Простой источник бесперебойного питания с буферным режимом зарядки аккумулятора. Необслуживаемые свинцовые кислотные аккумуляторы - аккумуляторы для UPS

Все мы привыкли в благам цивилизации, и когда что то из удобств исчезает, человек ощущает сильный дискомфорт. У большинства иногда пропадает электроэнергия, так как состояние электросети в большинстве городов очень старые и аварии происходят довольно часто. После того как я в очередной раз 4 часа просидел в темноте, я решил что нужно что то делать... И решение пришло довольно быстро. Аккумулятор 12V 7Ah, такие используются в компьютерных бесперебойниках, небольшая схема, которая будет поддерживать данный аккумулятор, всегда в заряженном состоянии, кусок светодиодной ленты, и Разъем для подключения роутера (без интернета скучно), ноутбук и планшет слава богу имеет свой аккумулятор... И все, нам теперь есть чем заняться и без центральной поставки электроэнергии....
Схема зарядки держит аккумулятор в буферном режиме, то есть на аккумулятор всегда поступает напряжение определенного уровня, что поддерживает его в заряженном состоянии. Производители пишут на корпусе какое именно напряжение необходимо для вашей батареи. Обычно оно лежит в пределах 13,5 - 13,8 вольта. Под таким напряжением аккумулятор может быть подключен к сети постоянно.

Буферный режим заряда аккумуляторов, является основным в системах альтернативной энергетики. От правильной настройки и режима использования оборудования зарядной системы зависит производительность всей системы, надёжность и срок службы оборудования.

При использовании в системах альтернативного энергоснабжения в качестве накопителей электрической энергии аккумуляторов, имеются определённые сложности. Это связано с тем, что поступление электрической энергии от ветряков солнечных батарей неравномерно. Поэтому не всегда удаётся обеспечить необходимый ток заряда для аккумуляторов, чтобы через определённое заданное время отключить зарядку. Для таких систем используют буферный режим заряда аккумуляторов, когда к аккумуляторам постоянно подключено зарядное устройство, а также в любое время могут быть подключены один или несколько потребителей электрической энергии. Буферный режим заряда обычно применяют для аварийного включения резервного питания и для сглаживания пиковых нагрузок при маломощном источнике питания. В альтернативной энергетике буферный режим заряда аккумуляторов выполняет несколько иные функции, обеспечение энергоснабжения системы при прерывистом поступлении энергии для заряда аккумуляторов и обеспечение необходимого количества энергии при неравномерном потреблении энергии потребителями.

Разберём подробнее приведённую схему и работу буферного режима зарядки, его достоинства и недостатки. Важной особенностью этого режима является то, что выходное напряжение зарядного устройства задаётся примерно на 0,05В – 0,1В больше максимального напряжения для заряженного аккумулятора, а значение этого напряжения будет зависеть от конкретного типа аккумулятора. Даже кислотные аккумуляторы разных типов могут иметь различное конечное напряжение заряда, причём оптимальное напряжение несколько меняется при изменении температуры аккумулятора. При отключенной нагрузке R н, зарядка будет происходить следующим образом: ЭДС зарядного устройства Е з превышает ЭДС аккумулятора Е а и направлена встречно напряжению аккумулятора. Сумма падений напряжения в контуре заряда, равна алгебраической сумме ЭДС этого контура. Следовательно, ток заряда будет зависеть от разности ЭДС зарядного устройства и от общего сопротивления цепи, состоящей из внутреннего сопротивления зарядного устройства и аккумулятора.

Внутреннее сопротивление зарядного устройства R з и аккумулятора R а будем считать практически постоянным. Следовательно, величина тока зарядки будет зависеть от разности ЭДС. Внутренние сопротивления небольшие по величине, поэтому если аккумулятор разряжен, ток заряда может стать больше допустимого, для конкретного аккумулятора или зарядного устройства. Поэтому зарядные устройства выполняют по схеме с ограничением максимального тока и применяют для аккумуляторов определённого типа и ёмкости. По мере заряда аккумулятора разница ЭДС, а значит, и ток заряда будут уменьшаться. Поэтому процесс заряда аккумулятора будет замедляться независимо от того, какую мощность в это время способен выдавать источник альтернативной энергии и может продолжаться до нескольких суток.

