Аккумуляторные батареи ИБП

Немного теории

Для расчета времени работы источника бесперебойного питания (ИБП) с какой-либо нагрузкой, нужно знать емкость аккумулятора, которая выражается в ампер-часах (А*ч). Однако, в характеристиках ИБП обычно пишут не ампер-часы, а воль-амперы (В*А), то есть пишут мощность. Но это не просто мощность, а идеальная выходная мощность, придуманная маркеторогами. Ключевое слово здесь — «идеальная». То есть такая, которой в реальном мире не может быть. Обозначим ее как Pideal.

Более честные производители указывают эффективную мощность, которая традиционно выражается в ваттах. Обозначим ее как Peffective. Эффективная мощность получается из идеальной путем умножения на коэффициент мощности:

Peffective = k * Pideal

Чему же равен коэффициент мощности k? В ИБП на выходе устанавливается инвертор, который преобразует 12В, выдаваемых аккумулятором, в 220В, требуемых для питания подключенных устройств. Так как выдаваемый ток переменный, то потеря мощности составляет 1/sqrt(2)=0.70. Плюс исключаем из этой мощности питание самой схемы бесперебойника, и получим коэффициент примерно равный 0.6.

Например, обычный офисный бесперебойник APC Smart UPS 500 имеет мощность 500 В*А. Эта та идеальная мощность, которую может обеспечить аккумуляторная батарея, установленная внутри ИБП. Эффективная мощность, согласно нашей формуле и коэффициенту, будет всего лишь 0.6 от идеальной, т. е. 300 Вт.

Теперь вопрос. Почему мы вначале писали вольт-амперы, а потом стали писать ватты? И то и то является единицей измерения мощности. Традиционно, в вольт-амперах пишут идеальную мощность, а в ваттах — эффективную мощность. Но это величины одной и той же размерности.

Вычислении времени работы устройства

Теперь поймем, как вычислять время работы устройства, запитанного от ИБП. Например, у нас есть управляемый роутер Cisco, который потребляет 50 Вт. Что значит потребляет 50 Вт? Это значит, что в час он для своей работы потратит 50 Вт мощности. То есть, на самом деле, надо бы писать 50 Вт/ч. Обозначим эту величину как Dpower (power demand — расход мощности).

У нас ИБП имеет запас эффективной мощности всего 300 Вт. Это значит, что если оборудование потребляет 50 Вт/ч, то хватит нашего ИБП на:

300 Вт / 50 Вт/ч = 6 ч

То есть, формула для расчета времени будет такой:

T = Peffective / Dpower

То есть, если Dpower будет в размерности Вт/ч, то время получится в часах.

И в заключение, немного бреда

Глядя на размерности мощности (вольт*ампер), вспоминаем из школьного курса физики формулу электрической мощности:

P = U*I

Где:

  • P — это мощность батареи, выражается в вольт-амперах (В*А),
  • V — это напряжение батареи, выражается в вольтах (В),
  • I — это сила тока, генерируемая батареей, выражается в амперах (А).

Теперь, зная что в бесперебойниках обычно стоят аккумуляторы с напряжением 12В, Мы можем узнать силу тока, которую способен дать аккумулятор:

Вздувшиеся свинцовые аккумуляторы на APC Smart-UPS 1000 RM


На работе два одинаковых стоечных бесперебойника, и с обоими одна беда — в ноябре выяснилось, что на одном вздулись два аккумулятора из четырёх, а сегодня выяснил, что и второй ИБП подвёл, причём расположены вздувшиеся аккумуляторы так же. Первый бесперебойник хотя бы предупредил о проблеме:

Nov 21 08:14:10 vh02 apcupsd: UPS Self Test switch to battery. Nov 21 08:14:17 vh02 apcupsd: UPS Self Test completed: No test results available Nov 21 08:14:19 vh02 apcupsd: UPS battery must be replaced.
Второй ИБП просто выключился, обесточив несколько серверов. Когда я пришёл, он только моргал светодиодами, о чём в инструкции было сказано «BATTERY CHARGE AND BATTERY LOAD LEDS FLASH SIMULTANEOUSLY: The internal temperature of the UPS has exceeded the allowable threshold for safe operation» — в общем, перегрев. И действительно, графики показывают, что аккумуляторы в ИБП (датчик расположен рядом с ними) плавно нагревались почти сутки:

