5 ошибок при выборе ибп для газового котла

Схемы построения ИБП

Существует три схемы построения ИБП:

1) резервный (англ. Off-Line, Standby) питание подключенной нагрузки осуществляется из первичной электрической сети, ИБП обеспечивает минимальные изменения производится фильтрация высоковольтных импульсов и электромагнитных помех. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его полном отсутствии), автоматически переподключает нагрузку к питанию от схемы, получающей электрическую энергию от собственных аккумуляторов с помощью простого инвертора. При появлении напряжения в пределах нормы, снова переключает нагрузку на питание от первичной сети.

Недостатки

• несинусоидальная форма выходного напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида);
• относительно долгое время (свыше 4..5 мс) переключения на питание от батарей;
• невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК).

Достоинства

• За счёт КПД около 99 % практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
• невысокая стоимость ИБП в целом.

Итог

Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных вычислительных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключения в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.

2) интерактивный (англ. Line-Interactive) устройство аналогично предыдущей схеме; дополнительно на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК). Инверторы некоторых моделей линейно-интерактивных ИБП выдают напряжение как прямоугольной или трапецеидальной формы, как у предыдущего варианта, так и синусоидальной формы. Время переключения меньше, чем в предыдущем варианте так как осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.

3) неавтономный режим (англ. online, он-лайн) используется для питания нагруженных серверов (например, файловых), высокопроизводительных рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с помощью обратного преобразователя (инвертора). Время переключения тождественно равно нулю. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 % до 94 %), из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту. (VFI по классификации МЭК)

Международная классификация ИБП по стандарту IEC 62040-3
Промышленный ИБП для монтажа в 19-дюймовую стойку (изображение сверху вид спереди, изображение снизу вид сбоку)

Стандартом IEC 62040-3 введена следующая классификация ИБП:

Пример обозначения типа ИБП VFI SS 111

1-я группа символов зависимость выходного сигнала ИБП от входного (сети).

• Класс VFI (Voltage and Frequency Independent) напряжение и частота на выходе ИБП не зависят от входной сети.
• Класс VI (Voltage Independent) выход ИБП зависит от частоты входа, но напряжение поддерживается в заданных пределах пассивным или активным регулированием.
• Класс VFD (Voltage and Frequency Dependent) напряжение и частота на выходе ИБП зависят от входной сети.

2-я группа символов форма выходного сигнала ИБП.

• SS синусоидальная форма выходного сигнала (коэффициент гармонических искажений Kги<8%) при линейной и нелинейной нагрузке.
• XX — несинусоидальная форма выходного сигнала при нелинейной нагрузке (синусоидальная при линейной).
• YY — несинусоидальная форма сигнала при любой нагрузке.

3-я группа символов — динамические характеристики ИБП. Обеспечение стабильности выходного напряжения ИБП при трёх типах переходных процессов (1 — класс 1, отлично; 2 — класс 2, хорошо; и т. д.):

• 1-я цифра: нормальный режим -> автономный режим -> режим bypass,
• 2-я цифра: 100 % изменение линейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр),
• 3-я цифра: 100 % изменение нелинейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр).

Борьба за синусоиду — разбираем типовые схемы

К сожалению, чистый «синус» присутствует только в магистральной электросети, добиться преобразования постоянного тока в него очень и очень сложно. Но в большинстве случаев этого и не требуется. Чтобы подключать электрические двигатели (от дрели до кофемолки), достаточно пульсирующего тока с частотой от 50 до 100 герц без сглаживания.

ЭСЛ, светодиодные лампы и всевозможные генераторы тока (блоки питания, зарядные устройства)более критичны к выбору частоты, поскольку именно на 50 Гц основана схема их работы. В таких случаях следует включать во вторичный вибратор микросхемы, зовущиеся генератором импульсов. Они могут коммутировать небольшую нагрузку непосредственно, либо исполнять роль «дирижёра» для серии силовых ключей выходной цепи инвертора.

