Záložní zdroj: účel a specifika provozu domácího UPS

Pro zachování funkčnosti spotřebičů při poruchách sítě se používá zdroj nepřerušovaného napájení. V závislosti na typu obsluhovaných spotřebičů a parametrů elektrické energie je třeba vybrat různé modely. Tato zařízení jsou žádaná, proto není problém zakoupit model s požadovanými parametry.

Ale před nákupem je třeba se samostatně orientovat v jeho vlastnostech, a ne svěřit tuto otázku prodejním manažerům, kteří mají zájem na prodeji.

V tomto materiálu se podíváme na konstrukci a vlastnosti UPS a také popíšeme pravidla jeho používání.

Schémata UPS pro střídavý proud

Pro domácí potřeby se používají zařízení pro nepřerušované napájení, připojená k jednofázové síti 220 V, která mohou při výpadku elektřiny po určitou dobu napájet spotřebiče vyžadující stejné napětí.

Existují také UPS, které jsou na vstupu připojeny k třífázové síti a na výstupu poskytují buď 380 V nebo 220 V. Jsou však drahé, používají se, když je potřeba získat autonomní výkon od 10 kVA, což pro domácí potřeby není nutné.

Domácí UPS pro střídavý proud se podle provozního schématu dělí na následující typy:

• záložní (offline);
• interaktivní (line-interaktivní);
• dvojité konverze (online).

Liší se kvalitou výstupního napětí a cenou. Nejlevnější jsou záložní (offline) a nejdražší jsou dvojité konverze.

Nejjednodušší záložní napájecí schéma předpokládá přítomnost přepínacího relé a pasivní filtrace pro potlačení rušení.

Pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný v nabíječce se používá usměrňovač. A zpětná transformace probíhá pomocí měniče (invertoru).

V UPS pro přepínání obvodu ze sítě na baterii se obvykle instalují běžná elektromechanická relé. Pokud je tato součástka kvalitní, její životnost vystačí na celou dobu provozu UPS. Nejčastěji však při poruše jednotky problém spočívá právě v tomto konstrukčním prvku.

Interaktivní schéma se liší od záložní přítomností stabilizátoru napětí. Je proveden jako typický autotransformátor s přímo spojenými vinutími.

Stabilizace napětí je také přítomna v mnoha domácích zařízeních, takže pokud jsou odchylky nepatrné, nemá smysl pořizovat dražší lineárně-interaktivní model.

Přítomnost transformátoru často nutí výrobce používat nucené chlazení, proto jsou takové UPS vybaveny chladiči. Vydávají hluk, který je svou intenzitou srovnatelný s chodem počítačové systémové jednotky.

Napájení invertoru při online schématu probíhá trvale z akumulátorů. Proto při výskytu poruch v elektrické síti je doba přepnutí na záložní napájení nulová.

Nejsložitější a nejdražší zařízení s dvojitou konverzí mají také nejnižší účinnost. Elektrická energie se mění v teplo, které zařízení vyzařuje. Proto je nutné jejich použití odůvodnit.

Nejvýznamnější výhoda tohoto typu záložních zdrojů spočívá v okamžité reakci na výpadek elektřiny. Ale pro většinu domácích spotřebičů to není tak důležité. Stejné počítače jsou obvykle vybaveny UPS záložního nebo interaktivního typu.

Nejdůležitější parametry

V současné době je na trhu mnoho nabídek prodeje domácích zdrojů nepřerušitelného napájení. Abychom správně určili jejich účel a neudělali chybu při výběru, musíme rozumět, na které parametry se zaměřit především.

Hlavní technické parametry

Výstupní výkon zařízení určuje maximální přípustnou hodnotu, kterou může blok zaručeně dodat spotřebiteli. Měří se ve voltampérech (VA). Pro pohodlí uživatelů se tato hodnota často uvádí i ve wattech.

Pro měření zátěže zařízení lze použít ampérmetr nebo ji vypočítat pomocí údajů z elektroměru instalovaného v bytě.

Spotřebu elektrické energie lze změřit pomocí domácího ampérmetru (wattmetru) se zásuvkou. Připojované zařízení je třeba přepnout do režimu maximální spotřeby.

Při určování skutečného výkonu počítače by se nemělo řídit jmenovitým výkonem zdroje, protože ten se vždy kupuje s rezervou.

Pokud není k dispozici ampérmetr, je třeba provést následující kroky:

1. Vypnout všechny obvody v rozvaděči kromě toho, ze kterého je napájen počítač.
2. Vypnout všechna zařízení v tomto obvodu.
3. Zapnout počítač a spustit na něm typický program (například video z YouTube).
4. Počkat, až na elektroměru dojde ke změně hodnoty desetiny kilowatthodiny.
5. Zaznamenat čas do další změny.

