Схема электрическая резервный источник питания. Добавляем резервный аккумуляторный источник питания в небольшие электронные устройства

С необходимостью организации резервного питания сталкивается практически каждый владелец загородной недвижимости. И причин этому несколько: изношенность коммуникаций, интенсивная застройка в микрорайоне, несоответствие характеристик подстанции возросшим потребностям и ряд других. Это вызывает систематические (порой надолго) отключения напряжения, его постоянные броски или перекосы фаз. Проблема, знакомая многим.

В таких условиях не то что говорить о гарантированном сроке эксплуатации различных (и порой весьма дорогостоящих) бытовых приборов; многие из них вообще не получается включить. Например, импортный газовый котел, который довольно популярен у «частников», очень требователен к качеству напряжения. «Заморским изобретателям» и в голову не может прийти, что с электричеством возможны такие недоразумения. И если сработает защита и он «встанет», зимой, при наших морозах, то это самое настоящее ЧП.

С целесообразностью резервирования по энергоснабжению все ясно. Но вот как лучше это сделать и что стоит учесть, мы рассмотрим подробно.

Здесь подразумевается, в течение какого срока необходимо организовать независимое электроснабжение участка. Одни устройства рассчитаны на длительную непрерывную работу ( , бензиновые двигатели с водяным охлаждением), другие требуют систематической остановки (те же бензиновые с охлаждением воздушным).

Кстати, некоторые специализированные фирмы предлагают услуги по подключению непосредственно к ЛЭП (минуя местную подстанцию). Иногда просто невозможно организовать энергоснабжение иным способом. Для этого используется или кабель, уложенный в траншею, или воздушная линия, протянутая к участку. Если у данной организации есть соответствующая лицензия, и она берет на себя все заботы по оформлению разрешительных документов, то это – отличный вариант.

Недостаток – стоимость работ, так как придется устанавливать свою собственную подстанцию. Хотя есть и выход – «скооперироваться» с соседями, которые испытывают те же неудобства в энергоснабжении. Зато есть и ощутимый «плюс» – перебои с напряжением исключены, да и его качество будет соответствовать всем нормативам.

Какие устройства необходимо «запитать»

примерная мощность

От этого будут зависеть и дальнейшие критерии подбора источника энергии. Ориентироваться следует, естественно, на те, которые должны работать постоянно. К примеру, тот же котел, холодильник, морозильная камера. Каждый собственник должен составить список всех изделий, которые должны быть постоянно включены.

Тип напряжения

Большинство бытовых агрегатов потребляют 1-фазное 220 В. Но встречаются и такие, которым необходимо 3 ф. Это нужно учесть, если они также постоянно используются. Но такие изделия встречаются довольно редко.

Мощность источника

По примерным оценкам специалистов, нужно ориентироваться по максимуму на 20 кВт. Для загородного дома (если это не дворец, напичканный различными устройствами) вполне достаточно. Но это для варианта «все включено». Возможно, хватит агрегата и на 4 кВт. Для примера – если одновременно будут работать котел (вместе с насосом), холодильник и телевизор + освещение, то понадобится не более 2 – 2,5 кВт. Если система водоснабжения автономная, то периодически будет включаться насосная станция. Ее мощность также нужно учесть.

Кроме того, необходимо принять во внимание, что некоторые бытовые приборы характеризуются большим пусковым током. Например, у электромясорубки он превышает номинальное значение в 6 – 7 раз. Кроме того, должен быть и расчет на перспективу. Возможно, что-то будет приобретено еще, и также с обязательным постоянным включением. Необходимо сделать и «запас» для самого генератора, так как он не должен работать на пределе. Оптимальная нагруженность – не более 80%.

Подведем итог. Как видим, нюансов довольно много. Поэтому следует определить все «изделия» (включая и приборы освещения на прилегающей территории, автоматику, сигнализацию и тому подобное), которые должны быть в любое время обеспечены бесперебойным питанием и посчитать их совокупную мощность. Полученную величину нужно умножить на 1,5. Вот по такому параметру и подбирать энергоустановку.

Вид топлива

Это может быть газ, дизельное топливо (соляра), бензин. Каждый определяет сам, с чем ему удобнее (и дешевле) работать.

Место установки

Оно определяет как габариты источника питания, так и его конструктивные особенности. Например, дизель больше дымит, поэтому необходима качественная «вытяжка». Агрегаты без кожуха – «шумные», следовательно, они более подходят для размещения в хозпостройках (пристройках).

Если предусмотрена установка резервного агрегата на улице, то нужно обратить внимание на способ его запуска (ручной или автоматический, от АКБ).

