Як обрати й встановити системи резервного живлення: реальні рішення

Примітка: автор одразу заначає, що наведена нижче інформація не є рекламою приладів, магазинів чи продавців, а оглядом на наявні рішення, про які він дізнавався, які сам шукав або з якими мав справу.

Насамперед варто сформувати ідею резервного джерела живлення у вигляді інвертора чи зарядної станції. Ця система – це запас енергії, який дозволить задовольнити ваші потреби в електроенергії на обмежений час. Також важливо розуміти, що для роботи такої системи потрібно цей запас звідкись брати. У час віялових відключень, коли електроенергія періодично з’являється і є можливість поповнити запас, воно буде працювати й працювати добре. Під час повного блекауту все-таки потрібно шукати повноцінне альтернативне джерело електроенергії.

Система “сів-поїхав”

Якщо вам потрібно лише збільшити тривалість роботи ноутбука чи смартфона, є рішення – готові “портативні зарядні станції”, як їх називають виробники. Серед наявних на ринку, найпопулярніші – EcoFlow та BLUETTI. Ці прилади є готовою збіркою електроніки керування та акумуляторів, яка передбачає виходи USB, автомобільного прикурювача (12 В постійного струму), а також євророзетку (230 В змінного струму). Нічого збирати не потрібно, тільки придбати, заряджати та користуватись.

Переваги – просте керування, мала вага, мобільність. Є інформативний додаток. Є аксесуари з інтуїтивним інтерфейсом. Користування максимально безпечне.

Недоліки – ціна, обмежена потужність, обмежене масштабування.

Ідеально підходять для вашого ноутбука, смартфону чи терміналу Starlink. Всі ці пристрої не потребують специфічного живлення або можуть підключатись безпосередньо до USB виходів. Можна використовувати із газовими котлами (з нюансами), ігровими приставками чи телевізорами. Навіть електрочайник буде працювати, але заряд втратите майже зразу ж. Щодо холодильників, то виробник в інструкції зазначає, що запускати холодильники не рекомендується у режимі X-Boost.

Підключення надзвичайно просте – просто підключаєте штекер вашої техніки у відповідне гніздо на станції. Все, готово. Складність підключення існує тільки із газовими настінними котлами (як це зробити, докладніше читайте тут).

Крім наявних виходів, найважливіше у виборі певної моделі станції це ємність і потужність. Тому конкретну модель обираємо спершу за потужністю. Припустимо, що існує домашній офіс (2 ноутбуки, 2 смартфони, 1 світильник), який потрібно живити 4 години. 2 ноутбуки це 120 Вт (по 60 Вт у середньому), 2 смартфони ще 40 Вт (по 20 Вт на смартфон). Світильник додаткові 20 Вт. Сумарно 180 Вт. Навіть найпростіші моделі це забезпечують. А от мінімально необхідна ємність для 4 годин становить 180 Вт * 4 год = 720 Вт⋅год, тут вибір звужується.

Система на основі інверторів або джерел безперебійного живлення

Складнішими у збиранні, встановленні і використанні будуть комбо інвертора та зарядного із зовнішніми акумуляторами. Але такі системи підходять для будь-яких потреб, а все через неймовірну кількість варіацій, які можна скомбінувати із наявних комплектуючих. Тут існують як і готові корпоративні рішення у вигляді джерел безперебійного живлення (ДБЖ) для комп’ютерів чи серверів, так і різноманітні інвертори для електромереж off-grid, тобто незалежних від глобальної електромережі.

Графіка від macrovector / Схема авторська

Схема резервного джерела така – система пропускає електроенергію із мережі за нормальних умов, а також підзаряджає акумулятори (сині стрілки). За проблем з електромережею накопичена енергія використовується для живлення потрібних приладів (червоні стрілки).

