Brezprekinitveni napajalnik: namen in specifika delovanja gospodinjskega UPS

Za ohranitev delovanja naprav ob izpadih omrežja uporabljamo blok neprekinjenega napajanja. Glede na vrsto oskrbovanih porabnikov in parametrov električne energije je treba izbrati različne modele. Te naprave so iskane, zato nakup ustreznega izvoda glede na lastnosti ni težaven.

Toda pred nakupom je treba samostojno razumeti njegove posebnosti in ne zaupati tega vprašanja prodajno usmerjenim upraviteljem.

V tem gradivu bomo obravnavali zgradbo in značilnosti delovanja UPS ter povedali o pravilih njegove uporabe.

Sheme UPS za izmenični tok

Za gospodinjske potrebe uporabljamo naprave za neprekinjeno napajanje, ki se priključijo na enofazno omrežje 220 V in lahko nekaj časa ob izpadu električne energije napajajo porabnike, ki zahtevajo enako napetost.

Obstajajo tudi UPS, ki so na vhodu priključeni na trifazno omrežje, na izhodu pa dajejo 380 V ali 220 V. Vendar so dragi, uporabljajo se, kadar je potrebno pridobiti avtonomno moč od 10 kVA, kar za gospodinjske potrebe ni potrebno.

Gospodinjski UPS za izmenični tok se po shemi delovanja delijo na naslednje vrste:

• rezervni (offline);
• interaktivni (linearno-interaktivni);
• dvojne pretvorbe (online).

Razlikujejo se po kakovosti oddane napetosti in ceni. Najcenejši so rezervni, najdražji pa dvojne pretvorbe.

Najenostavnejša v izvedbi rezervna shema napajanja predvideva prisotnost preklopnega releja in pasivne filtracije za zatiranje motenj.

Za pretvorbo izmeničnega toka v enosmernega v polnilniku uporabljamo usmernik. Povratna transformacija pa poteka s pomočjo inverterja.

V brezprekinitvenih napajalnikih za preklop tokokroga z omrežja na baterijo praviloma nameščamo običajne elektromehanske releje. Če je ta del kakovosten, njegova življenjska doba zadostuje za celotno obdobje delovanja UPS. Vendar najpogosteje pri okvari bloka težava tiči ravno v tem konstrukcijskem elementu.

Interaktivna shema se od rezervne razlikuje po prisotnosti stabilizatorja napetosti. Ta je izdelan kot tipičen avtotransformator z neposredno povezanimi navitji.

Stabilizacija napetosti je prisotna tudi v številnih gospodinjskih napravah, zato če so odstopanja majhna, nima smisla kupiti dražji linearno-interaktivni model.

Prisotnost transformatorja pogosto prisili proizvajalca, da uporabi prisilno hlajenje, zato so takšni UPS-i opremljeni s hladilniki. Ti oddajajo hrup, ki je po intenzivnosti primerljiv z delovanjem računalniške sistemske enote.

Napajanje inverterja pri on-line shemi poteka stalno iz akumulatorjev. Zato je ob izpadih v električnem omrežju čas preklopa na rezervno napajanje enak nič.

Najbolj zapletene in drage naprave z dvojno pretvorbo imajo poleg tega najmanjši izkoristek. Električna energija se pretvarja v toploto, ki jo oddaja naprava. Zato je treba utemeljiti njihovo uporabo.

Najpomembnejša prednost te vrste brezprekinitvenih naprav je v trenutnem odzivu na izklop elektrike. Toda za večino gospodinjskih naprav to ni tako pomembno. Računalnike namreč običajno opremijo z UPS-i rezervnega ali interaktivnega tipa.

Najpomembnejši parametri

Trenutno je na trgu veliko ponudb za prodajo gospodinjskih virov brezprekinitvenega napajanja. Da bi pravilno določili njihov namen in se ne zmotili pri izbiri, morate razumeti, na katere parametre je treba biti pozoren predvsem.

Glavne tehnične značilnosti

Izhodna moč naprave določa največjo dovoljeno vrednost, ki jo lahko enota zagotovo odds uporabniku. Meri se v volt-amperih (VA). Za udobje uporabnikov pogosto navedejo to vrednost in v vatih.

