Katkematu toiteallikas: koduse UPS-i otstarve ja töö eripära

Seadmete töövõime säilitamiseks võrgutõrgete korral kasutatakse katkematut toiteplokki. Olenevalt teenindatavate tarbijate tüübist ja elektrivõimsuse parameetritest tuleb valida erinevaid mudeleid. Need seadmed on nõutud, seega pole vajalike omadustega eksemplari ostmine raske.

Kuid enne ostmist tuleb iseseisvalt selle omadustes selgusele jõuda, mitte usaldada seda küsimust müügist huvitatud juhtidele.

Selles materjalis käsitleme UPS-i seadet ja töö iseärasusi ning räägime selle kasutamise reeglitest.

Vahelduvvoolu UPS-i skeemid

Kodusteks vajadusteks kasutatakse katkematu toite seadmeid, mis on ühendatud 220 V ühefaasilisse võrku ja mis suudavad elektri puudumise korral teatud aja jooksul toita samasugust pinget nõudvaid tarbijaid.

On olemas ka UPS-id, mis on sisendis ühendatud kolmefaasilisse võrku ja annavad väljundis kas 380 V või 220 V. Need on aga kallid ja neid kasutatakse vajadusel saada autonoomset võimsust alates 10 kVA, mis kodusteks vajadusteks pole vajalik.

Kodused vahelduvvoolu UPS-id jagatakse tööskeemi järgi järgmisteks tüüpideks:

• varu- (offline);
• interaktiivsed (lineaarselt interaktiivsed);
• kahekordse muundamisega (online).

Need erinevad väljastatava pinge kvaliteedi ja hinna poolest. Kõige odavamad on varu-, kõige kallimad kahekordse muundamisega.

Kõige lihtsam teostuselt varutoitesskeem eeldab lülitusrelee ja passiivse filtreerimise olemasolu häirete mahasurumiseks

Vahelduvvoolu alaldisvooluks muundamiseks kasutatakse laadimisseadmes alaldit. Tagurpidi muundamine toimub inverteri abil.

Katkematutes toiteallikates paigaldatakse vooluahela võrgult akule ümberlülitamiseks tavaliselt tavalised elektromehaanilised releed. Kui see detail on kvaliteetne, siis selle ressurss jätkub kogu UPS-i tööajaks. Kuid enamasti peitub ploki rikke korral probleem just selles konstruktsioonielemendis.

Interaktiivne skeem erineb varuskemast pinge stabilisaatori olemasolu poolest. See on teostatud tüüpilise autotransformaatorina, mille mähised on otse ühendatud.

Pinge stabiliseerimine esineb ka paljudes kodumasinates, seetõttu kui kõrvalekalded on väikesed, pole mõtet osta kallimat lineaarselt interaktiivset mudelit.

Trafo olemasolu sunnib tootjat sageli kasutama sundjahutust, seetõttu varustatakse sellised UPS-id jahutitega. Need tekitavad müra, mille intensiivsus on võrreldav arvuti süsteemiploki tööga.

Inverteri toide online-skeemi korral toimub pidevalt akudest. Seetõttu on elektrivõrgu rikke korral varutoitele lülitumise aeg null.

Kõige keerulisemad ja kallimad topeltmuundusega seadmed on samas kõige väiksema kasuteguriga. Elektrienergia muutub soojuseks, mida seade kiirgab. Seetõttu tuleb nende kasutamist põhjendada.

Selliste katkematu toiteallikate kõige olulisem eelis on hetkeline reageerimine elektri katkestusele. Kuid enamiku kodumasinate jaoks pole see nii oluline. Arvutid varustatakse tavaliselt varu- või interaktiivset tüüpi UPS-iga.

Kõige olulisemad parameetrid

Praegu on turul palju pakkumisi kodumajapidamises kasutatavate katkematu toiteallikate müügiks. Nende otstarbe õigeks määramiseks ja valikuvea vältimiseks tuleb mõista, millistele parameetritele tuleb kõigepealt tähelepanu pöörata.

Peamised tehnilised omadused

Seadme väljundvõimsus määrab maksimaalse lubatud väärtuse, mida seade suudab garanteeritult tarbijale anda. Seda mõõdetakse volt-amprites (V·A). Kasutajate mugavuseks esitatakse see väärtus sageli ka vatides.