Особенности источников резервного питания

Газогенераторы

Если дом газифицирован, то это наиболее оптимальный вариант. Топливо для такого устройства самое дешевое. Мощность большинства таких изделий начинается от 7 кВт, что вполне достаточно для загородного дома с периодическим пропаданием напряжения в сети.

Примерная стоимость – 180 000 рублей. Но если учесть, сколько будет сэкономлено на топливе (по сравнению с бензином или солярой) за весь период эксплуатации, то цена вполне приемлемая. Кроме того, почти отсутствуют вредные выхлопы.

Бензогенераторы

Наиболее распространенный тип устройств для резервного эл/питания. Отчасти это потому, что мы лучше разбираемся именно в таких двигателях, чем в дизельных. Ведь многие собственники загородных домов имеют личный автомобиль, следовательно, хотя бы общее понятие о принципе работы есть. К тому же они проще в обслуживании.

Дизельные агрегаты

Под этим наименованием подразумевается несколько разновидностей подобной «техники» — дизель-генераторы, дизельные станции и так далее. Неоспоримое достоинство – возможность длительной (без остановок) эксплуатации. Кроме того, нет паров бензина, которые требуют принятия особых мер по пожарной безопасности.

Мы привели только наиболее распространенные устройства для организации резервирования. Но есть и ряд других, которые хотя и применяются реже, но тоже достойны внимания. Например, ИБП, солнечные батареи, системы на инверторах.

Вывод

Практика показывает, что независимо от способа решения проблемы резервирования системы электроснабжения, необходимо все-таки иметь запасной генератор. По отзывам большинства собственников загородных домов, более удобными как с точки зрения эксплуатации, так и ремонта являются агрегаты бензиновые. Например, их всегда можно дозаправить прямо из бака автомобиля.

Решая вопрос организации резервного электроснабжения, не стоит руководствоваться чьим-то мнением, ориентироваться на друзей или соседей. Главный «подсказчик» – собственный дом и находящееся в нем имущество (в первую очередь, технические устройства и расположение осветительных приборов). Они и определяют целесообразность приобретения того или иного агрегата.

Нужно учесть, что ИБП, солнечные батареи имеют ограниченное применение как по времени, так и по подключаемым устройствам (схемам). В их комплект входят АКБ, а они требуют постоянного внимания (контроль состояния, подзарядка). Кроме того, современные батареи (в отличие от «старых» моделей, в которых можно было заменять отдельные банки) ремонту не подлежат.

При наличии средств целесообразно смонтировать более сложную, но надежную комбинированную схему резервирования. Например, включение аварийного питания от ИБП с последующим автоматическим запуском дизеля. Это более затратно, зато перебои в электроснабжении исключены.

Периодические отключения электричества способны вывести из строя всю систему отопления и повлиять на работу бытовой техники. Организация резервного питания дома только на первый взгляд сложная задача. В этой статье мы расскажем вам, как самостоятельно организовать резервное электроснабжение дома.

Практически в любом хозяйстве можно найти ряд устройств, которые было бы неплохо обеспечить резервным питанием. Сюда можно отнести холодильник, водонасосное оборудование, отопительный котел, компьютеры и устройства телефонии. Внезапно прерванная подача питания или скачки напряжения сокращают срок работы двигателей, возможен выход из строя блоков питания электронных устройств.

Существует два способа снизить влияние городской электросети на ритм своего быта. Для этого используют или источники бесперебойного питания (ИБП), или аварийные электрические генераторы .

Использование ИБП в домашнем хозяйстве

Почти все современные настольные компьютеры снабжены блоками бесперебойного питания для защиты от потери данных. Схожие по устройству приборы, но более мощного класса, могут быть использованы для питания бытовой техники во время аварийного обесточивания. Специфика их использования распространяется вплоть до организации аккумуляторных хранилищ, способных обеспечить весь дом электроэнергией в течение одного-двух дней.

И все же в быту наиболее широко применяются ИБП, защищающие отдельный потребитель или несколько, объединенных в выделенную линию, к которой может быть подключена также котельная или дежурное освещение. Это в корне меняет план электроснабжения дома, может потребоваться прокладка дополнительной проводки.

Инверторная система бесперебойного питания: 1 — сеть; 2 — батарейный инвертор; 3 — аккумуляторный банк; 4 — потребители

Перед приобретением ИБП следует составить список аварийных потребителей и рассчитать их мощность, потребляемую за наиболее продолжительный период, на который возможно отключение энергии. При этом обязательно учитывается как режим работы оборудования, так и прошлые опыты простоя без электричества.