При виборі системи спершу потрібно визначитись зі споживачами. Я собі їх ділю на три умовні групи:

Група 1: стаціонарні комп’ютери, ноутбуки, смартфони. Живити ноутбуки і смартфони через інвертор недоцільно (величезні втрати на перетворення), але стаціонарні ПК, телевізори та ігрові приставки потребують саме 230 В. Основне, що треба тут знати, що блоки живлення цієї техніки – імпульсні, і можуть працювати в широких межах напруг і досить толерантні до параметрів змінного струму.

Група 2: газові котли, витяжки, циркуляційні мотори, насоси, кавові ростери, швейні машинки – тобто все, що має у своїй будові малопотужні електродвигуни. Ось їм важлива форма сигналу змінного струму, а ще їм потрібен певний пусковий струм для запуску двигуна й у моменти сильного навантаження.

Група 3: холодильники, кондиціонери, пилососи, компресори, потужні витяжки. У будові цих пристроїв є потужні двигуни, яким також важлива форма змінного сигналу, але характерний значний пусковий струм.

У цьому поділі інвертор для пристроїв кожної наступної групи буде працювати із пристроями попередніх груп. Тобто, якщо далі у статті буде вказано, що інвертор для групи 3, то не буде проблем його використовувати із групами 2 і 1. Для усіх груп можуть підійти як низькочастотні, так і високочастотні інвертори, як трансформаторні, так і безтрансформаторні.

Збірка системи починається з вибору акумуляторів.

Вибір цілої інверторної системи починається із вибору виду акумуляторів. З найбільш поширених і перевірених – літій-ферум-фосфатні та свинцеві. Різниця у ціні велика, але й характеристики різні.

Вони обидва підходять для аварійних систем, проте літієві характеризуються невеликою масою, надійністю, довготривалістю, більшою кількістю циклів розряду і що найголовніше – найбільшою швидкістю заряду. Недоліками є специфічність заряджання, рідкісність на локальному ринку інверторів, які вміють із ними працювати, і необхідність у спеціальних платах BMS.

Свинцеві акумулятори є набагато важчі, мають обмежену кількість циклів і потребують визначеного невеликого струму заряджання, а тому, як наслідок, заряджаються досить довго. Перевагами є низька ціна, простота експлуатації та поширеність.

Якщо вам потрібно швидко поновлювати запаси енергії через часті і довготривалі відключення – то ваш вибір то літій-ферум-фосфатні акумулятори. Це, до прикладу, увімкнення електроенергії 2-3 години на добу. Якщо ж увімкнення і вимкнення співвідносяться приблизно 50% до 50%, то свинцеві будуть виконувати свою роботу без проблем. Попри це все, переконайтесь у тому, що бажаний або наявний інвертор таки підтримує ваш тип акумуляторів, і то краще з кількох джерел.

У міру того, що свинцеві акумулятори більш поширені, дешевші й підтримуються всіма інверторами, подальші розрахунки проводитимуться саме на них.

Адекватна вартість свинцевого гелевого або AGM акумулятора ємністю 100 А⋅год станом на 27.11.2022 становить 8-12 тис. грн.

Наступний крок – вибір параметрів: ємності й напруги.

Ємність акумулятора визначається спершу із потреби, а тоді і можливостей зарядного в потенційних інверторах.

Нехай є котел (100 Вт) і холодильник (100 Вт), а тривалість роботи – 8 годин. Тому мінімально необхідна ємність буде ((100 Вт + 100 Вт) * 1.15 (85% ККД) + 50 Вт (самозабезпечення інвертора)) * 8 годин = 2240 Вт⋅год. Але зазвичай ємність пишуть не у Вт⋅год, а у А⋅год. Щоб отримати ці більш поширені одиниці вимірювання, необхідно знати номінал напруги акумуляторів, який буде у системі.

Номінал напруги обирається залежно від наявних інверторів, хоча краще мати інвертор на більшу напругу. Для третьої групи рекомендую 24 В. Для групи 2 достатньо і 12 В12 вольт.