Za merjenje obremenitve naprav lahko uporabite ampermeter ali pa jo izračunate z uporabo odčitkov nameščenega števca v stanovanju.

Porabljeno električno energijo lahko izmerite s pomočjo gospodinjskega ampermetra (vatmetra) z vtičnico. Priključeno napravo je treba preklopiti v način maksimalne porabe.

Pri določanju dejanske moči računalnika se ne smete ravnati po nazivni moči napajalnika, saj ga vedno kupijo z rezervo.

Če ampermetra ni, morate izvesti naslednje korake:

1. Izključite vsa vezja v omarici, razen tistega, iz katerega se napaja računalnik.
2. Izključite vse naprave v tem vezju.
3. Vklopite računalnik in zaženite program, ki je zanj tipičen (na primer video z YouTuba).
4. Počakajte, da na števcu pride do spremembe vrednosti desetinke kilovata.
5. Izmerite čas do naslednje spremembe.

Povprečno moč porabe (P, vatov) v tem obdobju (t, minut) lahko izračunate po formuli:

P = 100 * (60 / t)

Naslednja pomembna značilnost je čas delovanja na baterijo. Ta podatek je odvisen od obremenitve, ki jo UPS v tistem trenutku prenaša. Pri največji dovoljeni moči delujejo baterije gospodinjske naprave 1–3 minute. Pri polovični pa precej dlje (do 10 minut).

Iz grafa odvisnosti časa delovanja baterij od povprečne obremenitve je razvidno, da je ta odvisnost nelinearna. To je posledica načina praznjenja baterij.

Iz tega sledita dva zaključka:

• ob izpadu električne energije je treba kar najbolj zmanjšati obremenitev, ki jo porabljajo naprave;
• priporočljivo je kupiti UPS z močjo, ki presega izračunano za vsaj 30 %.

Območje vhodne napetosti prikazuje minimalno in maksimalno dovoljeno napetost omrežja, pri kateri ne bo prišlo do preklopa napajanja na baterije. Praviloma vsi UPS prenesejo interval 180–260 V.

Pri nekaterih proizvajalcih lahko naletimo na zelo dobre (oglaševalske) vrednosti, na primer spodnjo vrednost 110 V. Pri tem je treba preveriti, ali so te številke podane za največjo obremenitev in ne za polovično.

Še en pomemben tehnični podatek je raven hrupa. UPS, izdelani po linearno-interaktivni ali spletni tehnologiji, oddajajo veliko toplote, zato proizvajalci vanje vgradijo ventilatorje. Če so hladilniki poceni, bodo sčasoma povzročali brenčanje, kar za bivalne prostore ni zaželeno.

Vmesnik in izvedba nastavitve

Videz enot je lahko zelo raznolik. Običajno imajo klasično pravokotno obliko, kjer so na sprednji strani indikatorji ali zaslon, na zadnji pa napajalni priključki. Njihovo število ni tako pomembno, saj lahko na izhod priključite podaljšek s trojnikom. To nikakor ne bo v nasprotju s konceptom UPS-a.

Model ima lahko LCD-zaslon, na katerem je prikazano stanje oskrbe priključenih naprav: prisotnost napajanja, število porabnikov, napolnjenost baterije itd.

Indikacijski sistem znižuje stroške opreme. Poleg tega je bolj praktičen. Če je treba izvedeti določene parametre, imajo številni modeli implementirano funkcijo povezave z računalnikom.

Če želite izvedeti parametre napajanja, stanje baterij UPS-a in kako deluje, ga lahko priključite na računalnik. Za številne modele je ta funkcija implementirana in razvita programska oprema.

Obstajajo trije glavni načini vmesnika:

• USB. Najpogostejša povezava računalnika in UPS-a.
• RS-232 (COM vrata). Redko prisoten v gospodinjskih modelih.
• Ethernet 10/100. Uporablja se za daljinsko upravljanje brezprekinitvenega napajanja.

Programska oprema za pridobivanje karakteristik iz UPS-a in njegovo upravljanje je razvita ne samo za različne različice Windows. Tako ima na primer znani proizvajalec Powercom Android različico programske opreme, ki omogoča oddaljeno spremljanje stanja napajanja in po potrebi prilagajanje delovanja brezprekinitvenega napajanja.

