Urządzenie zasilania bezprzerwowego: przeznaczenie i specyfika pracy domowego UPS

Aby utrzymać sprawność urządzeń podczas awarii sieci, stosuje się zasilacz bezprzerwowy (UPS). W zależności od rodzaju obsługiwanych odbiorników i parametrów energii elektrycznej należy wybierać różne modele. Urządzenia te są popularne, więc zakup odpowiedniego pod względem parametrów egzemplarza nie stanowi problemu.

Przed zakupem należy jednak samodzielnie zapoznać się z jego cechami, a nie powierzać tej kwestii zainteresowanym sprzedażą menedżerom.

W tym materiale omówimy budowę i specyfikę pracy UPS, a także przedstawimy zasady jego użytkowania.

Schematy UPS prądu przemiennego

Do potrzeb domowych używa się urządzeń do zasilania bezprzerwowego, podłączanych do jednofazowej sieci 220 V, które mogą przez pewien czas przy braku energii zasilać odbiorniki wymagające takiego samego napięcia.

Istnieją również UPS, które są podłączone wejściowo do sieci trójfazowej, a na wyjściu dają 380 V lub 220 V. Są one jednak drogie i stosowane, gdy konieczne jest uzyskanie autonomicznej mocy od 10 kVA, co nie jest potrzebne do celów domowych.

Domowe UPS prądu przemiennego ze względu na schemat działania dzielą się na następujące typy:

• rezerwowe (offline);
• interaktywne (line-interactive);
• z podwójną konwersją (online).

Różnią się jakością napięcia wyjściowego i ceną. Najtańsze są rezerwowe, a najdroższe – z podwójną konwersją.

Najprostszy w wykonaniu rezerwowy schemat zasilania zakłada obecność przełączającego przekaźnika i pasywnej filtracji do tłumienia zakłóceń

Do przekształcania prądu przemiennego na stały w ładowarce stosuje się prostownik. Odwrotna transformacja odbywa się za pomocą falownika.

W zasilaczach UPS do przełączania obwodu z sieci na akumulator zazwyczaj instaluje się zwykłe elektromechaniczne przekaźniki. Jeśli ten element jest wysokiej jakości, jego żywotność wystarcza na cały okres pracy UPS. Jednak najczęściej w przypadku awarii urządzenia problem leży właśnie w tym elemencie konstrukcji.

Schemat interaktywny różni się od rezerwowego obecnością stabilizatora napięcia. Jest on wykonany w postaci typowego autotransformatora z bezpośrednio połączonymi uzwojeniami.

Stabilizacja napięcia występuje również w wielu urządzeniach domowych, dlatego jeśli odchylenia są niewielkie, nie ma sensu kupować droższego modelu liniowo-interaktywnego.

Obecność transformatora często zmusza producenta do stosowania wymuszonego chłodzenia, dlatego takie UPS-y są wyposażane w wentylatory. Wydają one hałas porównywalny pod względem intensywności do pracy jednostki systemowej komputera.

Zasilanie inwertera w schemacie online odbywa się na stałe z akumulatorów. Dlatego w przypadku awarii sieci elektrycznej czas przełączenia na zasilanie rezerwowe wynosi zero.

Najbardziej skomplikowane i drogie urządzenia z podwójną konwersją mają przy tym najniższą sprawność. Energia elektryczna zamienia się w ciepło, które urządzenie emituje. Dlatego ich zastosowanie musi być uzasadnione.

Najważniejszą zaletą tego typu zasilaczy awaryjnych jest natychmiastowa reakcja na wyłączenie prądu. Ale dla większości urządzeń domowych nie jest to aż tak istotne. Na przykład komputery są zwykle wyposażane w UPS-y typu rezerwowego lub interaktywnego.

Najważniejsze parametry

Obecnie na rynku jest wiele ofert sprzedaży domowych zasilaczy awaryjnych. Aby prawidłowo określić ich przeznaczenie i nie popełnić błędu przy wyborze, należy zrozumieć, na które parametry zwrócić uwagę w pierwszej kolejności.

Podstawowe parametry techniczne

Moc wyjściowa urządzenia określa maksymalną dopuszczalną wartość, jaką blok może zagwarantować odbiorcy. Mierzy się ją w woltoamperach (VA). Dla wygody użytkowników często podaje się tę wartość oraz w watach.