Если установленное напряжение на зарядном устройстве завышено, то после окончания химического процесса заряда, электрическая энергия будет идти на нагрев аккумулятора и на разложение воды на водород и кислород. У обслуживаемых аккумуляторов это приведёт к быстрому уменьшению уровня электролита. Большинство необслуживаемых аккумуляторов изготавливаются с возможностью рекуперации водорода и кислорода в воду, но возможности этой системы ограничены. Если необслуживаемый аккумулятор периодически сбрасывает через клапан повышенное давление газа, то это приводит к высыханию электролита, быстрому старению и выходу аккумуляторов из строя.

Альтернативные источники энергии не всегда могут вырабатывать энергию достаточную для заряда аккумулятора. Если генератор ветряка выдаёт напряжение меньше, чем напряжение аккумуляторов, то заряд не происходит. Схема зарядного устройства должна защищать аккумулятор от разряда через зарядное устройство и генератор.

Рассмотрим режим разряда аккумулятора при отсутствии зарядного тока:

В этом режиме, согласно рисунку, выключатель SA1разомкнут, а выключатель SA2 замкнут. Ток разряда будет зависеть от ЭДС аккумулятора и суммы внутреннего и внешнего сопротивления и определяется по формуле:

Напряжение на выводах аккумулятора 1 и 2 будет равно ЭДС аккумулятора минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении:

U = E a – R a I н

Ток через нагрузку и внутреннее сопротивление одинаковый. Внутреннее сопротивление аккумулятора небольшое и ток в основном зависит от величины сопротивления нагрузки. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше потребляемый ток и больше величина падения на внутреннем сопротивлении и меньше напряжение на выводах аккумулятора 1 и 2.

Теперь рассмотрим режим одновременной работы зарядного устройства и нагрузки аккумулятора, когда замкнуты контакты SA1и SA2.

Если во время заряда аккумулятора, подключили нагрузку, которая потребляет небольшой по сравнению с зарядным ток, то на зарядку аккумулятора будет идти уже меньшая часть тока. При постепенном уменьшении сопротивления нагрузки и увеличении потребляемого тока, зарядный ток аккумулятора будет уменьшаться и при некотором значении прекратится. Потребляемый от зарядного устройства ток увеличится, что приведёт к некоторому падению напряжения до величины ЭДС аккумулятора. Если поступающий от зарядного устройства ток меньше или равен току, потребляемому нагрузкой, то в таком режиме потреблять энергию можно очень долго. Дальнейшее увеличение потребляемого тока приведёт к тому, что падение напряжения ещё больше увеличится и аккумулятор начнёт отдавать запасённую ранее энергию. Аккумулятор берёт на себя пиковую повышенную нагрузку. Длительная работа в таком режиме может привести к глубокому разряду аккумулятора, в результате снижается ЭДС аккумулятора. Слишком глубокий разряд аккумулятора значительно сокращает срок его службы, поэтому нагрузку лучше подключать через преобразователь или иное устройство, способное автоматически отключать нагрузку при снижении напряжения ниже допустимого уровня. Для кислотных аккумуляторов нежелательно, чтобы они долго находились в разряженном состоянии.

При использовании буферного режима заряда, необходимо следить за поступлением энергии от источника и желательно учитывать, что в то время, когда источник энергии способен выдавать большое количество энергии, но эта энергия не потребляется, то при заряженных аккумуляторах энергия не накапливается, а значит, безвозвратно теряется. При отсутствии поступления энергии от источника, например, ветряка, потребление энергии необходимо сократить или прекратить, чтобы не разрядить аккумуляторы больше допустимой нормы, а также иметь некоторый запас на случай длительных перерывов в поступлении энергии.

П ри циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости.

В большинстве UPS (не только в on-line UPS) аккумулятор работает в буферном режиме. Однако в некоторых UPS зарядное устройство отключают после полной - аккумулятор UPS в этом случае ближе к к циклическому режиму работы. Производители декларируют увеличение срока службы аккумуляторов в таких UPS. Буферный режим работы характерен также для систем бесперебойного питания постоянного тока, которые широко применяются для коммуникаций (связи), систем сигнализации, электростанций и других непрерывных производств.

