Особливості автономного живлення, або що робити у разі віялових відключень, частина 2: ДБЖ та інвертори

Минулого разу ми розглянули відносно компактні пристрої для накопичення електроенергії — вони можуть допомогти зарядити телефон, ноутбук або планшет. Але передбачаю закономірне запитання: що робити, коли треба живити щось потужніше або пристрій, якому потрібен змінний струм?
Так, сьогодні розповім про джерела безперебійного живлення та тонкощі, пов’язані з їх застосуванням.

Як завжди, нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на обліковий запис

Трохи пояснень щодо термінології.
ДБЖ (джерело безперебійного живлення), не плутати з ІБЖ (імпульсний блок живлення).


Інвертор — перетворювач постійного струму на змінний. Формально він може як підвищувати, так і знижувати напругу, але другий варіант поки що розглядати не будемо.


ДБЖ потрібен для безперебійного живлення пристроїв, критичних до його зникнення. Коли зникає мережева напруга або вона опускається (чи підвищується) нижче (вище) критичного рівня, ДБЖ перемикається на живлення від акумулятора, а після відновлення електропостачання починає заряджати вбудований або зовнішній акумулятор.
Можна виділити три основні типи:
1. Off-Line — коли зникає електроенергія або напруга виходить за встановлені межі, перемикається на акумулятор. Майже не виробляються, принаймні побутові.

2. Лінійно-інтерактивні — коли напруга виходить за встановлені межі, намагаються стабілізувати її, а якщо не виходить — переходять на акумулятор. Забезпечують роботу без переходу на акумулятор у ширшому діапазоні, тому краще підходять для місць зі слабкою електромережею.

3. Онлайн — завдяки безперервній роботі інвертора в них немає такого поняття, як час перемикання, тому вони добре підходять для живлення дуже критичних навантажень.


Інвертори.
По суті, це лише складова частина ДБЖ, але оскільки вони виявилися затребуваними, особливо серед автомобілістів, їх випускають окремо. Інвертор може перетворювати одну напругу на іншу, наприклад 12 вольт постійного струму на 230 вольт змінного.
Існують інвертори з вбудованим зарядним пристроєм, але трапляються вони набагато рідше. Від ДБЖ їх відрізняє простіша схема контролю напруги, тобто, по суті, це дуже простий ДБЖ типу Off-Line.
Також бувають інвертори, що поєднують у собі ДБЖ і зарядний пристрій від сонячних панелей чи генератора, але це вже зовсім інший клас пристроїв, і, найімовірніше, я розповім про них іншим разом.


І ДБЖ, і інвертори можуть відрізнятися формою вихідного струму.
1. Меандр, або так звана «апроксимована синусоїда»
2. Синусоїдна форма струму (Pure sine).

Ліворуч — звичайний, праворуч — із синусоїдальною формою вихідного струму. Зазвичай про це пишуть в описі або на корпусі; якщо напису немає, отже, перетворювач звичайний.


Отже, зазвичай такі пристрої потрібні там, де треба живити такі прилади, як:
Телевізори, комп’ютери
Освітлення
Електроінструмент, кавомолки, міксери
Холодильник, газовий котел, витяжки

Я недарма розділив навантаження на такі групи. Річ у тім, що кожна з них має свої характерні особливості.
Найлегше ДБЖ працювати з першими двома групами, адже телевізори, ПК, ноутбуки тощо містять у своєму складі імпульсний блок живлення, якому, по суті, байдуже, що там із коливаннями частоти, напруги та форми струму. Освітлення також часто має вбудований імпульсний драйвер або є суто активним навантаженням.
Трохи складніше працювати з електроінструментом: тут частота й форма струму теж не надто критичні, але важлива стійкість ДБЖ або інвертора до пускових струмів.
А найскладнішим навантаженням є пристрої з асинхронними двигунами. Їм потрібна не лише відносно стабільна напруга, а й стабільна частота та, особливо, форма струму. Найважче працювати з холодильниками, адже вони мають ще й великий пусковий струм, що у 5-10 разів перевищує робочий.
Про такі навантаження, як обігрівачі, бойлери, пральні машини та тепла підлога, поки не говоритимемо, адже тривале живлення їх обходиться досить дорого й не дуже доцільне.

Отже, щоб зрозуміти, що робити, спочатку треба визначитися, що нам узагалі потрібно.