Průměrný výkon spotřeby (P ve wattech) za toto období (t v minutách) lze vypočítat podle vzorce:

P = 100 * (60 / t)

Další důležitou charakteristikou je doba autonomního provozu. Tento ukazatel závisí na zatížení, které v daném okamžiku UPS zažívá. Při maximálním povoleném výkonu baterie domácího zařízení pracují 1-3 minuty. Při polovičním výkonu mnohem déle (až 10 minut).

Z grafu závislosti doby autonomního provozu baterií na průměrném zatížení je patrné, že tato závislost je nelineární. Je to způsobeno způsobem vybíjení baterií.

Z toho vyplývají dva závěry:

• při výpadku elektrické energie je nutné maximálně snížit zátěž spotřebovanou přístroji;
• je vhodné pořídit UPS s výkonem, který překračuje vypočtený alespoň o 30 %.

Rozsah vstupního napětí udává minimální a maximální přípustné napětí sítě, při kterém nedojde k přepnutí napájení na baterie. Obecně všechny UPS vydrží interval 180-260 V.

U některých výrobců lze najít velmi dobré (reklamní) údaje, například spodní hodnotu 110 V. Zde je nutné se ujistit, že tyto údaje jsou uvedeny pro maximální zatížení, nikoli pro poloviční.

Dalším důležitým technickým ukazatelem je hlučnost. UPS provedené v lineárně-interaktivní nebo online technologii produkují mnoho tepla, proto výrobci na ně instalují ventilátory. Pokud jsou ventilátory levné, časem začnou vydávat hučení, což je pro obytné prostory nežádoucí.

Rozhraní a provádění nastavení

Vzhled jednotek může být velmi rozmanitý. Obvykle mají klasický obdélníkový tvar, kde na přední straně jsou indikátory nebo displej a na zadní straně napájecí konektory. Jejich počet není tak důležitý, protože na výstup lze připojit prodlužovací kabel s trojzásuvkou. To nijak neodporuje koncepci UPS.

Model může mít LCD displej, na kterém bude zobrazena situace s napájením připojených zařízení: přítomnost napájení, počet spotřebičů, nabití baterie atd.

Systém indikace zlevňuje cenu zařízení. Navíc je praktičtější. Pokud je třeba zjistit nějaké parametry, u mnoha modelů je implementována funkce připojení k počítači.

Pro zjištění parametrů elektrického napájení, stavu baterií UPS a jak funguje, lze jej připojit k počítači. U mnoha modelů je tato funkce implementována a bylo vyvinuto softwarové vybavení.

Existují tři základní typy rozhraní:

• USB. Nejběžnější připojení počítače a UPS.
• RS-232 (COM port). Vzácně se vyskytuje v domácích modelech.
• Ethernet 10/100. Používá se pro dálkové ovládání UPS.

Software pro získávání parametrů z UPS a jeho ovládání byl vyvinut nejen pro různé verze Windows. Například od známého výrobce Powercom existuje verze pro Android, která umožňuje vzdáleně sledovat stav napájení a v případě potřeby upravit činnost záložního zdroje.

Software umožňuje sledovat základní vlastnosti elektrické sítě, jako je vstupní a výstupní napětí a frekvence. Lze také zjistit stav nabití baterií a teplotu zařízení.

Záložní zdroje se umísťují v bezprostřední blízkosti chráněných spotřebičů elektrické energie. Obvykle se pokládají na podlahu nebo na police. Některé modely jsou vybaveny úchytem, který umožňuje montáž na stěnu.

Kvalita výstupního proudu

Nepřerušitelné zdroje napájení musí dodávat proud odpovídající kvality. Při provozu z baterií za to odpovídá střídač, v případě napájení ze sítě musí filtry a stabilizátor vyhlazovat problematické momenty. Rušení vznikající v elektrickém obvodu má různý původ a důsledky pro elektroniku. Proto je třeba se touto otázkou důkladně zabývat.

Síťové rušení a ochrana

Všechny moderní UPS jsou vybaveny ochranou proti problémům vycházejícím z obsluhovaných zařízení. Pokud celkové zatížení překročí maximální povolenou hodnotu nebo dojde ke zkratu, záložní zdroj okamžitě odpojí napájení.

Rušení v síti lze rozdělit na frekvenční a impulzní. První nejsou tak nebezpečná, zejména pro napájecí zdroje počítačů nebo televizorů, které přeměňují střídavý proud na stejnosměrný. Druhá mohou způsobit problémy u jakékoli elektroniky.

Proto je většina UPS vybavena ochranou proti impulzům a harmonickým kmitům pomocí varistorů a vysokofrekvenčních filtrů.

Odstraňování rušení na lince probíhá ve dvou krocích. Nejprve varistory odříznou vysokofrekvenční impulzy, poté filtr vyhladí malé skoky.

