Noodstroomvoeding: doel en specificiteit van de werking van een huishoudelijke UPS

Om apparaten werkend te houden bij stroomstoringen gebruikt men een ononderbroken stroomvoorziening. Afhankelijk van het type aangesloten apparaten en de elektriciteitsparameters moeten verschillende modellen worden gekozen. Deze apparaten zijn gewild, dus het is niet moeilijk om een exemplaar met de gewenste specificaties aan te schaffen.

Maar voor aankoop moet u zelf de kenmerken begrijpen en deze kwestie niet overlaten aan managers die belang hebben bij verkopen.

In dit materiaal bekijken we de opbouw en werking van de UPS en vertellen we over de gebruiksregels.

Schema's van UPS voor wisselstroom

Voor huishoudelijk gebruik gebruikt men apparaten voor ononderbroken stroomvoorziening die worden aangesloten op een enkelfasig 220 V-net en die gedurende enige tijd bij stroomuitval verbruikers kunnen voeden die dezelfde spanning nodig hebben.

Er zijn ook UPS's die aan de ingang zijn aangesloten op een driefasig net en aan de uitgang 380 V of 220 V leveren. Ze zijn echter duur en worden gebruikt wanneer een autonoom vermogen van 10 kVA nodig is, wat voor huishoudelijk gebruik niet vereist is.

Huishoudelijke UPS's voor wisselstroom worden op basis van hun werking onderverdeeld in de volgende typen:

• reserve (offline);
• interactieve (line-interactief);
• dubbele conversie (online).

Ze verschillen in kwaliteit van de uitgangsspanning en prijs. De goedkoopste zijn reserve, de duurste zijn dubbele conversie.

De eenvoudigste reserveschema voor stroomvoorziening omvat een schakelrelais en passieve filtering om storingen te onderdrukken.

Voor de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom in de lader wordt een gelijkrichter gebruikt. De omgekeerde transformatie vindt plaats met behulp van een omvormer.

In UPS'en worden doorgaans gewone elektromechanische relais geïnstalleerd om de schakeling van het net naar de accu te schakelen. Als dit onderdeel van goede kwaliteit is, is de levensduur ervan voldoende voor de volledige gebruiksduur van de UPS. Maar meestal, bij een defect van de unit, zit het probleem juist in dit constructieonderdeel.

De lijn-interactieve schakeling verschilt van de standby-schakeling door de aanwezigheid van een spanningsstabilisator. Deze is uitgevoerd als een typische autotransformator met direct verbonden wikkelingen.

Spanningsstabilisatie komt ook voor in veel huishoudelijke apparaten. Daarom, als de afwijkingen klein zijn, heeft het geen zin om een duurder lijn-interactief model aan te schaffen.

De aanwezigheid van een transformator dwingt de fabrikant vaak tot het gebruik van geforceerde koeling, daarom worden dergelijke UPS'en uitgerust met koelers. Deze maken geluid dat qua intensiteit vergelijkbaar is met dat van een computer-systeemeenheid.

Bij een online-schakeling wordt de inverter continu gevoed vanuit de accu's. Daarom is bij stroomstoringen de schakeltijd naar reservevoeding nul.

De meest complexe en dure dubbelomzettingsapparaten hebben bovendien het laagste rendement. Elektrische energie gaat verloren als warmte die het apparaat uitstraalt. Daarom moet het gebruik ervan worden gerechtvaardigd.

Het belangrijkste voordeel van dit type UPS is de onmiddellijke reactie op een stroomuitval. Maar voor de meeste huishoudelijke apparaten is dit niet zo belangrijk. Dezelfde computers worden meestal uitgerust met een standby- of interactieve UPS.

Belangrijkste parameters

Er zijn momenteel veel aanbiedingen op de markt voor de verkoop van huishoudelijke UPS'en. Om hun doel correct te bepalen en geen fout te maken bij de keuze, moet u begrijpen op welke parameters u in de eerste plaats moet letten.

Belangrijkste technische specificaties

Het uitgangsvermogen van het apparaat bepaalt de maximaal toegestane waarde die de unit gegarandeerd aan de gebruiker kan leveren. Het wordt gemeten in volt-ampères (VA). Voor het gemak van de gebruikers wordt deze waarde vaak vermeld en in watt.

