VARAVOIMAJÄRJESTELMÄT



23.1.2005

Tämä artikkeli kertoo sähkönsyöttöjärjestelmieni kehityksestä viime vuosisadan puolelta tähän päivään. Ja mitä todennäköisimmin kehitys jatkuu....

Tämän hetken systeemeihini kuuluu kaksi erillistä 48 V tasavirtajärjestelmää, niistä mahdollisuus tuottaa verkkojännitettä inverttereillä sekä kolmen UPS:in verkkojännitteen varmistus tietokoneille ja muutamille muille laitteille.

TASAVIRTAJÄRJESTELMÄT JA INVERTTERIT

Maaseudulla asuvana ovat minua harmittaneet sähkökatkokset, joita esiintyy niin ukonilmojen kuin syys- ja lumimyrskyjen aikoina.
Välillä tuntuu siltä, että aina kun alkaa vähän reilummin tuulla niin saa varautua sähkökatkoksiin.
Katkokset ovat yleensä hyvin lyhytaikaisia ja tietokonekäytössä minulla onkin ollut jo pitempään vanha UPS-laite, jonka sain viallisena ilmaiseksi.
Laitteessa ei kuitenkaan ollut muuta vikaa kuin "kypsät" akut ja hyvällä tuurilla löytyi puolestaan toinen laite josta sain akut tähän UPS:iin.

Tämmöisen pienen UPS:in kapasiteetti riittää kuitenkin ainoastaan tietokoneelle ja joillekin oheislaitteille.
Mielestäni on mukavaa, että saa ainakin jonkintasoisen valaistuksen pelaamaan ilman verkkosähköä samoin kun, että kaikki ohjausjärjestelmät toimivat myös katkosten aikana.
Lisänä vielä on se, että järjestelmän akuista saa "puhdasta" tasavirtaa tarvittaessa.

Alunperin ajattelin käyttää paria henkilöauton akkua sarjassa 24 volttia varten.
Tämä jännite oli aiemmin valintani, koska tarvikkeita löytyi romulaatikoistani huomattavasti enemmän 24:lle kuin 12 voltille.
Sain kuitenkin ilmaiseksi pari 6V / 185 Ah:n akkua ja päädyin 12 V järjestelmään.
Jo aiemmin olin asentanut 6 mm² johdotuksen DC-liitäntöjä varten ja 2,5 mm² johdot varavalaistuskäyttöön.
Varavalaistuksen saa helposti automaattisesti päälle verkosta ohjatulla releellä, jonka lepotilassa sulkeutuvat kärjet kytkevät valot päälle.

Testailin erilaisia akunvaraussysteemejä kuten erään siivouskoneen automaattista laturia, joka katkaisee varauksen akun tultua täyteen.
Samoin kokeilin vakiojänniteperiaatteella toimivaa regulaattoria.
Kirjallisuuden mukaan pitäisi tuommoisen vakiojännitevarauksen 2,23 V kennojännitteellä olla paras tämäntyyppiseen käyttötarkoitukseen.
Lopulliseksi rakenteeksi tuli kaksi eri tyyppistä varaajaa sisältävä yksikkö, jossa normaalitilanteessa vakiojännitevaraaja syöttää mainitun ohjearvon mukaisen jännitteen ja kykenee antamaan tarvittaessa virtaa 10 A - käytännössä se jää lyhyiden kuormitusten jälkeen kuitenkin muutamaan ampeeriin laskien nopeasti alle 1 A:n.
Sitä tilannetta varten, että akku tyhjenisi reilummin on toisena yksikkönä automaattikatkaisulla varustettu laturi, joka syöttääkin sitten virtaa jo maksimissaan yli 15 A.

Kytkennällisesti vakiojännitelatausosa on tavanomainen uA723 piirillä ja 4:llä 2N3055:llä tehty regulaattori.
Siihen on lisätty hieman normaalia enemmän suojauskytkentöjä vikatilanteiden varalta.

Pikalatausosana on aiemmin mainitun siivouskoneen laturin sisuskalut.
Se pitää sisällään pääosin CMOS-logiikalla tehdyn ohjainkortin releineen.
Virtamittareina on tietysti käytetty kunnollisia kiertokäämimittareita.
Minua ottavat nimittäin päähän nuo tyypilliset akkulaturien "väpättävät" ja epätarkat meltorautamittarit, jollainen tuon siivouskoneen laturinkin naamataulussa alunperin oli huolimatta muuten erittäin hyvälaatuisesta tekniikasta.



