia dodávať prúd primeranej kvality. Pri prevádzke z batérií za to zodpovedá invertor, a v prípade napájania zo siete by mali problémové momenty vyhladzovať filtre a stabilizátor. Vznikajúce rušenie v elektrickom obvode má rôzny pôvod a dôsledky pre elektroniku. Preto sa aj v tejto otázke treba dôkladne orientovať.

Sieťové rušenie a ochrana

Všetky moderné UPS sú vybavené ochranou pred problémami zo strany obsluhovaných zariadení. Ak celkové zaťaženie prekročí maximálne povolené alebo dôjde ku skratu, neprerušiteľný zdroj okamžite vypne napájanie.

Rušenie v sieti možno podmienečne rozdeliť na frekvenčné a impulzné. Prvé nie sú také nebezpečné, najmä pre napájacie zdroje počítačov alebo televízorov, ktoré premieňajú striedavý prúd na jednosmerný. Druhé môžu spôsobiť problém akejkoľvek elektronike.

Preto je väčšina UPS vybavená ochranou proti impulzom a harmonickým pomocou varistorov a vysokofrekvenčných filtrov.

Odstraňovanie rušenia na vedení prebieha v dvoch fázach. Najprv varistory odstraňujú vysokofrekvenčné impulzy, a potom filter vyhladzuje malé skoky.

Problém výskytu vysokonapäťových impulzov je charakteristický nielen pre silové káble, ale aj pre siete prenosu dát – počítačové alebo telefónne. Môžu vzniknúť v dôsledku pôsobenia atmosférickej elektriny, prierazov blízko umiestneného vedenia, vznikajúcich elektrických indukcií a iných príčin.

Mnohí výrobcovia uvádzajú modely s možnosťou ochrany lokálnej siete. Na to má UPS dva konektory RJ-45 – jeden na vstup a jeden na výstup. Signál prechádza cez filter, ktorý potláča napäťové špičky. Pre telefónne linky je systém rovnaký, len konektory majú formát RJ-11.

Nízke a vysoké napätie

Nastavenie napätia sa vykonáva pomocou automatického regulátora napätia (AVR), ktorého hlavným prvkom je autotransformátor. Princíp jeho fungovania je založený na zmene počtu závitov jedného z vinutí, čo vedie k zmene napätia smerom nahor alebo nadol.

Prítomnosť AVR v UPS umožňuje neaktivovať zakaždým autonómny režim pri malej odchýlke napätia od normatívnych hodnôt. To výrazne zvyšuje životnosť batérií.

Profesionálne multimetry, ako napríklad CEM DT 9909, dokážu po dlhú dobu zaznamenávať hodnotu napätia. Použitie takéhoto prístroja môže pomôcť pri výbere stabilizátora alebo UPS.

Podľa GOST 29322-2014 je povolená 10-percentná odchýlka napätia od referenčnej hodnoty po dobu najviac 1 hodiny. Všetky moderné UPS s regulátormi si s takýmito výkyvmi poradia.

Čistota výstupného signálu

Od modelu invertora, ktorý je nainštalovaný v UPS, závisí typ výstupného signálu. V ideálnom prípade by krivka napätia striedavého prúdu mala byť sínusoida. Ale po transformácii cez invertor nadobúda stupňovitý tvar.

Čím väčší je počet stupňov v krivke závislosti okamžitého napätia od času, tým lepšia je kvalita striedavého prúdu. Pre niektoré zariadenia je to dôležité.

Pre zariadenia, ktoré obsahujú asynchrónne elektromotory (chladnička, klimatizácia), transformátorové zdroje napájania (kvalitná audiotechnika), zdroje APFC (servery a výkonné výpočtové počítače), je potrebná čistá alebo dobre aproximovaná sínusoida.

Žiadny invertor, a teda ani UPS, nevydáva čistú sínusoidu, nech by to v reklamných brožúrach písali výrobcovia zariadení. Priblíženie výstupného signálu k sínusoide sa hodnotí pomocou koeficientu nelineárneho skreslenia (THD).