Programska oprema omogoča spremljanje osnovnih karakteristik električnega omrežja, kot so vhodna in izhodna napetost, frekvenca. Prav tako je mogoče izvedeti napolnjenost baterij in temperaturo naprave.

Brezprekinitvene napajalnike nameščamo v neposredni bližini zaščitenih porabnikov električne energije. Običajno jih postavimo na tla ali na police. Nekateri modeli so opremljeni s pritrdilnimi elementi, ki omogočajo montažo na stene.

Kakovost oddanega toka

Brezprekinitveni viri napajanja morajo oddajati tok ustrezne kakovosti. Pri delovanju na baterije za to skrbi razsmernik (inverter), v primeru napajanja iz omrežja pa morajo težavne trenutke gladiti filtri in stabilizator. Motnje, ki nastajajo v električnem tokokrogu, imajo različen izvor in posledice za elektroniko. Zato se je treba tudi v tem vprašanju temeljito poglobiti.

Omrežne motnje in zaščita

Vsi sodobni UPS-i so opremljeni z zaščito pred težavami, ki jih povzročajo priključene naprave. Če skupna obremenitev preseže največjo dovoljeno ali pride do kratkega stika, bo UPS takoj izključil napajanje.

Motnje v omrežju lahko pogojno razdelimo na frekvenčne in impulzne. Prve niso tako nevarne, zlasti za napajalnike računalnikov ali televizijskih sprejemnikov, ki pretvarjajo izmenični tok v enosmernega. Druge lahko povzročijo težave pri kateri koli elektroniki.

Zato je večina UPS-ov opremljena z zaščito pred impulzi in harmoničnimi motnjami s pomočjo varistorjev in visokofrekvenčnih filtrov.

Odpravljanje motenj na liniji poteka v dveh fazah. Najprej varistorji odrežejo visokofrekvenčne impulze, nato pa filter zgladi majhne sunke.

Problem nastanka visokonapetostnih impulzov ni značilen samo za napajalne kable, ampak tudi za podatkovna omrežja – računalniška ali telefonska. Lahko nastanejo zaradi atmosferskega električnega praznjenja, prebojev v bližnji napeljavi, nastajajočih električnih motenj in drugih vzrokov.

Številni proizvajalci izdelujejo modele z možnostjo zaščite lokalnega omrežja. V ta namen ima UPS dva priključka RJ-45 – enega za vhod in enega za izhod. Signal gre skozi filter, ki zatira napetostne sunke. Za telefonske linije je sistem enak, le da imajo priključki format RJ-11.

Nizka in visoka napetost

Uravnavanje napetosti poteka s pomočjo avtomatskega regulatorja napetosti (AVR), katerega glavni element je avtotransformator. Načelo njegovega delovanja temelji na spreminjanju števila ovojev enega od navitij, kar povzroči spremembo napetosti navzgor ali navzdol.

Prisotnost AVR v UPS-u omogoča, da se ob majhnem odstopanju napetosti od normativnih vrednosti ne vklopi vsakič avtonomni način. To znatno podaljša življenjsko dobo baterij.

Profesionalni multimetri, kot je CEM DT 9909, lahko dalj časa beležijo vrednost napetosti. Uporaba takšne naprave lahko pomaga pri izbiri stabilizatorja ali UPS-a.

V skladu z GOST 29322-2014 je dovoljeno 10-odstotno odstopanje napetosti od referenčne vrednosti za čas, ki ne presega 1 ure. Vsi sodobni UPS-i z regulatorji obvladajo takšna nihanja.

Čistost izhodnega signala

Od modela razsmernika, ki je nameščen v UPS, je odvisen tip izhodnega signala. V idealnem primeru bi morala biti krivulja izmenične napetosti sinusoida. Toda po pretvorbi preko razsmernika dobi stopničasto obliko.

Več kot je stopnic v krivulji odvisnosti trenutne napetosti od časa, boljša je kakovost izmeničnega toka. Za nekatere naprave je to pomembno.