Om de belasting van apparaten te meten, kunt u een ampèremeter gebruiken of deze berekenen met behulp van de meterstanden die in het appartement zijn geïnstalleerd.

Het stroomverbruik kan worden gemeten met een huishoudelijke ampèremeter (wattmeter) met stopcontact. Het aangesloten apparaat moet in de maximale verbruiksmodus worden gezet.

Bij het bepalen van het werkelijke vermogen van een computer moet u niet uitgaan van het nominale vermogen van de voeding, omdat deze altijd met reserve wordt gekocht.

Als er geen ampèremeter is, moet u de volgende stappen uitvoeren:

1. Schakel alle stroomgroepen in de meterkast uit, behalve die waar de computer op is aangesloten.
2. Schakel alle apparaten in deze stroomgroep uit.
3. Zet de computer aan en start een voor hem typisch programma (bijvoorbeeld een video van YouTube).
4. Wacht tot op de meter de waarde met een tiende kilowatt verandert.
5. Noteer de tijd tot de volgende verandering.

Het gemiddelde vermogen (P, watt) over deze periode (t, minuten) kan worden berekend met de formule:

P = 100 * (60 / t)

Het volgende belangrijke kenmerk is de autonomietijd. Deze indicator hangt af van de belasting die de UPS op dat moment ervaart. Op maximaal toegestaan vermogen werken de accu's van een huishoudelijk apparaat 1-3 minuten. Bij half vermogen is dat veel langer (tot 10 minuten).

Uit de grafiek van de afhankelijkheid van de autonomietijd van de accu's van de gemiddelde belasting blijkt dat deze afhankelijkheid niet-lineair is. Dit komt door de manier waarop de batterijen worden ontladen.

Hieruit volgen twee conclusies:

• bij een stroomuitval moet u de door de apparaten verbruikte belasting zo veel mogelijk verminderen;
• het is raadzaam om een UPS aan te schaffen met een vermogen dat ten minste 30% hoger ligt dan het berekende vermogen.

Het ingangsspanningsbereik geeft de minimaal en maximaal toegestane netspanning aan waarbij de voeding niet naar de accu's wordt overgeschakeld. In de regel hanteren alle UPS'en een bereik van 180-260 V.

Bij sommige fabrikanten kunt u zeer goede (reclame) waarden tegenkomen, bijvoorbeeld een ondergrens van 110 V. U moet er dan zeker van zijn dat deze cijfers voor de maximale belasting zijn genomen, niet voor de halve belasting.

Nog een belangrijke technische indicator is het geluidsniveau. UPS'en die zijn gebouwd volgens line-interactieve of online technologie produceren veel warmte, daarom installeren fabrikanten ventilatoren. Als de koelers goedkoop zijn, zullen ze na verloop van tijd een zoemend geluid produceren, wat ongewenst is in een woonruimte.

Interface en configuratie

Het uiterlijk van de units kan zeer divers zijn. Ze hebben meestal een klassieke rechthoekige vorm, met aan de voorkant indicatoren of een display en aan de achterkant stroomaansluitingen. Het aantal is niet zo belangrijk, omdat u aan de uitgang een verlengsnoer met een stekkerdoos kunt aansluiten. Dit is geenszins in tegenspraak met het concept van een UPS.

Het model kan een lcd-scherm hebben waarop de situatie met betrekking tot de voeding van de aangesloten apparaten wordt weergegeven: aanwezigheid van stroom, aantal verbruikers, acculading, enz.

Het indicatorsysteem verlaagt de kosten van de apparatuur. Bovendien is het praktischer. Als u bepaalde parameters wilt weten, dan hebben veel modellen de functie om verbinding te maken met een computer.

Om de parameters van de stroomvoorziening, de toestand van de UPS-accu's en de werking ervan te achterhalen, kunt u deze op een computer aansluiten. Voor veel modellen is deze functie geïmplementeerd en is software ontwikkeld.

Er zijn drie hoofdtypen interface:

• USB. De meest voorkomende verbinding tussen computer en UPS.
• RS-232 (COM-poort). Komt zelden voor in huishoudelijke modellen.
• Ethernet 10/100. Dit wordt gebruikt voor extern beheer van de UPS.