Systeemissä on mukana ikkunadiskriminaattoripiirillä TCA965 tehty jännitteenvalvoja, joka katkaisee kuormituksen siinä tapauksessa, että pidemmän purkutapahtuman jälkeen akkujännite pääsee laskemaan liian alhaiseksi.
Tällä estetään akun vioittuminen.
Samoin toimii suojauspiiri ylilataustapauksessa estäen akun "kiehumisen".
Kaaviossa on jännitteenvalvonnan peruskytkentä. Lähtöjä olen käyttänyt ohjaamaan transistorikytkentöjä, jotka puolestaan ohjaavat releitä.

Järjestelmässä on koko joukko automaattisulakkeita eri paikoissa, koska mahdolliset oikosulkuvirrat ovat tosi suuria näinkin isolla ampeerituntimäärällä.
Kun käyttää käytössä aiemmin olleita automaattisulakkeita niiden suhteen on syytä pienillä jännitteillä toimittaessa tarkistaa kontaktien resistanssi.
Jos ne ovat olleet "kovassa käytössä" tai ovat saaneet esim. kosteutta sisäänsä niin ne saattavat toimia moitteetta verkkojännitteellä.
Sen sijaan pienillä jännitteillä käyttäytyminen voi olla epämääräistä ja sulake voi esim lämmitä tuntuvasti liian suuresta ylimenoresistanssista johtuen.

Ajattelin lisätä järjestelmään ison elektrolyyttikondensaattoripatterin tasaamaan virtapiikkejä.
Puhelinkeskusten powereissa on ollut valmiita 10 konkan (10000uF/100V) paketteja sulakkeineen ja purkausvastuksineen. Ainakin jännitteenkesto näissä on siis vähintäänkin riittävä tähän käyttötarkoitukseen ! Tämä on kuitenkin jäänyt toteuttamatta.

Käytännössä kaikki järjestelmän osat ovat kotoisin romuliikkeestä saaduista puhelinkeskusten osista ja hinnaksi niiden osalta on tullut korkeintaan muutama kymppi.
Jopa sopivat 15 ja 30 A virtamittarit löytyivät näistä romuosista valmiina ainoastaan jännitemittariin piti muuttaa asteikko ja etuvastus.
Mittariasteikkoja saa muuten helposti muuteltua peittämällä kirjakaupoista saatavalla konekirjoitustekstien korjaamiseen valkoisella "värillä" halutut kohdat ja tekemällä uudet siirtokirjaimien avulla.

Alkuperäiseen nähden olen lisännyt tälle sivulle jännitteenvalvonnan kytkennän.
Lukijoiden toivomia tarkempia piirustuksia en kaikilta osin ryhdy piirtämään koska esimerkiksi valmiina saamastani automaattilaturin kortista minulla ei ole dokumentteja.

ENSIMMÄINEN 48V TASAVIRTAJÄRJESTELMÄ

Tutustu myös uudempaan 48V järjestelmään Ascomin laitteilla

Saatuani 4kpl 12V/60Ah uutta autonakkua halvalla, päätin tehdä niistä toisenkin sähköjärjestelmän, koska nurkkkiini oli vuosien romuliikekäyntien jälkeen kertynyt runsaasti erilaista värkkiä ja komponenttia puhelinkeskusjärjestelmissä yleiselle 48 tai 60V jännitteelle.

Vakiojännitelaturin rakentaminen sujui varsin helposti, koska löysin romikselta toimivan 48V/4A laturin, johonka lisäsin Fiskarsin huomattavasti järeämmästä laitteesta löytämäni jännitteenvalvontakortin. Tämä puolestaan ohjaa useammasta releestä (joiden kolme kärkeä on vielä kytketty rinnan) tehtyä kytkintä, joka katkaisee lähdön yli-tai alijännitetilanteessa. Kyseisessä Fiskarsin kortissa on etulevyssä mittapisteet, josta asetusarvot ovat kätevästi jännitemittarilla todettavissa.
Tähänkin laitteeseen löytyivät mittarit samasta hankintapaikasta ja ainoastaan latausvirran mittarin asteikon ja shuntin joutui muuttamaan.

