Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к источнику питания, напряжение которого выше остальных. Обычно в цепях постоянного тока для разделения питающих цепей используют полупроводниковые диоды. Эти диоды препятствуют влиянию одного источника питания на другой. В то же время на этих диодах нерационально расходуется некоторая доля энергии источника питания. В этой связи в схемах резервирования стоит использовать диоды с минимальным падением напряжения на переходе. Обычно это германиевые диоды.
В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания). В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
Самые простые и очевидные схемы резервирования источников постоянного тока показаны на рис. 10.1 и 10.2. Подобным образом можно подключить неограниченное количество источников питания к ответственному радиоэлектронному оборудованию.
Схема резервирования источников питания (рис. 10.2) отличается тем, что роль диодов, разделяющих источники питания, выполняют светодиоды. Свечение светодиода индицирует задействованный источник питания (обычно имеющий более высокое напряжение). Недостатком подобного схемного решения является то, что максимальный ток, потребляемый нагрузкой, невелик и непревышает максимально допустимого прямого тока через свето-диод.
Рис. 10.1. Основная схема резервирования источников питания
Рис. 10.2. Схема резервирования источников питания с использованием светодиодов
Рис. 10.3. Схема резервирования источника питания охранного устройства
Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
Схема авторезервирования источника питания для ответственного оборудования - охранного устройства - приведена на рис. 10.3. На схеме условно показан основной - сетевой источник питания. На его выходе - нагрузке RH и конденсаторе С2 - формируется стабильное напряжение 12 6 или более! Батарея резервного питания GB1 подключена к сопротивлению нагрузки через цепочку диодов VD1 и VD2. Поскольку разность напряжения на этих диодах минимальна, ток через диоды в нагрузку не протекает. Однако, стоит отключиться основному
источнику питающего напряжения, как диоды откроются. Таким образом питание подается на нагрузку без перебоев.
Светодиод HL1 индицирует исправное состояние резервного источника питания, а диод VD2 не допускает питание светодио-да от источника основного питания.
Схему можно изменить таким образом, чтобы два светодио-да независимо друг от друга индицировали рабочее состояние обоих источников питания. Для этого достаточно схему (рис. 10.3) дополнить элементами индикации.
Устройство для автоматического включения резервной батареи питания описано в патенте ГДР № 271600 , а его схема показана на рис. 10.4.
Рис. 10.4. Схема устройства для автоматического включения резервной батареи питания
В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
Недостатком устройства является то, что максимальный ток через нагрузку не может превышать максимально допустимого тока через светодиод. Кроме того, на самом светодиоде теряется до 2 В. Если пожертвовать функцией индикации и заменить светодиод на германиевый диод, рассчитанный на повышенный ток, это ограничение снимется.
Для нормальной работы телефонных автоматических определителей номера (АОН) необходимым условием является
использование резервного источника питания. Схема одного из них показана на рис. 10.5.
Когда источник питания включают в сеть, срабатывает реле К1, которое одновременно является датчиком разряда аккумулятора GB1. Через резистор R2 протекает зарядный ток 5... 10 мА. При отключении сетевого напряжения устройство получает питание от аккумулятора GB1, однако, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже 6,5 В, реле отключится. Контакты реле разомкнут цепь питания и защитят таким образом аккумулятор от дальнейшего разряда.
Рис. 10.5. Схема автоматического включения резервного источника питания для АОНа
Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
В схеме использовано реле РЭС-64А РС4.569.724.
Налаживают устройство подбором резистора R1, которым устанавливают напряжение отпускания реле К1. Подбором R2 устанавливают величину зарядного тока. Для исключения перезаряда аккумулятора рекомендуется снизить величину зарядного тока до 0,2 мА.
Автоматический перевод питания нагрузки, например, радиоприемника, на резервное батарейное питание при отключении сетевого источника питания позволяет осуществить устройство по схеме на рис. 10.6 . Режим работы устройства индицируется свечением светодиода: зеленый цвет -- работа в штатном режиме; красный - в аварийном (на батареях).
Особенностью индикатора является то, что при работе от батареи ее разряд через подключенный основной блок питания исключен за счет использования диода в цепи затвора полевого транзистора.
Для того чтобы при работе устройства от блока питания не происходила подпитка нагрузки от батареи, выходное напряжение блока питания должно на 0, 7... 0, 8 В превышать напряжение батареи.