De software voor het verkrijgen van kenmerken van de UPS en de besturing ervan is niet alleen ontwikkeld voor verschillende versies van Windows. Zo heeft bijvoorbeeld de bekende fabrikant Powercom een Android-versie van de software waarmee u op afstand de voedingsstatus kunt controleren en indien nodig de werking van de UPS kunt aanpassen.

De software maakt het mogelijk de belangrijkste kenmerken van het elektriciteitsnet te volgen, zoals ingangs- en uitgangsspanning en frequentie. Ook kunt u de laadstatus van de accu's en de temperatuur van het apparaat zien.

UPS'en worden in de directe nabijheid van de te beschermen stroomverbruikers geplaatst. Meestal worden ze op de vloer of op planken gezet. Sommige modellen zijn voorzien van bevestigingsmiddelen waarmee ze aan de muur kunnen worden gemonteerd.

Kwaliteit van de uitgangsstroom

Ononderbroken stroomvoorzieningen moeten stroom van de juiste kwaliteit leveren. Bij werking op accu's zorgt de omvormer hiervoor, en bij netvoeding moeten filters en een stabilisator problemen oplossen. Storingen in het elektrische circuit hebben verschillende oorzaken en gevolgen voor de elektronica. Daarom moet u ook dit aspect grondig onderzoeken.

Netstoringen en beveiliging

Alle moderne UPS'en zijn uitgerust met beveiliging tegen problemen aan de kant van de aangesloten apparaten. Als de totale belasting de maximaal toegestane overschrijdt of er een kortsluiting optreedt, schakelt de UPS onmiddellijk de stroom uit.

Storingen in het net kunnen grofweg worden onderverdeeld in frequentie- en impulsstoringen. De eerste zijn niet zo gevaarlijk, vooral niet voor voedingen van computers of televisies, die wisselstroom omzetten in gelijkstroom. De tweede kunnen problemen veroorzaken bij elke elektronica.

Daarom zijn de meeste UPS'en uitgerust met beveiliging tegen impulsen en harmonischen met behulp van varistoren en hoogfrequente filters.

Het verwijderen van storingen op de lijn gebeurt in twee stappen. Eerst snijden varistoren de hoogfrequente impulsen af, vervolgens egaliseert een filter kleine pieken.

Het probleem van het optreden van hoogspanningsimpulsen is niet alleen kenmerkend voor stroomkabels, maar ook voor datatransmissienetwerken - computer- of telefoonnetwerken. Ze kunnen ontstaan door atmosferische elektriciteit, doorslag van nabijgelegen bedrading, elektrische interferentie en andere oorzaken.

Veel fabrikanten brengen modellen uit met de mogelijkheid om het lokale netwerk te beschermen. Hiervoor heeft de UPS twee RJ-45-aansluitingen – één voor de ingang en één voor de uitgang. Het signaal gaat door een filter dat spanningspieken onderdrukt. Voor telefoonlijnen is het systeem hetzelfde, alleen hebben de aansluitingen het RJ-11-formaat.

Lage en hoge spanning

De spanningsregeling vindt plaats met behulp van een automatische spanningsregelaar (AVR), waarvan het belangrijkste onderdeel een autotransformator is. Het principe van de werking is gebaseerd op het veranderen van het aantal windingen van een van de spoelen, waardoor de spanning wordt verhoogd of verlaagd.

De aanwezigheid van AVR in de UPS maakt het mogelijk om niet elke keer de batterijmodus in te schakelen bij een kleine afwijking van de spanning ten opzichte van de norm. Dit verlengt de levensduur van de accu's aanzienlijk.

Professionele multimeters, zoals de CEM DT 9909, kunnen gedurende lange tijd spanningswaarden registreren. Het gebruik van zo'n apparaat kan helpen bij het kiezen van een stabilisator of UPS.

Volgens GOST 29322-2014 is een afwijking van 10% van de spanning ten opzichte van de referentiewaarde toegestaan gedurende maximaal 1 uur. Alle moderne UPS'en met regelaars kunnen dergelijke schommelingen aan.

Zuiverheid van het uitgangssignaal

Het type uitgangssignaal hangt af van het model omvormer dat in de UPS is geïnstalleerd. Idealiter zou de wisselspanningsgolf een sinusvorm moeten hebben. Maar na omzetting via de omvormer krijgt deze een getrapte vorm.

