UPS для энергоснабжения загородных домов

В этом материале мы обобщили опыт проектирования и монтажа электрических систем загородных домов с применением трехфазных UPS мощностью от 20 до 100 кВА. Источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (Uninterruptible power supply) называются источники питания, которые могут трансформировать электроэнергию и имеют в своем составе аккумуляторные батареи.

Первые статические источники питания появились в Европе и в Америке в конце 70-х годов прошлого века, через 10 лет потребителю уже предложили источники питания с выходным напряжением с ШИМ модуляцией, в конце 90-х годов стали выпускать источники питания с выходными IGBT- биполярными транзисторами с изолированным затвором. Такую схемотехнику ИБП можно уже назвать классической и вот именно по такой схеме, ИБП выпускаются последние 20 лет.

Ещё лет 10-15 назад системы на основе ИБП из-за высокой стоимости и сложности установки были доступны для использования далеко не во всех инженерных проектах. В настоящее время с развитием технологий, удешевлением оборудования стало возможным применение ИБП в таких бытовых системах электроснабжения, как электроснабжение дач, загородных домов, коттеджей, отелей и гостиниц.

Для электрических сетей загородного домостроения использование UPS систем – это, безусловно, переход на новый качественный уровень электроснабжения. Правильно спроектированная и смонтированная система на основе ИБП полностью защищает внутренних потребителей от возможных проблем электроснабжения.

Принцип двойного преобразования

Для того, чтобы ясно понимать все преимущества и выгоды установки источника бесперебойного питания в электрическую систему дома, надо наглядно представлять себе принцип двойного преобразования, который положен в основу работы этих устройств.

В ИБП основными элементами являются, два преобразователя и шина постоянного напряжения между ними. Первый преобразователь преобразует «грязное» сетевое напряжение в постоянное, второй преобразователь из постоянного напряжения, заново формирует переменное напряжение, то есть создаёт «чистую синусоиду» на выходе. Такой принцип подразумевает, что на входе устройства с таким принципом работы, может быть любое напряжение: повышенное, пониженное, с перекосом фаз, с помехами от грозовых импульсов или сварочных аппаратов, – то есть абсолютно любое. И оно будет выпрямлено и преобразовано в постоянное напряжение, а затем будет заново сформировано идеальное переменное напряжение, которое и будет подаваться к бытовой технике и оборудованию.

К шинам постоянного напряжения подключены аккумуляторные батареи, на энергии, которых осуществляется электроснабжение потребителей при отсутствии напряжения на входе устройства с двойным преобразованием.

Состав электрической сети с использованием UPS

Установка UPS, как отдельного устройства, не принесёт тех технических преимуществ, которые даёт комплекс электрического оборудования, где UPS является центральным элементом.

В систему обычно входят: аварийный генератор, ИБП, щит автоматического ввода резерва (АВР), стабилизатор, щит сервисного байпаса, контроллер управления.

В общем виде, при отключении внешнего напряжения, алгоритм работы систем бесперебойного питания (UPS) показан на схеме.
В обычном режиме, UPS работает от напряжения внешней электрической сети, которое после двойного преобразования подаётся на выход UPS и снабжает «чистым электричеством» всех потребителей дома.

При отсутствии сетевого напряжении UPS переходит на питание от собственных батарей и подаёт сигнал на запуск аварийного генератора. В это время, до запуска аварийного генератора, все потребители запитаны от аккумуляторных батарей UPS, электроснабжение потребителей не прерывается.

После запуска генератора, UPS получает питание от генератора и продолжает оставаться на нём до тех пор, пока не восстановится внешнее сетевое электроснабжение. После чего UPS автоматически переключается на внешнюю сеть и электроснабжение потребителей дома не прерывается. Аварийный генератор продолжает некоторое время работать, потом останавливается и переходит в режим «готовности».

В обычном режиме электроснабжения UPS защищает системы потребления дома от некачественного электроснабжения, при аварийных ситуациях обеспечивает непрерывность электроснабжения во время переключения электрической сети на питание от аварийного генератора и обратно.

Системы гарантированного питания

В настоящее время в загородных домах и коттеджах используются различные автономные инженерные системы: отопление, водоснабжение, вентиляция, канализация. Обеспечение электроэнергией этих систем, как и всего электрооборудования в целом, осуществляется централизованно через сбытовые компании, используя подключения к сетям местных сетевых компаний. К сожалению, именно электроснабжение оказывается самым слабым звеном в системе жизнеобеспечения индивидуального частного дома. Электрические сети часто перегружены, оборудование находится в плачевном состоянии и, как следствие, энергетические компании не в состоянии обеспечить владельца загородной недвижимости электроэнергией надлежащего качества.

По Гост 12109-97 значение напряжения у конечного потребителя должно быть 220 В. Допустимые отклонения напряжения лежат в пределах ±5 %, или в пределах (209-231 В). Предельно допустимые кратковременные отклонения сетевого напряжения могут быть ±10 %, или в пределах (198-242 В). Все значения напряжения за пределами этих допусков не соответствуют Гост 12109-97 и могут быть опасны для бытовой техники и оборудования в той или иной форме.
Европейские стандарты немного жестче. Уровень напряжения в электрических сетях должен соответствовать значению 230 В с допуском +6 % –10 %. Это означает что оборудование и бытовая техника, произведенная в ЕС, предназначена для эксплуатации в электрической сети с нижним пределом 207 В и верхним пределом напряжения 242 В.