Do pomiaru obciążenia urządzeń można użyć amperomierza lub obliczyć je na podstawie wskazań licznika zainstalowanego w mieszkaniu.

Pobór energii elektrycznej można zmierzyć za pomocą domowego amperomierza (watomierza) z gniazdkiem. Podłączane urządzenie należy przełączyć w tryb maksymalnego poboru.

Przy określaniu rzeczywistej mocy komputera nie należy kierować się wartością znamionową zasilacza, ponieważ zawsze kupuje się go z zapasem.

Jeśli nie ma amperomierza, należy wykonać następujące czynności:

1. Wyłącz wszystkie obwody w rozdzielnicy, z wyjątkiem tego, z którego zasilany jest komputer.
2. Wyłącz wszystkie urządzenia w tym obwodzie.
3. Włącz komputer i uruchom na nim typowy program (np. film z YouTube).
4. Poczekaj, aż na liczniku nastąpi zmiana wartości dziesiątej części kilowata.
5. Zanotuj czas do następnej zmiany.

Średnią moc poboru (P, wat) w tym okresie (t, minut) można obliczyć ze wzoru:

P = 100 * (60 / t)

Kolejną ważną cechą jest czas pracy autonomicznej. Wskaźnik ten zależy od obciążenia, które w danym momencie doświadcza UPS. Przy maksymalnej dopuszczalnej mocy akumulatory urządzenia domowego działają od 1 do 3 minut. Natomiast przy połowie mocy – znacznie dłużej (do 10 minut).

Z wykresu zależności czasu autonomicznej pracy akumulatorów od średniego obciążenia widać, że ta zależność jest nieliniowa. Wynika to ze sposobu rozładowywania baterii.

Stąd wynikają dwa wnioski:

• w przypadku odłączenia zasilania, należy maksymalnie zmniejszyć obciążenie pobierane przez urządzenia;
• wskazane jest nabycie UPS o mocy przekraczającej obliczeniową co najmniej o 30%.

Zakres napięcia wejściowego pokazuje minimalne i maksymalne dopuszczalne napięcie sieci, przy którym nie nastąpi przełączenie zasilania na akumulatory. Zazwyczaj wszystkie UPS wytrzymują zakres 180-260 V.

U niektórych producentów można spotkać bardzo dobre (reklamowe) parametry, na przykład dolna wartość – 110 V. Należy się upewnić, że te liczby dotyczą maksymalnego obciążenia, a nie połowicznego.

Kolejnym ważnym wskaźnikiem technicznym jest poziom hałasu. UPS wykonane w technologii line-interactive lub online wydzielają dużo ciepła, dlatego producenci instalują w nich wentylatory. Jeśli wentylatory są tanie, z czasem będą wydawać buczenie, co w pomieszczeniu mieszkalnym jest niepożądane.

Interfejs i konfiguracja

Wygląd zewnętrzny urządzeń może być bardzo różnorodny. Zazwyczaj mają one klasyczny prostokątny kształt, gdzie z przodu znajdują się wskaźniki lub wyświetlacz, a z tyłu – złącza zasilające. Ich liczba nie jest tak ważna, ponieważ na wyjściu można podłączyć przedłużacz z trójnikiem. Nie będzie to w żaden sposób sprzeczne z koncepcją UPS.

Model może posiadać wyświetlacz LCD, na którym będzie pokazana sytuacja dotycząca zasilania podłączonych urządzeń: obecność napięcia, liczba odbiorników, poziom naładowania akumulatora itp.

System wskaźników obniża koszt urządzenia. Ponadto jest bardziej praktyczny. Jeśli konieczne jest poznanie jakichś parametrów, to w wielu modelach zrealizowano funkcję podłączenia do komputera.

Aby poznać parametry zasilania, stan akumulatorów UPS i jak on działa, można go podłączyć do komputera. Dla wielu modeli zrealizowano tę funkcję i opracowano oprogramowanie.

Istnieją trzy podstawowe typy interfejsu:

• USB. Najczęstsze połączenie komputera i UPS.
• RS-232 (port COM). Rzadko występuje w modelach domowych.
• Ethernet 10/100. Stosuje się go do zdalnego zarządzania UPS.