Hoe meer stappen in de curve van de momentane spanning versus tijd, hoe beter de kwaliteit van de wisselstroom. Voor sommige apparaten is dit belangrijk.

Voor apparatuur die asynchrone elektromotoren (koelkast, airconditioner), transformatorvoedingen (hoogwaardige audioapparatuur), APFC-voedingen (servers en krachtige computers) bevat, is een zuivere of goed benaderde sinusgolf nodig.

Geen enkele omvormer, en dus ook geen UPS, levert een zuivere sinusgolf, wat fabrikanten ook in reclamefolders schrijven. De benadering van het uitgangssignaal tot een sinusgolf wordt beoordeeld via de totale harmonische vervorming (THD).

Het uitgangssignaal van de eenheid kan als sinusoïdaal worden beschouwd bij THD < 5%. Bij sommige modellen, zoals de IMV NetPro 2000, is deze waarde slechts 2%.

Gebruiksregels voor UPS

Bij het aanschaffen van een UPS voor noodstroomvoorziening moet u begrijpen met welke apparaten deze kan worden gebruikt. Soms is het onmogelijk om alleen met een UPS te volstaan en moeten er extra maatregelen worden genomen om het huis van stroom te voorzien.

Aansluiten van huishoudelijke apparaten

Computers, modems, routers, video- en audioapparatuur zijn typische thuis- of kantoortoestellen waarop UPS'en worden aangesloten. Als deze apparatuur gewone schakelende voedingen bevat, is het voldoende om relatief goedkope modellen aan te schaffen die geen zuivere sinusgolf leveren.

Moderne modellen zijn compact en hebben een aantrekkelijk ontwerp dat harmonieus samen met andere apparaten in het interieur van de woonkamer past.

Voor verlichting hoeft u ook geen dure producten aan te schaffen. Het belangrijkste is hier het correct berekenen van het maximale vermogen en de autonomietijd.

Bij frequente stroomuitval is het probleem van ongeplande ontdooiing van koelkasten en bederf van voedsel actueel. Bij de bescherming van dergelijke apparatuur met asynchrone motoren hebt u UPS's van een complexer ontwerp nodig, omdat er een “zuiver” sinusoïdaal signaal nodig is.

Daarnaast moet u rekening houden met de aanwezigheid van startstromen die optreden bij het starten van de motor. Vereenvoudigd kunt u voor koelapparatuur de waarde ervan bepalen door het vermogen met 5 te vermenigvuldigen.

Als er bijvoorbeeld in de keuken een koelkast staat met een volledig vermogen van 300 W (bij start – 1500 W) en een vriezer van 200 W (bij start – 1000 W), dan hebt u een voeding met een zuivere sinusgolf en een maximaal vermogen van minimaal 1700 W nodig. Deze waarde is verkregen voor het geval dat de vriezer werkt en tegelijkertijd de koelkast inschakelt. Gelijktijdige start van beide motoren is onwaarschijnlijk, en deze UPS zal een secondenlange piek van 2,7 kW aan kunnen.

Een online type blok met een maximaal vermogen van 2000 W kan ongeveer een half uur werken bij een totaal verbruik van 500 W. Aangezien de koelmodus ongeveer 5 minuten duurt, is de UPS gegarandeerd voldoende voor 6 starts van beide apparaten.

In particuliere huizen en cottages is het ook relevant om een UPS te gebruiken ter ondersteuning van het verwarmingssysteem met geforceerde circulatie. Pompen hebben ook een zuivere sinus nodig.

UPS's worden ook actief gebruikt voor gasgestookte verwarmingsketels. Gezien de kosten van de aan te sluiten apparatuur, moet u in dit geval niet besparen op de kwaliteit van de UPS.

Reserve- en extra stroomvoorziening

Voor veel huishoudelijke apparaten is het onmogelijk om een goedkope UPS te kiezen, omdat een aanzienlijk maximaal vermogen nodig is gedurende een lange periode van autonomie. Wasmachines, elektrische ovens, systemen voor gedistribueerde airconditioning verbruiken veel elektriciteit.

U kunt deze apparaten natuurlijk weglaten tijdens een stroomstoring. Dit is zinvol als dergelijke onderbrekingen zelden en kortstondig voorkomen. Maar als er toch wordt besloten om krachtige verbruikers van autonome stroom te voorzien, kunt u beter een benzine- of dieselgenerator gebruiken. Voor een snelle start bij spanningsuitval wordt een systeem voor automatische omschakeling (ATS) gebruikt.