Рис. 10.6. Схема автоматического переключения нагрузки на резервное питание с индикацией
Рис. 10.7. Схема автоматического коммутатора питания
Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (рис. 10.7) . Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
В исходном состоянии, когда внешний источник питания отключен, реле К1 обесточено, и через его нормально замкнутые контакты напряжение подается с батареи GB1 на нагрузку RH и через диод VD1 на нижний по схеме (красный) диод HL1. При подключении внешнего источника питания реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 устанавливаются в нижнее по схеме положение, и питание на нагрузку подается от внешнего источника. Так как на анод верхнего по схеме диода HL1 (зеленого цвета) подается напряжение на 2 В больше, чем на анод нижнего диода HL1 (красного цвета), двухцветный двуханодный светодиод HL1 светится зеленым цветом, указывая на режим работы от сети. При пропадании сетевого напряжения обмотка реле К1 обесточивается, и нагрузка автоматически переключается на работу от батареи GB1. Об этом сигнализирует индикатор HL1, меняя цвет свечения с зеленого на красный. Диод VD1 следует взять типа КД503, КД521 или КД510. Падение напряжения на нем в прямом включении должно быть не менее 0,7 б.-Тогда при свечении зеленого светодиода не будет подсвечиваться красный.
Резистором R2 устанавливают ток через HL1, равный 20 мА. Реле К1 типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.005) или другое с рабочим напряжением не более 5 В. Обычно срабатывание реле происходит при напряжении, на 30...40% меньшем его рабочего напряжения.
При настройке устройства резистор R1 подбирают такой величины, чтобы реле К1 надежно срабатывало при напряжении 4 В. При использовании реле К1 других типов с напряжением срабатывания, близким к 4,5 В, резистор R1 можно исключить.
При сетевом питании электронно-механических часов наблюдается неприятный эффект: при отключении сетевого напряжения происходит остановка хода часов.
Более надежными и удобными в эксплуатации являются комбинированные блоки питания - сетевые блоки питания в сочетании с никель-кадмиевыми аккумуляторами Д-0,1 или Д-0,125 (рис. 10.8) .
Здесь конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию балластных реактивных элементов, гасящих избыточное напряжение сети. Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов С1 и С2 при отключении устройства от сети.
Если контакты выключателя SA1 замкнуты, то при отрицательной полуволне сетевого напряжения на верхнем (по схеме) проводе диод VD2 откроется, и через него будут заряжаться конденсаторы С1 и С2. При положительных же полуволнах конденсаторы станут перезаряжаться, ток потечет, в первую очередь, через открытый диод VD3 и начнет подзаряжаться аккумулятор GB1 и конденсатор СЗ. Напряжение на полностью заряженном аккумуляторе будет не менее 1,35 В, на светодиоде HL1 -- около 2 В. Поэтому светодиод начнет открываться и тем самым ограничивать зарядный ток аккумулятора. Следовательно, аккумулятор постоянно будет в заряженном состоянии.
Рис. 10.8. Комбинированный блок питания электронно-механических часов
При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов - энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
Освещение циферблата включают размыканием контактов выключателя SA1. В этом случае ток зарядки и разрядки конденсаторов С1 и С2 протекает через нити накала ламп EL1 и EL2, и они начинают светиться. А ранее замкнутый двуханодный стабилитрон VD1 теперь выполняет две функции: ограничивает напряжение на лампах до значения, при котором они светятся с небольшим недокалом, а в случае перегорания нити накала одной из ламп пропускает через себя зарядно-разрядный ток конденсаторов, что предотвращает нарушение работы блока питания в целом.
Двуханодный стабилитрон VD1 типа КС213Б можно заменить на два включенных встречно-последовательно стабилитрона Д814Д, КС213Ж, КС512А. Светодиод HL1 - АЛ341 с прямым падением напряжения при токе 10 мА - 1,9...2,1 В. Лампы накаливания EL1 и EL2 типа СМН6,3-20 (на напряжение 6,3 В и ток и м/ч; или аналогичные, корпус выключателя SA1 должен быть надежно изолирован от сети.
В блоке питания для электронных часов (рис. 10.9) гашение избыточного сетевого напряжения осуществляется резисторами R1 и R2 . Это не самое экономичное решение проблемы, но при малых токах потребления вполне оправдано. Кроме того, при случайном касании выхода выпрямителя максимальный ток через тело человека не достигнет опасных значений (не более 4 мА), поскольку величина ограничивающих ток резисторов достаточно велика.