Kirjoitin vielä vuosisadan vaihteessa seuraavaa: "....En ole käyttänyt enkä haluakaan käyttää muuta kuin pakosta hakkuripowereita niiden tuottamien radiohäiriöongelmien takia.
Se tehonsäästö ei hyödytä ainakaan minua, koska asun sähkölämmitystalossa ja ylimääräinen lämpö menee samaan tarkoitukseen tuotetaan se sitten powerien häviöissä, hehkulampuissa tai lämpöpattereissa. Lyhyen kesäajan aikana tietysti hukkuu turhaan joitain kymmeniä tai satoja vatteja koko kiinteistön järjestelmissä.
Se taas tulee takaisin lähes ilmaisista osista tehtyjen laitteiden hinnoissa.
"Raakajännitteen" jälkeisissä systeemeissä tosin on varsinkin noissa 48V laitteissa kylläkin hakkureita, mutta ne eivät käytännössä ole aina päällä ja ovat yleensä suunnitellut radiolaitteiden powereiksi...."

Ajatuksellisesti olen edelleen tuossa rahansäästössä samaa mieltä, mutta havaitsin, että telejärjestelmissä käytetyt modernimmat teholähderatkaisut eivät ole niin häiriöllisiä kuin oli tullut havaittua aiemmista yhteyksistä mm. kotielektroniikan laitteissa.
Romikselta löytyi ensinnäkin inverttereitä Fiskars SMI08 eli 48VDC/230VAC, 800VA. Ja vähän myöhemmin hakkurityyppisiä akkuvaraajia Muuntolaite Oy MSM 48/25 eli maks. 25A antavia varaajia 48V nimellisjännitteiseen järjestelmään.
Värkkien hinnaksi taisi muodostua ehkä 3 €/kpl, joten kalliiksi moiset laitteet eivät tulleet.

Olin jo aiemmin suunnitellut poistavani vanhemman 12V systeemin, koska ei tuntunut kovin mielekkäältä pitää kahta rinnakkaista DC-järjestelmää yhtaikaa käytössä. Lisäksi minulla oli useita 48V järjestelmästä monellekin eri jännitteelle pudottavia povereita olemassa - kuten 26V/25A, 24V/10A, 13,5V/22A ja 13,5V/30A jne.

Tuo varavalaistus oli tehtynä ja putkiin johdotettuna 12V järjestelmälle, mutta kun sain noita verkkojännitettä tuottavia invertterejä, niin päätin kytkeä yhden ohjaamaan suoraan elektroniikka- ja radioharrastustilojeni normaalia loistevalaistusta sähkökatkon aikana.
Invertterien yhteydessä oli valmiina yksiköt kytkimineen ja releistyksineen tämmöistä verkko/akku vaihtoa varten.



Pyhitin yhden parimetrisen laitekaapin (Radiosystems NMT-tukiasemasta)tätä powerijärjestelmää varten. Kaappiin asensin seuraavat laitteet:

- 2 kpl 48VDC/230VAC 800VA invertteriä
- 1 kpl Ohjauskehikko releineen, taajuus- ja jännitemittarit inverttereille.
- 1 kpl 48V 25A akkuvaraaja
- 1 kpl powerikehikko, jossa 13,5V/22A antava yksikkö
- 1 kpl 1 kpl Alma 358 ajastinkehikko (ohjelmoitava viikkoajastin)
- 2 kpl tuuletinyksiköitä (ohjaus termostaatilla)

Powerikehikossa(korkeus 6U)on vielä tilaa asentaa 3-4 muuta poweriyksikköä mikäli tarvetta ilmenee. Niin inverttereissä kuin varaajissakin on erilaisia hälytys- ja suojaustoimintoja riittävästi, mutta tarkoitus on kuitenkin idioottivarmistaa järjestelmä akun liialliselta purkautumiselta aiemmin esitetyllä jännitteenvalvontakortin antamalla ohjauksella.

Kun saataville on tullut tilankäytön suhteen tehokkaampia laitteita niin pistin vuoden 2004 tammikuussa testaukseen Ascomin 48V/25A yksikön.