Za opremo, ki vsebuje asinhronske elektromotorje (hladilnik, klimatska naprava), transformatorske napajalnike (kakovostna avdio oprema), napajalnike APFC (strežniki in zmogljivi računalniki), je potrebna čista ali dobro aproksimirana sinusoida.

Noben razsmernik, in s tem tudi UPS, ne oddaja čiste sinusoide, ne glede na to, kaj pišejo v reklamnih brošurah proizvajalci opreme. Približevanje izhodnega signala sinusoidi se ocenjuje s koeficientom nelinearnih popačenj (THD).

Signal, ki izhaja iz enote, lahko štejemo za sinusoidalen pri THD<5%. Pri nekaterih modelih, na primer IMV NetPro 2000, je ta vrednost le 2%.

Pravila uporabe UPS

Pri nakupu UPS-a za organizacijo rezervnega napajanja je treba razumeti, s katerimi napravami ga je mogoče uporabljati. Včasih se ni mogoče zanesti samo na UPS in takrat je treba sprejeti dodatne ukrepe za oskrbo hiše z elektriko.

Priključitev gospodinjskih aparatov

Računalniki, modemi, usmerjevalniki, video in avdio oprema – tipične domače ali pisarniške naprave, na katere priključimo UPS-e. Če ta oprema vsebuje običajne impulzne napajalnike, bo dovolj, da kupite relativno poceni modele, ki ne oddajajo čiste sinusoide.

Sodobni modeli so kompaktni in imajo privlačen dizajn, ki se harmonično vključuje skupaj z drugo opremo v notranjost dnevne sobe.

Za razsvetljavo prav tako ni treba kupovati dragih izdelkov. Glavno je pravilno izračunati največjo moč in čas samostojnega delovanja.

Pri pogostih izpadih je aktualen problem nenačrtovanega odtaljevanja hladilnikov in kvarjenja živil. Pri zaščiti takšne opreme z asinhronimi motorji bo potreben brezprekinitveni napajalnik bolj zapletene zasnove, saj bo potreben “čist” sinusni signal.

Poleg tega je treba upoštevati prisotnost zagonskih tokov, ki nastanejo ob zagonu motorja. Poenostavljeno lahko njihovo vrednost za hladilno opremo določimo tako, da vrednost moči pomnožimo s 5.

Če je na primer v kuhinji hladilnik s skupno močjo 300 W (ob zagonu – 1500 W) in zamrzovalnik z močjo 200 W (ob zagonu – 1000 W), je potreben napajalnik s čistim sinusnim signalom in največjo močjo vsaj 1700 W. Ta vrednost je pridobljena za primer, ko bo deloval zamrzovalnik, v tem času pa se bo vklopil hladilnik. Hkraten zagon obeh motorjev je malo verjeten, takšen brezprekinitveni napajalnik pa bo prenesel enosekundni sunek 2,7 kW.

Spletni brezprekinitveni napajalnik z največjo močjo 2000 W lahko deluje približno pol ure pri skupni porabi 500 W. Ker način hlajenja traja približno 5 minut, bo brezprekinitveni napajalnik zagotovo zadostoval za 6 zagonov obeh naprav.

V zasebnih hišah in vikendih je prav tako smiselna uporaba brezprekinitvenih napajalnikov za podporo ogrevalnemu sistemu s prisilnim obtokom. Črpalke prav tako potrebujejo čist sinusni signal.

Brezprekinitvene napajalnike prav tako aktivno uporabljajo za delovanje plinskih ogrevalnih kotlov. Glede na ceno priključene opreme v tem primeru ni priporočljivo varčevati pri kakovosti brezprekinitvenega napajalnika.

Rezervno in dodatno električno napajanje

Za številne gospodinjske aparate ni mogoče izbrati cenovno ugodnega brezprekinitvenega napajalnika, saj bo potrebna velika največja moč ob daljšem obdobju samostojnega delovanja. Pralni stroji, električne pečice, sistemi porazdeljene klimatizacije porabijo veliko električne energije.

Seveda lahko brez teh naprav med izpadom električne energije. To je smiselno, če se takšne prekinitve pojavljajo redko in za kratek čas. Če pa se vseeno odločite za zagotovitev samostojnega napajanja močnih porabnikov, je bolje uporabiti bencinski ali dizelski generator. Za njihov hiter zagon ob izpadu napetosti se uporablja sistem samodejnega preklopa rezerve (SPR).

