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 напря жение, 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);

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.