Стандартна напруга свинцевого акумулятора 12 В, як тоді отримати 24 В? А тут потрібно користуватись правилом послідовного з’єднання джерел струму – напруга кожного елемента сумується, а ємність зберігається сталою. Отож, якщо потрібний номінал напруги батареї 12 В, то можна використати всього один акумулятор на 12 Вольт. Якщо ж номінал батареї повинен бути 24 В, то потрібно два акумулятори з’єднати послідовно.

Отож, якщо плануємо інвертор на 24 В, то нам потрібно мінімум два акумулятори. Розрахована вище ємність 2240 Вт⋅год при 24 В буде дорівнювати 93 А⋅год. Таку ємність можна отримати на тих же двох акумуляторах, якщо їхня ємність буде 93 А⋅год.

Номінал ємності не буває довільним, переважно це 7, 10, 12, 20, 50, 65, 100 або 200 А⋅год. Найближча до розрахованої стандартна ємність 100 А⋅год. Отже, потрібно шукати саме такий акумулятор для задоволення потреби 8 годин роботи котла з холодильником.

Не завжди можна знайти акумулятор бажаної ємності, а тому акумулятори об’єднують у батареї паралельним підключенням додаткових акумуляторів. Якщо 24 В, то вам до пари потрібна ще одна пара акумуляторів. Якщо 12 В – то до одного наявного паралельно підключають ще один.

Максимальна кількість акумуляторів, які можна підключити, обмежується здатністю зарядного зарядити ці акумулятори. До прикладу, більшість інверторів LogicPower/VoltPolska має зарядне на 10 А або 15 А. Оскільки вимога заряду для свинцевих акумуляторів є 0.1С (де C – це ємність), то оптимально зарядити такий інвертор зможе тільки батареї ємністю 100 А⋅год або 150 А⋅год відповідно. Звичайно, слабше зарядне зможе заряджати й велику ємність, але час заряду буде більшим.

Серед свинцевих акумуляторів для резервних джерел підходять акумулятори AGM та гелеві. Підійдуть і перші і другі, якщо вони призначенні для глибокого розряду (зазвичай на них же написано deep cycle) і є герметичними До прикладу, це Kijo JDG 12V 100Ah GEL, Challenger G12-100 або LogicPower LPM-GL 12V 150AH.

У виборі ємності акумулятора важливо розуміти, що номінальна ємність – це ємність за певної потужності. Виробники цю деталь вказують у даташиті (документ із технічними характеристиками).

Інвертори, з якими мав справу або які розглядав як хороший варіант.

Мій “улюблений” бренд – Must. Найбільше мені подобаються їхні низькочастотні інвертори – серія EP20/EP2000 та серія EP30/EP3000. Ці інвертори підходять для групи 3 взагалі без проблем, зокрема масивний мідний трансформатор буде гарантувати витримування високих пускових струмів. Також таким інверторам характерні автоматичне перемикання між входами і виходами, правильна синусоїда при номінальній потужності, вбудоване “розумне” і потужне зарядне (з розрахунку на велику акумуляторну батарею), а також програмування режимів та можливість контролю за системою із ПК по USB/RS232. Приклад для квартири – Must EP30-1512 Plus, для будинку Must EP30-3024 Plus.

Інший хороший бренд, який популярний в Україні – LogicPower. У них досить великий вибір малопотужних інверторів, зокрема для груп 2 і 3, вони у розділі ДБЖ з правильною синусоїдою. Цим інверторам характерні хороший тороїдальний трансформатор, правильна синусоїда, вбудоване зарядне та контроль за станом електромережі. Приклад для системи на групу 2 і 3, власне холодильник (1200 Вт пуск, 100 Вт в середньому) і газовий настінний котел (100 Вт в середньому) – LogicPower LPY-W-PSW-1500VA+(1050Вт)10A/15A. Теоретично вдвічі слабша версія – LogicPower LPY-W-PSW-800VA+(560Вт)5A/15A теж підійде Приклад для групи 2, зокрема котла (100 Вт в середньому) – LogicPower LPY-B-PSW-500VA+ (350Вт) 5A/10A.