Для початку — типовий сценарій: захистити обладнання від стрибків напруги. Тут ДБЖ узагалі не потрібен, достатньо реле напруги. До речі, наполегливо рекомендую придбати й установити його: у нинішній ситуації можливі перепади через перемикання ліній, відгорання нуля тощо. Я вже бачив у своїй мережі і близько 100 вольт, і близько 260. Причому обов’язково треба налаштовувати затримку ввімкнення — це критично для холодильників!

У мене вже було кілька оглядів захисних реле, і я можу рекомендувати будь-яке з них.
ZUBR-D2-63
РН-263t
РН-119
VC-115
А також більш просунуті пристрої — ЕМ-126Т і ЕМ-129



Немає сенсу розглядати захист від короткочасного вимкнення: насправді він допоможе лише вашому домашньому ПК, тож перейду до систем, здатних забезпечити тривалу роботу.

Найдешевший, але не найпростіший спосіб — доопрацювати звичайний ДБЖ для роботи із зовнішнім акумулятором. Це водночас і просто, і складно; поясню особливості.
У переважній більшості типових недорогих ДБЖ на виході меандр, а не чиста синусоїда, тому вони підходять для живлення пристроїв із першої та другої груп (телевізори, освітлення), обмежено підходять для третьої (електроінструмент) і практично не підходять для четвертої (холодильники, насоси).
Крім того, типовий ДБЖ розрахований на короткочасну роботу, тому радіатори всередині часто являють собою просто алюмінієві бруски, які працюють лише завдяки великій теплоємності, що не дає транзисторам перегрітися за 5-10 хвилин.
Також зарядний пристрій таких ДБЖ зазвичай малопотужний, струм заряджання становить близько 0.4-1А, а отже, ваш автомобільний акумулятор, який ви підготували й зберігаєте в гаражі, після повного розряджання заряджатиметься від.... 4 до 2 діб. Чи допоможе вам такий ДБЖ? Звісно, ні.

Усередині ви побачите три основні вузли: акумулятор, великий трансформатор і плату керування.


Якщо в ДБЖ на фото вище силовий трансформатор важко не помітити, то ось тут мене запитували: а де трансформатор? Усе дуже просто: він тут теж є — невеликий жовтенький праворуч. Просто в цьому випадку використовується високочастотний перетворювач 12-310 вольт, а потім стоїть вузол, який формує звичні 230 вольт 50Гц. З огляду на мою статистику скажу, що, на мій особистий погляд, краща схема з «класичним» трансформатором на 50Гц, показана вище.


На жаль, у мене мало статистики щодо пристроїв якихось конкретних ДБЖ: якось ніколи не було потреби її збирати. До того ж ситуацію ускладнює те, що іноді навіть у межах однієї фірми й серії ДБЖ можуть помітно відрізнятися.
Наприклад, нижче на фото два ДБЖ виробництва Mustek, колись вони були дуже поширені. Один потужністю 400ВА, другий — 600ВА, але насправді відмінностей між ними набагато більше. Наприклад, модель на 400ВА має топологію пуш-пул і струм заряджання акумулятора 400мА, а в моделі на 600ВА мостова топологія і струм заряджання 1А. При цьому в першій моделі за заряджання відповідає поширена схема на базі LM317, а в другій використовується найпростіша ШІМ-стабілізація на базі компаратора.


Відповідно, якби я вибирав ДБЖ для себе, то однозначно взяв би другу модель. Крім того, слід враховувати, що більш-менш сучасні моделі ДБЖ вимикаються за дуже малого навантаження, ну і, звісно, корисно одразу заклеїти або вимкнути пищалку.
Цікаво, що, наприклад, дві моделі, які відрізняються за потужністю в півтора раза, мають усередині схожі за розмірами (а отже, і за потужністю) трансформатори.


Отже, вам потрібно безперебійно живити свої навантаження. Які є варіанти?
Найпростіший — купити ДБЖ, спочатку розрахований на роботу із зовнішніми акумуляторами. Іноді всередині них є акумулятор, але ззаду передбачені клеми для підключення зовнішнього.
Наприклад, у мене на роботі стоїть ДБЖ DELTA N-SERIES, до якого штатно можна під’єднати зовнішні акумулятори; для цього ззаду є спеціальний роз’єм.
Усередині тут стоїть 6 акумуляторів на 12 вольт, а зовнішній використовується для збільшення часу автономної роботи.


Не складніший варіант — купити ДБЖ, у якому взагалі немає внутрішнього акумулятора і який розрахований на роботу лише із зовнішнім. Крім того, такі ДБЖ зазвичай мають і більший струм заряджання. Наприклад, модель від Новатек-электро заряджає струмом від 8 до 15А — порівняйте зі слабеньким 1А у звичайних.