Ц иклический режим работы аккумуляторных батарей используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов.

П роизводители аккумуляторов иногда указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор. Но в последнее время, большинство могут применяться и в буферном и в циклическом режимах.

Аккумуляторы для всех

С амые распространенные - это 5-летние аккумуляторы общего применения. Они могут использоваться для буферного и циклического режима работы, имеют расчетный ресурс 5 лет. Они могут применяться как аккумуляторы для UPS или других систем резервного питания. Другое их применение - для моделей, переносных приборов, игрушек, вроде детского мотороллера. У фирмы CSB они имеют марку GP (от англ. general purpose - общего назначения). Аккумуляторы GP неприхотливы, практически герметичны (допускается использование в любом положении, кроме клеммами вниз). Как аккумуляторы для UPS, они могут работать от 2 до 7 лет, в зависимости от условий эксплуатации (прежде всего, температуры).

HR аккумуляторы для UPS

Н екоторые аккумуляторы специально позиционируются производителем, как аккумуляторы для UPS. При той же массе (а иногда и тех же размерах) эти аккумуляторы во время коротких (10-30 минут) разрядов отдают большую , чем обычные аккумуляторы. Прирост времени работы UPS может быть больше 50% (при временах разряда около 10 минут). При длительных разрядах эти "аккумуляторы для UPS" не имеют преимуществ по сравнению с обычными.

У фирмы CSB и некоторых других производителей такие аккумуляторы имеют обозначение HR (от английского high rate - высокий темп, большая мощность). Эти аккумуляторы можно, конечно, использовать не только, как аккумуляторы для UPS. Их выгодно применять во всех случаях, когда требуется компактная система питания с небольшими временами работы от батареи.

L аккумуляторы. Для UPS и не только.

Н аиболее распространены аккумуляторы со сроком службы в буферном режиме 5 лет. Но выпускаются также аккумуляторы со сроком службы увеличенным до 10 лет. Они часто имеют те же размеры и вес, что и 5-летние батареи, но заметно дороже. В их названии часто есть буква L (от англ. Long - продолжительный). В частности у фирмы CSB есть серия 10-летних аккумуляторов GPL. Батареи UPS, составленные из таких аккумуляторов, действительно работают заметно дольше - их замедлено. Но, как любые аккумуляторы для UPS (или других систем питания) GPL любят правильную , не любят повышенные температуры и частые разряды.

Перед установкой аккумулятора в UPS.

П риобретая аккумулятор, убедитесь, что на его верхней поверхности . имеется такая наклейка. Она является свидетельством предпродажной проверки аккумулятора . Наклейка является гарантией того, что в момент продажи аккумулятор полностью исправен и при правильной эксплуатации прослужит многие годы.

Буферный режим работы аккумуляторных батарей является самым «любимым» - батарея находится на постоянной подзарядке и очень редко получает глубокий разряд. В таком режиме аккумулятор прослужит вам максимально долго.

Примером использования аккумулятора в буферном режиме может быть источник бесперебойного питания: когда присутствует сеть, аккумулятор постоянно держит заряд, а в момент, когда сеть пропадает, аккумулятор начинает отдавать накопленную энергию. В компьютерных источниках бесперебойного питания обычно используют аккумуляторы 12 В ёмкостью от 7 до 26 А-ч, это даёт возможность компьютеру проработать от аккумулятора дополнительных 10-15 минут при отключении электричества.

Сфера применения при буферном режиме:

• накопители солнечной энергии
• источники бесперебойного питания (ИБП)
• системы аварийного освещения
• лифты
• пожарные и охранные системы
• контрольно-кассовые аппараты
• аварийные системы

Циклический режим

Циклический режим работы является самым «жёстким» для аккумуляторной батареи. В таком режиме её полностью разряжают, потом ставят на зарядку и снова полностью разряжают. Срок службы в таком случае будет зависеть от глубины разряда аккумулятора.

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов AGM-типа имеют циклический ресурс не более 300 циклов 100% разряда, но уже существуют аккумуляторы нового поколения, циклический ресурс которых составляет 600 циклов 100% разряда.

Сфера применения при циклическом режиме:

• поломоечные машины
• лодочные моторы
• электромобили
• погрузочная техника и т.д.