Рис. 10.9. Схема резервированного питания электронных часов
С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения - светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник бесперебойного питания (рис. 10.10) для кварцевых электронно-механических часов вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА . Напряжение, снимаемое с емкостного делителя С1 и С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
Рассмотренные ранее устройства автоматического перехода на резервное питания в случае отключения основного источника использовали в качестве базового (основного) источник постоянного тока. Менее известны схемы резервирования устройств, работающие на переменном токе. Схема одного из них, способного работать в цепях как постоянного, так и переменного тока приведена ниже .
Рис. 10.10. Схема низковольтного источника бесперебойного питания
Рис. 10.11. Схема включения источника резервного питания с гальванической развязко й
Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (рис. 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 - VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5.
Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7.
При отключении управляющего напряжения переход эмиттер - база входного транзистора устройства более не шунтируется. Транзисторы VT1 и VT2 открываются. Конденсатор С1 разряжается через реле К1 и транзистор VT2. Контакты К1.1 реле замыкаются, включая ИРП. Питание на схему поступает от ИРП. Одновременно контакты реле К1.2 могут управлять другой нагрузкой. Если на входе устройства вновь появляется управляющее напряжение, транзистор VT1 запирается. Соответственно, запирается и транзистор VT2. Реле К1 обесточивается, отключая своими контактами К1.1 ИРП. Напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 9... 10 Б, и схема переходит в ждущий режим работы.
Электрическая схема, представленная на рисунке, удобна в применении на даче и там, где электроэнергия пока еще поступает нестабильно. Простое устройство, собранное по рекомендуемой схеме, обеспечит автоматическое включение резервного освещения (или другой активной нагрузки мощностью до 10–12 Вт) при пропадании сетевого напряжения 220 В.
Транзистор VT1 серии КТ825 (можно заменить указанный на схеме на транзистор КТ825 с буквенными индексами Д и Е) обеспечивает максимальную нагрузку до 25 Вт. Он должен быть установлен на радиатор с площадью охлаждения не менее 100 см2. Если планируется менее мощная нагрузка (до 5 Вт), то возможно применить в схеме управляющий транзистор типа КТ818АМ - КТ818ГМ.
В качестве резервного источника питания используется автомобильный аккумулятор емкостью 55-190 А/ч. В качестве ламп резервного освещения используются автомобильные лампы накаливания.
Сетевой блок питания (БП) вырабатывает пониженное выпрямленное напряжение 13–14 В. В БП входят понижающий трансформатор и выпрямительный мост. Пульсации этого источника питания сглаживаются электролитическим конденсатором большой емкости С1. Напряжение с блока питания через диоды VD1, VD2 и ограничивающий резистор R1 беспрепятственно поступает к подключенному аккумулятору и заряжает его слабым током. При величине зарядного тока 80-110 мА автомобильная АКБ может находиться без вреда под зарядкой продолжительное время, примерно до десяти суток подряд. Падение напряжения на диоде VD2 создает обратное смещение для перехода база-эмиттер транзистора VT1. Транзистор находится в закрытом состоянии и нагрузка (EL1, EL2) обесточена. Переключатель S1 служит для принудительного включения аварийного режима. Это может понадобиться для разрядки АКБ или проверки системы резервного освещения (целостности ламп).
Устройство в налаживании не нуждается.
Когда сетевая энергия отключается, стационарный источник питания обесточивается, и в цепь базы транзистора VT1 поступает ток через резистор R2, транзистор открывается и нагрузка питается от АКБ. Как только поступление энергии в сети возобновляется, транзистор VT1 закрывается, нагрузка выключаются, и аккумулятор заряжается по рассмотренной схеме.
Резистор R1 марки МЛТ-2, резистор R2 - типа МЛТ-0,5. Аккумулятор и лампы нагрузки подключаются к устройству многожильными изолированными сетевыми проводами сечением не менее 1 мм и с минимальной длиной (для уменьшения потерь энергии в проводах). Конденсатор С1 марки К50-24, К50-3Б или другой на напряжение не менее 25 В.
Оптимальный вариант для понижающего трансформатора сетевого источника питания - универсальный силовой трансформатор ТПП 127/220-50-12.
