Что влияет на автономию ИБП?
Продолжительность работы в автономном режиме определяется ёмкостью аккумуляторов и величиной текущей нагрузки.
Ёмкость измеряется в ампер-часах (сокращенно – Ач) и указывает на количество энергии, которое аккумуляторные батареи (далее также – АБ) способны в себя вобрать и в дальнейшем, при разряде – отдать.
⇒ Чем выше ёмкость подключенных батарей, тем больше заряда в них будет запасено и, соответственно, тем дольше ИБП питает нагрузку в условиях отсутствия входного напряжения.
Указываемая в характеристиках АБ величина номинальной ёмкости является расчётным усреднённым значением актуальным для нового аккумулятора при условии его эксплуатации в строгом соответствии со всеми правилами, фактически – в идеальных условиях. На практике реальная ёмкость батареи практически всегда меньше приводимого в технической документации номинала, виной тому:
- отклонения температуры окружающей среды от наиболее благоприятных для АБ значений в 18-25 °C (каждые 5 °C превышения температуры над 25 °C снижают ёмкость АБ на 10-15%);
- нарушение установленных для батарей либо для ИБП со встроенными батареями правил эксплуатации и хранения. Опасны «глубокий» разряд (≥90%) и заряд током со значением выше разрешенного – и при том, и при другом ёмкость аккумуляторов падает критически и часто безвозвратно;
- естественные и неизбежные химические процессы, протекающие внутри аккумулятора с момента его изготовления и до окончания срока службы.
⇒ Разница между фактической и номинальной ёмкостями увеличивается пропорционально длительности эксплуатации АБ, при этом активное использование с частыми зарядами и разрядами ускоряет рост этого разрыва.
⇒ Равенство фактической и номинальной ёмкостей, а иногда и небольшое превышение фактической – над номинальной, гарантируют только свежеизготовленные батареи, при нахождении в условиях температуры окружающей среды – не более 25 °C и при соблюдении пользователем всех установленных для них эксплуатационных требований.
Теперь рассмотрим пример записи параметра ёмкости в документации на батарею или ИБП, из которого видно, что характеристика зависит от тока разряда:
Номинальная емкость (25 °С)
| 20 часовой разряд (1.30 А; 1.75 В/эл) | 23.8 Ач |
| 10 часовой разряд (2.38 А; 1.75 В/эл) | 26.0 Ач |
| 5 часовой разряд (4.50 А; 1.75 В/эл) | 22.5 Ач |
Ток выше ⇑ – Ёмкость ниже ⇓
Ток разряда в свою очередь является отражением подключённой к ИБП нагрузки и, согласно Закону Ома, возрастает с увеличением её потребляемой мощности. Отсюда следует, что чем сильнее нагружен бесперебойник, тем быстрее будет расходоваться запасённая в его батареях энергия и тем, соответственно, меньше будет время автономной работы устройства.
Нагрузка выше ⇑ – Время автономии ниже ⇓
⇒ Один и тот же ИБП с одними и теми же батареями при разной нагрузке имеет разную продолжительность автономии (про способы увеличения автономии поговорим ниже по тексту).
Как посчитать время работы ИБП от батарей?
Существуют несколько способов. Они отличаются количеством задействованных при вычислении параметров бесперебойника и АБ, а также точностью подсчета. Например, простейшая формула расчета времени работы от аккумулятора содержит всего три параметра и выглядит следующим образом:
t = C x U/P , где
t – искомая величина;
C – суммарная ёмкость подключённых к ИБП АБ;
U – суммарное напряжение подключённых к ИБП АБ;
Р – потребляемая мощность нагрузки.
Однако результат получается очень приближенным, что осложняет практическое применение указанной формулы.
⇒ Погрешность при определении автономии ИБП приводит к неприятным последствиям. Никому не хотелось бы вдруг обнаружить, что максимального запаса энергии вместо ожидаемого часа хватает всего на 20-30 минут бесперебойной работы.
Для получения более точного представления о продолжительности автономии бесперебойника рекомендуем использовать метод, основанный на применении разрядных таблиц батарей.
Алгоритм следующий:
1) Рассчитать мощность общей нагрузки на аккумуляторы с использованием формулы 1:
Робщ акум = Р/η, где
Робщ акум – искомая величина;
Р – потребляемая мощность нагрузки;
η – КПД бесперебойника при работе от АБ, параметр обычно приводится в документации на устройство. Учтите, что в случае его выражения через проценты нужно приведённое значение разделить на 100 (например – 85 %, η = 85/100 = 0,85).