Problém výskytu vysokonapěťových impulzů je charakteristický nejen pro silové kabely, ale také pro datové sítě – počítačové nebo telefonní. Mohou vzniknout v důsledku působení atmosférické elektřiny, průrazů v blízkém vedení, vzniklého elektrického rušení a dalších příčin.

Mnozí výrobci uvádějí modely s možností ochrany lokální sítě. K tomu má UPS dva konektory RJ-45 – jeden na vstupu a jeden na výstupu. Signál prochází filtrem, který potlačuje napěťové špičky. Pro telefonní linky je systém stejný, jen konektory jsou ve formátu RJ-11.

Nízké a vysoké napětí

Regulace napětí probíhá pomocí automatického regulátoru napětí (AVR), jehož hlavním prvkem je autotransformátor. Princip jeho fungování spočívá ve změně počtu závitů jednoho z vinutí, což vede ke zvýšení nebo snížení hodnoty napětí.

Přítomnost AVR v UPS umožňuje nezapínat při nepatrné odchylce napětí od normy autonomní režim. To výrazně prodlužuje životnost baterií.

Profesionální multimetry, jako je CEM DT 9909, dokážou po dlouhou dobu zaznamenávat hodnotu napětí. Použití takového přístroje může pomoci při výběru stabilizátoru nebo UPS.

Podle GOST 29322-2014 je povolena 10% odchylka napětí od referenční hodnoty po dobu nejvýše 1 hodiny. Všechny moderní UPS s regulátory si s takovými výkyvy poradí.

Čistota výstupního signálu

Od modelu invertoru, který je instalován v UPS, závisí typ výstupního signálu. V ideálním případě by křivka napětí střídavého proudu měla být sinusoida. Ale po přeměně přes invertor nabývá stupňovitého tvaru.

Čím větší je počet stupňů v křivce závislosti okamžitého napětí na čase, tím lepší je kvalita střídavého proudu. Pro některá zařízení je to důležité.

Pro zařízení obsahující asynchronní elektromotory (lednička, klimatizace), transformátorové zdroje (kvalitní audio technika), zdroje APFC (servery a výkonné výpočetní počítače) je potřeba čistá nebo dobře aproximovaná sinusoida.

Žádný invertor, a tedy ani UPS, nevydává čistou sinusoidu, ať už výrobci zařízení píší v reklamních prospektech cokoli. Přiblížení výstupního signálu sinusoidě se posuzuje pomocí koeficientu nelineárního zkreslení (THD).

Signál vycházející z jednotky lze považovat za sinusový při THD<5%. U některých modelů, například IMV NetPro 2000, je tato hodnota pouhých 2%.

Pravidla používání UPS

Při pořizování UPS pro organizaci záložního napájení je nutné chápat, s jakými zařízeními ji lze používat. Někdy si vystačit pouze s UPS nelze a tehdy je třeba přijmout další opatření k zajištění elektřiny v domě.

Připojení domácích spotřebičů

Počítače, modemy, routery, video a audio zařízení – typické domácí nebo kancelářské spotřebiče, ke kterým se připojují UPS. Pokud tato technika obsahuje běžné impulsní zdroje, postačí pořídit relativně levné modely, které nevydávají čistou sinusoidu.

Moderní modely jsou kompaktní a mají atraktivní design, který harmonicky zapadá společně s další technikou do interiéru obývacího pokoje.

Pro osvětlení také není nutné pořizovat drahé výrobky. Zde je hlavní správně vypočítat maximální výkon a dobu autonomního provozu.

Při častých výpadcích je aktuální problém neplánovaného rozmrazování ledniček a zkažení potravin. Při ochraně takového zařízení s asynchronními motory budou potřeba UPS složitějšího zařízení, protože bude vyžadován “čistý” sinusový signál.

Kromě toho je nutné zohlednit přítomnost startovacích proudů, které vznikají při spouštění motoru. Zjednodušeně pro chladicí zařízení lze jejich velikost určit vynásobením hodnoty výkonu 5.

Pokud je například v kuchyni lednička s celkovým výkonem 300 W (při spuštění – 1500 W) a mraznička 200 W (při spuštění – 1000 W), pak je potřeba zdroj napájení s čistou sinusoidou a maximálním výkonem nejméně 1700 W. Tato hodnota byla získána pro případ, že bude pracovat mraznička a v tu dobu dojde k zapnutí ledničky. Současné spuštění obou motorů je nepravděpodobné a taková UPS vydrží jednosekundový nárůst na 2,7 kW.

Online zdroj s maximálním výkonem 2000 W bude schopen pracovat asi půl hodiny při celkovém odběru 500 W. Vzhledem k tomu, že režim chlazení trvá asi 5 minut, UPS garantovaně vystačí na 6 spuštění obou zařízení.