Такі ж інвертори, аналогічної чи навіть ідентичної будови, наявні у Польщі під брендом VoltPolska. Саме ці моделі почали з’являтись в Україні і з того що бачив, це та ж якість, як у LogicPower. Тобто проблем у покупці інвертора такої ж потужності під бендом VoltPolska не повинно бути взагалі.

Менш відомі в Україні, але досить непогані інвертори від китайської фірми PowMr. Їх можна знайти у Польщі під тим же брендом PowMr. У них є декілька низькочастотних (ідеально для групи 3), але більший вибір високочастотних (група 2 або 3 за відповідних потужностей).

Основною перевагою інверторів цього бренду є наявність підтримки літій-ферум-фосфатних акумуляторів. Більшість моделей вищезгаданих виробників свої вироби нижнього і середнього сегменту не адаптовують для цього типу акумуляторів, а тут практично усі з ним “дружать”.

Прикладом для групи 3 – 1500W DC 12V AC 220V All In One Inverter (на allegro).

Подібними є продукція під китайським брендом EАsun Power. Наприклад, отакий EAsun Power BA-ISOLAR-SMG-II-3.6KW-WIFI.

Спершу під’єднуємо акумулятори, тоді мережу!

Підключення акумуляторів виконується товстими кабелями. Вони можуть бути у комплекті (LogicPower/VoltPolska) або їх потрібно докупити (Must, PowMr, EAsun). Якщо вони у комплекті, то єдине що потрібно зробити правильно – це не переплутати плюс і мінус. Помилка тут буде коштувати покупку нового інвертора або ремонту половини його начинки, а тому слід бути дуже уважним.

Якщо ж кабель потрібно докупити, це найкраще зробити у магазині, який зразу і виконає обтиск наконечників кабелю. Марка кабелю може бути ПВ-3 українських виробників. Перетин кабелю обирається відповідно від напруги акумуляторної батареї і потужності інвертора. Складніші комбінації краще питати у спеціаліста, але якщо приєднувати лише один-два акумулятори, то можна скористатись наступними умовами:

• Напруга 12 В, потужність 1 кВт = перетин не менше 35 мм2.
• Напруга 12 В, потужність 500 Вт = перетин не менше 16 мм2.
• Напруга 24 В, потужність 1 кВт = перетин не менше 25 мм2.
• Напруга 24 В, потужність 500 Вт = перетин не менше 10 мм2.

Довжина кабелю повинна бути мінімальна. Найкраще, коли інвертор з акумуляторами будуть у наявності, розмістити їх у плановому місці та виміряти потрібну довжину кабелю. Надлишкова довжина – втрати енергії на нагрів того таки кабелю!

Перед підключенням до мережі потрібно виставити параметри типу акумулятора, струму заряду – це все завжди гарно і до деталей описано в інструкції. Підключення до мережі відрізняється від моделі до моделі, проте у всіх випадках гарно описане в інструкції.

Найпростіше підключення ДБЖ від LogicPower/VoltPolska. В них вхід і вихід змінного струму реалізований звичайними розеткою і вилкою. Отож, до прикладу, відключаєте ваш котел від розетки, підключаєте до виходу ДБЖ. А тоді вхід ДБЖ підключаєте у щойно звільнену розетку у квартирі.

Інвертори типу Must чи PowMr підключаються через клемні колодки. Тому для їх підключення потрібно докупити провід, як от ШВВП 3 х 2,5 мм2, штекер та зовнішню розетку. Все залежно від монтажу, та у найпростішому варіанті достатньо і цього. Добре мати автоматичний вимикач (автомат) у простій коробці, для зручності вмикання і вимикання інвертора.