Signál vychádzajúci z jednotky možno považovať za sínusový pri THD<5%. U niektorých modelov, napríklad IMV NetPro 2000, je tento ukazovateľ len 2%.

Pravidlá používania UPS

Pri kúpe UPS na organizáciu záložného napájania je potrebné pochopiť, s ktorými zariadeniami ho možno používať. Niekedy sa nezaobídete len s UPS a potom je potrebné prijať dodatočné opatrenia na zabezpečenie domu elektrinou.

Pripojenie domácich spotrebičov

Počítače, modemy, routery, video- a audiozariadenia – typické domáce alebo kancelárske prístroje, ku ktorým sa pripájajú UPS. Ak táto technika obsahuje bežné spínané zdroje napájania, postačí zakúpiť relatívne lacné modely, ktoré nevydávajú čistú sínusoidu.

Moderné modely sú kompaktné a majú atraktívny dizajn, ktorý sa harmonicky začleňuje spolu s inými zariadeniami do interiéru obývacej izby.

Na osvetlenie tiež nie je potrebné kupovať drahé výrobky. Hlavné je tu správne vypočítať maximálny výkon a čas autonómnej prevádzky.

Pri častých výpadkoch je aktuálny problém neplánovaného rozmrazenia chladničiek a poškodenia potravín. Pri ochrane takéhoto zariadenia s asynchrónnymi motormi budú potrebné UPS zložitejšieho zariadenia, pretože bude potrebný “čistý” sínusový signál.

Okrem toho je potrebné zohľadniť prítomnosť štartovacích prúdov, ktoré vznikajú pri štarte motora. Zjednodušene pre chladiace zariadenia ich hodnotu možno určiť vynásobením hodnoty výkonu 5.

Ak je napríklad v kuchyni chladnička s celkovým výkonom 300 W (pri štarte – 1500 W) a mraznička na 200 W (pri štarte – 1000 W), potom je potrebný zdroj napájania s čistou sínusoidou a maximálnym výkonom najmenej 1700 W. Táto hodnota bola získaná pre prípad, keď bude pracovať mraznička a v tom čase dôjde k zapnutiu chladničky. Súčasný štart oboch motorov je nepravdepodobný, a taký UPS vydrží jednosekundový náraz 2,7 kW.

Zdroj online typu s maximálnym výkonom 2000 W bude schopný pracovať približne pol hodiny pri celkovej spotrebe 500 W. Keďže režim chladenia trvá približne 5 minút, UPS zaručene postačí na 6 štartov oboch zariadení.

V súkromných domoch a chatách je tiež aktuálne používanie UPS na podporu vykurovacieho systému s núteným obehom. Čerpadlá tiež potrebujú čistý sínus.

UPS sa tiež aktívne používajú na prevádzku plynových vykurovacích kotlov. Vzhľadom na cenu pripájaného zariadenia by sa v tomto prípade nemalo šetriť na kvalite UPS.

Záložné a doplnkové elektrické napájanie

Pre mnohé domáce spotrebiče nie je možné vybrať lacný UPS, pretože bude potrebný značný maximálny výkon pri dlhom období autonómnej prevádzky. Práčky, elektrické rúry, systémy distribuovanej klimatizácie spotrebúvajú veľa elektriny.

Samozrejme, je možné sa zaobísť bez týchto zariadení počas výpadku elektriny. Je to vhodné v prípade, že takéto výpadky sú zriedkavé a krátke. Ale ak sa predsa len rozhodnete zabezpečiť výkonných spotrebiteľov autonómnym napájaním, je lepšie použiť benzínový alebo dieselový generátor. Na ich rýchle spustenie pri absencii napätia sa používa systém automatického prepnutia na záložný zdroj (AVR).