Причиной могло быть высокое напряжение на аккумуляторах (в результате неправильной зарядки?), вот его график за год:

Вытащить вспухшие аккумуляторы из таких ИБП — непростая задача, т.к. приходится сгибать стальные уголки, а убрать или разъединить их не получится, т.к. корпус в том месте соединён заклёпками.
В общем, не люблю я APC — стоят дорого, но эту цену не ощущаешь. Для обычных компов я давно уже беру PowerCom, а вот для серверов хочется попробовать PowerWare.

Определение необходимого времени автономной работы ИБП

Учитывая возможность отключения внешнего электропитания дома, необходимо знать (определить) расчётное время автономной работы источника бесперебойного питания котла отопления. Причин, по которым может пропасть напряжение в сети, достаточно много. Это может быть авария на линиях электропередач, авария на трансформаторной подстанции, обрыв подводящих линий электросети, замыкание проводки внутри дома, существенные искажения параметров поставляемого тока, переход поставщика энергии на графики временных отключений потребителей.

Однако, какой бы ни была причина отключения электроэнергии, необходимо обеспечить эффективное и надёжное электропитание отопительного оборудования. Остановка системы отопления в зимнее время может привести к размораживанию системы и большим расходам по её ремонту и ремонту помещений.

Длительность отключений электроэнергии существенно различается в разных районах города или в разных поселениях. Для примерной оценки времени возможных отключений нужно провести длительные наблюдения или опрос соседей.

Если длительность отключений не превосходит одних суток, то задачу обеспечения бесперебойным электропитанием системы отопления можно решить с помощью установки нужного ИБП. Если длительность отключений превосходит сутки, то для решения задачи бесперебойного питания лучше использовать комбинацию двух приборов: ИБП и электрогенератор.

Расчёт времени автономной работы ИБП системы отопления дома

После того, как мы определились с желаемой длительной автономной работы системы отопления, можно переходить к проектированию системы бесперебойного питания отопительного оборудования.

На этом этапе нужно определить общую электрическую мощность всех приборов системы отопления, для которых необходимо обеспечивать автономное электропитание.

Точное значение электрической мощности отопительного оборудования можно найти в технических паспортах данных приборов. Для расчёта конфигурации источника бесперебойного питания и времени его автономной работы можно использовать приблизительные значения мощности приборов.

Электрическая мощность настенных газовых котлов отопления обычно находится в диапазоне от 100 до 200 Вт.

Электрическая мощность напольных газовых котлов отопления обычно находится в диапазоне от 50 до 150 Вт.

Электрическая мощность внешних циркуляционных насосов обычно находится в диапазоне от 50 до 200 Вт.

Значения некоторых популярных котлов отопления вы найдёте в статье Электрическая мощность настенных и напольных газовых котлов.

Аналитический метод расчета времени автономной работы бесперебойника для котла

Длительность автономной работы ИБП с внешними аккумуляторными батареями зависит в первую очередь от общей ёмкости всех АКБ. Фактически, при работе ИБП происходит перевод энергии заряда аккумуляторных батарей в электрическую энергию с напряжением 220 Вольт. Так как инвертор бесперебойника не является абсолютно идеальным прибором и имеет потери, то необходимо учитывать коэффициент его полезного действия. Кроме того, аккумуляторные батареи не могут высвободить все 100 % энергии, нужно учитывать коэффициент доступной ёмкости АКБ.

С учетом этих коэффициентов формула расчёта принимает следующий вид:

T = E * U / P * KPD * KDE (часов),

где E — ёмкость всех подключенных АКБ, U — напряжение АКБ, P — мощность нагрузки, KPD примерно равен 0,8, KDE равен примерно 0,9.