Нагадаю: якщо ви плануєте живити від свого ДБЖ котел або холодильник, потрібна модель із синусоїдальним вихідним струмом, наприклад, як варіант вище, хоча його потужності, найімовірніше, може не вистачити для холодильника.. І як я писав раніше, на передній панелі зазвичай про це намагаються заявити насамперед.


Варіант для тих, хто має інструменти, невеликий досвід роботи з електрикою та бажання заощадити, — переробити звичайний ДБЖ для роботи із зовнішнім акумулятором.
По суті, можна сказати, що тут немає нічого складного: дроти, які йдуть до штатного акумулятора, подовжують і підключають до акумулятора з такою самою робочою напругою — зазвичай 12 вольт, рідше 24 вольти.

Дроти мають бути великого перерізу (зазвичай 6 мм² і більше) та якомога коротшими. Якраз мені до рук потрапив ДБЖ, який хтось уже доопрацював для роботи із зовнішнім акумулятором, водночас залишивши можливість використовувати штатний.


Для потужних ДБЖ люди споруджують доволі солідні конструкції.


Заодно одразу зазначу, щоб не забути: якщо акумуляторів більше одного, підключають їх не абияк, а по діагоналі. Тоді навантаження рівномірно розподіляється між акумуляторами, і це важливо!


Але повернімося до наших баранів, про акумулятори поговоримо пізніше.
Якщо ДБЖ від початку не розрахований на роботу із зовнішнім акумулятором (а навіщо б ми переробляли якийсь інший?), то ви на 100% зіткнетеся з проблемою охолодження.
Для прикладу покажу трансформатор і радіатори ДБЖ АРС потужністю 1000ВА, не розрахованого на зовнішній акумулятор.
Радіатори — це алюмінієві бруски праворуч на фото.


Трансформатор — це штуковина посередині корпусу.


А ось для порівняння радіатори й трансформатор у ДБЖ від Новатек-электро, який має точно таку саму потужність.


До того ж у ньому є ще й вентилятор.


Отже, з усього сказаного маємо два висновки:
1. Конструкцію потрібно охолоджувати
2. Небажано навантажувати ДБЖ на повну потужність, принаймні надовго.

Як охолоджувати, думаю, легко здогадатися: вентилятором. Ще краще — збільшити площу радіаторів, наприклад прикрутивши до штатних радіатори зі старого комп’ютерного блока живлення. Але врахуйте: з’єднувати радіатори між собою та з корпусом не можна!
До речі, якщо зменшити потужність навантаження, то, можливо, додаткове охолодження радіаторів і не знадобиться, адже потужність, що виділяється на них, зменшується квадратично зі зниженням навантаження. Грубо кажучи, якщо зменшити потужність навантаження вдвічі, то на радіаторах виділятиметься в 4 рази менше тепла!

Вентилятор можна підключити або безпосередньо до акумулятора, або взяти живлення від силового трансформатора. Але оскільки останнє не так просто зробити недосвідченому користувачеві, розглянемо перший варіант.
Типовий ДБЖ має акумулятор на 12 вольт, рідше — на 24 вольти, ще рідше — на 36 або 48, а варіанти з вищою напругою в побутовому сегменті взагалі рідкість. Хоча ось у мене вдома стоїть ДБЖ на 1000ВА з напругою 60 вольт.

Вентилятор краще підключити через плату контролю, яка керуватиме ним залежно від зміни температури. Датчик можна прикрутити до радіатора одного із силових транзисторів. Але врахуйте: оскільки все це підключено безпосередньо до акумулятора, у вимкненому стані воно поступово розряджатиме ваш акумулятор, якщо після використання ви закинете ДБЖ на полицю. Тож краще мати вимикач, який відключатиме живлення плати.


Втім, є варіант менш «інтелектуальний», зате дешевший, ще простіший і не потребує вимикача.
Так, звичайне термореле, бувають на різні температури. Я б поставив щось на 45–50 градусів. За вимикач можна не хвилюватися: коли ви вимкнете ДБЖ і він охолоне, вентилятор повністю вимкнеться.
Брати треба з нормально розімкненими контактами, NO, тоді під час нагрівання вони замкнуться. До речі, у мене є огляд і такого варіанта — посилання.


З охолодженням і дротами, можна сказати, попередньо розібралися. Принаймні не думаю, що тут є якісь великі складнощі, до того ж завжди можна запитати в коментарях.
Проблему з пищалкою вирішуємо хоча б ізоляційною стрічкою, ну або паяльником, а от із автоматичним вимкненням ДБЖ за дуже малого навантаження ситуація складніша: інформацію доведеться шукати окремо для кожної моделі, на щастя, така проблема трапляється не так часто.