2) Рассчитать мощность нагрузки на отдельный аккумулятор с использованием формулы 2:
Ротд акум = Робщ акум/Nакум, где
Ротд акум – искомая величина;
Робщ акум – мощность общей нагрузки на аккумуляторы (рассчитана в предыдущем действии);
Nакум – количество подключённых к ИБП аккумуляторов.
3) Рассчитать мощность нагрузки на отдельный элемент аккумулятора с использованием формулы 3:
Рэлт акум = Ротд акум /Nэлм, где
Рэлт акум – искомая величина;
Ротд акум – мощность нагрузки на отдельный аккумулятор (рассчитана в предыдущем действии);
Nэлм – количество элементов (двухвольтовых ячеек) входящих в состав одного отдельного аккумулятора, равняется номинальному напряжению аккумулятора делённому на два.
⇒ Не путайте суммарное напряжение всех подключенных к бесперебойнику аккумуляторов (бывает 12, 24, 36, 48 В и далее вплоть до трехзначных значений) с номинальным напряжением одного единственного аккумулятора – в контексте определения Nэлм важно именно оно!
Номинал одного свинцово-кислотного аккумулятора обычно составляет 12 Вольт, соответственно, Nэлм = 6.
4) Перейти к непосредственному использованию разрядных таблиц. Пример разрядной таблицы из характеристик АБ представлен ниже. Общепринятая глубина разряда для АБ при использовании с ИБП – 1,75 В на один элемент (В/Элт).
Из этой строки выбирается величина максимально приближенная к рассчитанному в предыдущем действии значению Рэлт акум с округлением в большую сторону. Соответствующее столбцу с выбранной величиной время и будет искомым временем работы ИБП от батарей.
Рассмотрим применение формул расчета времени работы ИБП и разрядных таблиц на практических примерах.
Пример 1. Стандартный расчет автономности ИБП
Выясняется, сколько времени ИБП Штиль SW500SL со встроенной батареей будет питать газовый котел с потребляемой мощностью 130 Вт при отключении входного напряжения.
Сначала изучаем сопутствующую ИБП документацию (руководство по эксплуатации) на предмет характеристик внутренних АБ и информации о КПД прибора при работе в автономном режиме.
Краткие описания АБ (основные параметры) обычно приводится в разделе с техническими характеристиками бесперебойника, там же находим сведения и о КПД (значение выражено в процентах, поэтому делим на 100 и получаем η = 0,81).
⇒ Подробная информация о внутренних аккумуляторах ИБП указывается в разделе руководства по эксплуатации или выноситься на отдельный лист-вкладыш. Изучайте содержание документа, а также комплект поставки устройства!
Ошибки нет! Теперь последовательно применим формулы 1 - 3:
Робщ акум = 130 (мощность котла)/0,81 = 160,5 Вт;
Ротд акум = 160,5/2 = 80,3 Вт;
Рэлт акум = 80,3/6 = 13,4 Вт.
Значит, нагрузка на отдельный элемент АБ составит 13,4 Вт – переходим к разрядным таблицам, которые входят в состав подробной информации о внутренних аккумуляторах.
Строка стандартной глубины разряда (1,75 В) содержит значение равное расчётной величине Рэлт акум, которому в свою очередь соответствует промежуток времени величиной в 45 минут.
Вывод: ИБП Штиль SW500SL со встроенной батареей будет питать газовый котел мощностью 130 Вт от внутренней батареи в течение 45 минут.
Пример 2. Подбор ёмкости батарей под необходимое время автономии
Подбираются внешние АБ для ИБП Штиль SW1000L, при условии загрузки устройства на 800 Вт и требуемого времени автономии – 1 час.
Обращаемся к документации на устройство:
Выясняем, что КПД при работе в автономном режиме 86% или 0,86, а номинальное напряжение всех подключенных к прибору аккумуляторов составляет 36 В. Простой способ получить такое значение – это последовательно соединить три 12-вольтовых аккумулятора (Nакум = 3).⇒ Подробную информацию о схемах соединения аккумуляторов можно найти в интернете или получить, проконсультировавшись со специалистом.
