Jedinica neprekidnog napajanja: namjena i specifičnost rada kućnog UPS-a

Za očuvanje radne sposobnosti uređaja tijekom smetnji u mreži koristi se neprekidni izvor napajanja. Ovisno o vrsti opsluživanih potrošača i parametrima električne energije potrebno je odabrati različite modele. Ovi uređaji su traženi, stoga nije teško nabaviti primjerak s potrebnim karakteristikama.

No prije kupnje potrebno je samostalno razumjeti njegove značajke, a ne povjeriti to pitanje menadžerima zainteresiranim za prodaju.

U ovom materijalu razmotrit ćemo uređaj i značajke rada UPS-a, te ćemo govoriti o pravilima njegove uporabe.

Sheme UPS-a izmjenične struje

Za kućanske potrebe koriste se uređaji za neprekidno napajanje, koji se priključuju na jednofaznu mrežu od 220 V, a koji mogu neko vrijeme u odsutnosti električne energije napajati potrošače koji zahtijevaju isti napon.

Postoje također UPS-ovi koji su na ulazu priključeni na trofaznu mrežu, a na izlazu daju ili 380 V ili 220 V. Međutim, oni su skupi, koriste se kada je potrebno dobiti autonomnu snagu od 10 kVA, što za kućanske potrebe nije potrebno.

Kućanski UPS-ovi izmjenične struje prema shemi funkcioniranja dijele se na sljedeće vrste:

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

Razlikuju se po kvaliteti izlaznog napona i cijeni. Najjeftiniji su rezervni, a najskuplji su dvostruke pretvorbe.

Najjednostavnija u izvedbi rezervna shema napajanja podrazumijeva prisutnost preklopnog releja i pasivne filtracije za suzbijanje smetnji

Za pretvorbu izmjenične struje u istosmjernu u punjaču se koristi ispravljač. A obratna transformacija odvija se pomoću pretvarača (invertera).

U neprekidnim izvorima napajanja za prebacivanje kruga s mreže na bateriju u pravilu se ugrađuju obični elektromehanički releji. Ako je ovaj dio kvalitetan, njegov resurs dovoljan je za cijelo vrijeme funkcioniranja UPS-a. Ali najčešće, kod kvara jedinice problem leži upravo u ovom elementu konstrukcije.

Interaktivna shema razlikuje se od rezervne po prisutnosti stabilizatora napona. On je izveden u obliku tipičnog autotransformatora s izravno spojenim namotima.

Stabilizacija napona također je prisutna u mnogim kućanskim uređajima, stoga ako su odstupanja neznatna, nema smisla kupovati skuplji linearno-interaktivni model.

Prisutnost transformatora često prisiljava proizvođača na korištenje prisilnog hlađenja, stoga se takvi UPS-ovi opremaju ventilatorima. Oni proizvode buku, po intenzitetu usporedivu s radom računalnog sistemskog bloka.

Napajanje pretvarača (invertera) u online shemi odvija se kontinuirano iz akumulatora. Stoga, u slučaju kvarova u električnoj mreži, vrijeme prebacivanja na rezervno napajanje jednako je nuli.

Najsloženiji i najskuplji uređaji s dvostrukom pretvorbom imaju ujedno i najniži stupanj djelovanja (COP). Električna energija odlazi u toplinu koju uređaj emitira. Stoga je njihovu upotrebu potrebno opravdati.

Najznačajnija prednost takve vrste besprekidnih izvora napajanja leži u trenutnoj reakciji na nestanak struje. No, za većinu kućanskih uređaja to nije toliko važno. Ista računala obično se opremaju UPS-ovima rezervnog ili interaktivnog tipa.

Najvažniji parametri

Trenutno na tržištu postoji mnogo ponuda za prodaju kućanskih izvora besprekidnog napajanja. Kako biste pravilno odredili njihovu namjenu i ne pogriješili pri odabiru, morate razumjeti na koje parametre treba obratiti pozornost na prvom mjestu.

Osnovne tehničke karakteristike

Izlazna snaga uređaja određuje maksimalno dopuštenu vrijednost koju jedinica može zajamčeno isporučiti potrošaču. Mjeri se u volt-amperima (VA). Radi udobnosti korisnika često se navodi ova vrijednost i u vatima.