Но даже такой хитрый план не сработает, если вы планируете использовать инвертор для стабильного питания сетей с массой разнородных потребителей, включая асинхронные электрические машины. Здесь чистый «синус» очень важен и реализовать такое под силу лишь преобразователям частоты с цифровым управлением сигналом.

Виды ИБП

Общий принцип работы бесперебойника довольно прост. Пока есть сетевое напряжение, нагрузка питается от него. Как только сетевое напряжение пропадет, нагрузка будет питаться от резервной АКБ. При появлении сетевого напряжения нагрузка снова переключится на него. На сегодняшний день существуют три типа источников бесперебойного питания, отличающихся принципом работы:

1. Off-Line.
2. Line-Interactive.
3. On-Line.

Off-Line

Наиболее простой тип ИБП. Он состоит из сетевого фильтра помех, зарядного устройства, инвертора, модуля контроля и управления.

Упрощенная структурная схема бесперебойника типа Off-Line

Пока присутствует сетевое напряжение, оно проходит через фильтр и поступает в нагрузку. Одновременно зарядное устройство заряжает резервный аккумулятор. Как только величина питающего напряжения выйдет за установленные пределы или оно будет недопустимо зашумлено помехами, запустится инвертор и произойдет переключение на питание от АКБ. При этом время переключения обычно составляет 4-6 мс.

К преимуществам ИБП этого типа можно отнести следующие:простотакомпактностьнизкая стоимостьНедостатки:повышенный износ АКБ (по сравнению с ИБП других типов)отсутствие стабилизации напряжения при работе от сетина переключение требуется времяпри работе от АКБ нагрузка питается аппроксимированной синусоидой или вообще разнополярными импульсамиМнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросПолезно! Понятие «аппроксимированная синусоида» обозначает форму выходного сигнала источника бесперебойного питания, условно приближенную к синусоидальной форме. Форма сигнала аппроксимированной синусоиды может быть трапецеидальной или ступенчатой.Отличие осциллограмм аппроксимированной и чистой синусоиды

Line-Interactive

Устройства этого типа работают по сходному принципу, но в цепи питания от сети стоит стабилизатор, выполненный на трансформаторе со ступенчатым переключением обмоток. Это позволяет питать от сети нагрузку даже тогда, когда сетевое напряжение сильно отличается от номинального.

Упрощенная структурная схема ИБП  типа Line-InteractiveК преимуществам источников бесперебойного питания этого типа можно отнести:экономичностькомпактностьстабилизацию выходного напряженияотносительно низкую стоимостьК недостаткам отнесем такие:ступенчатое изменение выходного напряженияна переключение требуется времяпри работе от АКБ нагрузка питается аппроксимированной синусоидой

On-Line

Наиболее продвинутый тип ИБП с двойным преобразованием. В нем сетевое напряжение выпрямляется и поступает на инвертор, где снова преобразуется в первоначальный вид, но уже без помех и со стабилизированным напряжением правильной синусоидальной формы. Как только сетевое напряжение пропадет, нагрузка начнет питаться от АКБ. Поскольку нагрузку всегда питает инвертор, то нет необходимости в переключении с внешней сети на инвертор, и время переключения можно считать равным нулю.

Упрощенная структурная схема ИБП типа On-LineК преимуществам ИБП этого типа можно отнести следующие:стабилизация выходного напряжения;чистая синусоида без помех;отсутствует задержка на переключение.К недостаткам отнесем такие:относительно низкая экономичность (постоянные энергозатраты на двойное преобразование);сложная конструкция;высокая стоимость.

Применение в ИБП

Источники бесперебойного питания (ИБП) на основе ступенчатой аппроксимации синусоиды представляют собой один из наиболее популярных вариантов устройств, используемых для обеспечения непрерывного электропитания при отсутствии основного источника энергии или его нестабильности.

