UPS 230V

Z onlinetechnology.cz

Přejít na: navigace, hledání

Kompletní příklad dlouhodobé UPS zálohy 230V / 1000VA

Na této stránce bude kompletně popsána vlastní realizace UPS zálohy 230V AC, s maximálním poskytnutým výkonem typ. 1000VA. To vše za minimální cenu oproti komerční UPS a především, s mnohonásobně delším časem zálohy a vhodným dohledem.

Jiné návody jsou na příslušné stránce.

Vhodnost zálohy, při použití UPS dimenzované pro zatížitelnost 1000VA, je pro odběr zařízení zhruba 500VA - protože je zde potřeba počítat s rezervou a možným dlouhodobým provozem z akumulátoru.

Zvolený měnič: HQ-INV1KC/12F

Základní parametry:

  • doplněný dohled přes Ethernet
  • připojení na napájecí síť 230Vac
  • výstup 230Vac (modifikovaný sinus)
  • typ. zatížitelnost 1000VA (špičkově 2400VA např. pro studené rozběhy atd. ne však trvale)
  • zálohovací akumulátor 12V (24V), typ. až 200Ah
  • nabíjecí proud akumulátoru max 4A (dáno výrobkem)

Připojení:

Napájecí sít 230Vac - je vhodné přivést TN-S (L+N+PE). Pokud máte TN-C, proveďte rozdělení dle platných norem (rozdělení PEN na PE+N, vhodné přizemnění v bodě rozdělení, dále pokračovat jen jako TN-S). Vodič PE se připojí na DIN lištu a všechy další kovové části. Podle místa instalace může být nutné osazení chrániče (nezapomeňte na pravidelné testování chrániče).

Jištění je provedeno DIN jističem, vhodný trip proud 6A (pro očekávaný odběr asi 4.5A). Více viz schéma zapojení dole.

DC obvod pro malé spotřebiče (např. pro SDS-MICRO) se napájí ze svorek akumulátoru, a je nezbytně nutné ho jistit tavnou pojistkou (velmi vhodné je dát jištění na oba vodiče).

Měření spotřeby:

Lze s výhodou použít jednofázový na DIN lištu a zapojit jej do obvodu hned za výstup z jističe (za chránič). Svorky S0 se připojí do modulu dohledu. K dispozici je pak informace o celkové spotřebě (kWh, CZK) i aktuálním odběru (kW) atd. viz detailnější popis.

Dohled výpadku 230Vac:

Je nejvhodnější použít relé na DIN lištu, jeho izolované kontakty připojit do modulu dohledu, viz schéma dole.

Jednotka VA:

VA je jednotka zdánlivého výkonu. Více informací viz wiki.

Vždy je potřeba plánovat podle hodnot VA, nikoliv podle výkonu W (ten je vždy nižší). Podstatné je, že každý spotřebič má účinník horší než 1, takže byť má nějaký specifikovaný odběr ve W, je jeho zdánlivý odběr ve VA vyšší, a právě tolik bude daný spotřebič po zdroji požadovat a to musíme dodat.

Akumulátor:

Vhodný akumulátor je potřeba vybrat podle použitého měniče/nabíječe. Existuje nepřeberné množství, není problém si vybrat. Základním parametrem je kapacita nabitého akumulátoru v Ah (Amperhodiny).

Podle požadované délky běhu při záloze, tj. kdy je výstup napájen měničem z akumulátoru, se určí požadovaná kapacita v Ah.

Při trvalém zatížení výstupu měniče 1000VA, je při napájecím napětí na svorkách akumulátoru 12V, s přihlédnutím na účinnost měniče, odebíraný proud z akumulátoru zhruba 110A (ano, stodeset Amper, s tím už se snad dá svařovat).

Vzhledem k proudu v DC větvi (mezi akumulátorem a měničem), je potřeba použít dostatečně dimenzované a krátké vodiče. Vodiče nesmí být stočeny do klubka apod. protože pak se budou přehřívat - musí být nataženy volně.

Měnič se vypne při napětí 10V akumulátoru (pozor, je potřeba do toho započítat úbytky na přívodních vodičích). Akumulátor má při 10V ještě část své kapacity nevyčerpané, takže nedojde k jeho hlubokému vybití (úplné znehodnocení), ale zase bude odpojena záloha. Předpokládejme, že při 10V má akumulátor ješte 20% své kapacity.

Dimenzování akumulátoru: na základě všech předchozích informací:

Požadujeme dobu zálohy 2 hodiny při zatížení 600VA.

Zatížení 600VA odpovídá proud z akumulátoru zhruba 66A. Pro jednu hodinu provozu teoreticky potřebujeme 66A * 1Hod = 66Ah, ovšem nesmíme zapomenout přidat 20% pro zbytek kapacity při vybíjení akumulátoru, takže na jednu hodinu provozu bude potřeba 66Ah * 1.2 = 79Ah, a tedy na dvě hodiny to bude asi 160Ah.

Pro požadovanou dobu zálohy 2 hodiny při zatížení 600VA, bude potřebný akumulátor o kapacitě 160Ah.