Ob prisotnosti dodatnega vira napajanja je vseeno vredno uporabiti brezprekinitveni napajalnik, vsaj za računalnike. Hipnega zagona generatorja in obnovitve električnega napajanja ni mogoče doseči.

Stabilizacija znižane napetosti

Problem nizke napetosti je aktualen za objekte, priključene na stara ali nizkozmogljiva električna omrežja. Če se takšna situacija pojavlja stalno, je bolje uporabiti vhodni stabilizator.

Ob prisotnosti stabilizatorja bo napetost notranjega omrežja stavbe privedena na normativne vrednosti. To bo vplivalo tudi na naprave, ki niso priključene na UPS.

Pri nizki napetosti narašča jakost toka, ki teče po notranjem omrežju stavbe. Na primer, naj bo skupna moč porabnikov, priključenih na UPS, 1,5 kW, dovedena napetost pa je 190 V.

Tedaj po Ohmovem zakonu:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – jakost toka v tokokrogu pred UPS brez stabilizatorja;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – jakost toka v tokokrogu pred UPS s stabilizatorjem.

Tako bo notranje omrežje stavbe brez stabilizatorja doživljalo povečano obremenitev, kar morda ni bilo upoštevano pri izbiri preseka napeljave.

Zato je ob stalni nizki napetosti bolje namestiti stabilizator. V tem primeru bo obremenitev avtotransformatorja UPS manjša, kar bo podaljšalo njegovo življenjsko dobo. Poleg tega je ob upoštevanju izenačitve napetosti mogoče kupiti cenejše brezprekinitvene napajalnike.

Neprekinjeno napajanje porabnikov enosmernega toka

Za nekatere naprave je treba zagotoviti brezprekinitveno napajanje z enosmernim tokom 12, 24 ali 48 V. UPS takšnega tipa so prav tako v prodaji. V njihovi oznaki je prisotna kratica “DC”. Enote z napajanjem napetosti 60, 110 ali 220 V prav tako obstajajo, vendar se uporabljajo v industriji ali energetiki.

Razlika med brezprekinitvenimi napajalniki za enosmerni tok v notranji zgradbi in klasičnimi modeli je v odsotnosti razsmernika. Akumulatorje priključijo neposredno na izhod preko kontaktorja s tokovno omejevalnim merilnim šantom, da preprečijo nedopustno globoko praznjenje baterij.

Včasih je na izhodu lahko stabilizacijski pretvornik, če so naprave, napajane iz UPS, občutljive na majhna nihanja napetosti.

Skupaj z napetostnimi pretvorniki je UPS enosmernega toka z 48 W sposoben napajati sistem videonadzora z obodom do 1 km.

Takšne rezervne napajalnike uporabljamo za zaščito naslednje gospodinjske opreme, ki deluje na enosmerni tok:

• sistemov videonadzora in varovanja;
• vseh vrst senzorjev (puščanja, dima, ognja, gibanja in drugih);
• sistemov osvetlitve;
• telekomunikacijskih naprav;
• komunikacijskih sistemov;
• komponent sistema upravljanja “pametne hiše”.

Številni UPS enosmernega toka imajo možnost priključitve zunanjih akumulatorjev. V tem primeru je lahko avtonomno delovanje naprav, ki jih oskrbujejo, zelo dolgotrajno.

Zaključki in koristen video na to temo

Na kratko o glavnih značilnostih gospodinjskih UPS:

Raznolikost tipov UPS in njihovih značilnosti je posledica različnih pogojev uporabe: moči in vrste priključenih naprav, parametrov in tipičnih težav določenega električnega omrežja. UPS običajno ni najdražji element v sistemu, vendar je od njega odvisna stabilnost delovanja. Zato je treba določiti pogoje delovanja in natančno pristopiti k izbiri modela.

Imate še vprašanja o temi članka? Ali lahko dodate k temu gradivu zanimive informacije o UPS? Prosimo, napišite svoje komentarje, postavite vprašanja, delite izkušnje v spodnjem okvirju.