Напряжение отдельных батарей в такой сборке складывается, а ёмкость сохраняется неизменной
Применяем формулы 1 – 3:
Робщ акум = 800/0,86 = 930,2 Вт;
Ротд акум = 930,2/3 = 310 Вт;
Рэлт акум = 310/6 = 51,6 Вт.
Теперь изучаем разрядные характеристики линейки 12-вольтовых аккумуляторов от крупного производителя и находим те, которые способны проработать час при разряде до 1,75 В мощностью ≥ 51,6 Вт. Номинальная ёмкость этих изделий 55 Ач, разрядные характеристики приведены ниже:
Рассмотрим и другой вариант, когда вместо последовательного подключения к ИБП трех батарей используется более сложная схема с параллельным соединением двух групп, каждая из которых включает в себя по три последовательно соединённых батареи:
Напряжение групп остается неизменным, а ёмкости суммируются
Nакум = 6, соответственно расчет по формулам 2 и 3 примет следующий вид:
Ротд акум = 930,2/6 = 155 Вт;
Рэлт акум = 155/6 = 25,8 Вт.
Понадобятся батареи, работающие час при разряде мощностью ≥ 25,8 Вт. Снова обращаемся к линейке крупного производителя и выбираем изделия на 26 Ач со следующими разрядными характеристиками:
Вывод: Обеспечить час автономии ИБП Штиль SW1000L при полной нагрузке можно с помощью последовательного подключения трех АБ (12 В, 55 Ач) или параллельного подключения двух групп, по три АБ в каждой (12 В, 26 Ач). Теоретически по схожему принципу применяется и большое число батарейных групп, однако на практике с ростом числа отдельных аккумуляторов возрастает сложность коммутаций в батарейной цепи, повышаются расходы на кабели и перемычки, а также увеличивается занимаемое батареями место. Также три АБ большей емкости (55 Ач) обходятся обычно дешевле, чем шесть – меньшей (26 Ач).
⇒ Рассчитанное в примере 1 время автономии (45 минут) и подобранная в примере 2 ёмкость АБ (26 или 55 Ач – в зависимости от способа подключения) актуальны только для новых батарей в условиях температуры окружающей среды, не превышающей 25 °C.
Выше уже говорилось о том, что падение ёмкости является естественным и неизбежным процессом, который происходит даже при правильной эксплуатации батарей. Поэтому фактическое время автономии АБ будет постепенно отклоняться (в сторону уменьшения) от расчетного значения либо от значения, использованного при подборе подходящей ёмкости АБ.
⇒ О том, как продлить жизнь аккумулятору ИБП подробно описано в статье «Советы по увеличению срока службы аккумуляторов в источниках бесперебойного питания».
⇒ ИБП Штиль автоматически контролируют состояние батарей и при необходимости сигнализируют об их неисправности, а также – защищают аккумуляторы от «глубокого» заряда и заряжают их нормированным током. Коме того, модели с выходной мощностью от 0,3 до 3 кВА информируют пользователя о прогнозируемом времени автономной работы при текущей нагрузке по средствам ЖК-дисплея, специализированного ПО или web-интерфейса.
Как увеличить время работы ИБП от батарей?
Увеличить время автономной работы бесперебойника можно либо снизив нагрузку, либо повысив ёмкость АБ.
Первый вариант возможен при одновременном подключении к ИБП разных по приоритетности потребителей и не подходит для ситуаций, в которых прибор:
- питает единую нагрузку;
- работает с несколькими устройствами одинаковой приоритетности.
Увеличения ёмкости АБ выполняется за счет параллельного подключения к ИБП дополнительных батарей:
9 Ач, исходная ёмкость
18 Ач, емкость после подключения дополнительных батарей
⇒ Все подключенные к ИБП АБ имеют одинаковую номинальную емкость.
⇒ Встроенное в любой бесперебойник зарядное устройство для АБ имеет предел мощности, поэтому бесконечно повышать ёмкость подключённых к ИБП аккумуляторов не получится. В какой-то момент прибор просто не выдаст ток, достаточный для корректного заряда всех подключённых батарей.
Устранить нехватку зарядного тока можно несколькими путями:
- уменьшение числа батарей и, следовательно, ёмкости, а значит – и времени автономии;
- применение другого бесперебойника – с более мощным зарядным устройством;
- подключение к системе бесперебойного питания дополнительного внешнего зарядного устройства для аккумуляторов.