Аварийные отключения электроэнергии загородом случаются гораздо чаще, чем в городской черте. Сохранить комфорт проживания помогают различные системы бесперебойного электропитания. Одна из самых простых и надежных систем предполагает использование аккумуляторов, которые обеспечат дом электроэнергией в случае ее аварийного отключения.
Системы резервного питания на основе аккумуляторов позволяют надолго забыть о скачках в сети и кратковременного отключения электричества. Но надежность такой системы во многом зависит от правильности ее выполнения, а также качества монтажных работ.
Контур резервного питания включает в себя только наиболее важные и не очень энергоемкие потребители. К таковым относятся отопительные котлы (кроме электрических) и их автоматика, водяной насос, дежурное освещение, холодильник и средства связи.
Мощные ТЭНы в этот контур включать не стоит, поскольку резервирование питания для них потребует аккумуляторов большой емкости, а также усиления сопутствующего оборудования. Одним словом это дорого. Необходимо придерживаться принципа рациональности, т.е. включить в контур резервного питания только самые необходимые электроприборы. Запас электроэнергии в любых аккумуляторах ограничен, поэтому такую систему можно рассматривать только как аварийную. Время автономной работы техники напрямую будет зависеть от ее потребляемой мощности и емкости батарейного блока.
Виды аккумуляторов
Системы резервного питания (СРП) автоматически переводят подключенное электрооборудование в автономный режим в случае отключения основной сети. В аккумуляторных системах энергия запасается соответственно в аккумуляторах. Наиболее распространенными из них долго являлись кислотные аккумуляторы. Внутри них находятся свинцовые пластины, погруженные в электролит. Накопление электроэнергии возникает в результате химической реакции. Кислотные аккумуляторы способны обеспечить высокие значения пускового тока, поэтому они часто называются стартерными или тяговыми. Данное свойство обеспечило им распространение в автомобильной технике.
Использовать в домашних резервных системах тяговые аккумуляторы не рекомендуется из соображений безопасности. При больших токах жидкий электролит закипает, что может вызвать взрыв аккумулятора или возгорание.
В этом отношении намного безопаснее гелевые аккумуляторы. Они используют кислоту, которая находится в тиксотропном состоянии. По консистенции она больше похожа на воск. Это вещество не сможет разлиться даже при повреждении герметичного корпуса аккумулятора. При этом опасность использования таких батарей практически отсутствует. Их можно устанавливать в любом помещении, не переживая за его целостность и экологию.
Наиболее технологичными на сегодняшний день являются AGM-аккумуляторы. Кислотный электролит в них связан специальным стекловолокном. AGM-аккумуляторы обладают всеми преимуществами гелевых. При этом они практически не греются, т.к. внутреннее сопротивление у них невысокое. Таким образом, во время зарядки AGM-аккумуляторов в тепло переходит только 3-4% электроэнергии. У кислотных аккумуляторов этот показатель достигает 20%, а у гелевых - 10-15%.
Обычные кислотные аккумуляторы с жидким электролитом теряют 1% своего заряда в день, т.е. до 30% в месяц. Гелевые и AGM-аккумуляторы гораздо лучше держат заряд, теряя не более 1-3% в месяц. Именно такие батареи можно рекомендовать для применения в домашних СРП. AGM-аккумуляторы хороши еще и тем, что не требуют пополнения электролита и контроль его уровня.
В аккумуляторных системах резервного питания, как правило, применяется не один, а несколько аккумуляторов в параллельной цепи.
Характеристики аккумуляторов
Для СРП аккумуляторы выбирают с учетом следующих важных характеристик.
Масса аккумулятора важна для определения конструкции стойки, на которой он будет установлен. Аккумуляторы используемых классов весят от 10 до 20 кг. Поскольку чаще всего применяется группа аккумуляторов, стойку лучше всего сварить из стального уголка.
Выходное напряжение у подавляющего большинства кислотных аккумуляторов составляет 12 В, но также встречаются модификации на 24 В и 48 В. Для домашних СРП специалисты рекомендуют применять аккумуляторы на 12 В.
Максимальный пусковой ток аккумулятора показывает его возможности относительно запуска электродвигателей, у которых пусковой ток в несколько раз выше потребляемого номинала. Если данные величины не соответствуют, то двигатель попросту не запустится. Пусковой ток измеряется в амперах. Для домашнего оборудования достаточно источника, способного выдавать 200-400 А. С таким пусковым током будет обеспечена работа наиболее затратных потребителей - скважинных насосов.
