Ponoć każdy z nas jest aż trzykrotnie bardziej zmotywowany, aby nie ponieść straty, niż aby coś zrobić, by potencjalnie na tym zyskać. Podobnie było w moim przypadku, kiedy pewnej zimy, podczas długiego okresu braku dostaw energii elektrycznej (prawie dwie doby), uświadomiłem sobie, że bez prądu nowoczesne urządzenia grzewcze nie działają. Na szczęście mogłem o tym rozmyślać w spokoju i cieple, ponieważ wówczas ogrzewałem dom starym kotłem gazowym z tzw. świeczką, a instalacja była typu grawitacyjnego. Jednak zapamiętałem rozmowy z sąsiadami, którzy dotkliwie odczuwali brak zasilania. No cóż, długie przerwy w zasilaniu z sieci elektroenergetycznej zawsze mogą się powtórzyć, dlatego dzięki tej historii zdecydowałem, że w przyszłości, wymieniając kocioł na nowszy, muszę swoją instalację odpowiednio zabezpieczyć.

Pierwsze próby
Kupując pierwszy zasilacz awaryjny, a był to rok 2008, nie miałem pojęcia ani o czystej sinusoidzie, ani o sinusoidzie modyfikowanej, ani o innych specyficznych parametrach warunkujących współpracę tego typu urządzeń ze źródłem ciepła – po prostu kupiłem jeden z dostępnych na rynku zasilaczy. Niestety, gdy podłączyłem go do swojego kotła na paliwo stałe z wentylatorem, pojawiły się kłopoty. Chociaż regulator kotła działał poprawnie, to wentylator nie chciał się obracać, tylko „buczał”. Co prawda, gdy (manualnie) popychałem wentylator, zaczynał się on kręcić, ale trudno było to uznać za rozwiązanie problemu, bo musiałbym cały czas pilnować, kiedy włącza się wentylator, a kiedy należy go „popchnąć”. Poza tym wentylator pracował podejrzanie głośno. Pompa obiegowa działała, ale również głośno „buczała” i obawiałem się, czy nie przepalą się uzwojenia.

Kształt sinusoidy
Zbadałem temat i okazało się, że zakupiony przeze mnie zasilacz awaryjny generuje sinusoidę modyfikowaną, a za dodatkowe hałasy odpowiedzialne są tzw. wyższe harmoniczne prądu i napięcia, które pojawiają się, gdy krzywa prądu jest odkształcona. Dodatkowo, w układzie o charakterze indukcyjnym, a takim jest silnik pompy czy wentylatora, pojawiają się straty mocy czynnej, wzrost strat w uzwojeniach i występują oscylacje mechaniczne, co powoduje właśnie zwiększenie poziomu hałasu. W tamtych latach (2008-2014) na naszym rynku dominowały urządzenia generujące sinusoidę modyfikowaną, ponieważ były tańsze. Urządzenia z czystą sinusoidą były zdecydowanie droższe. Cóż było robić, chcąc zyskać spokój, musiałem jednak kupić droższy zasilacz z czystą sinusoidą. Dodam, że nowy zasilacz spełnił pokładane w nim nadzieje, a kocioł, wentylator i pompy obiegowe od tej pory działały bez zarzutu.

Oczywiście, kształt sinusoidy to nie wszystko, na co trzeba zwrócić uwagę przy doborze zasilacza awaryjnego, który ma zabezpieczyć działanie instalacji grzewczej na wypadek braku dostaw energii elektrycznej z sieci. Przyjrzyjmy się innym ważnym parametrom doboru.