Например, в резервном питании нуждаются:

1. Холодильник — 400 Вт, время работы — 6 ч.
2. Циркуляционный насос — 95 Вт, время работы — 24 ч.
3. Газовый котел и автоматика котельной — 85 Вт, время работы — 24 ч.
4. Зарядка ноутбука и телефонов — 200 Вт, время работы — 4 ч.

Таким образом, можно определить общее потребление приборов: 2,4 + 2,28 + 2,04 + 0,8 = 7,52 кВт/ч в сутки. Чтобы учесть и компенсировать временную деградацию аккумуляторов ИБП, к этому значению нужно добавить 30%, в итоге необходимая суточная емкость батареи ИБП составит почти 9,8 кВт/ч. Сделав поправку на время аварийной работы, вы получите необходимую мощность устройства. Учитывайте, что устройства такого класса мощности весьма дорогостоящие и делать дополнительный запас мощности не всегда нужно: поскольку ИБП не будет работать под полной нагрузкой, расчетной емкости хватит вполне.

Конфигурации защищенных сетей

При необходимости организовать резервное питание одному-двум потребителям, разумно использовать локальные ИБП. Так не потребуется переделка проводки в доме, нужно только корректно выбрать место установки прибора, а он довольно громоздкий.

В целом при нагрузке свыше 3 кВА/ч имеет смысл устанавливать одно устройство резервного питания для всех потребителей, организовав для них выделенную линию. Покупка одного мощного ИБП выгоднее нескольких менее мощных, в этом случае расходы на монтаж новой проводки вполне оправданы.

Другой плюс высокомощных ИБП — возможность самостоятельно определить режим и характеристики выходного тока для более продолжительной автономной работы. Встроенный контроллер заряда в таких устройствах существенно продлевает жизнь батарей и поддерживает их в полной готовности даже во время длительного простоя. Большинство устройств имеют интерфейс связи с ПК для отслеживания журнала работы и диагностики, а встроенный стабилизатор напряжения исключит скачки напряжения и сетевые помехи.

Длительная автономная работа — подключаем генератор

Есть два пути повышения времени автономной работы: наращивание парка аккумуляторных батарей и использование автономного источника электроэнергии. Первый вариант более дорогостоящий и использовать его следует лишь в тех условиях, где установка ДВС-генератора невозможна, например, в квартирах или офисах. Возникает спорный вопрос: а зачем нужен ИБП при наличии генератора?

Практика показывает, что параллельное использование этих устройств имеет свои плюсы:

1. Электроснабжение осуществляется абсолютно беспрерывно.
2. Характеристики тока, генерируемого портативными электростанциями, далеки от идеальных. Стабилизатор ИБП сглаживает помехи, имеет УЗИП электронного типа.
3. При работе от генератора не нужны устройства высокого класса мощности, достаточно чтобы они соответствовали пиковой нагрузке при одновременно включенных потребителях. В случае, рассмотренном выше, будет достаточно ИБП мощностью 1 кВА/ч.

В отдельных случаях имеет смысл использовать генераторы с функцией автозапуска. В момент перехода на питание от аварийного генератора и при возникновении нештатных ситуаций (генератор заглох, кончилось топливо), питание переключается на ИБП. В нормальном же режиме генерируемого электричества будет достаточно для поддержки полного заряда батарей и включения всех потребителей в работу.

Гибридная система бесперебойного питания: 1 — сеть; 2 — инвертор; 3 — генератор; 4 — аккумуляторный банк; 5 — потребители

Построение схемы на многофункциональном АВР

Комфорт от применения ИБП достаточно высок, чтобы многие владельцы задумались о резервном питании всей электросети, а не отдельных потребителей. Для этого также есть несколько путей решения.

При невозможности установить генератор функцию резервного питания на себя берет сборка аккумуляторных батарей достаточной емкости. Тип аккумулятора определяется режимом работы: гелиевые имеют наибольшую цикличность и рассчитаны на частые включения, свинцово-кислотные AGM-аккумуляторы дешевле, их оптимально использовать для работы в режиме байпаса.

Аккумуляторный парк собирается из нескольких параллельно подключенных необслуживаемых аккумуляторов емкостью в 100-200 А/ч. Суммарная емкость парка должна соответствовать общему энергопотреблению в пересчете на низкое напряжение, то есть в рассмотренном выше случае потребление приборов от сети 230 В составило 9,8 кВт/ч или кВА/ч. При напряжении 12 В это эквивалентно общему потреблению в 816 А/ч, так определяется суммарная емкость парка. При сборке нужно учитывать также собственное энергопотребление системы и потери в проводах низкого напряжения, это примерно 5-7% от первоначальной мощности. Все функции по управлению системой бесперебойного питания берет на себя инвертор с электронным управлением. Стоимость устройства надлежащего качества (MeanWell) на 1 кВт пиковой мощности составляет 400-600 $, от 3 до 5 кВт — 1200-1400 $. К слову, комплексные устройства с теми же параметрами обходятся как минимум в 2-3 раза дороже.