Емкость аккумуляторной батареи определяет заряд, накапливаемый и отдаваемый. Данная величина выражается в ампер-часах (А.ч). Чем емкость больше, тем больше электроэнергии может запасти аккумулятор, и тем дольше питать подключенное к нему электрическое оборудование.
Практическую отдачу аккумулятора несложно вычислить. Пример: аккумулятор емкостью 200 А.ч с напряжением 12 В способен накапливать 12 × 200 = 2400 Вт.ч (2,4 кВт.ч).
Реальная доступная мощность аккумулятора будет на 20-25% ниже, поскольку для него не рекомендуется глубокая разрядка. Таким образом, имея аккумулятор с указанными характеристиками, можно расcчитывать на мощность 2 кВ.ч. Это означает, что от данного аккумулятора лампочка на 100 Вт сможет проработать беспрерывно на протяжении 20 часов. Аналогичным образом можно рассчитать время работы других потребителей, мощность которых не превышает 2 кВт.
Компоненты системы резервного питания
Источник бесперебойного питания (ИПБ) - устройство в данном случае используемое для компенсации пиковых нагрузок и нормальной работы бытовой техники в случае кратковременного падения напряжения в сети. ИПБ постоянно включен в сеть, а электроприборы и оборудование уже подключено через него.
ИПБ бывают двух основных видов - online и offline. Проще устроены и соответственно дешевле в производстве offline-устройства. Однако они срабатывают только при резком отключении или критическом падении напряжения в сети. При этом время срабатывания у них относительно велико - 30-40 мс. Оnline-устройства компенсируют любые скачки, обеспечивая наилучшую защиту электроприборов и оборудования. Это особенно важно для чувствительной электроники, например, компьютерной техники.
Инвертор используется для преобразования тока. Данное устройство в номинальном режиме работы потребляет небольшое количество электроэнергии и выполняет функцию зарядного устройства для аккумуляторов. В аварийной ситуации инвертор переходит в обратный режим, при котором постоянный ток аккумулятора преобразуется в переменный с напряжением 220 В.
Инверторы бывают с модифицированной синусоидой и синусоидальные. Первый тип подходит только для видео- аудиотехники. Для работы бытовых приборов и насосов необходим второй тип (синусоидальный). Такие устройства стоят дороже, но обладают значительно лучшими качественными характеристиками тока.
Вспомогательные устройства, используемые в СРП, представлены контроллерами заряда, управляющей и регулирующей автоматикой, защитными реле. Сегодня практически все из названного содержит инвертор.
Расчет параметров СРП
Суть такого расчета сводится к определению соответствия мощности потребления и обеспечивающих возможностей аккумуляторного блока. Прежде всего, необходимо очертить круг электроприборов, которые планируется питать в аварийном режиме. Обычно это отопительный котел, холодильник, дежурное освещение, компьютер, роутер и водяной насос. К полученной цифре рекомендуется прибавить мощность одного из силовых потребителей, например, электрочайника или привода гаражных ворот. В расчетах обязательно нужно учесть пусковую (динамическую) мощность, которая может превышать статическую в 3-4 раза. Обычно берется пусковая мощность наиболее сильного потребителя - скваженного насоса. Полученное значение является критерием для выбора ИПБ и инвертора.
Из практики известно, что для дома площадью 150-300 м² вполне достаточно оборудования, общая мощность которого составляет 3-6 кВА, рассчитанных на пусковую мощность порядка 9-кВА.
Для расчета емкости аккумулятора необходимо общий объем потребления делить на напряжение аккумулятора (с учетом коэф. неполного разряда).
Пример. Требуется расход электроэнергии в объемах 4,5 кВт.ч. Расчет: 4500 Вт / 0,75×12 В = 500 А.ч. (0,75 - коэффициент неполной разрядки на уровне 75%, 12 В - вольтаж АБ).
Полученную емкость необходимо умножить на количество часов, на протяжении которых должно работать оборудование в аварийном режиме. Например, если отключения длятся до 5 часов, то емкость аккумуляторного блока должна составить 2500 А.ч (500 А.ч × 5 ч).
Хозяева дома при аварийном отключении электроснабжения имеют возможность экономить заряд аккумуляторов. Скажем, если они будут пользоваться только приборами с низким электропотреблением, то смогут оттянуть момент критического разряда на несколько суток.