Stała faza
Jeżeli zasilacz awaryjny będzie obsługiwał kocioł gazowy, który ma układ kontroli płomienia oparty o pomiar prądu jonizacji, ważne jest, by napięcie wychodzące z zasilacza miało fazę w tym samym miejscu, co w przypadku zasilania sieciowego (lewy biegun gniazdka). Dodatkowo, taki zasilacz powinien tolerować upływ między fazą a przewodem ochronnym PE. Prąd jonizacji osiąga wartości do kilkudziesięciu mikroamperów [μA]. Gdyby faza występowała na prawym biegunie gniazdka, automatyka kotła nie wykryłaby prądu jonizacji, a kocioł podczas startu wszedłby w stan awarii – brak płomienia w fazie zapłonu.

Wielkość poboru mocy
Dobierając zasilacz, trzeba też ustalić, jaką moc elektryczną pobierają urządzenia, z którymi będzie on współpracować. Nowoczesne kotły grzewcze czy elektroniczne pompy obiegowe wymagają raczej małych wartości mocy, ale jeśli instalacja składa się z kilku obiegów grzewczych, to trzeba również uwzględnić moc pomp na obiegach grzewczych. Z kolei starsze urządzenia, kotły czy pompy, wyprodukowane przed wprowadzeniem dyrektywy ErP, będą zużywały więcej energii. Duży pobór mocy cechuje też kotły na paliwo stałe z podajnikiem ślimakowym oraz kotły na pellet wyposażone w grzałkę do rozpalania, której moc może sięgać 700 W. W przypadku tych ostatnich chwilowa moc pobierana przez kocioł może wynieść nawet 1000 W. Generalnie, w zależności od rodzaju zasilanych urządzeń, zasilacze awaryjne powinny mieć orientacyjne moce:

• nowoczesny kocioł gazowy/olejowy, kominek, kocioł na paliwo stałe z pompą – do 500 W;
• nowoczesny kocioł gazowy/olejowy z rozbudowaną instalacją grzewczą (kilka pomp), kocioł węglowy z podajnikiem o małej mocy – do 700 W;
• kocioł na pellet z grzałką rozpalającą – do 1200 W.

Za każdym razem należy sprawdzać moc podłączanych do zasilacza urządzeń na ich tabliczkach znamionowych.

Moc czynna a moc pozorna
Przeglądając oferty zasilaczy awaryjnych, spotkamy się z mocą podawaną nie w watach [W], ale w voltoamperach [VA]. Jaka jest między nimi różnica? – Moc podawana w watach [W] to moc czynna, która faktycznie wykonuje pracę, natomiast moc podawana w voltoamperach [VA] to moc pozorna, czyli suma mocy czynnej i mocy biernej. Moc bierna występuje w obwodach prądu przemiennego i odzwierciedla pulsowanie energii elektrycznej między źródłem a odbiornikiem. Chodzi o to, że odbiorniki elektryczne o charakterze pojemnościowym (kondensatory) lub indukcyjnym (silniki, cewki) oprócz zużywania energii, magazynują ją w części okresu przebiegu prądu, a następnie oddają do źródła w pozostałej części okresu.

Moc pozorna (podawana w VA) jest większa od mocy czynnej (podawanej w W). Wybierając zasilacz awaryjny najbezpieczniej jest przyjąć, że moc czynna stanowi około 60% mocy pozornej. A więc zasilacz, który na tabliczce znamionowej ma podaną moc pozorną 800 VA, obsłuży urządzenia o mocy czynnej:

800 ∙ 0,6 = 480 W.

Czas przełączania
Pierwsze zasilacze awaryjne cechowały się długim czasem przełączenia ze stanu pracy na sieci do pracy na akumulatorze – wynosił on od 1 do 3 sekund. Dzisiaj w zasilaczach dobrej klasy czas ten wynosi zaledwie od 4 do 6 milisekund [ms] i moment przełączenia nie jest zauważany przez większość podłączanych urządzeń. Dla porównania, czas pełnego okresu T dla prądu o częstotliwości f = 50 Hz wynosi:

T = 1/50 = 0,02 s = 20 ms.