Kuvassa on laite asennettu Muuntolaitteen yksikön tilalle.Alapuolella on jännitteenjakopaneeli josta lähtee UPS varmennettu sähkö mm. yläpuolella oleville 3Comin kytkimille ja ADSL-modeemille. .
Tässä Ascomin mallissa on etulevyssä kaikki tarvittavat säädöt ja nestekidenäyttöinen mittari. Toinen samannäköinen malli on ohjattavissa PSC1000 käyttölaitteella kuten Ascomin 600W yksiköt joita on toisessa akkujärjestelmässäni.

48V jännitteen jakelussa johtokanaviin olen käyttänyt liittiminä mm.Muuntolaite Oy:n varaajissa käytettyä Brad & Harrisonin 50A/600V liitintä. Se sopii hyvin pienellä muotoilulla vanhoissa BNC-tietokoneverkoissa käytettyyn rasiankanteen kuten seuraavasta kuvasta voi nähdä.



Aiemmin esittämäni 48V/4A lineaarinen akkuvaraaja on täyttänyt ihan hyvin tähänastiset tarpeet. Kuitenkin lisättyäni nyt mahdollista hetkellistä kuormitusta melko reippaasti (mm. invertterin perässä olevat 5 kpl 2 x 40W loistevalaisinta), niin verkkosähkön palattua kaipaa akku selkeästi reilumpaa varausvirtaa. Varaajassa on mahdollisuus kesto-, tasaus- tai jälleenvaraukseen.



Laitteiden ominaisuuksia tutkiessani testasin invertterejä erilaisilla kuormilla ja tarkkailin samalla lähdön puhtautta. Anto oli oikein hyvää siniä ja taajuuskin pysyi erittäin hyvin 50 Hz lukemilla.
Inverttereissä on pienet jännite ja virtamittarit, mutta lisäsin (kun niitä oli romutavarasta löytynyt) isommat ja tarkemmat volttimittarit sekä "äänirautaperiaatteella" (47 - 53 Hz) näyttävät taajuusmittarit systeemiin. Mittarit ovat lähdössä siten, että näyttävät myös valtakunnan verkon arvoja - joista jännite vaihtelee paljon reilummin "virallisessa sähkössä" kuin invertterin tuotoksessa.
Alma 358 Mark II on puhelinkeskuslaitteissa käytetty ajastin, joka on koottu 3U:n korttikehikkoon sisälten paikkoja 4 releisille ohjauskorteille (6 kpl) ja jossa on radiotahdistusyksikkö (tahdistus YLE:n FM-asemista). Tämä varsin kätevä ajastin - liekö ollut käytössä aikatiedotuksissa tms. ? - toimii jo 12V jännitteellä, vaikkakin on nimellisjännitteeltään 48V. Värkissä on fluoresenssinäyttö ja painikkeilla tapahtuva monipuolinen ohjelmointi.

Seuraavassa kuvassa kehikon varsinaisen ajastinosan naamataulu.



Tarkoitus oli käyttää ajastinta sekä laitteiston ajoittaiseen testaukseen, että joidenkin ulkoisten systeemien (ulkovalaistus tms.) ohjaukseen. Alma siirtyi kuitenkin varavoimaräkistä muihin tarkoituksiin.

Kokemuksia sopivasta johdotuksesta järjestemässä on myös kertynyt parin vuoden aikana.
Samoista romulähteistä löytyi uutta 2x10 mm² MMJ - kaapelia, joka rupeaa olemaan riittävää jo vähän pidemmissäkin vedoissa yhden huonetilan suhteen 48V järjestelmässä.
Aiemmin totesin 6 mm² johdon olevan 12V järjestelmässä jännitehäviöltään liian suuren vähänkin reilummilla kuormituksilla - tätä en tullut ajatelleeksi silloin johdotusta tehdessäni koska olin tottunut liian paljon vahvavirtajärjestelmien johdinpoikkipintoihin.
48 V - järjestelmän johdotus tuli nyt tehtyä seuraavalla tavalla:

- kaapeli varaajalta akuille 2 x 10 mm²
- kaapeli tehonsyöttöräkistä entisen 12 V järjestelmän laitteille 2 x 6 mm²
- kaapelit kullekin laitekaapille 2 x 4 mm²

Kussakin laitekaapissa (tällä erää 4 kpl) ja työpöydän powerikotelossa on 6 U:n kehikko jossa sijaitsee tarpeen mukaiset käyttöjännitteet alentavat powerit.
Jokaisessa on "peruspowereina" yksiköt, joiden isovirtaiset lähdöt ovat 5V/26A, 13,5V/22A ja 24V/15A. Lisäksi noissa yksiköissä on pienempivirtaisia ulostuloja mm.12V jännitteelle.
Poweriyksiköt ovat kotoisin puhelinkeskuksista ja Autonet - sekä NMT-900 - tukiasemista.