Příklad: lze počítat i opačným směrem: pro akumulátor 100Ah, bude při zatížení 600VA doba zálohy 1 hodina 16 minut.

Teď předpokládejme, že je akumulátor vybitý (např. na něj běžela záloha tak dlouho až se vybil). Následně je obnovena dodávka napájení 230Vac, takže se začne akumulátor dobíjet. Dobíjecí proud je maximálně 4A (pro konkrétní zmíněný výrobek), tzn. 4A nebo méně (méně až ke konci nabíjení, kdy je akumulátor skoro nabitý).

Otázka: za jak dlouho bude zvolený 160Ah akumulátor nabitý na 100% kapacity? Zhruba za 160Ah / 4A = 40 hodin.

Takže po úplném plném vybití to vezme téměř dva dny nabíjení, aby byl akumulátor plně nabitý.

UPS silové obvody:

Výstupem UPS je vždy 230Vac. Při provozu z napájecí sítě (když není výpadek), je výstup UPS přímo (přes reléový kontakt) připojen na přívod 230Vac. V okamžiku výpadku dojde k přepojení na výstup záložního měniče, který je napájen z akumulátoru. Doba přepnutí závisí především na stavu (nabití) akumulátoru, je-li moc vybitý, bude přepnutí (náběh měniče) trvat až 400msec (nabitý akumulátor zaručuje čas přepnutí zhruba 10msec). Čas přepnutí je důležitá informace, je potřebné, aby byl kratší než limitní čas, který už způsobí výpadek napájecích zdrojů atd. zapojených na zálohovaný výstup UPS. Toto je potřeba vždy ověřit v praxi.

Vnitřní zapojení použitého UPS:

Znalost alespoň blokového vnitřního zapojení použité UPS je pro plánování, servis a zapojování určitě vhodná. Čísla v závorkách např. (1) se odkazují na obrázek.

Vybraný kombinovaný měnič s nabíječem je typ HQ-INV1KC/12F. Tento měnič je interně velice jednoduchý a účelný, což je jeho plus. Základem (3) je zdroj kmitočtu s CMOS obvodem 4060 a krystalem v pouzdře HC32. Všechny součástky jsou vývodové, takže snesou větší tepelné namáhání. Přepínací relé jsou dimenzována na 10A/230Vac, což by mělo být dostatečné.

Nabíječ akumulátoru (6) je řešen pomocí transformátoru 230Vac/18Vac, což je pak usměrněno můstkem (5), omezeno na proud a přivedeno přímo na svorky pro akumulátor.

Stejné svorky napájejí i zvyšovací střídač meziobvodu (4), který je složen z (1) pěti spolupracujících malých měničů. Každý má dva výkonové tranzistory (push-pull), ochranné diody, vlastní kondenzátor na vstupu a převodní silový transformátor. Každý z pěti měničů je chráněn fast-on pojistkou 30A (obrázek rámeček pod (1) ), která se přepálí při nadproudu a také při otočené polaritě připojení akumulátoru (tj. ochrana proti opačné polaritě). Výstupem měničů je sice střídavé napětí, ale o vysoké frekvenci (ještě to zdaleka není 230Vac/50Hz).

Střídavé napětí z měničů je usměrněno a přivedeno na meziobvod (2) (filtrační cívka a kondenzátory), kde je vysoké DC napětí, které je pak následně rozkouskováno střídačem na modifikovaný sinus 230Vac/50Hz. Výkonové tranzistory jsou buzeny přes CMOS 4011 řízené ze (3) zmíněného zdroje kmitočtu CMOS 4060. V jednoduchosti síla, není potřeba procesoru atd.

Doplňkové obvody jsou obvody detekce nadproudu a přehřátí (4), zapojené pomocí komparátorů. Chlazení je realizováno pomocí ventilátoru foukajícího na měniče meziobvodu, což může být nedostatečné. Pro těžší provoz je vhodné namontovat větší ventilátor z venku tak, aby ofukoval celou hliníkovou skříň výrobku (která je současně chladičem pro výkonové tranzistory).

Celkové zapojení je pěkné a přehledné, snadné na servis, a především umožňuje dosáhnout vhodné ceny za celý měnič.

Modifikovaná sinusovka - co to je?

Zde pozor. Toto je velmi důležitá informace. Vyrábí se dva druhy měničů, jeden s "čistým sinusovým výstupem" ("pure sinus"), druhý typ je s "modifikovaným sin výstupem". Jedná se vždy o tvar křivky napětí na výstupní straně UPS (zálohovaný výstup 230Vac). Čistý sin má skutečně tvar křivky velmi blízký sinusoidě, kdežto modifikovaný se jen vzdáleně přibližuje (křivka je složena ze "schodů").

Protože budeme napájet pouze "počítačové vybavení", tj. jen výrobky osazené spínanými zdroji (které mají na svém vstupu usměrňovač a kondenzátor pro výrobu DC napětí a následně vlastní malý měnič), je použití modifikovaného sinu vhodné (navíc pak je menší tepelná ztráta na UPS).