Jaki akumulator wybrać?
Dobierając akumulator do naszego zestawu, należy kierować się tzw. czasem pracy w podtrzymaniu. Im dłuższy czas pracy w podtrzymaniu i im większą moc ma urządzenie podłączone do zasilacza, tym większą pojemność powinien mieć akumulator.

Prognozowany czas pracy urządzeń podłączonych do zasilacza awaryjnego zależy od tego, jak długiej przerwy w dostawie napięcia oczekujemy. W przypadku miasta zazwyczaj jest to kilka godzin. W przypadku terenów wiejskich i kilkanaście godzin może być zbyt krótkim okresem. Powrócimy do tego zagadnienia jeszcze w dalszej części artykułu.

Akumulatory mają swoją pojemność, którą określa się w amperogodzinach [Ah], czyli teoretycznym czasem pracy przy poborze prądu o określonym natężeniu. Akumulator o pojemności 80 Ah, dostarczający prąd o natężeniu 4 A, przy stałym napięciu akumulatora 12 V, będzie w stanie pracować przez 20 h. Gdy zwiększy się pobór prądu dwukrotnie, do 8 A, akumulator teoretycznie powiczaj przy dużych prądach rzeczywisty czas jest krótszy. Jeżeli zasilany jest odbiornik o mocy 100 W, przy napięciu zasilania ~230 V, pobierany prąd z akumulatora wyniesie teoretycznie:

I_teor = 100 W: 12 V = 8,33 A.

Jednak, uwzględniając sprawność zasilacza na poziomie 90%, faktycznie będzie to:

I_rzecz = 8,33 A: 0,9 = 9,26 A.

To dlatego producenci zasilaczy stosują tak grube przewody między akumulatorem a zasilaczem. Do zasilaczy awaryjnych stosowane są akumulatory bezobsługowe, odporne na głębokie rozładowania – typu VRLA lub AGM. Co prawda, można by także w wyjątkowych sytuacjach użyć akumulatora samochodowego, ale trzeba pamiętać, że jest on tak zbudowany, by przede wszystkim dostarczać maksymalnie duży prąd rozruchowy i mieć odporność na wstrząsy.

W akumulatorach VRLA (Valve Regulated Lead-Acid), elektrolit, na skutek dodania krzemianów, występuje w postaci żelu. Z kolei w akumulatorach AGM (Absorbed Glass Mat) elektrolit zaabsorbowany jest przez mikropory separatorów z włókna szklanego, które umieszczone są między płytami czynnymi (elektrodami) akumulatora. Akumulatory AGM są tańsze od VRLA, mają mniejszy opór wewnętrzny, przez co na zaciskach występuje wyższe napięcie wyjściowe. Zaletą akumulatorów VRLA jest jednak to, że wytrzymują większą liczbę cykli ładowania/rozładowywania w stosunku do technologii AGM.

Budowa i typy zasilaczy awaryjnych
Zasilacz awaryjny składa się z następujących głównych modułów:

• układ czuwający, przełączający odbiorniki w przypadku zaniku napięcia w sieci,
• przetwornica napięcia zamieniająca zasilający prąd stały na zmienny o kształcie sinusoidy,
• układ ładowania akumulatora.

W zależności od spełnianych funkcji, zasilacze awaryjne możemy podzielić na:

• off-line – gdy podłączone urządzenia zasilane są bezpośrednio z sieci, a w momencie zaniku napięcia przełączane są na przetwornicę napięcia;
• line interactive – jest to tzw. układ AVR (Automatic Voltage Regulation), którego praca przebiega jak w urządzeniach off-line, ale dodatkowo układ reguluje napięcie z sieci – zależnie od jakości, układ AVR mniej lub bardziej dokładnie reguluje napięcie wyjściowe (w przypadku układów najwyższej jakości dokładność napięcia wyjściowego wynosi nawet ±2 V); w razie zbyt niskiego napięcia następuje przełączenie na pracę z przetwornicy;
• on-line – praca układu przebiega jak w urządzeniach line interactive, ale dodatkowo podłączone odbiorniki są izolowane od sieci energetycznej.