Залишилася остання проблема — малий струм заряджання.
Є кілька способів її розв’язати, але спочатку поясню, чим це взагалі загрожує.
Уявімо, що маємо якийсь ДБЖ, до якого підключено навантаження потужністю, скажімо, 250Вт. Наш ДБЖ живиться від автомобільного акумулятора, час автономної роботи — близько двох годин (так, усе настільки сумно). Припустімо, нас влаштовує час автономної роботи.
І ось дві години не було світла, акумулятор майже повністю розрядився, світло дали й він, відповідно, почав заряджатися — нехай навіть струмом 1А, а не жалюгідними 0.4А, як іноді буває. Тепер питання: за який час він повністю зарядиться?

Найпростіші розрахунки показують, що для повного заряджання акумулятора ємністю 55Ач струмом 1А знадобиться щонайменше 55 годин, а якщо світло вимикають двічі на добу? Одразу, до речі, скажу: свинцево-кислотні акумулятори не можна заряджати надто великим струмом, але це тема для наступної статті.

Збільшити струм заряджання засобами самого ДБЖ загалом можна, але схемотехніка буває різною, тому універсальна інструкція навряд чи знайдеться.
Другий спосіб простий, але потребує певних грошових вкладень: використати зовнішній зарядний пристрій, під’єднаний до акумулятора й до мережі, звісно, перед ДБЖ, а не після нього :)
Наприклад, таке підключення з інвертором. Думаю, суть зрозуміла, але, як завжди, є кілька нюансів:
1. Якщо довго не користуєтеся конструкцією, зарядний пристрій краще від’єднати від акумулятора, щоб той не розряджався через вихідні кола зарядного пристрою.
2. Звичайні автомобільні зарядні пристрої призначені для циклічного заряджання, тому на виході часто видають напругу, помітно вищу за рекомендовані для ДБЖ 13.75-13.85 вольта. Добре, якщо в ньому є автоматичне вимкнення після завершення заряджання, інакше він просто кип’ятитиме акумулятор.


Що ж робити?
Тут теж є варіанти. Наприклад, можна купити щось на кшталт цього зарядного пристрою й переналаштувати його з 12.6 вольта на 13.8, заодно зменшивши вихідний струм із 3А до 2.5, щоб підвищити надійність. У мене є його огляд, а там, як завжди, схема й плата — посилання.


Можливо, надійнішим рішенням буде купити зарядний пристрій на 14.6 вольта й потім знизити напругу, наприклад такий


Для тих, кому ці маніпуляції складні й незрозумілі, є ще один варіант: просто купити блок живлення на 24 вольта (якщо йдеться про акумулятор на 12 вольт) із відповідною потужністю та перетворювач. Вилку блока живлення — у розетку, вихід блока живлення — на вхід перетворювача, вихід перетворювача — на акумулятор. Потрібен тестер, щоб встановити напругу 13.8 вольта й струм, скажімо, 5 ампер. Напругу встановлюємо без підключеного акумулятора, струм — із підключеним розрядженим акумулятором.
Звісно, потрібен перетворювач із регулюванням струму.
Наприклад, блок живлення — посилання, огляд подібного або такий варіант — посиланняабо такий. Ну а якщо не впевнені в якості, купуйте Mean Well, наприклад LRS-100-24
Перетворювач — посилання, огляд або такий — посилання, огляд.




З ДБЖ начебто поки розібралися, але в будь-якому разі, якщо щось незрозуміло, краще уточніть у коментарях, щоб потім не було нестерпно шкода витраченого часу й грошей.

Переходимо до інверторів.
Загалом тут усе дуже схоже, за винятком того, що недорогі інвертори, та й узагалі переважна їх більшість, не мають схеми перемикання на акумулятор у разі зникнення мережі. Усе доведеться робити вручну, переставляючи вилку з розетки, а в особливо просунутих випадках — за допомогою перемикача.
Вище вже була картинка, повторю її ще раз. Тут перемиканням мережа/інвертор керує АВР, я вже якось пояснював що це таке і який воно має вигляд.


Але загалом усе це можна вирішити й за допомогою простішого пристрою, наприклад реле вибору фаз.


Але в деяких ситуаціях, якщо маєте достатньо грошей, простіше купити інвертор для сонячних батарей. По-перше, на виході в них часто синусоїдальна форма струму, по-друге, вони розраховані на тривалу роботу й великий струм заряджання акумуляторів, а по-третє, у майбутньому ви зможете доповнити систему сонячними панелями.