Oprogramowanie do uzyskiwania parametrów z UPS i jego sterowania zostało opracowane nie tylko dla różnych wersji Windows. Na przykład u znanego producenta Powercom dostępna jest wersja oprogramowania na Androida, która umożliwia zdalne monitorowanie stanu zasilania i w razie potrzeby korygowanie pracy urządzenia UPS.

Oprogramowanie umożliwia monitorowanie podstawowych parametrów sieci elektrycznej, takich jak napięcie wejściowe i wyjściowe, częstotliwość. Można również sprawdzić stan naładowania akumulatorów i temperaturę urządzenia.

Zasilacze UPS umieszcza się w bezpośrednim sąsiedztwie chronionych odbiorników energii elektrycznej. Zazwyczaj stawia się je na podłodze lub na półkach. Niektóre modele są wyposażone w uchwyty umożliwiające montaż na ścianach.

Jakość prądu wyjściowego

Zasilacze awaryjne powinny dostarczać prąd o odpowiedniej jakości. Podczas pracy z baterii odpowiada za to inwerter, a w przypadku zasilania z sieci, problematyczne momenty powinny być wygładzane przez filtry i stabilizator. Zakłócenia powstające w obwodzie elektrycznym mają różne źródła i konsekwencje dla elektroniki. Dlatego w tej kwestii również należy dokładnie się zorientować.

Zakłócenia sieciowe i ochrona

Wszystkie nowoczesne UPS są wyposażone w zabezpieczenia przed problemami ze strony obsługiwanych urządzeń. Jeśli łączne obciążenie przekroczy maksymalną dopuszczalną wartość lub nastąpi zwarcie, UPS natychmiast wyłączy zasilanie.

Zakłócenia w sieci można umownie podzielić na częstotliwościowe i impulsowe. Te pierwsze nie są tak groźne, szczególnie dla zasilaczy komputerów czy telewizorów, które przekształcają prąd zmienny na stały. Drugie mogą powodować problemy w każdej elektronice.

Dlatego większość UPS jest wyposażona w zabezpieczenia przed impulsami i harmonicznymi za pomocą warystorów i filtrów wysokiej częstotliwości.

Usuwanie zakłóceń na linii odbywa się w dwóch etapach. Najpierw warystory odcinają impulsy wysokiej częstotliwości, a następnie filtr wygładza niewielkie skoki.

Problem pojawiania się impulsów wysokiego napięcia jest charakterystyczny nie tylko dla kabli zasilających, ale także dla sieci transmisji danych – komputerowych lub telefonicznych. Mogą one powstać na skutek działania elektryczności atmosferycznej, przebić w pobliskim okablowaniu, pojawiających się zakłóceń elektrycznych i innych przyczyn.

Wielu producentów oferuje modele z możliwością ochrony sieci lokalnej. W tym celu UPS posiada dwa gniazda RJ-45 – jedno na wejściu i jedno na wyjściu. Sygnał przechodzi przez filtr, który tłumi skoki napięcia. W przypadku linii telefonicznych system jest taki sam, z tym że gniazda mają format RJ-11.

Niskie i wysokie napięcie

Regulacja napięcia odbywa się za pomocą automatycznego regulatora napięcia (AVR), którego głównym elementem jest autotransformator. Zasada jego działania opiera się na zmianie liczby zwojów jednego z uzwojeń, w wyniku czego następuje zmiana napięcia w kierunku zwiększenia lub zmniejszenia jego wartości.

Obecność AVR w UPS pozwala nie włączać za każdym razem trybu autonomicznego przy niewielkim odchyleniu napięcia od wartości normatywnych. To znacznie wydłuża żywotność akumulatorów.

Profesjonalne multimetry, takie jak CEM DT 9909, są w stanie przez długi czas rejestrować wartość napięcia. Zastosowanie takiego przyrządu może pomóc w wyborze stabilizatora lub UPS.

Zgodnie z GOST 29322-2014 dopuszczalne jest 10-procentowe odchylenie napięcia od wartości referencyjnej przez czas nie dłuższy niż 1 godzina. Wszystkie nowoczesne UPS z regulatorami radzą sobie z takimi wahaniami.

Czystość sygnału wyjściowego

Typ sygnału wyjściowego zależy od modelu falownika zainstalowanego w UPS. Idealnie, krzywa napięcia prądu przemiennego powinna być sinusoidą. Ale po przekształceniu przez falownik przyjmuje ona postać schodkową.