Seadmete koormuse mõõtmiseks võib kasutada ampermeetrit või arvutada seda korteris paigaldatud arvesti näitude järgi.

Tarbitud elektrienergiat saab mõõta koduse ampermeetri (vattmeetri) abil, millel on pistikupesa. Ühendatav seade tuleb lülitada maksimaalse tarbimise režiimi.

Arvuti tegeliku võimsuse määramisel ei tohiks lähtuda toiteploki nimiväärtusest, kuna seda ostetakse alati varuga.

Kui ampermeetrit pole, tuleb teha järgmised toimingud:

1. Lülitage jaotuskilbis välja kõik ahelad, välja arvatud see, millest arvuti toidet saab.
2. Lülitage selles ahelas välja kõik seadmed.
3. Lülitage arvuti sisse ja käivitage sellel tüüpiline programm (näiteks YouTube'i video).
4. Oodake, kuni arvestil muutub kümnendiku kilovati väärtus.
5. Märkige aeg kuni järgmise muutuseni.

Keskmise tarbimisvõimsuse (P, vatti) selle ajavahemiku (t, minutit) jooksul saab arvutada valemiga:

P = 100 * (60 / t)

Järgmine oluline omadus – iseseisva töö periood. See näitaja sõltub koormusest, mida UPS sel hetkel kannab. Maksimaalsel lubatud võimsusel töötavad koduseadme akud 1–3 minutit. Poolel koormusel aga palju kauem (kuni 10 minutit).

Akude autonoomse tööaja sõltuvuse graafikult keskmisest koormusest on näha, et see sõltuvus on mittelineaarne. Selle põhjuseks on patareide tühjenemise viis.

Siit tulenevad kaks järeldust:

• Elektrikatkestuse korral tuleb seadmete tarbitavat koormust maksimaalselt vähendada;
• Soovitatav on soetada UPS, mille võimsus ületab arvutuslikku vähemalt 30%.

Sisendpinge vahemik näitab võrgu minimaalset ja maksimaalset lubatud pinget, mille juures ei toimu toite ümberlülitamist akudele. Reeglina taluvad kõik UPS-id vahemikku 180–260 V.

Mõnedel tootjatel võib kohata väga häid (reklaami) näitajaid, näiteks alumine väärtus – 110 V. Siin tuleb veenduda, et need numbrid on võetud just maksimaalse koormuse jaoks, mitte poole koormuse jaoks.

Veel üks oluline tehniline näitaja – müratase. Lineaarselt interaktiivse või online-tehnoloogiaga UPS-id eraldavad palju soojust, mistõttu paigaldavad tootjad neile ventilaatorid. Kui jahutid on odavad, hakkavad need aja jooksul suminat tekitama, mis on eluruumis ebasoovitav.

Liides ja seadistuse teostamine

Plokkide välimus võib olla väga mitmekesine. Tavaliselt on neil klassikaline ristkülikukujuline vorm, kus esiküljel asuvad indikaatorid või ekraan, tagaküljel aga toitepistikud. Nende arv pole nii oluline, sest väljundisse saab ühendada pikendusjuhtme kolmikhargiga. See ei lähe kuidagi vastuollu UPS-i kontseptsiooniga.

Mudelil võib olla LCD-ekraan, millel kuvatakse ühendatud seadmete varustuse olukord: toite olemasolu, tarbijate arv, aku laetus jne.

Indikatsioonisüsteem vähendab seadme hinda. Lisaks on see praktilisem. Kui on vaja teada saada mingeid parameetreid, on paljudel mudelitel realiseeritud arvutiga ühendamise funktsioon.

Elektrivarustuse parameetrite, UPS-i akude seisundi ja selle töö teadasaamiseks saab selle arvutiga ühendada. Paljude mudelite puhul on see funktsioon realiseeritud ja tarkvara välja töötatud.

Liideseid on kolm peamist tüüpi:

• USB. Kõige levinum arvuti ja UPS-i ühendus.
• RS-232 (COM-port). Kodumudelites esineb harva.
• Ethernet 10/100. Seda kasutatakse katkematu toiteallika kaugjuhtimiseks.