Za mjerenje opterećenja uređaja može se upotrijebiti ampermetar ili se može izračunati primjenom očitanja brojila instaliranog u stanu.

Potrošenu električnu energiju može se izmjeriti pomoću kućanskog ampermetra (vatmetra) s utičnicom. Uređaj koji se priključuje treba prebaciti u način rada maksimalne potrošnje.

Pri određivanju stvarne snage računala ne treba se voditi nazivnom snagom napajanja, jer se ono uvijek kupuje s rezervom.

Ako nema ampermetra, potrebno je izvršiti sljedeće korake:

1. Isključite sve strujne krugove u razvodnoj ploči, osim onog iz kojeg se napaja računalo.
2. Isključite sve uređaje u tom strujnom krugu.
3. Uključite računalo i pokrenite na njemu tipičan program (na primjer, videozapis s YouTubea).
4. Pričekajte dok na brojilu ne dođe do promjene vrijednosti desetinke kilovata.
5. Zabilježite vrijeme do sljedeće promjene.

Prosječnu snagu potrošnje (P, vati) u tom razdoblju (t, minuta) može se izračunati pomoću formule:

P = 100 * (60 / t)

Sljedeća važna karakteristika je vrijeme autonomnog rada. Ovaj pokazatelj ovisi o opterećenju koje UPS u tom trenutku podnosi. Pri maksimalno dopuštenoj snazi baterije kućnog uređaja rade 1-3 minute. A pri polovičnoj – znatno duže (do 10 minuta).

Iz grafa ovisnosti vremena autonomnog rada baterija o prosječnom opterećenju vidi se da je ta ovisnost nelinearna. To je uvjetovano načinom pražnjenja baterija.

Iz toga slijede dva zaključka:

• pri prekidu opskrbe električnom energijom, potrebno je maksimalno smanjiti opterećenje koje troše uređaji;
• poželjno je nabaviti UPS snage koja premašuje izračunatu barem za 30%.

Raspon ulaznog napona pokazuje minimalni i maksimalni dopušteni napon mreže pri kojem neće doći do prebacivanja napajanja na baterije. U pravilu, svi UPS-ovi podnose interval 180-260 V.

Kod nekih proizvođača mogu se naći vrlo dobri (reklamni) pokazatelji, na primjer, donja vrijednost – 110 V. Ovdje se treba uvjeriti da su te brojke uzete upravo za maksimalno opterećenje, a ne za polovično.

Još jedan važan tehnički pokazatelj je razina buke. UPS-ovi izrađeni po linearno-interaktivnoj ili online tehnologiji emitiraju mnogo topline, stoga proizvođači na njih ugrađuju ventilatore. Ako su hladnjaci jeftini, s vremenom će proizvoditi brundanje, što za stambeni prostor nije poželjno.

Sučelje i izvođenje podešavanja

Izgled blokova može biti vrlo raznolik. Obično imaju klasičan pravokutni oblik, gdje se na prednjoj strani nalaze indikatori ili zaslon, a na stražnjoj – strujni priključci. Njihov broj nije toliko važan jer se na izlazu može priključiti produžni kabel s razdjelnikom. To nikako neće biti u suprotnosti s konceptom UPS-a.

Model može imati LCD zaslon na kojem će biti prikazana situacija s napajanjem priključenih uređaja: prisutnost napajanja, broj potrošača, napunjenost baterije itd.

Sustav indikacije smanjuje trošak opreme. Osim toga, praktičniji je. Ako je potrebno saznati bilo kakve parametre, kod mnogih modela implementirana je funkcija povezivanja s računalom.

Da bi se saznali parametri opskrbe električnom energijom, stanje baterija UPS-a i kako radi, može se spojiti na računalo. Za mnoge modele implementirana je ta funkcija i razvijen je softver.

Postoje tri osnovne vrste sučelja:

• USB. Najčešća veza računala i UPS-a.
• RS-232 (COM-port). Rijetko je prisutan u kućanskim modelima.
• Ethernet 10/100. Koristi se za daljinsko upravljanje besprekidnim napajanjem.