Якщо ж хочете інтегрувати інвертор у мережу квартири, підключивши на нього декілька споживачів від електрощитової квартири, то тут є чи не єдина вимога – нульова шина на виході інвертора має бути окремою від нульової шини входу на інвертор. Тобто у щитовій потрібно мати дві роздільні нульові шини (1 і 2 на схемі нижче), як і у схемах підключення генератора. Хоча зазначу, деякі інвертори дозволяють використовувати спільну нульову шину і про це вказано в інструкції. Якщо ж не вказано – шини повинні бути розділені.

Отож, система зібрана і підключена. Деякі інвертори, як от Must, мають окремий вмикач для інвертора, то це останній крок для запуску системи. У результаті у вас буде система, яка сама заряджає акумулятори, сама підтримує заряд на акумуляторах і сама перемикає себе на живлення від акумуляторів у випадку проблем із мережею.

Переваги – гнучка масштабованість, гарантована робота потужних споживачів (як от холодильників).

Недоліки – умовно складний процес підбору комплектуючих, підключення і монтажу.

Реальний відгук про таку систему можу зробити на основі своєї власної системи, про що наступна секція статті.

Система резервного живлення чутливої техніки у квартирі

Це система, яку збирав автор собі самому у 2019 році. Вибір системи був такий. Короткочасна потужність 850 Вт (500 Вт комп’ютер, 100 Вт монітори, 100 Вт холодильник, 100 Вт котел і 50 Вт освітлення) необхідна протягом 15 хвилин (щоб мати час вимкнути комп’ютер, аналогічно комп’ютерного ДБЖ), а тоді 200 Вт (100 Вт холодильник і 100 Вт котел) на умовні 4 години. Серед наявних рішень на ринку примітив інвертори Must – низькочастотні трансформаторні інвертори. Якщо глянути на схеми продавця, то можна також зрозуміти що такий інвертор з акумуляторами це 50% від сонячної електростанції, бракує лише сонячних панелей і контролера заряду для них.

Схема підключення інвертора з посібника користувача

З наявних на ринку були потужності від 1 кВт і для акумуляторів від 12 В. Тоді комбінація 1,5 кВт 12 В здалась мені найкращою (це тепер я знаю, що версія на 24 В була б кращою).

Отож зупинився на моделі Must EP3000-1512 Pro, її і придбав. У комплекті тільки сам інвертор, тому акумулятори докупляв окремо. 200 Вт протягом 4 годин, враховуючи втрати (85 % ККД + 35 Вт самозабезпечення) це 1060 Вт⋅год. Оскільки інвертор на батарею 12 В, то ємність акумуляторів повинна бути 88 А⋅год. Найближчий за характеристиками у продавця був гелевий свинцевий акумулятор 100 А⋅год.

Акумулятор китайської фірми Kijo JDG 12V 100Ah GEL. Тут важливо згадати, що варто дивитись у даташиті акумулятора. Крім струму заряджання, кінцевих напруг, які потрібно буде налаштувати на інверторі, є інші деталі – як от крива ємності від струму розряджання, крива заряджання і кількість циклів при повному глибокому розряді (100% Depth of Discharge/D.o.D). Що найважливіше – реальна ємність 100 А⋅год гарантована лише при струмі 10 А. Якщо струм більший – то і ємність, яку акумулятор віддасть при цьому струмі, менша. У моєму випадку, при струмі 64 А (750 Вт потужності) гарантована ємність 64 А⋅год. На 15 хвилин роботи, щоб вимкнути ПК, зійде.

Крива заряджання показує скільки часу потрібно для повного заряду, тут це ~20 годин при 0.1С. Кількість циклів при повному розряді ~300, що досить непогано.

Інвертор, акумулятор. Тепер їх потрібно з’єднати. При повному навантаженні (1500 Вт) по кабелях буде протікати не менше 125 А (1500 Вт / 12 В). Кабель повинен це витримати і мати мінімальні втрати при такому струмі. Тоді мені продавець порадив кабель ПВ-3 перетином 35 мм2. Такий кабель має номінальний струм 170 А і опір 0,551 Ом/км. З опору розраховуємо втрати – на 1 м падіння напруги буде 0,000551 Ом/м * 125 А = 0.07 вольта, а падіння потужності 0,07 В * 125 А = 8,75 Вт. Менший перетин, 25 мм2 має номінальний струм 140 А і опір 0,809 Ом/км. Втрати напруги – 0,1 В, потужності – 12,5 Вт.