Tarkvara UPS-ist omaduste hankimiseks ja selle haldamiseks on välja töötatud mitte ainult erinevate Windowsi versioonide jaoks. Näiteks tuntud tootjal Powercom on Android-tarkvara versioon, mis võimaldab eemalt jälgida toiteolekut ja vajadusel katkematu toiteallika tööd korrigeerida.

Tarkvara võimaldab jälgida elektrivõrgu põhiomadusi, nagu sisend- ja väljundpinge, sagedus. Samuti saab teada akude laetuse ja seadme temperatuuri.

Katkematu toiteallikad paigutatakse kaitstavate elektritarbijate vahetusse lähedusse. Tavaliselt asetatakse need põrandale või riiulitele. Mõned mudelid on varustatud kinnitustega, mis võimaldavad neid seinale paigaldada.

Väljastatava voolu kvaliteet

Katkematu toiteallikad peavad väljastama nõuetekohase kvaliteediga voolu. Aku töötamise ajal vastutab selle eest inverter, võrgutoite korral peaksid filtri ja stabilisaator siluma probleemsed hetked. Elektriahelas tekkivate häirete päritolu ja tagajärjed elektroonikale on erinevad. Seetõttu tuleb ka selles küsimuses põhjalikult selgust saada.

Võrguhäired ja kaitse

Kõik kaasaegsed UPS-id on varustatud kaitsega teenindatavate seadmete poolt tulenevate probleemide eest. Kui kogukoormus ületab maksimaalset lubatut või tekib lühis, lülitab katkematu toiteallikas kohe toite välja.

Võrguhäired võib tinglikult jagada sagedus- ja impulsshäireteks. Esimesed pole nii ohtlikud, eriti arvutite või televiisorite toiteplokkidele, mis muundavad vahelduvvoolu alalisvooluks. Teised võivad põhjustada probleeme igas elektroonikas.

Seetõttu on enamik UPS-e varustatud kaitsega impulsside ja harmooniliste eest varistorite ja kõrgsagedusfiltrite abil.

Liini häirete eemaldamine toimub kahes etapis. Esmalt lõikavad varistorid ära kõrgsageduslikud impulsid, seejärel silub filter väikesed hüpped.

Kõrgepingeimpulsside ilmnemise probleem on iseloomulik mitte ainult toitekaablitele, vaid ka andmesidevõrkudele – arvuti- või telefonivõrkudele. Need võivad tekkida atmosfäärielektri mõju, läheduses asuva juhtmestiku läbilöökide, tekkivate elektriliste ülekoormuste ja muude põhjuste tõttu.

Paljud tootjad toodavad mudeleid, millel on kohaliku võrgu kaitse võimalus. Selleks on UPS-il kaks RJ-45 pistikut – üks sisend ja üks väljund. Signaal läbib filtrit, mis surub maha pingelöögid. Telefoniliinide puhul on süsteem sama, ainult pistikud on RJ-11 vormingus.

Madal ja kõrge pinge

Pinge reguleerimine toimub automaatse pinge regulaatori (AVR) abil, mille põhielement on autotransformaator. Selle toimimispõhimõte põhineb ühe mähise keerdude arvu muutmisel, mille tulemusena pinge suureneb või väheneb.

AVR-i olemasolu UPS-is võimaldab mitte iga kord sisse lülitada autonoomset režiimi, kui pinge normist vähe kaldub. See pikendab oluliselt akude eluiga.

Professionaalsed multimeetrid, nagu CEM DT 9909, suudavad pika aja jooksul pinge väärtust salvestada. Sellise seadme kasutamine võib aidata stabilisaatori või UPS-i valikul.

Vastavalt standardile GOST 29322-2014 on lubatud pinge hälve etalonväärtusest kuni 10% kuni 1 tunni jooksul. Kõik kaasaegsed regulaatoritega UPS-id tulevad selliste kõikumistega toime.

Väljuva signaali puhtus

Väljundsignaali tüüp sõltub inverteri mudelist, mis on UPS-i paigaldatud. Ideaalis peaks vahelduvvoolu pinge kõver olema sinusoid. Kuid pärast inverteri kaudu teisendamist omandab see astmelise kuju.

Mida rohkem on astmeid hetkpinge sõltuvuse kõveras ajast, seda parem on vahelduvvoolu kvaliteet. Mõne seadme jaoks on see oluline.