Типовая система резервного питания для среднего коттеджа состоит из восьми аккумуляторов на 12 В (200 А.Ч каждый). В экономном варианте количество аккумуляторов уменьшается вдвое. Даже четыре аккумулятора способны обеспечить работу минимального количества приборов на протяжении 3-5 часов.
Гелевый аккумулятор (маркировка GEL) — это особая разновидность АКБ, у которых электролит имеет жидкую желеобразную консистенцию за счет добавления в него кремния (двуокись кремния).
Гелевые аккумуляторы с напряжением 12В нашли свое применение в качестве источника бесперебойного питания (ИБП). Такой аккумулятор подойдет в качестве ИБП в закрытых и невентилируемых помещениях, для питания солнечных и ветровых электрогенераторов, в системах автономного электроснабжения.
Обзор гелевых батарей (GEL) для ИБП
При работе батареи происходит разрыв и соединения молекул газа (рекомбинация), выделяется энергия и вода, которая потом поглощается жидким гелем. Благодаря этому решается две проблемы:
- Не нужно доливать воду, поскольку свободная вода образуется при рекомбинации газов.
- Не происходит выделение газов, что делает возможным использование гелевых аккумуляторов в жилых помещениях в качестве ИБП.
Технологию изготовления гелевых аккумуляторов будем разбирать в другой статье. Также чуть позже проведем сравнительных анализ разных типов батарей, сведем данные в таблицу для удобного понимания. Достаточно посмотреть это короткое видео, чтобы понять основные преимущества гелевых аккумуляторов.
Сферу применения гелевых аккумуляторов можно описать так:
- ИБП, где они работают в ежедневном цикличном режиме «заряда-разряда». Время жизни таких АКБ составляет 2-3 года, или находиться в диапазоне 600-700 циклов, DoD обычно равен 40%.
- В системах резервного электропитания или автономных системах off-grid. Для хранения электричества, полученных с помощью возобновляемых источников энергии (солнце, тепла, ветра). Хотя правда для off-grid систем данный тип АКБ не подходит как раз из-за малого количества времени жизни перезаряда и уровня DoD. Другими словами, если АКБ разрядиться до 70-90% — это приведет к его полной замене. Поэтому в off-grid системах применяют li-ion батареи или AMG батареи, либо уж очень дорогие необслуживаемые GEL батареи.
- Резервное питание промышленных объектов, электростанций, подстанций.
- Для автоматики электротехники, в железнодорожном и в воздушном транспорте.
- Мототехнике или в системах для автозапуска дизель-генераторов.
- В системах СКУД, в качестве резервного питания электромагнитных замков.
- В системах пожарной и охранной сигнализации (ОПС).
- Для систем аварийного освещения телекоммуникации и связи.
- Для питания переносного оборудования (DC).
Комбинированные аккумуляторные батареи — новое развитие технологии свинцово-кислотных батарей. Например, технология PLT, в которой пластины изготавливаются из чистого свинца, а электролит применяется на основе геля, позволило увеличить срок службы батарей до 15 лет, DoD до 50%, а количество циклов разрядки до 1000 раз.
При сравнение гелевых батарей для ИБП по ценовой диапазон колеблется от 10 000 руб до 40 000 руб., разница по цене наблюдается в технологиях изготовлении и емкости батареи
Такая технология применяется в VENTURA VG 12-200, но примерная цена данного аккумулятора составляет 26000 руб. Цена батарей в системах бесперебойного питания составляет от 300 руб.
Основные показатели
У гелевых аккумуляторов, которые используются в качестве ИБП, следующие показатели:
- батарея имеет ресурс порядка 500-700 циклов заряд-разряд;
- во время глубокого разряда пластины остаются покрытыми, поэтому они меньше подвержены коррозии;
- очень важна точность заряда, поскольку при его превышении возможно вспучивание батареи;
- очень чувствительны к перегреву и короткому замыканию;
- важно придерживаться значений заявленных показателей производителя по температуре и диапазону напряжения зарядки;
- отлично выдерживают глубокую разрядку (но не все);
- имеют высокое внутреннее сопротивление, поэтому не могут дать большие токовые величины;
- могут эксплуатироваться во всех положения, кроме положения «вверх дном»;
- при мелких повреждениях не происходит утечка электролита, поскольку он имеет вязкую структуру;
- гелевые аккумуляторы могут выдерживать сильные холода вплоть до -45 градусов.