Softver za dobivanje karakteristika UPS-a i njegovo upravljanje razvijen je ne samo za različite verzije Windowsa. Tako, na primjer, poznati proizvođač Powercom ima Android verziju softvera koja omogućuje daljinsko praćenje stanja napajanja i po potrebi prilagođavanje rada besprekidnog napajanja.

Softver omogućuje praćenje osnovnih karakteristika električne mreže, poput ulaznog i izlaznog napona i frekvencije. Također se može saznati napunjenost baterija i temperatura uređaja.

Besprekidna napajanja postavljaju se u neposrednu blizinu zaštićenih potrošača električne energije. Obično se postavljaju na pod ili na police. Neki modeli opremljeni su nosačima koji omogućuju montažu na zidove.

Kvaliteta izlazne struje

Besprekidni izvori napajanja moraju isporučivati struju odgovarajuće kvalitete. Pri radu na baterije za to je zadužen invertor, a u slučaju napajanja iz mreže, problematične trenutke trebaju izglađivati filtri i stabilizator. Smetnje koje nastaju u električnom krugu imaju različit nastanak i posljedice za elektroniku. Stoga je i ovo pitanje potrebno temeljito razjasniti.

Mrežne smetnje i zaštita

Svi moderni UPS-ovi opremljeni su zaštitom od problema koji dolaze sa strane zaštićenih uređaja. Ako ukupno opterećenje premaši maksimalno dopušteno ili dođe do kratkog spoja, besprekidno napajanje će odmah isključiti napajanje.

Smetnje u mreži mogu se uvjetno podijeliti na frekvencijske i impulsne. Prve nisu toliko opasne, osobito za napajanja računala ili televizora, koja pretvaraju izmjeničnu struju u istosmjernu. Druge mogu uzrokovati problem kod bilo koje elektronike.

Stoga je većina UPS-ova opremljena zaštitom od impulsa i harmonika pomoću varistora i visokofrekventnih filtera.

Uklanjanje smetnji na liniji odvija se u dvije faze. Prvo varistori odsijecaju visokofrekventne impulse, a zatim filter izglađuje manje skokove.

Problem pojave visokonaponskih impulsa karakterističan je ne samo za energetske kablove, već i za mreže za prijenos podataka – računalne ili telefonske. Oni mogu nastati zbog utjecaja atmosferskog elektriciteta, proboja obližnjeg ožičenja, električnih smetnji i drugih razloga.

Mnogi proizvođači proizvode modele s mogućnošću zaštite lokalne mreže. U tu svrhu UPS ima dva RJ-45 priključka – jedan na ulazu i jedan na izlazu. Signal prolazi kroz filter koji suzbija naponske skokove. Za telefonske linije sustav je isti, samo što priključci imaju format RJ-11.

Niski i visoki napon

Regulacija napona odvija se pomoću automatskog regulatora napona (AVR), čiji je glavni element autotransformator. Načelo njegovog funkcioniranja temelji se na promjeni broja zavoja jednog od namota, što rezultira promjenom napona naviše ili naniže.

Prisutnost AVR-a u UPS-u omogućuje da ne mora svaki put uključiti autonomni način rada pri manjem odstupanju napona od normiranih vrijednosti. To znatno povećava vijek trajanja baterija.

Profesionalni multimetri, poput CEM DT 9909, mogu dulje vrijeme zapisivati vrijednost napona. Korištenje takvog uređaja može pomoći pri odabiru stabilizatora ili UPS-a.

Prema GOST 29322-2014 dopušteno je 10-postotno odstupanje napona od referentne vrijednosti u trajanju ne duljem od 1 sata. Svi moderni UPS-ovi s regulatorima nose se s takvim oscilacijama.

Čistoća izlaznog signala

O modelu pretvarača koji je ugrađen u UPS ovisi vrsta izlaznog signala. U idealnom slučaju, krivulja napona izmjenične struje trebala bi biti sinusoida. No nakon pretvorbe kroz pretvarač ona poprima stepenasti oblik.