Seadmete jaoks, mis sisaldavad asünkroonseid elektrimootoreid (külmik, konditsioneer), trafotoitelülitusi (kvaliteetne audioaparatuur), APFC toiteallikaid (serverid ja võimsad arvutid) on vaja puhast või hästi lähendatud sinusoidi.

Ükski inverter ja seega ka UPS ei anna puhast sinusoidi, hoolimata sellest, mida seadmete tootjad reklaambrošüürides kirjutavad. Väljundsignaali lähendamist sinusoidile hinnatakse mittelineaarse moonutusteguri (THD) kaudu.

Seadmest väljuvat signaali võib pidada sinusoidaalseks, kui THD < 5%. Mõnel mudelil, näiteks IMV NetPro 2000, on see näitaja vaid 2%.

UPS-i kasutamise reeglid

Varutoite korraldamiseks UPS-i soetades tuleb mõista, milliste seadmetega seda koos kasutada saab. Mõnikord ei piisa ainult UPS-ist ja siis tuleb võtta täiendavaid meetmeid kodu elektriga varustamiseks.

Kodumasinate ühendamine

Arvutid, modemid, ruuterid, video- ja audioaparatuur on tüüpilised kodu- või kontoriseadmed, mille külge ühendatakse UPS-e. Kui need seadmed sisaldavad tavalisi lülitustoiteplokke, siis piisab suhteliselt odavate mudelite ostmisest, mis ei anna puhast sinusoidi.

Kaasaegsed mudelid on kompaktsed ja atraktiivse disainiga, mis sobib harmooniliselt teiste seadmetega elutoa sisustusse.

Valgustuse jaoks ei ole vaja osta ka kalliseid tooteid. Siin on peamine arvutada õigesti maksimaalne võimsus ja autonoomse töö aeg.

Sagedaste elektrikatkestuste korral on aktuaalne külmikute planeerimata sulatamise ja toidu riknemise probleem. Sellise asünkroonmootoritega seadme kaitsmiseks läheb vaja keerukama konstruktsiooniga UPS-i, kuna vaja on “puhta” sinusoidaalset signaali.

Lisaks tuleb arvestada käivitusvoolude esinemisega, mis tekivad mootori käivitamisel. Lihtsustatult võib külmutusseadmete puhul nende suuruse määrata, korrutades võimsuse väärtuse 5-ga.

Kui näiteks köögis on külmik koguvõimsusega 300 W (käivitamisel 1500 W) ja sügavkülmik võimsusega 200 W (käivitamisel 1000 W), siis on vaja toiteplokki puhta sinusoidi ja maksimaalse võimsusega vähemalt 1700 W. See väärtus on saadud juhuks, kui sügavkülmik töötab ja samal ajal lülitub sisse külmik. Mõlema mootori samaaegne käivitamine on ebatõenäoline, pealegi talub selline UPS ühesekundilist 2,7 kW tõusu.

Online-tüüpi plokk maksimaalse võimsusega 2000 W suudab töötada umbes pool tundi kogutarbimise 500 W juures. Kuna jahutusrežiim kestab umbes 5 minutit, siis katkematu toiteallikas jätkub garanteeritult mõlema seadme 6 käivituseks.

Eramajades ja suvilates on samuti aktuaalne UPS-i kasutamine küttesüsteemi toetamiseks sundtsirkulatsiooniga. Pumpadel on samuti vaja puhast sinusoidi.

Katkematuid toiteallikaid kasutatakse aktiivselt ka gaasküttekatelde tööks. Arvestades ühendatava seadme maksumust, ei tohiks sel juhul UPS-i kvaliteedilt kokku hoida.

Varu- ja lisaelektrivarustus

Paljude kodumasinate jaoks ei ole võimalik leida odavat UPS-i, kuna on vaja märkimisväärset maksimaalset võimsust pika autonoomse töö perioodi jooksul. Pesumasinad, elektriahjud, hajutatud kliimaseadmed tarbivad palju elektrit.

Võib muidugi ilma nende seadmeteta hakkama saada elektrikatkestuse ajal. See on otstarbekas juhul, kui sellised katkestused esinevad harva ja lühiajaliselt. Kuid kui siiski otsustatakse tagada võimsate tarbijate autonoomne toide, on parem kasutada bensiini- või diiselgeneraatorit. Nende kiireks käivitamiseks pinge puudumisel kasutatakse automaatset reservi sisselülitamise süsteemi (AVR).