Главное преимущество использования формы выходного напряжения со ступенчатой аппроксимацией синусоиды заключается в том, что такой тип ИБП может работать с различными типами нагрузок, включая компьютеры, серверы, сетевое и телекоммуникационное оборудование.

Источники бесперебойного питания с формой выходного напряжения ступенчатой аппроксимации синусоиды обеспечивают стабильное электропитание, минимизируя риск повреждения оборудования и потерю данных. Они также предоставляют защиту от скачков напряжения, перегрузок и коротких замыканий.

Важно отметить, что ступенчатая аппроксимация синусоиды позволяет ИБП быть компактным и более эффективным по сравнению с другими типами устройств, такими как ИБП с чистой синусоидой. Благодаря этому, такие источники питания могут использоваться в ограниченных условиях пространства, например, в офисных помещениях или домашних условиях

В целом, применение источников бесперебойного питания с формой выходного напряжения ступенчатой аппроксимации синусоиды широко распространено и позволяет обеспечивать надежное электропитание для различных типов устройств, что делает их необходимыми компонентами в системах, где непрерывность работы оборудования является критически важной

Место установки

Размещать ИБП лучше возле существующих розеток. Если он не габаритный, то вовсе не обязательно его вешать на стену, достаточно размесить на ближайшей полке. Главное не закрывать вентиляционные отверстия.

При этом не забывайте о соблюдении правил ПУЭ. Минимальные расстояния от газовых труб до розеток, в том числе и до ИБП, должно быть не менее 0,5м.

По поводу размещения аккумуляторов. Модные AGM модели боятся повышенных температур более 30 градусов. А возле котла температура явно не будет комнатной.

Поэтому размещайте АКБ как можно дальше от труб отопления и горячего котельного оборудования.

Автомобильные аккумуляторы или AGM, гелевые

Многие потребители часто используют для бесперебойника автомобильные аккумуляторные батареи, что делать категорически нельзя. Данные аккумуляторы пожаро и взрывоопасны.

Они рассчитаны на пусковые стартерные токи, и соответственно не дают той автономной работы, которая от них требуется. Поэтому здесь нужно применять специализированные аккумуляторы по технологии AGM или GEL-гелевые.

AGM имеют срок службы от 6 до 10 лет, а гелевые от 10 до 15 лет.

Также гелевые не боятся глубокого разряда.

Кроме того, обе модели пожаро и взрывобезопасны для любых помещений и не выделяют никаких газов. Стоят они конечно дороже, но если раньше цены отличались в разы, то сегодня можно найти модели с разницей всего в пару тысяч.

Автомобильные виды не рассчитаны на большое количество циклов заряда-разряда, а специализированные при регулярном разряде в 30% можно безболезненно подзаряжать до 700 раз!

То есть, обычного от машины, вам хватит максимум на полгода или один отопительный сезон, а AGM или гелевые, по идее должны прослужить не менее 10 лет.

Более того, в качественных ИБП изначально встроена защита от глубокого разряда. Соответственно это еще больше увеличит срок службы аккумулятора и обеспечит долговечность работы всей системы.

Только будьте внимательны и заранее, еще в магазине проверяйте дату выпуска АКБ. Она может быть явно не указана цифрами, и продавцы скромно умолчав об этом моменте, продадут вам старую залежавшуюся модель.

Вот например, таблица расшифровки даты выпуска батарей марки Ventura. Код GF11PJB6VVK3EA и его расшифровка по первым символам. Другие марки могут отличаться. Получается день выпуска: 2017-июнь-11.

Лучшие производители ИБП

Типовые схемы источников бесперебойного питания

Прежде чем попытаться отремонтировать отказавшее устройство, взглянем на электрические схемы ИБП двух типов: Line-Interactive и On-Line.

Smart-UPS Line-Interactive

Схема этого источника бесперебойного питания, использующего технологию Line-Interactive, довольно сложна, но мы попытаемся хотя бы приблизительно разобраться в принципе ее работы. Начнем со структурной схемы.