Što je veći broj stupnjeva u krivulji ovisnosti trenutnog napona o vremenu, to je bolja kvaliteta izmjenične struje. Za neke je uređaje to važno.

Za opremu koja sadrži asinkrone elektromotore (hladnjak, klima uređaj), transformatorska napajanja (kvalitetna audio oprema), APFC napajanja (poslužitelji i snažna računala) potrebna je čista ili dobro aproksimirana sinusoida.

Niti jedan pretvarač, a time ni UPS, ne daje čistu sinusoidu, što god pisali u reklamnim brošurama proizvođači opreme. Približavanje izlaznog signala sinusoidi procjenjuje se kroz koeficijent nelinearnih izobličenja (THD).

Signal koji izlazi iz jedinice može se smatrati sinusoidnim pri THD<5%. Kod nekih modela, primjerice IMV NetPro 2000, ta vrijednost iznosi samo 2%.

Pravila korištenja UPS-a

Kada kupujete UPS za organizaciju rezervnog napajanja, morate razumjeti uz koje se uređaje može koristiti. Ponekad se ne možete osloniti samo na UPS i tada trebate poduzeti dodatne mjere za opskrbu kuće električnom energijom.

Priključivanje kućanskih uređaja

Računala, modemi, routeri, video i audio oprema – tipični su kućanski ili uredski uređaji na koje se spajaju UPS-ovi. Ako ta oprema sadrži obična impulsna napajanja, tada će biti dovoljno kupiti relativno jeftine modele koji ne daju čistu sinusoidu.

Moderni modeli su kompaktni i imaju privlačan dizajn koji se skladno uklapa s drugom tehnikom u interijeru dnevne sobe.

Za rasvjetu također nije potrebno kupovati skupe uređaje. Ovdje je glavno pravilno izračunati maksimalnu snagu i vrijeme autonomnog rada.

Kod čestih isključenja aktualan je problem neplaniranog odmrzavanja hladnjaka i kvarenja hrane. Pri zaštiti takve opreme s asinkronim motorima bit će potrebni UPS složenijeg uređaja, jer će biti potreban “čisti” sinusoidalni signal.

Osim toga, potrebno je uzeti u obzir postojanje startnih struja koje nastaju pri pokretanju motora. Pojednostavljeno, za rashladnu opremu njihovu vrijednost može se odrediti množenjem vrijednosti snage s 5.

Ako, na primjer, u kuhinji postoji hladnjak ukupne snage 300 W (pri pokretanju – 1500 W) i zamrzivač od 200 W (pri pokretanju – 1000 W), tada je potreban napojni blok s čistim sinusom i maksimalnom snagom od najmanje 1700 W. Ova vrijednost dobivena je za slučaj kada će raditi zamrzivač, a u to vrijeme doći će do uključivanja hladnjaka. Istovremeno pokretanje oba motora malo je vjerojatno, a i takav UPS izdržat će jednosekundni skok od 2,7 kW.

Blok online tipa s maksimalnom snagom od 2000 W moći će raditi oko pola sata pri ukupnoj potrošnji od 500 W. Budući da način hlađenja traje oko 5 minuta, UPS će zajamčeno biti dovoljan za 6 pokretanja oba uređaja.

U privatnim kućama i vikendicama također je aktualno korištenje UPS-a za podršku sustavu grijanja s prisilnom cirkulacijom. Crpkama je također potreban čisti sinus.

UPS-ovi se također aktivno koriste za rad plinskih kotlova za grijanje. Uzimajući u obzir cijenu priključene opreme, ne treba štedjeti na kvaliteti UPS-a u ovom slučaju.

Rezervno i dodatno napajanje

Za mnoge kućanske uređaje nemoguće je odabrati jeftin UPS, jer će biti potrebna značajna maksimalna snaga tijekom dugog razdoblja autonomnog rada. Perilice rublja, električne pećnice, sustavi distribuiranog klimatiziranja troše puno električne energije.