Im większa liczba stopni w krzywej zależności chwilowego napięcia od czasu, tym lepsza jakość prądu przemiennego. Dla niektórych urządzeń jest to ważne.

Dla urządzeń, które zawierają silniki asynchroniczne (lodówka, klimatyzator), transformatorowe zasilacze (wysokiej jakości sprzęt audio), zasilacze APFC (serwery i wydajne komputery), potrzebna jest czysta lub dobrze aproksymowana sinusoida.

Żaden falownik, a zatem i UPS, nie wytwarza czystej sinusoidy, niezależnie od tego, co piszą w broszurach reklamowych producenci urządzeń. Przybliżenie sygnału wyjściowego do sinusoidy ocenia się za pomocą współczynnika zniekształceń nieliniowych (THD).

Sygnał wyjściowy z bloku można uznać za sinusoidalny przy THD<5%. W niektórych modelach, np. IMV NetPro 2000, wskaźnik ten wynosi zaledwie 2%.

Zasady użytkowania UPS

Kupując UPS do organizacji zasilania awaryjnego, należy zrozumieć, z jakimi urządzeniami można go używać. Czasami nie można ograniczyć się tylko do UPS i wtedy trzeba podjąć dodatkowe działania w celu zapewnienia domu elektryczności.

Podłączanie urządzeń domowych

Komputery, modemy, routery, sprzęt wideo i audio – typowe urządzenia domowe lub biurowe, do których podłącza się UPS. Jeśli ten sprzęt zawiera zwykłe zasilacze impulsowe, wystarczy kupić stosunkowo tanie modele, które nie wytwarzają czystej sinusoidy.

Nowoczesne modele są kompaktowe i mają atrakcyjny design, który harmonijnie współgra z innym sprzętem we wnętrzu pokoju mieszkalnego.

Do oświetlenia również nie trzeba kupować drogich produktów. Tutaj najważniejsze jest prawidłowe obliczenie maksymalnej mocy i czasu pracy autonomicznej.

Przy częstych wyłączeniach aktualny jest problem nieplanowanego rozmrażania lodówek i psucia się żywności. Przy ochronie takiego sprzętu z silnikami asynchronicznymi potrzebne będą UPS-y o bardziej złożonej konstrukcji, ponieważ wymagany będzie “czysty” sygnał sinusoidalny.

Ponadto należy uwzględnić występowanie prądów rozruchowych powstających przy starcie silnika. W uproszczeniu dla urządzeń chłodniczych ich wielkość można określić, mnożąc wartość mocy przez 5.

Jeśli na przykład w kuchni jest lodówka o mocy całkowitej 300 W (przy starcie – 1500 W) i zamrażarka o mocy 200 W (przy starcie – 1000 W), to potrzebny jest zasilacz z czystą sinusoidą i maksymalną mocą co najmniej 1700 W. Wartość tę uzyskano na wypadek, gdy zamrażarka będzie pracować, a w tym czasie nastąpi włączenie lodówki. Jednoczesny start obu silników jest mało prawdopodobny, a taki UPS wytrzyma jednosekundowy skok mocy do 2,7 kW.

Zasilacz typu online o maksymalnej mocy 2000 W będzie w stanie pracować przez około pół godziny przy łącznym poborze 500 W. Ponieważ tryb chłodzenia trwa około 5 minut, UPS wystarczy z pewnością na 6 uruchomień obu urządzeń.

W domach jednorodzinnych i domkach letniskowych również aktualne jest stosowanie UPS do wsparcia systemu ogrzewania z wymuszoną cyrkulacją. Pompy również potrzebują czystej sinusoidy.

Zasilacze awaryjne są również aktywnie wykorzystywane przy pracy gazowych kotłów grzewczych. Biorąc pod uwagę koszt podłączanego sprzętu, nie należy oszczędzać na jakości UPS w tym przypadku.

Zasilanie rezerwowe i dodatkowe

Dla wielu urządzeń domowych nie można dobrać taniego UPS, ponieważ będzie wymagana znacząca maksymalna moc przy długim okresie pracy autonomicznej. Pralki, piece elektryczne, systemy klimatyzacji rozproszonej zużywają dużo energii elektrycznej.