Такі інвертори зазвичай також більші за розміром, а крім того, за їх використання вже має сенс стаціонарно інтегрувати їх у домашню мережу. Саме таку систему ми й зібрали у товариша в приватному будинку.


Загалом, думаю, зрозуміло. Тому хотів би ще зупинитися на підключенні того, що зараз на часі, — газових котлів. Як я писав на самому початку, ми вже стикалися з проблемами їхньої роботи від ДБЖ.
Спочатку про роботу від дешевого інвертора з меандром на виході або від простих і недорогих ДБЖ.

Ліворуч на зображенні — те, що ви отримуєте з електромережі, праворуч — варіанти апроксимованої синусоїди, або, простіше кажучи, меандр. Як бачите, форма сильно відрізняється від тієї, що показана ліворуч.


Насправді в електромережі синусоїда не така красива: верхівки зазвичай трохи зрізані, але це терпимо, хоча й не сказав би, що добре.


Ось у цьому й криється суть проблеми: асинхронні двигуни, які використовують у насосах, холодильниках, вентиляторах, витяжках тощо, чудово працюють, коли струм змінюється плавно, але починають сильніше нагріватися, якщо форма сигналу ближча до прямокутної, і ще більше можуть нагріватися, якщо там, крім 50 Гц, є імпульси ще й вищої частоти.
Власне, через це все залежить від конкретної пари «ДБЖ + двигун котла»: якщо комусь трапився ДБЖ із меандром, але чистим, а двигун котла зроблений із запасом, то в цієї людини все працюватиме добре, а в іншої може бути зовсім навпаки.
Вихід — живити таке обладнання від перетворювачів і ДБЖ із чистою синусоїдою на виході. Є, в принципі, способи «очистити» меандр, але вони не завжди дають хороший результат, тож простіше використовувати належний інвертор.

Друга проблема, також пов’язана з формою струму: сучасному котлу вона може просто не сподобатися, і контролер відмовиться працювати, видавши помилку. Причому що новіший і «брендовіший» котел, то вища ймовірність цього.

Третя проблема, про яку часто взагалі не замислюються, дивлячись сумними очима на придбане обладнання та котел, що не працює, — правильність підключення ДБЖ.

Наша практика показала, що для коректної роботи буває недостатньо подати 220 В на вхід котла — потрібно ще зробити так, щоб нуль при цьому не відключався.
Річ у тім, що зазвичай у простих ДБЖ перемикається лише один провід — неважливо який, головне, що один. Іноді деякі котли відмовлялися працювати після підключення до ДБЖ.
Після невеликого розслідування з’ясувалося: якщо перемикається фаза, а нуль залишається підключеним, такі котли працюють коректно.
Перевірити це, в принципі, нескладно: або тестером, вимірявши опір — там, де є з’єднання, він буде близьким до нуля, — або методом «наукового тику». На щастя, можливих положень вилки в розетці всього чотири (відповідно, є дві пари вилок і розеток).


На завершення цієї частини хочу розповісти ще про одну категорію джерел безперебійного живлення — низьковольтні.
Так, якщо у вас є низьковольтні навантаження, набагато вигідніше живити їх без подвійного перетворення: спочатку з 12 на 220, а потім із 220 на 12 або 5 (наприклад). Це можуть бути роутери, освітлення, відеокамери й відеореєстратори, охоронні пристрої, навіть деякі моделі електричних воріт.
Вони є у промисловому виконанні, але ще понад 8 років тому я докладно розповідав, як доопрацювати звичайний блок живлення на 12 вольт, щоб він міг працювати як ДБЖ.


Є й фірмові, наприклад, той самий Meanwell. Огляд такого ДБЖ я вже робив.
На жаль, усі вони мають один спільний недолік: під час роботи від батареї вихідна напруга може коливатися приблизно в діапазоні 10.5–14 вольт, хоча багатьом пристроям це зовсім не заважає.


Але був у мене також огляд ще цікавіших ДБЖ — під один літієвий акумулятор, із вихідною напругою 9/12 і 5 вольт. Коштують недорого, місця займають мало, напруга стабілізована, але струм навантаження, на жаль, лише до 1 А.


На сьогодні все. Мабуть, я й так надто захопився. Але, друзі, прошу вибачити: інформації справді багато, розповісти хочеться ще більше, а як умістити все це в одну статтю, я не придумав, тому розбиваю її на частини. Наступна, найімовірніше, буде присвячена акумуляторам, їхнім типам, вибору, розрахунку, підключенню тощо.