В наших электрических сетях, практически повсеместно, напряжение не соответствует нормам качества электрической энергии: недопустимые отклонения напряжения, провалы и полное пропадание напряжения на время от нескольких минут до нескольких суток. Подача такого напряжения приводит к сбоям в работе электрооборудования различных инженерных систем, вплоть до его выхода из строя. Падение напряжения в подавляющем большинстве случаев можно устранить, используя стабилизаторы напряжения, но при полном исчезновении напряжения, стабилизаторы бессильны. В случае полного отключения электроэнергии во внешней сети, владелец частного дома вынужден использовать резервные источники для поддержания питания электрического оборудования, наиболее часто в этом качестве используют автономные дизельные электростанции.

Но если к внешней сетевой линии 380 В и резервному генератору добавить источник бесперебойного питания, можно получить «систему гарантированного питания».

Такая система в режиме питания от сетевой линии выдаёт на своем выходе напряжение, полностью соответствующее нормам. В режиме аварийной ситуации, эта система обеспечивает автоматический запуск резервного генератора и поддерживает напряжение в электрической сети дома на время запуска генератора за счёт резервных аккумуляторов.

Для владельца загородной недвижимости, такая система обеспечит полную автономность и независимость от любых проблем внешней электрической сети и поможет предохранить инженерное оборудование от повреждения. Для тех, кто планирует проживать в своем загородном доме круглый год, в особенности в зимний период, такая система гарантированного питания будет крайне необходимой и полезной.

Надёжность электроснабжения систем гарантированного питания можно выразить в процентах от времени, в течение которого система гарантированно способна поддерживать на своем выходе заявленный уровень электроснабжения. Например, если система обеспечивается «3 девятки» надёжности, – это составляет гарантированное электроснабжение для загородного дома 99,9 % времени в годовом эквиваленте и только в течение 0,1 % времени годового эквивалента может быть перерыв в электроснабжении, который при таком уровне надежности будет равен 8,8 часа в год.

Какой уровень надёжности электроснабжения для частного дома будет приемлемым, это должен решить каждый владелец недвижимости самостоятельно, но наше мнение, что для индивидуального дома достаточно «3 девятки» надёжности.

В состав стандартной системы гарантированного электропитания входят:

– внешняя электросеть 380В;

– резервная генераторная установка 380В;

– источник бесперебойного питания;

– автоматический ввод резерва (АВР);

– вспомогательное оборудование.

Основным элементом в системах гарантированного питания является источник бесперебойного питания ИБП (UPS)

Расчёт и проектирование систем с ИБП

Источник бесперебойного питания (UPS) представляет собой электронное устройство с очень сложной системой управления и диагностики.
На передней панели UPS, есть дисплей, на котором можно контролировать основные параметры (входное и выходное напряжение, величину нагрузки, прогнозируемое время автономной работы), и состояния ИБП (переход на работу от батареи, переключение на байпас, работа от сети, программируемое отключение).

Одной из особенностей UPS, является очень точная и быстродействующая функция защиты UPS при перегрузке. В случае появления в распределительной сети токов, превышающих номинальные токи источника бесперебойного снабжения, UPS тут же переключается на свой внутренний байпас, если токи в сети уменьшаются, UPS снова переходит в режим инвертирования. Эта функция защищает UPS от повреждения, но эта же функция может вызвать проблемы на стороне потребителя, если она будет часто срабатывать. А срабатывать она может, например, из-за того, что не были учтены в расчётах пусковые токи асинхронных двигателей. Пусковые токи двигателей, в тяжело нагруженных режимах могут достигать значений 10-12 номиналов тока двигателя, то есть превышать нормальный ток двигателя в 10-12 раз. Если пусковые токи двигателей окажутся в зоне срабатывания электронной защиты UPS, он будет отключать напряжение каждый раз при пуске двигателей и подключать обратно, после неудачного пуска. Поэтому очень важно, во время сбора исходной информации, провести мониторинг токов нагрузок сети, сделать профиль мощности сети и правильно рассчитать зоны рабочей мощности UPS, зоны допустимой перегрузки и зоны недопустимой перегрузки.

При проектировании комплекса оборудования очень важно учитывать все нюансы в различных режимах работы оборудования: обычный режим, аварийный режим, ситуации, когда какое-то оборудование отключается вследствие перегрузки, повторные запуски генераторов и тому подобное. Управляющим центром и связующим элементом между дизельным генератором, АВР и UPS является свободно программируемый контроллер, который следит за правильностью функционирования различного оборудования, обрабатывает различные аварийные сигналы и выдаёт команды на управление. Контроллер управления может быть среднего уровня, который в режиме реального времени связывает электрическое оборудование системы гарантированного питания по интерфейсам RS232 или Modbus, а может быть и простейшего типа, обрабатывающий только релейные сигналы.