Można oczywiście obejść się bez tych urządzeń podczas przerwy w dostawie prądu. Jest to celowe w przypadku, gdy takie przerwy występują rzadko i na krótko. Jeśli jednak podjęta zostanie decyzja o zapewnieniu autonomicznego zasilania dla energochłonnych odbiorników, lepiej użyć generatora benzynowego lub diesla. Do ich szybkiego uruchomienia przy braku napięcia stosuje się system automatycznego przełączania zasilania (SZR).

Przy obecności dodatkowego źródła zasilania, UPS warto jednak stosować, chociażby dla komputerów. Natychmiastowe uruchomienie generatora i przywrócenie zasilania jest niemożliwe.

Stabilizacja obniżonego napięcia

Problem obniżonego napięcia dotyczy obiektów podłączonych do starych lub małomocnych sieci elektrycznych. Jeśli taka sytuacja występuje stale, lepiej zastosować wejściowy stabilizator.

Przy obecności stabilizatora napięcie sieci wewnątrzdomowej zostanie doprowadzone do normatywnych wartości. Wpłynie to również na urządzenia, które nie są podłączone do UPS.

Przy obniżonym napięciu wzrasta natężenie prądu przepływającego przez sieć wewnątrzdomową. Na przykład, niech łączna moc odbiorników podłączonych do UPS wynosi 1,5 kW, a napięcie zasilania wynosi 190 V.

Wtedy zgodnie z prawem Ohma:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – natężenie prądu w obwodzie przed UPS bez stabilizatora;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – natężenie prądu w obwodzie przed UPS ze stabilizatorem.

Tym samym sieć wewnątrzdomowa bez stabilizatora będzie doświadczać zwiększonego obciążenia, co mogło nie być uwzględnione przy doborze przekroju przewodów.

Dlatego przy stale obniżonym napięciu lepiej zamontować stabilizator. W takim przypadku obciążenie autotransformatora UPS będzie mniejsze, co wydłuży jego żywotność. Ponadto, biorąc pod uwagę wyrównanie napięcia, można kupować tańsze zasilacze awaryjne.

Zasilanie bezprzerwowe odbiorników prądu stałego

Dla niektórych urządzeń należy zapewnić zasilanie awaryjne prądem stałym o napięciu 12, 24 lub 48 V. UPS-y tego typu są również dostępne w sprzedaży. W ich oznakowaniu występuje skrót “DC”. Bloki z napięciem wyjściowym 60, 110 lub 220 V również istnieją, ale są stosowane w przemyśle lub energetyce.

Różnicą zasilaczy awaryjnych prądu stałego w budowie wewnętrznej w porównaniu z klasycznymi modelami jest brak falownika. Akumulatory podłącza się bezpośrednio do wyjścia przez stycznik z ograniczającym prąd bocznikiem pomiarowym, aby zapobiec niedopuszczalnie głębokiemu rozładowaniu baterii.

Czasami na wyjściu może znajdować się stabilizujący konwerter, jeśli urządzenia zasilane z UPS są wrażliwe na niewielkie wahania napięcia.

Wspólnie z przetwornikami napięcia, UPS prądu stałego o mocy 48 W jest w stanie zasilać system monitoringu wideo o obwodzie do 1 km

Takie zapasowe źródła zasilania są używane do ochrony następującego sprzętu domowego działającego na prąd stały:

• systemów monitoringu wideo i ochrony;
• wszelkiego rodzaju czujników (przecieku, dymu, ognia, ruchu itp.);
• systemów oświetleniowych;
• urządzeń telekomunikacyjnych;
• systemów łączności;
• komponentów systemu zarządzania “inteligentny dom”.

Wiele UPS-ów prądu stałego ma opcję podłączenia zewnętrznych akumulatorów. W takim przypadku autonomiczne działanie obsługiwanych przez nie urządzeń może być bardzo długie.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Krótko o głównych cechach domowych UPS:

Różnorodność typów UPS i ich charakterystyk jest wynikiem różnych warunków ich użytkowania: mocy i rodzaju podłączonych urządzeń, parametrów i typowych problemów danej sieci elektrycznej. Zasilacz awaryjny zwykle nie jest najdroższym elementem w systemie, ale od niego zależy stabilność jego działania. Dlatego należy określić warunki eksploatacji i starannie podejść do wyboru modelu.

Masz pytania dotyczące tematu artykułu? A może możesz uzupełnić ten materiał interesującymi informacjami o UPS? Prosimy, pisz swoje komentarze, zadawaj pytania, dziel się doświadczeniem w bloku poniżej.