Технические и эксплуатационные характеристики
Узнаем о технических и эксплуатационных характеристиках гелевых аккумуляторов, представленных на российском рынке:
- Емкость аккумулятора при вольтаже 12В — от 2 до 100 ампер-час. При помощи небольших аккумуляторов мощностью менее 20ач можно обустроить автономное питание в небольших помещениях, тогда как гигантские «батарейки» сгодятся для использования в качестве ИБП в сфере «зеленой» энергетики и системах автономного энергообеспечения.
- Габариты — есть как маленькие «батарейки», так и крупные аккумуляторы. Например, гелевый аккумулятор Ventura GP 12-12 емкостью 18 ампер-час имеет габариты 181x76x166 мм.
- Вес — от 3 до 20 кг, хотя можно встретить как более легкие, так и более тяжелые модели, а средний бесперебойный источник питания имеет вес порядка 10-15 килограмм.
- Цена — от 1 до 20 тысяч рублей. Стоимость напрямую зависит от емкости аккумулятора, его размеров, страны-производителя и так далее. Например, одна модель аккумулятора AplhaLINE AGM мощностью 60 ампер-час с пусковым током 680 ампер будет стоить 8900 рублей, тогда как другая модель мощностью 75 ампер-час с пусковым током 750 ампер того же производителя будет стоить 10900 рублей.
- Основные производители, у которых можно купить аккумуляторы — Bosch, Varta, Titan, Multi, Delkor, Тюменский аккумуляторный завод, Аком и другие.
- Основные страны-производители — Чехия, Китай, Польша, Россия и другие.
Какую модель гелевого аккумулятора Вы бы ни выбрали, рекомендую в первую очередь соблюдать рекомендации производителя по температуре окружающей среды в месте расположения батарей, температуре при которой происходит зарядка и уровню напряжения зарядки. Данные указанные производителем являются номинальными, т.е. заявленный срок службы будет зависеть от выполнения этих рекомендаций.
В действительности данные условия редко можно соблюсти. Поэтому ресурс самых простых батарей составляет 1-3 года, после чего они высыхают и вздуваются. В более дорогих моделях, при соблюдении рекомендаций по глубине разряда (DoD) живут намного дольше 5-10 лет. Пример, где соблюдают условия, заявленные производителем, являются ЦОД (центры обработки данных).
Для обеспечения надежной работы многих стационарных устройств необходимо применять резервное питание. Чаще всего для этих целей устанавливают аккумулятор, но за ним надо следить, не допуская сильного разряда и вовремя ставить на подза- ряд. Удобнее эту обязанность поручить автоматике.
Для подзаряда аккумулятора необходимо соответствующее устройство (внутреннее или внешнее). Зарядное устройство можно выполнить в составе системы бесперебойного питания и полностью автоматизировать процесс, т. е. оно может включаться при снижении напряжения на аккумуляторе ниже порогового уровня , или же применить «плавающий» подзаряд . Под плавающим зарядом подразумевают подключение аккумулятора параллельно с нагрузкой (рис. 2.18), когда источник питания служит только для компенсации токов саморазряда в элементах питания. В этом случае схема получается наиболее простой.
В этих схемах поступающее напряжение с трансформатора выбирается таким, чтобы зарядный ток, проходящий через аккумулятор, компенсировал ток естественного саморазряда. Нужное напряжение после выпрямителя можно подобрать экспериментально установкой дополнительных диодов или с помощью отводов от вторичной обмотки трансформатора (у некоторых унифицированных трансформаторов, например из серии TH, ТПП и др., есть возможность немного изменить напряжение во вторичной цепи за счет переключения отводов в первичной обмотке). При этом контролируем ток в цепи аккумулятора по амперметру. Обычно значение тока «плавающего» подзаряда не должно превышать 0,005…0,01 номинального для аккумулятора. Уменьшение тока заряда приводит только к увеличению продолжительности процесса (в данном применении время заряда значения не имеет - оно всегда будет достаточным).
Такие схемы можно применять, если ваша сеть достаточно стабильна и питающее напряжение не выходит за рамки допуска
Рис. 2.18. Схемы, обеспечивающиеплавающийподзаряд аккумулятора резервного питания
(в крупных городах за этим следят). В противном случае между трансформатором и аккумулятором устанавливается стабилизатор напряжения и диод, препятствующий прохождению тока аккумулятора в стабилизатор, когда трансформатор не включен (рис. 2.19). Микросхема KP142EH12 может быть заменена аналогичной импортной LM317.