Коэффициенты доступной ёмкости и полезного действия не являются фиксированными величинами. Эти коэффициенты зависят от скорости расхода энергии, от температуры и влажности воздуха.

Приведём несколько примеров расчётов времени автономной работы ИБП:

  1. Используются АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 60 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 60 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 3,5 ч
  2. Используются АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 150 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 150 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 8,6 ч
  3. Используются два АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 150 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 2 х 150 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 17,2 ч
  4. Используются два АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 120 Ач. ИБП осуществляет питание напольного котла отопления электрической мощностью 50 Вт и двух циркуляционных насосов мощностью 100 Вт каждый.
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 2 х 120 х 12 / (50 + 2 х 100) х 0,8 х 0,9 = 8,3 ч
  5. Используются три АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 200 Ач. ИБП осуществляет питание напольного котла отопления электрической мощностью 50 Вт и трех циркуляционных насосов мощностью 100 Вт каждый
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 3 х 200 х 12 / (50 + 3 х 100) х 0,8 х 0,9 = 14,8 ч
  6. Используются три АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 200 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 130 Вт
    В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
    T = 3 х 200 х 12 / 130 х 0,8 х 0,9 = 40 ч

Использование таблиц для расчёта времени автономного бесперебойного питания

Для расчёта времени резерва источников бесперебойного питания для систем отопления можно использовать специальную таблицу. Таблица составлена на основе использования формулы расчёта времени автономной работы ИБП. При расчёте данных использовались следующие значения вспомогательных коэффициентов: КПД источника бесперебойного питания 80%, коэффициент доступной ёмкости аккумуляторной батареи 90%.

Таблица расчёта времени автономной работы ИБП для котлов отопления по общей ёмкости подключенных АКБ в зависимости от величины полезной нагрузки.

Общая ёмкость и напряжение АКБ Нагрузка
100 Вт
Нагрузка
150 Вт
Нагрузка
200 Вт
Нагрузка
300 Вт
Нагрузка
400 Вт
Нагрузка
500 Вт
40 Ач, 12 В 3,5 ч 2,3 ч 1,7 ч
60 Ач, 12 В 5,2 ч 3,5 ч 2,6 ч
100 Ач, 12 В 8,6 ч 5,8 ч 4,3 ч 2,9 ч 2,2 ч 1,7 ч
150 Ач, 12 В 13 ч 8,6 ч 6,5 ч 4,3 ч 3,2 ч 2,6 ч
200 Ач, 12 В 17,3 ч 11,5 ч 8,6 ч 5,8 ч 4,3 ч 3,5 ч
300 Ач, 12 В 25,9 ч 17,3 ч 13 ч 8,6 ч 6,5 ч 5,2 ч
400 Ач, 12 В 34,6 ч 23 ч 17,3 ч 11,5 ч 8,6 ч 6,9 ч
500 Ач, 12 В 43,2 ч 28,8 ч 21,6 ч 14,4 ч 10,8 ч 8,6 ч
600 Ач, 12 В 51,8 ч 34,6 ч 25,9 ч 17,3 ч 13 ч 10,4 ч

Примечание: ориентировочное время резерва указано при следующих условиях:

  • АКБ полностью заряжена;
  • температура АКБ +25 °С;
  • фактическая ёмкость АКБ соответствует номиналу, указанному на АКБ.

Указано время для НЕПРЕРЫВНОГО режима работы. В циклическом режиме работы время увеличится пропорционально.
Время работы в значительной степени может отличаться от полученных значений в зависимости от типа производителя АКБ, а также от остаточной ёмкости АКБ.

При выборе ИБП для котла отопления следует учитывать следующие параметры:

  • максимальную полную мощность подключаемой полезной нагрузки с учётом реактивной нагрузки;
  • максимальную разрешенную ёмкость подключаемых АКБ;
  • время заряда батарей указанной ёмкости.

Более точные таблицы расчёта длительности резерва источника бесперебойного питания для систем отопления вы найдёте в технических спецификациях специализированных ИБП в разделе Источники бесперебойного питания.