V rodinných domech a chatách je také aktuální použití UPS pro podporu systému vytápění s nuceným oběhem. Čerpadla také potřebují čistý sinus.

UPS se také aktivně používají pro provoz plynových topných kotlů. Vzhledem k ceně připojovaného zařízení by se v tomto případě nemělo šetřit na kvalitě UPS.

Záložní a doplňkové napájení

Pro mnoho domácích spotřebičů není možné vybrat levnou UPS, protože bude nutný značný maximální výkon při dlouhé době autonomního provozu. Pračky, elektrické trouby, systémy rozdělené klimatizace spotřebovávají mnoho elektřiny.

Lze se samozřejmě obejít bez těchto zařízení po dobu výpadku elektřiny. To je vhodné v případě, že k takovým přerušením dochází zřídka a na krátkou dobu. Pokud se však přesto rozhodnete zajistit výkonné spotřebiče autonomním napájením, je lepší použít benzinový nebo dieselový generátor. Pro jejich rychlé spuštění při absenci napětí se používá systém automatického vstupu zálohy (AVR).

Při přítomnosti dodatečného zdroje napájení se přesto vyplatí použít UPS, alespoň pro počítače. Okamžitého spuštění generátoru a obnovení dodávky elektřiny nelze dosáhnout.

Stabilizace sníženého napětí

Problém sníženého napětí je aktuální pro objekty připojené ke starým nebo málo výkonným elektrickým sítím. Pokud tato situace nastává trvale, je lepší použít vstupní stabilizátor.

Při přítomnosti stabilizátoru bude napětí vnitřní domovní sítě přivedeno k normativním hodnotám. To ovlivní i přístroje, které nejsou připojeny k UPS.

Při sníženém napětí roste síla proudu procházejícího vnitřní domovní sítí. Například nechť celkový výkon spotřebičů připojených k UPS je 1,5 kW a dodávané napětí je 190 V.

Pak podle Ohmova zákona:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – síla proudu v obvodu před UPS bez stabilizátoru;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – síla proudu v obvodu před UPS se stabilizátorem.

Tím pádem bude vnitřní domovní síť bez stabilizátoru vystavena zvýšené zátěži, což nemuselo být zohledněno při výběru průřezu vedení.

Proto při trvale sníženém napětí je lepší nainstalovat stabilizátor. V tomto případě bude i zatížení autotransformátoru UPS menší, což prodlouží jeho životnost. Kromě toho, s ohledem na vyrovnání napětí, lze pořizovat levnější UPS.

Nepřerušované napájení spotřebičů stejnosměrného proudu

Pro některé přístroje je třeba zajistit nepřerušitelné napájení stejnosměrným proudem 12, 24 nebo 48 V. UPS tohoto typu jsou také v prodeji. V jejich označení je přítomna zkratka “DC”. Bloky s napájením napětím 60, 110 nebo 220 V také existují, ale používají se v průmyslu nebo energetice.

Odlišnost DC UPS ve vnitřním uspořádání od klasických modelů spočívá v absenci střídače. Akumulátory se připojují přímo k výstupu přes kontaktní spínač s omezujícím měřicím bočníkem, aby se zabránilo nepřípustně hlubokému vybití baterií.

Někdy může být na výstupu stabilizační měnič, pokud jsou přístroje napájené z UPS citlivé na malé kolísání napětí.

Společně s měniči napětí je DC UPS o výkonu 48 W schopna napájet systém videodohledu s obvodem až 1 km

Takové záložní zdroje napájení se používají k ochraně následujícího domácího zařízení pracujícího na stejnosměrný proud:

• systémů videodohledu a zabezpečení;
• nejrůznějších senzorů (úniku, kouře, ohně, pohybu atd.);
• osvětlovacích systémů;
• telekomunikačních přístrojů;
• komunikačních systémů;
• komponentů řídicího systému “chytrý dům”.

Mnoho DC UPS má možnost připojení externích akumulátorů. V tomto případě může být autonomní provoz jimi obsluhovaných přístrojů velmi dlouhý.

Závěry a užitečné video k tématu

Stručně o hlavních charakteristikách domácích UPS:

Rozmanitost typů UPS a jejich charakteristik je důsledkem různých podmínek jejich použití: výkonu a druhu připojovaných spotřebičů, parametrů a typických problémů konkrétní elektrické sítě. UPS obvykle není nejdražším prvkem v systému, ale závisí na něm stabilita jeho provozu. Proto je třeba určit provozní podmínky a pečlivě přistoupit k výběru modelu.

Zůstaly vám otázky k tématu článku? Nebo můžete tento materiál doplnit zajímavými informacemi o UPS? Prosím, pište své komentáře, pokládejte otázky, sdílejte své zkušenosti v bloku níže.