Može se, naravno, bez tih uređaja za vrijeme isključenja električne energije. To je svrhovito u slučaju da se takvi prekidi događaju rijetko i na kratko vrijeme. Ali ako se ipak donese odluka o osiguranju snažnih potrošača autonomnim napajanjem, onda je bolje koristiti benzinski ili dizelski generator. Za njihovo brzo pokretanje u nedostatku napona koristi se sustav automatskog prebacivanja na rezervno napajanje (APR).

Pri dodatnom izvoru napajanja, UPS ipak treba koristiti, barem za računala. Trenutačno pokretanje generatora i uspostava napajanja nije moguće.

Stabilizacija sniženog napona

Problem sniženog napona odnosi se na objekte spojene na stare ili slabije električne mreže. Ako se takva situacija pojavljuje stalno, bolje je koristiti ulazni stabilizator.

Uz prisutnost stabilizatora, napon unutarnje kućne mreže bit će doveden do normativnih vrijednosti. To će utjecati i na uređaje koji nisu spojeni na UPS.

Pri sniženom naponu raste jakost struje koja prolazi kroz unutarnju kućnu mrežu. Na primjer, neka ukupna snaga potrošača spojenih na UPS bude 1,5 kW, a dovedeni napon jednak 190 V.

Tada prema Ohmovom zakonu:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – jakost struje u krugu prije UPS-a bez stabilizatora;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – jakost struje u krugu prije UPS-a sa stabilizatorom.

Dakle, unutarnja kućna mreža bez stabilizatora doživjet će povećano opterećenje, što možda nije uzeto u obzir pri odabiru presjeka kabela.

Stoga je kod trajno sniženog napona bolje ugraditi stabilizator. U tom će slučaju i opterećenje na autotransformator UPS-a biti manje, što će produžiti njegov vijek trajanja. Osim toga, uz izjednačavanje napona, mogu se kupiti jeftiniji besprekidni izvori napajanja.

Neprekidno napajanje potrošača istosmjerne struje

Za neke uređaje potrebno je osigurati besprekidno napajanje istosmjernom strujom od 12, 24 ili 48 V. UPS-ovi takve vrste također su dostupni u prodaji. U njihovoj oznaci nalazi se kratica “DC”. Blokovi s naponom od 60, 110 ili 220 V također postoje, ali se koriste u industriji ili energetici.

Razlika besprekidnih izvora napajanja istosmjerne struje u unutarnjem ustrojstvu u odnosu na klasične modele leži u odsutnosti pretvarača. Baterije se spajaju izravno na izlaz preko sklopnika s mjernim shuntom za ograničavanje struje kako bi se spriječilo nedopušteno duboko pražnjenje baterija.

Ponekad na izlazu može stajati stabilizirajući pretvarač, ako su uređaji koji se napajaju iz UPS-a osjetljivi na male oscilacije napona.

Zajedno s pretvaračima napona, UPS istosmjerne struje od 48 W može napajati sustav videonadzora s perimetrom do 1 km

Takvi rezervni izvori napajanja koriste se za zaštitu sljedeće kućanske opreme koja radi na istosmjernu struju:

• sustava videonadzora i zaštite;
• raznih senzora (propuštanja, dima, požara, pokreta i dr.);
• sustava rasvjete;
• telekomunikacijskih uređaja;
• sustava komunikacije;
• komponenti sustava upravljanja “pametna kuća”.

Mnogi UPS-ovi istosmjerne struje imaju opciju povezivanja vanjskih baterija. U tom slučaju autonomno funkcioniranje uređaja koje opslužuju može biti vrlo dugotrajno.

Zaključci i koristan video na temu

Kratko o glavnim karakteristikama kućanskih UPS-ova:

Raznolikost tipova UPS-ova i njihovih karakteristika posljedica je različitih uvjeta njihove uporabe: snage i vrste priključenih uređaja, parametara i tipičnih problema određene električne mreže. UPS obično nije najskuplji element u sustavu, ali o njemu ovisi stabilnost rada. Stoga je potrebno odrediti radne uvjete i pažljivo pristupiti odabiru modela.

Imate li pitanja o temi članka? Ili možete dopuniti ovaj materijal zanimljivim informacijama o UPS-u? Molimo napišite svoje komentare, postavite pitanja, podijelite iskustvo u bloku ispod.