Резервная система с блоком АВР: 1 — сеть; 2 — генератор; 3 — аккумуляторный банк; 4 — щит автоматического ввода резерва (АВР); 5 — многофункциональный инвертор; 6 — потребители

При наличии генератора аккумуляторный парк можно существенно сократить до одного-двух часов бесперебойной работы. Но потребуется установка устройства АВР с функцией запуска генератора. Подойдут и простейшие щиты отечественного производства, такие как ЩАПг-3-1-50 «Техэнерго» (~20 000 руб.) или сборки АВР самостоятельного исполнения.

Часть 2. Изготовление простого контроллера для свинцово-кислотного аккумулятора.

Начнем с определения параметров контроллера.

Так как, был нужен достаточно простой вариант контроллера заряда/разряда, то и серьезных требований к параметрам не предъявлялось.

1. Нужно защитить аккумулятор от перезаряда. В моем случае ток с СП не превышает 1,4а, поэтому не требуется его ограничивать. А вот конечное напряжение при зарядке нужно ограничить в связи с тем, что СП может давать до 20в (см. расчеты выше).

2. Нужно защитить от разряда. Например, отключать всю нагрузку, когда напряжение на нем снизится до выставленного нами уровня.

3. Сделать светодиодную индикацию для наглядности.

Для ограничения конечного напряжения зарядки я использовал стандартное включение стабилизатора напряжения LM317, который ограничивает напряжение до 13,6в.

Для исключения возможности разряда аккумулятора воспользуемся операционным усилителем LM358, который будет отслеживать напряжение на нашем аккумуляторе и, при снижении его до 10в, отключать всю нагрузку.

Кроме того, LM358 является «сдвоенным» операционным усилителем, поэтому и индикацию на светодиоде мы также реализуем на этой микросхеме.

Кратко по схеме. КН1 – кнопка без фиксации, является запуском для включения нагрузки (например резервного освещения). КН2 – принудительное отключение нагрузки. Реле должно быть с напряжением питания 12в. Ток реле выбирается исходя из нагрузки.

Работа схемы заключается в отслеживании напряжения на аккумуляторе микросхемой и, при снижении напряжения до уровня, настроенного подстроечным резистором, на выводе 1 микросхемы исчезает напряжение для питания реле и реле отключается. При этом обесточивается вся схема, то есть отключается нагрузка.

А вот вторая часть микросхемы, отвечающая за индикацию, работает наоборот. При снижении напряжения до настроенного уровня вторым подстроечным резистором, на выводе 7 появляется ток и, соответственно, загорается светодиод.

Наладка схемы сводится к установке напряжений срабатывания.

Для этого нам понадобиться блок питания с плавной регулировкой напряжения.

БП мы подключаем ко «входу 12-15в с аккумулятора» (имитируем аккумулятор) и подаем напряжение 12в. Далее нажимаем КН1 и слышим как сработало реле.

Плавно снижаем напряжение питания до 10в. После вращаем подстроечный резистор на 3-ем выводе микросхемы и добиваемся отключения схемы. Таким образом, при разрядке аккумулятора до 10в, наша схема сама отключится и защитит аккумулятор от глубокого разряда.

Аналогично настраиваем напряжение срабатывания светодиода. Он должен загораться при 11в на БП.

В итоге: при падении напряжения до 11в, включается светодиод, сообщающий о скором отключении всей схемы. А при падении напряжения на аккумуляторе 10в вся схема отключится.

Печатные платы разведены в lay и, при использования метода ЛУТ, протравлены в хлорном железе.

Блок ограничения напряжения заряда.

Блок контроля разряда аккумулятора.

В качестве корпуса для контроллера я использовал короб от старого CD-ROM.

В процессе эксплуатации, мне понадобилась дополнительная индикация тока зарядки, тока потребления нагрузкой и напряжения на аккумуляторе. Для этого я заказал уже готовые индикаторы на «АЛИ» и подключил в соответствующие цепи.

Для обеспечения бесперебойной работы любого электронного устройства необходимо резервировать питание, или иными словами – вводить в схему дополнительные (резервные) источники электроэнергии. Для гарантированной непрерывной работы требуется как минимум один источник независимого питания. Как правило, это аккумуляторная батарея .