Структурная схема ИБП Smart-UPS

Напряжение питания проходит через сетевой фильтр. Если характеристики этого напряжения в норме, то реле RY1-RY5 включены, нагрузка питается от сети. Реле RY2 и RY3 совместно с трансформатором исполняют роль стабилизатора напряжения. При необходимости обмотка W1 подключается последовательно к W2. В прямом включении выходное напряжение снижается, в инверсном – повышается.

Таким образом, мы получаем трехступенчатый стабилизатор напряжения. Как только сетевое напряжение пропадет, отключатся реле RY2-RY5. При этом запускается инвертор, и нагрузка начинает получать питание от аккумуляторов. Теперь перейдем непосредственно к принципиальной схеме ИБП.

Принципиальная электрическая схема модуля входных цепей (кликните для увеличения)

За фильтрацию сетевого напряжения отвечают дроссель L1, варисторы MV1, MV3, MV4 и конденсаторы С14-С16. Трансформаторы CT1 отвечает за анализ высокочастотной помехи, CT2 контролирует ток нагрузки. Сигналы с этих трансформаторов поступают на ЦАП IC10 (схема модуля процессора).

Трансформаторы Т1 и Т2 являются датчиками входного и выходного напряжений соответственно. Сигнал T1 поступает на компаратор IC7. Реле RY3 и RY2 управляются транзисторами Q43 и Q49, получающими команды от процессора IC1.

В модели Smart-UPS используется микропроцессор S87C654 (IC12). Он является сердцем устройства и управляет практически всеми узлами, получая соответствующие сигналы с тех или иных датчиков. Управляющая программа для него хранится в электрически перепрограммируемом ПЗУ IC13. ЦАП IC15 формирует эталонную опорную синусоиду.

Формирование управляющего сигнала доверено IC14 и IC17. Мощный мостовой инвертор собран на полевых транзисторах Q9-Q14, Q19-Q24. Во время положительной полуволны управляющего сигнала открыты Q12-Q14 и Q22-Q24, a Q19-Q21 и Q9-Q11 закрыты. Во время отрицательной открыты Q19-Q21 и Q9-Q11, a Q12-Q14 и Q22-Q24 закрыты. Управляют ключами транзисторы Q27-Q30, Q32, Q33, Q35, Q36.

В качестве нагрузки ключей используется мощный трансформатор, подключаемый к точкам W5 (желтый) и W6 (черный). На схеме он не показан. В результате работы ключей на выходной обмотке трансформатора формируется выходное синусоидальное напряжение 230 В частотой 50 Гц. Зарядка батареи при питании от сети осуществляется теми же мощными ключами инвертора, работающими в «обратном» режиме.

Back-UPS

Этот источник бесперебойного питания, работающий в режиме OFF-LINE, не имеет процессора, и все управляющие сигналы формируются компараторами. Рассмотрим его структурную схему.

Сетевое напряжение через прерыватель по перегрузке поступает на фильтр. Прерыватель расположен на задней стенке прибора. Если возникла перегрузка, он срабатывает и его кнопка «выскакивает». Чтобы запустить ИБП после перегрузки, кнопку нужно вернуть в исходное положение, просто нажав на нее рукой.

При нормальном сетевом напряжении реле RY1 включено, его контакты 3 и 5 замкнуты. Нагрузка питается от сети через фильтр помех. Зарядное устройство в таком режиме заряжает аккумуляторную батарею. Если напряжение исчезает, ниже нормы или сильно зашумлено помехами, замыкаются контакты 3 и 4 реле RY1, и нагрузка получает питание от АКБ через инвертор. Время переключения на инвертор и обратно составляет 4-6 мс.

Роль сетевого фильтра исполняют дроссели L1 и L2, варисторы MOV2 и 5MOV, конденсаторы С38 и С40. Трансформатор T1 (см. схему управления) является датчиком входного напряжения и одновременно источником питания для зарядки АКБ. Если напряжение на входе пропадает, то микросхемы IC3 и IC4 формируют команду включения инвертора, которая усиливается ключом IC6 (сигнал лог. «1», поступающий на выводы 1 и 13 IC2).