Naopak, pokud chcete napájet jakékoliv zařízení které obsahuje motor nebo jiný magnetický stroj (např. velký transformátor přímo na svorkách), musíte použít zařízení s čistým sinusovým výstupem. Modifikovaný sinus nedokáže některé motory ani rozběhnout (např. ty které používají kondenzátor pro posun fáze pro druhé vinutí atd.), popř. způsobuje velmi zvýšené zahřátí stroje atd. což určitě není vhodné.

Měniče s čistým sinem jsou obvykle dražší, proto pro napájení spínaných zdrojů určitě volíme levnější měniče s modifikovaným sinem.

Detaily dohledu:

Dohled je realizován pomocí SDS-MICRO, do kterého je nahrán program v SDS-C. Vzorový program je k dispozici na této stránce dole, a každý si jej může upravit dle svých potřeb.

Funkce dohledu:

  • Hlásit výpadek a obnovení vstupního napájení 230Vac (prostřednictvím emailu, popř. jako sms přes email bránu operátora).
  • Měřit napětí na svorkách baterie (lze grafovat přes Cacti/SNMP atd.)
  • Hlásit pokles napětí, popř. vybití baterie
  • Měřit teplotu měniče, baterie, okolí atd., odesílat varovné emaily

Dohled je napájen přímo ze svorek akumulátoru, tak má zajištěno, že je vždy napájen, a že bude vyřazen z provozu až jako úplně poslední (měnič vypíná při poklesu napětí akumulátoru pod 10V, což ale stále stačí pro napájení SDS-MICRO). S výhodou lze na svorky akumulátoru připojit i další síťový hardware (switch, AP), je to mnohem vhodnější a efektivnější než použít nějaký zdroj zapojený na výstup měniče. Příme připojení vhodných spotřebičů přímo na svorky akumulátoru v důsledku prodlužuje dosažitelnou dobu zálohy.

Schéma zapojení


Obrázek vlevo se po kliknutí zvětší.

Vidíte dvě části - nahoře je měnič a baterie, ve spodní časti jsou všechny prvky na DIN liště.

Všechny prvky lze např. zakoupit na eshopu.

.

.


.

Obrázek vlevo se po kliknutí zvětší.

Fotografie osazené DIN lišty přístroji a svorkami, odpovídající schématu z obrázku výše.

.

.

Vzorový program v SDS-C

Funkce programu:

  • Hlášení zapnutí zařízení SDS MICRO - poslání emailu
  • Hlídání relé detekce 230V - poslání emailu (výpadek 230V / obnovení 230V)
  • Měření napětí baterie, posílání emailu podle stavu baterie (při poklesu napětí pod 10V)
  • Odečet teploty teplotních čidel
  • Odečet S0 impulsů z elektroměru
  • Posílání údajů na portál (archivace spotřeby a výkonu, teploty, aktuální stav)

Program očekává následující připojení:

  • napětí baterie na AD3 (čtvrtý vstup)
  • relé 230V na OPTO 0 (první vstup)
  • S0 impulsy na OPTO 2 (S0[3]) - tj. přímo svorky S0 (ne zbývající opto 0 či 1)

Správnost připojení zkontrolujete prakticky hned ve webovém rozhraní zařízení.

Před použitím programu musíte v SDS MICRO (v administraci) nastavit SMTP server (uživatelské údaje) a upravit SDS-C program tak, že správně přepíšete emailové adresy, kam se mají posílat emaily. Dále musíte zařídit účet na portálu (portal.merenienergie.cz), popř. pokud již účet máte zařízený, tak přidat další zařízení. ID zařízení pak musíte zapsat do textu programu, předtím, než jej nahrajete do SDS MICRO.

Jak nastavit portál, konkrétně konfiguraci daného zařízení, aby data poslaná tímto SDS-C programem byla správně zobrazena - podle tohoto obrázku.


Princip funkce programu:

Hlavní smyčka je ve funkci main(). Z této funkce jsou volány následující funkce:

  • Bez čekání funkce ukoly_rychle() - kontrola výpadku 230V
  • Každou 1 sekundu funkce ukoly_co_1sec() - kontrola napětí baterie (pokles pod 10V)
  • Každých 15 minut funkce ukoly_co_15min() - odeslání údajů na portál

V těchto jednotlivých volaných funkcích se provádí konkrétní úkoly. Program je velmi jednoduchý, a neměl by být problém si jej upravit, nebo do něj doplnit další funkce.

Zařízení tedy odesílá emaily v případě problému, dále v případě odstranění problému (obnova 230V, nabití baterie), a nakonec ukládá co 15 minut stav na portál, takže je to možno i průběžně sledovat, nebo číst archivní záznamy (zejména vhodné pro fakturaci spotřeby elektrické energie).

Pokud nechcete posílat data na portál (tj. zůstane jen posílání emailů), pak odstraňte funkci ukoly_co_15min(), ale to včetně jejího volání z mam_ctvrthod().


Program stáhnete zde: [1] - po úpravě údajů jej lze přímo nahrát do zařízení.

Pozn. pokud máte první verzi programu, opravte si adresu portálu (a výchozí IP adresu) na novou adresu: portal.merenienergie.cz

Osobní nástroje
Translate