Pri prítomnosti dodatočného zdroja napájania sa predsa len oplatí používať UPS, aspoň pre počítače. Okamžité spustenie generátora a obnovenie dodávky elektriny nie je možné dosiahnuť.

Stabilizácia zníženého napätia

Problém zníženého napätia je aktuálny pre objekty pripojené k starým alebo slabým elektrickým sieťam. Ak táto situácia vzniká neustále, je lepšie použiť vstupný stabilizátor.

Pri prítomnosti stabilizátora bude napätie vnútrodomovej siete upravené na normatívne hodnoty. To sa dotkne aj prístrojov, ktoré nie sú pripojené k UPS.

Pri zníženom napätí stúpa sila prúdu prechádzajúceho vnútrodomovou sieťou. Napríklad, nech celkový výkon spotrebičov pripojených k UPS je 1,5 kW a dodávané napätie je 190 V.

Potom podľa Ohmovho zákona:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – sila prúdu v obvode pred UPS bez stabilizátora;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – sila prúdu v obvode pred UPS so stabilizátorom.

Takýmto spôsobom bude vnútrodomová sieť bez stabilizátora zažívať zvýšené zaťaženie, čo nemuselo byť zohľadnené pri výbere prierezu vedenia.

Preto pri neustálom zníženom napätí je lepšie nainštalovať stabilizátor. V tomto prípade bude zaťaženie autotransformátora UPS menšie, čo predĺži jeho životnosť. Okrem toho, s ohľadom na vyrovnanie napätia, je možné zakúpiť lacnejšie UPS.

Neprerušiteľné napájanie spotrebičov jednosmerného prúdu

Pre niektoré prístroje je potrebné zabezpečiť neprerušované napájanie jednosmerným prúdom 12, 24 alebo 48 V. UPS tohto typu sú tiež v predaji. V ich označení je prítomná skratka “DC”. Jednotky s dodávkou napätia 60, 110 alebo 220 V tiež existujú, ale používajú sa v priemysle alebo energetike.

Rozdiel UPS jednosmerného prúdu vo vnútornom usporiadaní od klasických modelov spočíva v absencii meniča. Batérie sa pripájajú priamo na výstup cez kontaktor s prúdovo obmedzujúcim meracím shuntom, aby sa zabránilo neprípustne hlbokému vybitiu batérií.

Niekedy môže byť na výstupe stabilizačný konvertor, ak sú prístroje napájané z UPS citlivé na malé kolísania napätia.

Spolu s meničmi napätia je UPS jednosmerného prúdu s výkonom 48 W schopný napájať systém video dohľadu s obvodom až 1 km

Takéto záložné zdroje napájania sa používajú na ochranu nasledujúceho domáceho zariadenia pracujúceho z jednosmerného prúdu:

• systémov video dohľadu a ochrany;
• rôznych senzorov (netesnosti, dymu, ohňa, pohybu a pod.);
• systémov osvetlenia;
• telekomunikačných prístrojov;
• systémov komunikácie;
• komponentov systému riadenia “inteligentný dom”.

Mnohé UPS jednosmerného prúdu majú možnosť pripojenia externých batérií. V tomto prípade môže byť autonómne fungovanie nimi obsluhovaných prístrojov veľmi dlhé.

Závery a užitočné video k téme

Stručne o základných charakteristikách domácich UPS:

Rozmanitosť typov UPS a ich charakteristík je dôsledkom rôznych podmienok ich používania: výkon a typ pripojených zariadení, parametre a typické problémy konkrétnej elektrickej siete. Záložný zdroj zvyčajne nie je najdrahším prvkom v systéme, ale od neho závisí stabilita jeho prevádzky. Preto je potrebné určiť prevádzkové podmienky a dôkladne pristúpiť k výberu modelu.

Zostali ste s otázkami k téme článku? Alebo môžete doplniť tento materiál zaujímavými informáciami o UPS? Prosím, napíšte svoje komentáre, pýtajte sa, zdieľajte skúsenosti v bloku nižšie.