Аккумуляторные батареи UPS систем

В качестве резервного источника энергии, как в «домашних», так и в «промышленных» источниках бесперебойного питания сегодня в большинстве случаев, применяются свинцово-кислотные герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи, с клапанным регулированием давления (батареи типа VRLA). Эти аккумуляторные батареи (АКБ) удобны в эксплуатации тем, что они герметичны и не требуют контроля за уровнем электролита в течение всего срока службы батареи (в течение 3-5 лет) и допускают эксплуатацию в помещениях общего назначения. Так как батареи не выделяют водород в окружающее пространство при заряде, они являются пожаробезопасными батареями. Недостатком батарей с «клапанным регулированием» можно считать повышенную чувствительность к внешним температурным условиям работы. Они должны эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха в диапазоне от +15 до +25 0C. Так как в герметичный корпус батарей VLRA нельзя добавить воды, рекомбинация воды критична для всего срока службы батарей и качества их работы. Любой фактор, усиливающий испарение и потерю воды, например, перегрев во время заряда – значительно снижает срок службы АКБ.

Стандартный срок службы для батарей типа VRLA – от трёх до пяти лет. Однако, ожидаемый срок эксплуатации может сильно меняться в зависимости от условий окружающей среды, количества циклов разряда и качества обслуживания.

Стандарт «Института инженеров по электротехнике и электронике – IEEE» определяет конец срока полезного использования батарей ИБП как момент, когда они не могут обеспечить 80 % от первоначальной номинальной ёмкости. После достижения порога потери 80 % ёмкости от номинала, процесс старения батареи начинает лавинообразно ускоряется, поэтому такая батарея требует срочной замены. Но в реальности, остаток 20 % – это недопустимо малая ёмкость заряда. К замене батареи надо готовиться раньше, когда остаток ёмкости будет примерно на уровне 50 % от номинальной.

Любые батареи имеют ограниченный срок службы, независимо от типа батареи, от того, где и как установлен ИБП, проводилось техническое обслуживание или нет. Старение и потеря ёмкости аккумуляторных батарей – это химический процесс и остановить его невозможно. Большинство ИБП, в процессе работы постоянно подзаряжают свои батареи малым током подзарядки, этот процесс приводит к истощению химического ресурса батарей и ограничивает ожидаемый срок службы до 3-5 лет. Определение точного срока службы аккумуляторной батареи – достаточно сложная задача, но можно выделить четыре основных фактора, влияющих на срок службы аккумуляторный батарей UPS (ИБП).

Окружающая температура

Номинальная ёмкость батарей в А/час нормируется при температуре +25 0C, любые отклонения от этого значения могут повлиять на химические процессы в батарее и снизить срок её службы. На каждые 8,3 0C превышения среднегодовой температуры выше +25 0C срок службы батарей уменьшается на 50 %.

Химические свойства

Батареи ИБП являются электрохимическими устройствами, характеристики, хранения энергии, которых медленно снижаются с течением времени. Даже если соблюдаются все рекомендации по хранению, обслуживанию и эксплуатации, батареи всё равно потребуют замены через определённое время.

Цикличность

После того, как ИБП работает от батарей во время отключения сети, батареи перезаряжаются для использования в следующем цикле, которой называется циклом разряда. При установке, батарея имеет ёмкость в 100 % от номинала, но каждый разряд и перезаряд немного снижает ёмкость. Когда химический ресурс батареи истощается, ячейки батареи выходят из строя, и она нуждается в замене.

Техническое обслуживание

Периодические профилактические работы не только продлевают срок службы батарей за счёт выявления ослабленных контактных соединений, но и помогают обнаружить неисправные батареи до их полного выхода из строя. Несмотря на то, что герметичные батареи называют необслуживаемыми, этот термин относится лишь к тому, что в них не требуется добавлять воду и электролит, но в целом они требуют регулярного осмотра и обслуживания.

Современный UPS является сложным и насыщенным технологическим оборудованием, вероятность выхода, из строя которого достаточно велика, если производители не относятся к качеству выпускаемой продукции с должным вниманием. Надо отметить, что качество и надёжность работы свойственны оборудованию, произведенному в Германии (AEG) или США (EMERSON, EATON) и в меньшей степени моделям ИБП, родиной которых является Италия. Выбор в пользу других производителей является определённым риском, при котором надо тщательно взвешивать плюсы и минусы конкретной модели.
Обязательным элементом долговременной работы систем с ИБП является техническое обслуживание. В составе UPS есть комплект аккумуляторных батарей, набор вентиляторов, которые охлаждают UPS, контактные соединения силовых кабелей и разъёмов.

Техническое обслуживание заключается в ежегодной проверке состояния этих комплектующих, которые со временем выходят из строя, чистке UPS от пыли, которая ухудшает теплоотдачу от радиаторов выходных транзисторов и проверке состояния аккумуляторной батареи.

Текст: Александр Парве, директор ООО «АТТ ЭНЕРГИЯ»

Землевладелец.Загородное строительство №11-12 (77) 2012

Похожие статьи: