UPS Kehua, часть 2: выжимаю все токи

В первой части статьи про ИБП KEHUA TECH KR11 мощностью 1кВА я обещал испытать его по полной программе. Так сказать, выжать из него все токи. Сейчас, когда я пишу эти строки, я не знаю, останется ли в живых мой ИБП. Тем не менее, я намерен подойти к делу серьезно, насколько это позволяет моя домашняя лаборатория и объем статьи. На всякий случай, оставляю самые экстремальные тесты напоследок.

Исследование ИБП – задача, зависящая от многих факторов, и занимающая много времени. Достаточно сказать, что время заряда зависит от режимов работы, и может быть более 10 часов. Поскольку была цель проверить моего подопытного на разных нагрузках и режимах, исследования заняли не одни сутки. Некоторые тесты мне приходилось делать по нескольку раз, чтобы учесть все влияющие факторы, вносящие погрешность, и удостовериться в актуальности результатов.

Сколько видел тестов в интернете – нигде нет единой повторяемой методики испытаний. Разряд проводят на непонятную нагрузку типа “ПК с запущенными программами”. Поэтому я постарался сделать тесты максимально прозрачными и возможными к повторению. Для этого использовал только активную нагрузку со стабильными параметрами и приборы, имеющиеся у любого электрика. Кто хочет глубже окунуться в проверку характеристик и методики испытаний ИБП на предприятиях-изготовителях и в лабораториях, рекомендую ГОСТ IEC 62040-3-2018.

Тема работы, параметров, зарядки и разрядки ИБП также подробно рассмотрена на блоге СамЭлектрик.ру в статье Александра Ткачева Автомобильный АКБ – в ИБП. Теория и практика. Часть 1, Часть 2.

Тестирование ИБП обычно основывается на двух важных моментах: проверке времени заряда и времени работы в автономном режиме (от аккумуляторов). Но для начала я решил выяснить несколько важных для меня вопросов.

 

Горячая замена АКБ

Этот термин означает, что имеется возможность замены (оперативного переподключения) батарей при наличии напряжения от сети. При этих манипуляциях нагрузка должна работать как ни в чем не бывало, оставаясь в благостном неведении. Проверил: да, так и есть – отключение батарей ни к чему не приводит – не возникает никаких сообщений и неприятных ситуаций. Даже если батарея в момент отключения находится в процессе заряда, то индикация заряда на мнемонической схеме пропадает, что логично. Никаких сообщений при этом не возникает.

Получается, что ИБП Kehua может спокойно работать без АКБ, если это зачем-то кому-то понадобится. Естественно, о всяком резервировании придётся забыть.

И если у какого-нибудь безумного айтишника возникнет идея поменять аккумуляторы в тот момент, когда бухгалтер считает зарплату всему заводу, он может это делать смело. Если серьезно – существует не подлежащий учету человеческий фактор, и можно остаться без зарплаты) Ведь такая замена требует сноровки и осторожности – необходимо вскрытие корпуса, и можно ненароком зацепить оголенные части под напряжением или что-то замкнуть.

Тем не менее, мое любопытство удовлетворено.

 

«Холодный» запуск

Эта функция говорит о возможности включения ИБП без сетевого напряжения. То есть, из выключенного состояния можно нажать кнопку «ON» и запустить питание нагрузки в автономном режиме. Проверено, работает.

Представьте, что в дачном поселке снежным зимним вечером отключили свет. И это надолго. Функция холодного запуска ИБП позволит зарядить севший телефон, чтобы вызвать такси. У меня такое было.

Сквозной ноль в ИБП

Эту функцию ещё называют «непрерывная нейтраль». Смысл в том, что в бестрансформаторной схеме, по которой построен ИБП Kehua, внутренний инвертор представляет собой трехполюсный элемент с одним общим проводом нейтрали для входа и выхода. Схемотехнически реализовано так, что если поменять фазировку на входе, она так же изменится и на выходе. При этом падение напряжения на нейтрали будет минимальным.

Итак, проверка показала – нейтраль сохраняется и в дежурном, и в автономном режиме. В автономном режиме этот термин не имеет смысла, если нейтраль ИБП не подключена к электросети. Здесь важный посыл владельцам котлов и другого фазозависимого оборудования – нужно не только выбирать такие ИБП с «чистой» синусоидой и сквозным нулем, как KEHUA TECH KR11, но и правильно их подключать.

Чтобы был «сквозной ноль», нейтраль должна всегда иметь гальваническую связь с заземлением – на подстанции (система заземления TN-S) или на вводе в здании (система TN-C-S). При этом фазировка должна соблюдаться и на входе, и на выходе ИБП. Важно понимать, что выключение ИБП вилкой из розетки или при помощи двухполюсного автомата разорвет цепь, и «сквозного нуля» не будет.

Однажды я временно сделал «сквозной ноль» своими руками, соединив в ИБП с гальванической развязкой входную и выходную нейтраль куском провода. Кажется, это было кассовое оборудование. В KEHUA TECH KR11 такие манипуляции не нужны.

 

«Идеальная» синусоида

Сейчас будет камень в огород тестеров ИБП, которые на глазок определяют идеальность выходной синусоиды. Почему я всегда слово «идеальная» применительно к синусоиде на выходе ИБП пишу в кавычках? Потому что идеал существует только в теории. На практике к нему можно стремиться, но он недостижим. Как можно определить «идеальность» по осциллограмме? Да никак.

Почему “идеальную чистую правильную синусоиду” невозможно получить на выходе любого, даже самого навороченного ИБП или генератора, я писал в этой статье.

Идеальность измеряется в коэффициенте нелинейных искажений (КНИ, или THD), другое название – уровень гармонических искажений. Его можно измерить только при помощи профессиональных приборов – например, анализатора качества напряжения или анализатора спектра. В реально чистой синусоиде есть только одна составляющая спектра – 50 Гц, КНИ = 0%.

К чему это я? У меня такого прибора нет, поэтому измерения «идеальности» не будет. Достаточно того факта, что напряжение на выходе данного ИБП гораздо качественнее, чем напряжение, поступающее от энергосбытовой компании.

Это обеспечивается в ИБП Kehua внутренней схемой, которая в том числе включает в себя выходные фильтры, вносящие большой вклад в чистоту выходной синусоиды.

В случае, когда на выходе любого источника питания присутствует значительный уровень гармоник, это негативно сказывается на нагрузке – особенно на индуктивной (двигатели, трансформаторы). Такая нагрузка начинает греться, поскольку для её работы нужна только основная гармоника 50 Гц, а все другие части спектра уходят в тепло. С электроникой, у которой cos φ > 0,9, тоже может быть не всё хорошо – при высоком уровне гармоник (двух- и трехступенчатая аппроксимация) напряжение основной гармоники 50 Гц может быть слишком низким (менее 150 В), и техника будет сбоить или вообще откажется работать.

 

Вентилятор

По вентилятору я писал в первой части – он работает по датчику температуры, закрепленному на радиаторе выходных транзисторов.

Параметры кулера в этом ИБП – DC 12V 0,35 A.

Поскольку вентилятор должен работать во всех режимах (в том числе и в автономном), то его питание завязано через аккумуляторы. Не знаю точно, как реализована схема, но при отключении АКБ вентилятор не работает.

Возможны две скорости вентилятора, в зависимости от температуры внутри. При этом напряжение питания – около 9 и 11 В.

 

Тестирование заряда батареи

Теперь переходим к самому интересному – к измерениям и испытаниям.

Сначала я пошел по неверному пути – решил оценивать заряд АКБ путем измерения тока на входе ИБП. Для этого использовал токоизмерительные клещи IEK 266C. Ток в процессе заряда держался на уровне 0,2 А, под конец упав до 0,1 А. Результат мне показался очень неточным, поскольку большая погрешность возникала из-за тока собственного потребления ИБП и низкой чувствительности клещей. Кроме того, неизвестен КПД зарядного устройства.

Поэтому было решено измерения проводить самым правильным и точным способом –  амперметром, включенным в разрыв подключения АКБ. Для этого использовал мультиметр IEK MY64 в режиме измерения постоянного тока на пределе 10 А.

Затем выяснилось, что зарядный ток батареи зависит от нескольких факторов. Схемотехнически реализовано так, что если заряд батареи происходит с выключенным вентилятором и инвертором, то ток заряда на определенном этапе будет равен 0,65 А. Если в тот же момент включить нагрузку через байпас, ток заряда будет 0,52 А. Ну а если включить двойное преобразование и вентилятор, ток заряда при тех же условиях понизится до 0,48 А. Разница в долях ампера означает разницу в часах времени заряда. Поэтому заряд я проводил на максимальном токе.

Ещё нюанс – не знаю, с умыслом или без умысла это сделано, но показания напряжения на АКБ отличаются на 0,2 В в зависимости от способа измерения. Например, если внутренний вольтметр ИБП «INPUT VDC» показывает 26,5 В, то внешний вольтметр покажет 26,3. На двух моих мультиметрах результат был один, поэтому для измерения напряжения использовал только их.

Для чистоты эксперимента я провёл пару циклов полного разряда-заряда. Затем снял данные заряда, начиная с состояния полного разряда, и заканчивая 100% зарядом. При этом снимал показания тока и напряжения АКБ в зависимости от времени.

Если коротко, в процессе заряда полностью разряженной АКБ контроллер заряда плавно повышает напряжение с 23,8 В до 27,4 В. Ток заряда при этом в течении двух часов можно назвать стабильным – около 0,7 А. После этого ток падает. Падение тока прекращается примерно через 10 часов. Это время можно считать временем полного заряда, после него ток поддерживающего заряда стабилизируется на уровне 15…20 мА. Кстати, в инструкции производителя говорится как раз о таком времени заряда – не менее 10 часов.

Подробнее процесс заряда показан на графике:

На графике приведены значения напряжения (желтые точки) и тока (красные точки). Поскольку за 10 часов наблюдений можно насобирать гигантский массив данных, я решил, что главное – понять тенденции. Поэтому всё время заряда было разбито на 3 характерных участка:

1. от 10 до 60 секунд – тут ток стабилен за счет повышения напряжения;
2. от 10 до 60 минут – тенденция продолжается, повышение напряжения при стабильном токе выражено ещё ярче;
3. от 2 до 10 часов – напряжение повышается и упирается в максимум (27,4 В), а ток понижается до минимума (15…20 мА), на графике этому значению места не нашлось.

Табличные данные, по которым построены графики заряда (таблица имеет горизонтальную прокрутку):

Время, с, мин, ч	0	10	20	30	40	50	60	5	10	15	20	25	30	35	40	50	60	70	80	90	100	110	120	3	4	5	6	7	8	9	10
Ток, А	0	0,7	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,71	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,69	0,68	0,67	0,66	0,66	0,44	0,22	0,12	0,07	0,02
Напр., В	23,8	24	24,1	24,1	24,2	24,2	24,2	24,4	24,6	24,7	24,7	24,8	24,8	24,9	25	25,1	25,2	25,3	25,4	25,5	25,6	25,7	25,8	26,1	26,6	27	27,3	27,3	27,3	27,3	27,4

Для справки: максимальный зарядный ток, заявленный производителем, равен 1 А.

Ещё парочка фактов, которые я выяснил.

1. Ток разряда батареи при полностью выключенном ИБП и отсутствии электросети – около 12 мА. Этот ток тратится на собственные нужды – нужно же контролировать, например, нажатие кнопки «ON» для «холодного» запуска. При включенном ИБП и выключенной нагрузке и вентиляторе ток батареи поднимается до 25 мА.
2. Индикация заряда пропадает при напряжении на АКБ более 27,2 В. Не смотря на то, что до полного заряда нужно подождать ещё около 5 часов, АКБ при этом напряжении набирает уже более 90% емкости.
3. Напряжение покоя заряженной АКБ, когда зарядное устройство не работает (ИБП выключен, батарея полностью заряжена) – 26,4-26,5 В (13,20-13,22 В на одну батарею 12 В).
4. Стабильный ток заряда на уровне 0,7 А укладывается в теорию “ток заряда должен быть не более 1/10 от емкости АКБ”, в данном случае – не более 0,9 А. Ток 0,7 А – оптимальный с точки зрения ресурса (срока службы) АКБ.

Дежурный режим: питаем нагрузку

Напоминаю, что дежурный режим – это такой режим, в котором ИБП работает более 99% рабочего времени. Остальное время ИБП работает в автономном режиме, ради которого он и покупается. Если время работы в дежурном режиме равно 100%, стоит подумать – а нужен ли ИБП вообще?

Перед тем, как проверить и задокументировать работу ИБП при питании от АКБ, было решено его обкатать в дежурном режиме. Заодно проверить параметры нагрузок, которые я использую.

В итоге получилась такая сводная таблица:

Таблица учитывает все нюансы реальной жизни (но это не точно)) и содержит такие параметры:

• Р_{н теор} – теоретическая (паспортная) мощность нагрузки. Эта мощность лишь примерно показывает реальное потребление. В качестве нагрузки 100 Вт использую паяльник 40 Вт + лампу накаливания 60 Вт, 500 Вт – нагреватель, 700 Вт – кофеварка 600 Вт + нагрузка №1. 0 Вт – без нагрузки (работа вхолостую);
• Р_{н теор}%ИБП – теоретический процент от максимальной мощности ИБП. Без комментариев;
• Р_{н показ} – мощность в процентах, которая показывается на дисплее ИБП. В таблице видно, что показания на экране ИБП завышены. Может, для запаса? *Примечание – нагрузка менее 15% показывается на экране ИБП как 0%, поэтому 12% – это расчетное значение, которое я получил по время подключения нагрузки 700 Вт;
• I_вх – ток по сетевому входу, измеренный токовыми клещами при разных нагрузках;
• Р_вх – расчетная входная мощность при входном напряжении 230 В, получена по формуле I_вх · 230 В. Входное напряжение холостого хода во время исследований колебалось в районе 227…235 В, поэтому я решил не усложнять, и принял его равным выходному;
• I_вых – ток по выходу, измеренный клещами при выходном напряжении 230 В. Кстати, было бы неплохо, если производитель сделал индикацию выходного тока и/или мощности на ЖК экране;
• Р_вых – расчетная выходная мощность, получена по формуле I_вых · 230 В;
• I_с.п. – разница токов на выходе и входе (ток собственного потребления);
• Р _с.п. – мощность собственного потребления (разница между входной и выходной мощностями);
• КПД – расчетный коэффициент полезного действия, Р_вых / Р_вх.

Обратите внимание – для мощности нагрузки 700 Вт КПД понизился за счет включения вентилятора. Но я уверен, что при 1000 Вт КПД достигает заявленных производителем 92%.

 

Немного о заряде и разряде АКБ

Время работы ИБП в автономном режиме зависит от емкости одной батареи С, напряжения одной батареи U, количества батарей N, мощности нагрузки Р. Принимая КПД преобразователя равным 0,9, для новой батареи, работающей в идеальных условиях, время работы рассчитывается формулой

Т = С·U·N·КПД / Р

Для двух батарей емкостью 9 А·ч и напряжением 12 В, которые используются в ИБП KEHUA TECH KR11 мощностью 1кВА, расчетное время работы при нагрузке 100 Вт должно составить почти 2 часа. Хотя эта формула приводится на многих сайтах, она оторвана от реальности – из-за того, что батарея никогда не разряжается до нуля (для продления ресурса АКБ контроллер этого не допускает).

Для точной оценки времени работы ИБП пользуются специальными разрядными таблицами, которые приводит производитель АКБ. Кому интересно – посмотрите даташит на батарею RITAR RT1290.

Как я показал выше в тесте заряда, максимальное напряжение заряда равно 27,4 В. То есть, по 13,7 В на одну батарею. Согласно данным от производителя АКБ (фото выше), такое напряжение заряда используется для режима ожидания (Standby). Хотя ИБП должен использоваться в режиме заряда-разряда (Cycle). Минус такого решения – высокое время заряда и неполное использование емкости батарей. Но я понимаю ход мыслей инженеров из компании Kehua – такое решение позволяет ощутимо увеличить общий срок службы АКБ.

 

Автономная работа – тест работы от АКБ

Словами процесс разряда полностью заряженного ИБП можно описать так. Для примера, при нагрузке 500 Вт напряжение за 8 минут 15 секунд понижается до 22,5 В, включается прерывистый сигнал, ещё 45 секунд напряжение понижается до 21,2 В, и нагрузка выключается. Напряжение поднимается до 23,5 В, писк становится непрерывным, и через несколько секунд всё кончено – ИБП полностью тухнет.

Иллюстрация для трех нагрузок (100, 500 и 700 Вт) – на графике:

На графике время разряда разбито на две области – от 0 до 60 секунд и конечная область (две отдельные крайние точки), во время которой ИБП подает прерывистый звуковой сигнал (1-я точка) и в итоге выключается (2-я точка).

Таблицы, по которым построены графики:

Разряд на нагрузку 100 Вт

Время, с, мин	0	10	20	30	40	50	60	5	10	15	20	25	30	35	40	42	49
Ток, А	5	5,45	5,53	5,54	5,54	5,54	5,54	5,54	5,58	5,62	5,68	5,7	5,82	5,87	5,93	6,01	6,04
Напр., В	27,4	24,4	24	23,9	23,9	23,9	23,9	23,9	23,8	23,7	23,5	23,4	23,1	22,9	22,7	22,5	22,1

Разряд на нагрузку 500 Вт

Время, с, мин	0	10	20	30	40	50	60	5	7	8:15	9
Напр., В	27,4	24,1	24	23,9	23,9	23,8	23,8	23,4	22,9	22,5	22,1

Разряд на нагрузку 700 Вт

Время, с, мин	0	10	20	30	40	50	60	2	3	4	5:15	5:40
Напр., В	27,4	23,6	23,6	23,6	23,5	23,5	23,5	23,1	22,9	22,6	22,5	22,1

Из таблиц хорошо видно, что 1-я критичная точка независимо от нагрузки наступает при напряжении на АКБ 22,5 В – ИБП издаёт прерывный сигнал, на 2-й точке (22,1 В) нагрузка выключается.

Логично, что при понижении напряжения на АКБ ток повышается, т.к. мощность нагрузки остается постоянной. Ток батареи смог измерить только при нагрузке 100 Вт. В конечной точке он достиг значения 6,04 А, и после отключения нагрузки упал до 26 мА.

Хорошо это видно на видео:

Токи АКБ на бОльших нагрузках измерить не смог (макс.предел моего амперметра – 10 А), но их можно легко высчитать.

Все тесты в этом разделе делались при выходном напряжении 230 В.

 

Проверка уровней выходного напряжения

Как я уже писал, ИБП Kehua может выдавать на нагрузку такие напряжения: 208, 220, 230, 240 В. Проверяем.

Uвых показ, В	208	220	230	240
Uвых измер, В	205	217	227	237

Напряжение на выходе, когда работает внутренний инвертор, не меняется от наличия нагрузки и от режима работы (дежурный или от АКБ). Погрешность – минус 1,2% при заявленной ±1%. Впрочем, я со своим неповеренным мультиметром претендовать на точность измерения не могу.

В защиту моего мультиметра могу привести эту фотографию, сделанную в ЭКО-режиме:

Пока делал этот тест, понял, зачем может пригодиться напряжение 208 В. При низком уровне напряжения ток тоже понижается (правда, только не в устройствах с “умными” импульсными блоками питания – они берут от жизни всё, что им нужно). А низкий ток = низкий расход энергии АКБ = повышенное время разряда.

Обратите внимание: максимальный КПД возможен при максимальной выходной мощности и при минимальной разнице уровней напряжения на входе и выходе. Например, если на входе напряжение занижено – устанавливайте уровень выхода 208 В, таким образом КПД в дежурном режиме будет максимально высоким.

 

Экстремальные тесты

Эти исследования я оставил напоследок – честно говоря, боялся, что ИБП не выдержит таких издевательств. Я проверил такие режимы:

Перегрузка в дежурном, автономном, байпас и ЭКО режиме

Для этой проверки я подключал к выходу нагреватель с мощностью, заведомо большей, чем максимальная – 1400 Вт (при напряжении питания 230 В).

В дежурном режиме при перегрузке включается байпас, при этом на главном экране индицируется режим и реальное напряжение на выходе, раздается звуковой сигнал и появляется восклицательный знак:

Восклицательный знак говорит о том, что нужно перейти в экран ошибок, и посмотреть, что стряслось. В данном случае – ошибка “OUT” (перегрузка по выходу):

Удобно, что можно сразу узнать, какая перегрузка в процентах:

В автономном режиме происходит всё то же самое, только напряжение на выходе уходит в ноль. Кстати, только в этом режиме можно посмотреть реальный уровень перегрузки, с которым работают транзисторы инвертора. Например, в случае с моим нагревателем при выходном напряжении 208 В за секунду перед отключением выхода можно засечь выходную мощность 123%. При напряжении 240 В – мощность будет равна 141%.

Хозяйкам на заметку: при помощи ИБП Kehua можно регулировать мощность нагревателя)

В байпасе и ЭКО-режиме ничего интересного не происходит – та же ошибка.

Можно было, конечно, попробовать устроить КЗ на выходе, но тут результат предсказуем. На выходе в плату впаян предохранитель на 10 А.

 

Работа без датчика температуры

При отключении (обрыве) датчика температуры в дежурном режиме ИБП переходит в режим байпаса – напряжение передается на нагрузку из сети напрямую, включается непрерывный звуковой сигнал, на экране загорается восклицательный знак:

Нажатием несколько раз на кнопку “Select” можно выйти на экран с ошибкой температуры – “TMP”:

Если же датчик “отвалится” в автономном режиме, ИБП вообще перестает работать – напряжение на выходе пропадает, индикация та же.

Логично – без контроля температуры ИБП работать не должен. Жаль, что для просмотра конкретной ошибки нужно знать куда нажимать – считаю, что она должна отображаться на главном экране.

Ещё один экстремальный тест я не довёл до конца – подключил нагрузку 500 Вт, открутил датчик от радиатора, и стал ждать. Когда температура радиатора стала “рука не терпит” (выше +60 °С), я понял, что дополнительной защиты от перегрева в ИБП нет. И кроме датчика, температурный режим никого не волнует.

 

Работа без вентилятора

В случае отключения разъема вентилятора ничего не происходит, хотя в инструкции сказано: “ошибка
вентилятора включает в себя: блокировку вентиляторов, повреждение и проч.”. Блокировал вентилятор пальцем, надеясь на токовую защиту – опять ничего. Насколько знаю, для полноценной работы защиты у вентилятора должен быть провод контроля вращения. Тут его нет…

Ещё экстрим, произошедший случайно. Решив измерить напряжение холостого хода при отключенной батарее (27,4 В, но сейчас не об этом), я прикоснулся щупами мультиметра к «батарейным» проводам. Плох тот электрик, который ни разу не устраивал КЗ – я забыл, что щупы мультиметра в тот момент были подключены в положение амперметра на 10 А. Результат – в моем приборе сгорел предохранитель на 10 А, а KEHUA даже не пикнул.

Итак, мои опасения не оправдались. Фотографии искрящего и полыхающего ИБП сделать не удалось. Ни одного ИБП при тестировании не пострадало.

 

Скачать

Выкладываю инструкцию к ИБП Kehua KR11 от 1 до 10 кВА:

• Kehua Tech KR11 manual / Руководство пользователя и инструкция на UPS Kehua Tech KR11. Обзор, установка, эксплуатация, pdf, 1.31 MB, скачан: 710 раз./

 

Источник статьи – на сайте Elec.ru.