Элементы R55, R122, R123 совместно с DIP-переключателем SW1 определяют порог входного напряжения, ниже которого запускается инвертор, и нагрузка переключается на питание от батареи. Тонкую настройку нижнего порога можно настроить резистором VR2.

Устройства с трансформаторными источниками питания

Следующая группа электрооборудования — устройства, имеющие в своем составе трансформаторы. Для проведения тестов были выбраны два устройства — отечественный трансформатор ТС-40-2 и сетевой трансформаторный адаптер с выходным стабилизированным напряжением. Результаты тестов в таблице.

Схема классического трансформаторного источника питания

В тестировании трансформаторных источников питания помимо источника бесперебойного питания использовался инверторный преобразователь, который тоже имеет на выходе квазисинусоиду, но их параметры немного отличаются, о чем было сказано выше.

По результатам экспериментов можно наблюдать, что трансформаторные источники питания при питании их квазисинусом ведут себя вполне приемлемо и даже хорошо. Первое, что можно отметить это уменьшение тока холостого хода. И, как оказалось, чем больше уровни гармоник в питающем напряжении, тем этот ток меньше. Это связано с тем, что трансформатор в большей степени представляет собой индуктивную нагрузку, а реактивное сопротивление индуктивности с ростом частоты возрастает.

Из отрицательных моментов можно выделить следующее. Даже если у источника со ступенчатой аппроксимацией синусоиды среднеквадратичное напряжение будет составлять 230 В, но амплитуда импульсов будет завышена, то и на выходе выпрямителя мы получим завышенное напряжение. Это связано с тем, что фильтрующий конденсатор С (рис. 3) стремится зарядиться до амплитудного значения выпрямленного напряжения. Так, в указанной выше схеме при смене питающего синусоидального напряжения на квазисинусоиду напряжение на выходе повышалось с 16 до 19 В, что, естественно, повышало общую потребляемую мощность. Данный эффект наблюдался при питании этой схемы от источника бесперебойного питания, у которого при среднеквадратическом значении напряжения в 230 В амплитуда импульсов достигает 350 В.

Однако при питании данной схемы от автомобильного инвертора с амплитудой импульсов около 300 В наблюдалось даже некоторое уменьшение выходного напряжения. При этом среднеквадратичное значение напряжения инвертора также составляло 230 В.

Резюмируя, можно сказать, что, кроме возможного повышения напряжения во вторичных цепях трансформаторных источников питания, других негативных последствий для трансформаторов от квазисинусоиды не выявлено. Превышение же напряжения может в некоторой степени увеличить нагрев источника питания в целом, а будет это превышение или нет зависит от модели используемого ИБП или отдельного инвертора.

Необходимо отметить, что при питании трансформатора ступенчатой аппроксимацией синусоиды прослушивается характерный «звонкий» гул от трансформатора. «Звонкость» звука как раз и говорит о том, что в питающем напряжении есть составляющие с более высокими частотами, чем 50 Гц. Кроме возможных неприятных слуховых ощущений для человека этот звук не несет никаких негативных последствий для трансформатора.

В следующей части статьи будет рассмотрено поведение другого электрооборудования при питании его напряжением с формой, отличной от синусоидальной.

Что потребуется

Одна из самых важных частей для изготовления бесперебойника для котла отопления своими руками – это инвертор.

Инвертор – это устройство, что преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное напряжение 220 вольт.

Сам прибор лучше делать из аккумуляторных батарей, так, как они более дешёвые, чем какие-нибудь генераторы. Для нормального функционирования котла, что зависит от электрического тока, стоит ставить инверторы типа CPS (наилучшие индексы типа – 7500, 3500 и 5000 PRO).

Кроме инвертора вам потребуются аккумуляторные батареи, что будут обеспечивать бесперебойное питание для насоса или котла, и зарядное устройство. Батареи для самодельного бесперебойника выбираются с максимальной ёмкостью, ведь чем больше ёмкость, тем дольше будет служить сам прибор.

Чтобы вы примерно понимали, при ёмкости оборудования в 45 ампер-часов, устройство будет действовать около 8 часов, а при 95 ампер-часах – до 24 часов.

Зарядник должен соответствовать ёмкости батареи.

Что представляет собой бесперебойник

Бесперебойник – это электронный прибор, обеспечивающий бесперебойное питание для насоса отопления. Для этого в нем присутствует аккумулятор, накапливающий электроэнергию от сети. При отключении сетевого питания бесперебойник (UPS) почти мгновенно переключается на работу от аккумулятора (или от нескольких аккумуляторов). Состоит этот прибор из нескольких основных узлов:

Обратите внимание, что далеко не каждый бесперебойник является стабилизатором – это отдельная опция, ее на борту может и не быть

• Аккумулятор – накапливает электроэнергию, а во время отключения электросети отдает ее в нагрузку;
• Преобразователь напряжения – преобразует постоянный ток с напряжением 12 Вольт в переменный ток с напряжением 220 Вольт;
• Фильтр – отфильтровывает импульсные помехи в бесперебойниках с импульсными преобразователями;
• Стабилизатор – обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в пределах допустимой погрешности.

Также во всех UPS предусмотрены схемы контроля заряда.

Параметры, учитываемые при выборе бесперебойника для насоса отопления

Необходимо учитывать следующие параметры насоса:

• номинальную мощность,
• пусковую мощность (мощность, потребляемую в момент его включения),
• желательное время автономной работы (предположительное время отсутствия сетевого энергопитания).

Достаточно легко определяется номинальная мощность — она всегда есть в технической документации к насосу, и можно просто сориентироваться по требуемому времени автономии — это длительность отключения подачи энергии в вашей местности плюс некоторый запас времени на всякий случай. Оба этих параметра будут влиять на емкость, а значит и стоимость, подключаемых к ИБП аккумуляторов.

От пусковой мощности зависит выбор источника бесперебойного питания, она определяет необходимую мощность устройства. Большая часть производителей не указывает эту характеристику в документации, поэтому определяем ее, исходя из класса энергоэффективности.

Если у насоса А класс, считаем пусковую мощность с коэффициентом 1,3 от номинальной. Если класс энергоэффективности ниже или неизвестен – применяем коэффициент 5. Если проигнорировать пусковой режим насоса, то требуемая для его включения мощность окажется больше мощности ИБП даже с учетом его перегрузочных способностей, и это приведет к его выключению «по перегрузу».

Технические характеристики ИБП

Выбор ИБП производится на основе его технических характеристик. К техническим характеристикам, определяющим качество выполнения требований, предъявляемых к изделиям этого назначения относятся:

• мощность на выходе источника с подключенной нагрузкой, измеряемая в вольт-амперах (ВА) или ваттах (Вт);
• диапазон выходного напряжения с подключенной нагрузкой, измеряемый в вольтах (V);
• время переключения, определяющее время перехода питания нагрузки в резервном режиме от АКБ, измеряемое в миллисекундах (ms);
• диапазон входного сетевого напряжения, в пределах которого ИБП способен стабилизировать выходное напряжения без перехода на резервный режим питания от АКБ;
• коэффициент нелинейных искажений, определяющий в процентном соотношении отличие формы выходного сигнала от чистой синусоиды;
• время работы в автономном резервном режиме питания от АКБ при подключенной нагрузке, определяемое электрической емкостью внутреннего аккумулятора;
• срок службы собственных АКБ, зависящий от технологии их изготовления.

При выборе ИБП не последнюю роль играет и цена бесперебойника. Она напрямую зависит от схемотехнических решений, примененных разработчиком при создании выбранной потребителем модели, и составляет от двух до десятков тысяч рублей.