Bij aanwezigheid van een extra stroombron is het toch de moeite waard om een UPS te gebruiken, althans voor computers. Onmiddellijk starten van de generator en herstel van de stroomvoorziening is niet mogelijk.

Stabilisatie van verlaagde spanning

Het probleem van lage spanning is relevant voor objecten die zijn aangesloten op oude of laagvermogen elektriciteitsnetten. Als een dergelijke situatie zich voortdurend voordoet, kunt u beter een ingangsstabilisator gebruiken.

Bij aanwezigheid van een stabilisator wordt de spanning van het huisnetwerk teruggebracht naar de normwaarden. Dit heeft ook invloed op apparaten die niet op de UPS zijn aangesloten.

Bij een te lage spanning neemt de stroomsterkte in het huisnetwerk toe. Stel bijvoorbeeld dat het totale vermogen van de op de UPS aangesloten verbruikers 1,5 kW is en de geleverde spanning 190 V bedraagt.

Dan volgens de wet van Ohm:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – stroomsterkte in de stroomkring vóór de UPS zonder stabilisator;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – stroomsterkte in de stroomkring vóór de UPS met stabilisator.

Dus zal het huisnetwerk zonder stabilisator een verhoogde belasting ervaren, waarmee mogelijk geen rekening is gehouden bij de keuze van de draaddoorsnede.

Daarom is het bij constante te lage spanning beter om een stabilisator te installeren. In dit geval zal ook de belasting op de autotransformator van de UPS kleiner zijn, wat de levensduur verlengt. Bovendien kunt u, gezien de spanningsvereffening, goedkopere UPS-apparaten aanschaffen.

Ononderbroken stroomvoorziening voor gelijkstroomverbruikers

Voor sommige apparaten is het nodig om een ononderbroken gelijkstroomvoeding van 12, 24 of 48 V te garanderen. Dergelijke UPS-systemen zijn ook in de handel verkrijgbaar. In hun aanduiding staat de afkorting “DC”. Blokken met een spanning van 60, 110 of 220 V bestaan ook, maar worden toegepast in de industrie of energiesector.

Het verschil tussen gelijkstroom-UPS in interne opbouw en klassieke modellen bestaat uit het ontbreken van een omvormer. Accu's worden rechtstreeks op de uitgang aangesloten via een contactor met een stroombegrenzende meetshunt om een ontoelaatbaar diepe ontlading van de accu's te voorkomen.

Soms kan er aan de uitgang een stabiliserende omvormer staan, als de door de UPS gevoede apparaten gevoelig zijn voor kleine spanningsschommelingen.

Samen met spanningsomvormers kan een 48 W gelijkstroom-UPS een videobewakingssysteem voeden met een omtrek van maximaal 1 km.

Dergelijke noodstroomvoorzieningen worden gebruikt ter bescherming van de volgende huishoudelijke apparatuur die op gelijkstroom werkt:

• bewakingscamera's en beveiliging;
• diverse sensoren (lek, rook, vuur, beweging e.d.);
• verlichtingssystemen;
• telecommunicatieapparaten;
• communicatiesystemen;
• componenten van het besturingssysteem van “slim huis”.

Veel gelijkstroom-UPS hebben de optie om externe accu's aan te sluiten. In dat geval kan de autonome werking van de door hen bediende apparaten zeer lang zijn.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Kort over de belangrijkste kenmerken van huishoudelijke UPS:

De diversiteit aan soorten UPS en hun kenmerken is het gevolg van verschillende gebruikssituaties: het vermogen en type aangesloten apparaten, parameters en typische problemen van een specifiek elektriciteitsnet. Een UPS is meestal niet het duurste onderdeel in het systeem, maar de stabiliteit van de werking hangt ervan af. Daarom moet u de gebruiksomstandigheden bepalen en zorgvuldig het model kiezen.

Heeft u nog vragen over het onderwerp van het artikel? Of kunt u dit materiaal aanvullen met interessante informatie over UPS? Schrijf dan uw opmerkingen, stel vragen en deel uw ervaringen in het onderstaande blok.