Täiendava toiteallika olemasolul tasub siiski UPS-i kasutada, vähemalt arvutite jaoks. Generaatori hetkelist käivitamist ja elektrivarustuse taastamist ei ole võimalik saavutada.

Madaldatud pinge stabiliseerimine

Madalpinge probleem on aktuaalne objektidele, mis on ühendatud vanade või väikese võimsusega elektrivõrkudega. Kui selline olukord esineb pidevalt, siis on parem kasutada sisend stabilisaatorit.

Stabilisaatori olemasolul viiakse majasisese võrgu pinge normnäitajateni. See mõjutab ka neid seadmeid, mis pole UPS-iga ühendatud.

Madalpinge korral suureneb majasisese võrgu kaudu kulgeva voolutugevus. Oletame näiteks, et UPS-iga ühendatud tarbijate koguvõimsus on 1,5 kW ja toitepinge on 190 V.

Siis Ohmi seaduse kohaselt:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – voolutugevus ahelas enne UPS-i ilma stabilisaatorita;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – voolutugevus ahelas enne UPS-i koos stabilisaatoriga.

Seega kogeb majasisene võrk ilma stabilisaatorita suurenenud koormust, mida ei pruugitud olla arvestatud juhtmestiku ristlõike valimisel.

Seetõttu on pideva madalpinge korral parem paigaldada stabilisaator. Sel juhul on ka UPS-i autotransformaatori koormus väiksem, mis pikendab selle eluiga. Lisaks, arvestades pinge ühtlustumist, saab osta odavamaid katkematu toite allikaid.

Alalisvoolu tarbijate katkematu toitmine

Mõnede seadmete jaoks tuleb tagada katkematu toiteallikas alalisvooluga 12, 24 või 48 V. Seda tüüpi UPS-id on samuti müügil. Nende märgistuses on lühend “DC”. Ka pingega 60, 110 või 220 V plokid on olemas, kuid neid kasutatakse tööstuses või energeetikas.

Alalisvoolu UPS-ide erinevus klassikalistest mudelitest sisemises ülesehituses seisneb inverteri puudumises. Akud ühendatakse otse väljundisse kontaktoriga, millel on voolu piirav mõõtesunt, et vältida akude lubamatult sügavat tühjenemist.

Mõnikord võib väljundis olla stabiliseeriv konverter, kui UPS-ist toidetavad seadmed on tundlikud väikeste pingekõikumiste suhtes.

Koos pingemuunduritega suudab alalisvoolu UPS võimsusega 48 W toita videovalvesüsteemi, mille perimeeter on kuni 1 km.

Selliseid reservtoiteallikaid kasutatakse järgmiste alalisvoolul töötavate kodumasinate kaitsmiseks:

• videovalvesüsteemide ja valvesüsteemide;
• igat liiki andurid (leke, suits, tuli, liikumine jne);
• valgustussüsteemid;
• telekommunikatsiooniseadmed;
• sidesüsteemid;
• juhtimissüsteemi komponendid “tark maja”.

Paljudel alalisvoolu UPS-idel on võimalus ühendada väliseid akusid. Sellisel juhul võib nende hooldatavate seadmete autonoomne töö olla väga pikk.

Järeldused ja kasulik video teemal

Lühidalt koduste UPS-ide põhiomadustest:

UPS-ide tüüpide ja omaduste mitmekesisus tuleneb nende kasutustingimuste erinevusest: ühendatud seadmete võimsusest ja tüübist, konkreetse elektrivõrgu parameetritest ja tüüpprobleemidest. Katkematu toiteallikas pole süsteemis tavaliselt kõige kallim element, kuid tema mõjutab süsteemi töö stabiilsust. Seetõttu tuleb määrata kasutustingimused ja läheneda mudeli valikule hoolikalt.

Kas on veel küsimusi artikli teemal? Või oskate seda materjali täiendada huvitava teabega UPS-ide kohta? Palun kirjutage oma kommentaarid, esitage küsimusi, jagage kogemusi allpool asuvas plokis.