Самое приятное в этой задаче – простота реализации. Для резервирования питания любой маломощной электронной схемы достаточно всего три компонента: выпрямительный диод , резистор и аккумулятор .

Схема резервирования

Схема резервирования питания может выглядеть как-то так:

Рисунок 1. Простая схема резервного питания устройства.

Схема условно состоит из трёх частей: сетевой (левая часть схемы), к выходным клеммам 2-3 которого подключено электронное устройство (правая часть схемы); параллельно с выходом источника питания подключается аккумулятор GB1 через зарядное сопротивление R1 и нагрузочный диод VD1.

Для нормальной работы схемы источника питания должно быть чуть выше номинального напряжения аккумулятора GB1. При недостаточном напряжении источника питания аккумулятор GB1 всегда будет в недозаряженном состоянии, что ускорит ухудшение его характеристик. При напряжении источника питания, значительно превышающего напряжение батареи, будет происходить её перезаряд с преждевременным ухудшением характеристик, и кроме того, при питании устройства от батареи в режиме резервирования питания может наблюдаться недостаток напряжения питания. Это может быть критично для работы схем от стабилизированного питания, не имеющих собственной стабилизации напряжения.

Принцип действия

Представленная к рассмотрению схема имеет два режима работы, которые есть смысл рассматривать:

Нормальный режим питания

Рассмотрим рисунок 2.

Рисунок 2. Нормальный режим питания схемы.

В нормальном режиме сетевой источник питания обеспечивает энергией электронное устройство и параллельно заряжает аккумуляторную батарею GB1 через зарядное сопротивление R1. VD1 в этом режиме заперт, поскольку на его катоде присутствует повышенный потенциал от источника питания, по отношению к электрическому потенциалу анода, подключенному к аккумуляторной батарее. Это исключает возникновение недопустимо большого заряда при сильно разряженной батарее, и перегрузку источника питания. Максимальный ток заряда ограничивает R1. В идеале его нужно подобрать таким образом, чтобы при полном заряде батареи через него протекал ток, равный по величине току утечки батареи.

Стрелками красного цвета показаны токи. Ток источника питания складывается из тока электронного устройства и тока заряда батареи.

Режим резервного питания

Переходим к рисунку 3.

Рисунок 3. Режим резервного питания.

При исчезновении или значительном снижении напряжения со стороны сетевого источника питания, когда электрический потенциал на катоде диода VD1 становится ниже потенциала его анода, подключенного к аккумулятору, диод открывается и через него течёт основной ток нагрузки, питающий устройство. Через R1 так же будет протекать часть тока нагрузки. Ток нагрузки показан стрелками зелёного цвета.

При восстановлении напряжения со стороны сетевого источника питания, электрический потенциал катода снова возрастает, диод запирается, и схема переходит в нормальный режим питания, при котором энергией источника питания снабжается устройство и заряжается аккумуляторная батарея GB1.

Если в данной схеме использовать батарею из обычных гальванических элементов питания, то необходимо исключить из схемы резистор R1 для исключения процесса заряда, к которому они не приспособлены. При расходовании энергии элементов, они подлежат замене на новые.

Источником аварийного питания во многих объектах является аккумуляторная батарея. Для длительного использования батареи ее необходимо регулярно заряжать, сделать это можно с помощью предложенной схемы.

Устройство работает от сетевого напряжения 220В. Во время зарядки аккумулятора тиристор Т1 открыт. При этом напряжение на С1 (R4) ниже порогового напряжения 12-14В стабилитрона Д7, и тиристор Т2 закрыт. Когда напряжение батареи приближается к значению полного заряда, отпирается тиристор Т2, и через делитель напряжения R6-R7 на управляющий электрод Т1 подается запирающее напряжение отрицательной полярности. Т1 закрывается, батарея разряжается и переходит в режим дозарядки малым током, определяемым величиной сопротивления резисторов R1 R2 R3.

Величину зарядного тока можно контролировать амперметром. Повторный заряд батареи начинается автоматически, когда ее напряжение упадет настолько, что тиристор Т2 закроется.

При первом включении схему следует настроить. Это достигается изменением сопротивления R4 до такого значения пока в цепи батареи не появится ток и не откроется тиристор Т1.

В дальнейшем схема в подстройке не нуждается и работает автоматически. Амперметр необходим только для контроля тока подзарядки в момент настройки, после чего его можно заменить на перемычку.

Литература - Бастанов В.Г. 300 практических советов. Москва: Издательство «Московский рабочий», 1982

• Похожие статьи