Modele typu off-line powoli wychodzą z użycia, ponieważ coraz niższe ceny elektroniki spowodowały, że zasilacze typu line interactive oraz on-line stały się przystępne dla przeciętnych użytkowników. Warto je stosować, bo dzięki układowi korekty napięcia, można je zasilać z tradycyjnych agregatów prądotwórczych, choć urządzenia te charakteryzują się różną jakością napięcia. Takie rozwiązanie: zasilacz awaryjny + agregat prądotwórczy pozwala na wydłużenie autonomicznej pracy minielektrowni, co niewątpliwie sprawdzi się na terenach wiejskich.

Korzystajmy z bezwładności cieplnej budynku
Przy dłuższych przerwach w zasilaniu z sieci elektroenergetycznej niewątpliwie warto korzystać z bezwładności cieplnej budynku. Urządzenia grzewcze i pompy obiegowe nie muszą być przecież cały czas włączone. Gdy zabraknie zasilania sieciowego, na regulatorze można ustawić wyższą temperaturę i poczekać, np. około godziny, aż kocioł nagrzeje pomieszczenia np. do 22°C, a następnie wyłączyć źródło ciepła lub nawet cały zasilacz awaryjny. Gdy temperatura w pomieszczeniach spadnie np. do 18-19°C, ponownie załączyć źródło ciepła i znów ogrzać dom do około 22°C.

Decydując się na wyłączenie zasilacza awaryjnego, trzeba się jednak wcześniej upewnić, czy obsługuje on funkcję „zimnego startu”, a więc czy poda napięcie, gdy będzie włączony, kiedy w sieci nie ma zasilania.

Kilka słów o agregatach prądotwórczych
Gdybyśmy do naszego układu chcieli dokupić agregat prądotwórczy, to najlepiej szukać rozwiązań z inwerterem (najwyższa jakość napięcia) lub przynajmniej posiadających układ AVR. W przypadku klasycznych agregatów prądotwórczych, lepiej kupić taki z silnikiem czterosuwowym, ponieważ zapewnia bardzie stabilne obroty – czyli częstotliwość generowanego prądu. Agregaty z silnikami dwusuwowymi dają mniej stabilną częstotliwość.

Odrębną sprawą jest również sposób podłączenia obciążenia do takiego agregatu. Najlepiej kocioł lub inne wrażliwe urządzenia elektroniczne podłączać do wstępnie obciążonego agregatu. Może to być np. tradycyjna żarówka o mocy 100 W, czyli najpierw żarówka, a dopiero po ustabilizowaniu się obrotów – kocioł.

Agregaty prądotwórcze są też godne rozważenia w przypadku ogrzewania domu pompą ciepła. Moc elektryczna pobierana przez pompy ciepła jest na poziomie kilku kilowatów, od 3 do 7 w zależności od mocy grzewczej urządzenia. Wielkość bezpieczników elektrycznych w przypadku takich mocy to od 10 do 16 A, przy klasie bezpiecznika C i napięciu zasilania ~230 V. Dla takich parametrów trudno dobrać zasilacz awaryjny.

! Warto pamiętać, że moc agregatu prądotwórczego dla pompy ciepła powinna być co najmniej dwukrotnie wyższa niż moc pobierana przez samą pompę ciepła, ze względu na pobierany prąd oraz charakterystykę samej prądnicy.

Nadchodzący sezon grzewczy, ze względu na sytuację geopolityczną oraz inne okoliczności, może obfitować w wyłączenia prądu. Warto więc zawczasu przygotować się do niego. Ja to zadanie mam już za sobą – musiałem kupić nowy akumulator do mojego zasilacza awaryjnego. Stary akumulator, typu AML (odmiana technologii AGM), po kilkunastu latach pracy utracił swoją pojemność.