Рис. 2.19. Схема зарядного устройства со стабилизатором напряжения
Более совершенная схема зарядного устройства приведена на рис. 2.20. Она не только поддерживает стабильное напряжение на
аккумуляторе, но и имеет настраиваемую токовую защиту, которая предотвращает повреждение элементов в случае короткого замыкания на выходе (или неисправности аккумулятора). Ограничение тока полезно и в тех случаях, когда подключается новый аккумулятор (еще не заряженный или сильно разряженный ранее). В этом случае ограничение тока на нужном уровне предотвращает перегрузку питающего сетевого трансформатора (он может быть маломощным - 14…30 Вт, так как в режиме «Тревога» необходимый ток вполне может обеспечить сам аккумулятор). Кроме того, внутри микросхемы есть температурная защита, отключающая ее выход при перегреве, что исключает повреждение компонентов.
Для сборки устройства можно воспользоваться односторонней печатной платой из стеклотекстолита, показанной на рис. 2.21, ее внешний вид приведен на рис. 2.22.
При монтаже применялись детали C1 - любой оксидный, С2-С4 - из серии K10. Подстроечный резистор R4 - многооборотный СП5-2В. В качестве микросхемы можно использовать любые из серии K142EH3 или K142EH4 - они имеют планарные выводы. Для установки микросхемы со стороны печатных проводников, в плате сделано окно размером 15 x 10 мм и отверстия для ее крепления. Между пластиной теплоотвода микросхемы и платой подкладываются диэлектрические шайбы так, чтобы выводы легли прямо на токопроводящие дорожки. Это позволит ко всей плоскости микросхемы закрепить отводящую тепло пластину.
Рис. 2.21. Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 2.22. Внешний вид монтажа элементов на плате
Трансформатор (T1) можно заменить на ТП115-K9 - он имеет 2 обмотки по 12 В с допустимым током до 0,8 А. В холостом ходу на обмотке будет напряжение 16 В, а после выпрямления и сглаживания конденсатором - 19 В, что вполне достаточно для работы стабилизатора (основную часть времени схема будет работать как раз в режиме хрлостого хода).
Работающая аналогично еще одна схема приведена на рис. 2.2,3- Основой ее является микросхема L200 (отечественных аналогов нет), имеющая выводы (2 и 5) для контроля тока в нагрузке. Приреденное включение микросхемы является типовым: от номинала резистора В2 зависит максимальный ток в цепи нагрузки (Lax = 0,45/R2), а нужное напряжение выставляется резистором R3. Стабилизатор может обеспечить выходной ток от 0,1 до 2 А и имеет внутреннюю защиту от перегрева.
Рис. 2.23. Второй вариант схемы зарядного устройства с ограничением тока
Для монтажа элементов второй схемы зарядного устройства можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 2.24.
О настройке всех схем со стабилизацией. Вам потребуется миллиамперметр, вольтметр (лучше цифровой) и имитирующий нагрузку мощный резистор. Все это соединяется no схеме, показанной на рис. 2.25.
Сначала при отключенном аккумуляторе соответствующим подстроечным резистором выставляем на выходе стабилизатора напряжение 13 В, После этого переключателем S1 включаем резистор RH и проверяем ток ограничения. Его можно установить любым при помощи подбора резистора токовой обратной связи - R3 в схеме рис. 2.20 (например, для тока 220 мА - R3 = 3,9 Ом; для 300 мА - R3 = 3,3 Ом) или R2 в схеме на рис. 2.23.
Рис. 2.24. Топология печатной платы и внешний вид монтажа
Рис. 2.25. Стенддля настройки и проверки зарядногоустройства
Теперь вместо резистора RH подключаем аккумулятор GB1. Необходимый ток в цепи заряда (для энергоемкости конкрегного аккумулятора) устанавливаем подстройкой выходного напряжения. Окончательную установку следует делать уже после того, как аккумулятор полностью зарядится - этот ток должен компенсировать саморазрядОВ1.
Дополнительная литература
1. Кадино Э. Электронные системы охраны. Пер. с франц. - M.: ДМК Пресс, 2001,c. 11.
2. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 1. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 84.
3. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 3. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 133.
4. Сайт фирмы: http://www.dart.ru/index5.shtml?/cataloguenew/acoustics/oscillator.shtml
5. ХрусталевД. А. Аккумуляторы. - M.: Изумруд, 2003.