Другий би підійшов теж, але працював би впритул, при чому створюючи досить велике падіння, яке буде впливати на “розуміння” інвертором рівня заряду акумулятора. Я взяв два плеча по 1 м проводу ПВ-3 35 мм2 з обтиском, але це було помилкою і згодом замінив на одне плече 60 см і друге – 20 см. Чому? Оскільки падіння потужності виявилось настільки великим, що інвертор йшов у захист при низькому заряді, попри те, що теоретично ще би мав запускатись.

Інвертор, акумулятор, кабелі. Де це все розмістити? Ще на етапі планування гардеробу передбачив поличку на металевому стелажі саме під цю систему. Чому металевому? По-перше, чим менше легкозаймистих речовин біля такої системи, тим краще. По-друге – маса інвертора 30 кг, акумулятора – теж 30 кг. Тобто поличка має витримати масу 60 кг, яка ще й деколи вібрує з частотою 50 Гц при роботі.

Окремо зазначу про запобіжник. Оскільки інвертор у гардеробі, то близько знаходяться інші легкозаймисті речі, а тому для кращої безпеки додатково встановив автомобільний запобіжник на 250А у розрив плюсового контакту. Плюс запобіжника у більшому спокої за систему, мінус – у досить великій втраті енергії на ньому. У теперішній системі зняв запобіжник, оскільки з ним інвертор не міг запустити холодильник при низькому заряді акумулятора.

Все є, встановив систему і тепер підключаю її до споживачів. На етапі прокладки кабелів по квартирі заклав два проводи ШВВП 3 х 2,5 мм2 від щитової до місцезнаходження інвертора. Отак, один провід (вхід) підключив до спільного заземлення, до нульової шини загальної електромережі та до автомату, який відсікає вхід інвертора від фази загальної електромережі. З іншого боку цього проводу підключається інвертор до клем Вхід.

Інший провід (вихід) підключається до клем Вихід інвертора. Далі, у щитовій цей провід знову підключається до спільного заземлення. Але нульова шина окрема. Всі передбачені споживачі підключається до цієї окремої нульової шини і, через відповідні автомати, до фази, яка повертається від інвертора.

Для чого це потрібно? Мізки інвертора живляться від акумулятора. Так він може безпроблемно контролювати стан загальної електромережі. За нормальних умов, інвертор комутує вхід і вихід, що відповідає режиму “bypass”. Так він подає на свій сегмент електромережі те ж саме, що приходить на вхід, плюс заряджає свої акумулятори. Коли виникає нестандартна ситуація, інвертор швидко відсікає свою електромережу від загальної.

Щодо споживачів, найкращий варіантом вважаю розключити окремими автоматами освітлення, роутер, розетки комп’ютерної техніки і роздільно холодильник з котлом. Це дозволяє комбінувати навантаження, зокрема буде можливість швидко залишати увімкненим лише котел.

Така збірка працювала у мене близько 2 років і виручала у випадку вимкнення електроенергії навіть на 6 годин літом (коли не працює котел і не потрібно тримати увімкненим освітлення). Отож, остаточна версія такої системи – інвертор Must EP30-1512 Pro та акумуляторна батарея на 12 В 200 А⋅год (з двох паралельно підключених свинцевих гелевих акумуляторів ємністю по 100 А⋅год). Вартість вийшла близько 800 доларів, але це з врахуванням курсу і цін 2020 року. Зараз така ж система коштує 950-1100 доларів.

Про інші рішення, які можна зробити самому чи придбати, читайте тут.

відключення світла посібник інвертори енергетичний фронт