Tässä yksi näistä kehikoista takaapäin kuvattuna.

Toimivuuden kannalta näyttää sähkönsyöttöverkon rakenne hyvältä. Aiemmassa 12V järjestelmässä esiintyi johtuen ilmeisesti pitkistä samoissa kaapelikouruissa kulkevista verkko ja DC-johtimista mm. häiriöpiikki kytkiessäni pois työpöydän 2 kVA rengassydämisen erotusmuuntajan.
Kun järjestelmässä tapahtuu nyt jännitteiden muunnos käyttöjännitteiden tasolle laitteiden läheisyydessä ei ainakaan tätä häiriötä esiinny ja käyttöjännite muutoinkin pysyy paljon vakaammin perusarvoissaan johtuen lyhyestä kaapeloinnista laitteisiin.

Sain hankittua erittäin edullisesti uudehkot 4 kpl paikallisakustokäyttöön tarkoitettua 12V/42 Ah hyytelöakkua.



Nämä olivat kuukauden päivät aiempien henkilöautonakkujen tilalla ja toimivuus järjestelmässä oli hyvä erilaisia käyttö- ja varaustestejä suorittaessani.
Autonakkusatsi jäi toistaiseksi vielä vara-akustoksi, koska en niillä muutenkaan mitään muuta tee.
Järjestelmässä oli vielä kesken erillisen vaihtokytkennän rakentaminen mikä mahdollistaisi vaikkapa akkujen vuorottelun releohjattuna.
Kun nuo kaksi akustoa ovat olemassa niin voisi nimittäin ajatella noiden hyödyntämistä "äärimmäisessä katastrofissa" eli erittäin pitkän sähkökatkon aikana.

Seuraavassa vaiheessa siirtyi lyijyhyytelöakkusatsi kuitenkin toiseen 48V järjestelmääni koska akut mahtuivat juuri sopivasti järjestelmän räkkikaapin alaosaan. Tämän vuoksi hankin vanhaan järjestelmään kokonaan uuden 48V/60Ah akuston.

Tämmöisessä järjestelmässä kannattaa kiinnittää myös huomiota laitteiston mahdollisimman pieneen lepovirtaan.
Vaikkakaan ei olisi mikään sähkönsäästöintoilija niin kannattaa juuri verkkokatkoksen takia tällä tavoin pidentää järjestelmän kykyä selvitä sen yli ongelmitta. Tässä suhteessa hakkuritekniikkaa käyttävät laitteet näyttävät olevan aika mukavia kun seuraa lähdön virtamitaria tilanteessa, jossa suurempia kuormia ei ole kytkettynä.

Häiriösuojauksen kannalta tutkimukset kaikkineen ovat vielä alkuvaiheessa. Maadoitus on kuitenkin tehty sähköverkon maasta erillisellä 25 mm² johtimella potentiaalintasauskiskoon.
Tästä kiskosta lähtee myös sähkö - sekä puhelinverkon maadoitus, mutta tämä maadoitus kuten radiolaitteidenkin linja etenee potentiaalintasauskiskosta suoraviivaisesti maahan lähteviin neljään johtimeen, joiden yhteispituus on jotain 150 metrin luokkaa.

Mahdollisia häiriöitä vastaan olen ajatellut käyttää häiriösuotimia, joita minulla on sekä DC- että AC-verkkoa varten.
DC-verkon suotimia olen jo aiemmin käyttänyt räkkikaappikohtaisesti kussakin radiolaiteräkissä.
Invertterien lähtöön tarkoitetut isot häiriösuotimet vaikuttavat kytkennällisesti aika tehokkailta. Mikäli tarvetta on, niin lisään lähtöihin tuommoiset alla olevan kuvan mukaiset "tiiliskivet". Kuva suotimesta pohja avattuna on tässä



Samaan systeemiin on tarkoitus asentaa myös häiriönvaimennusmuuntaja (t). Romuliikkeestä löytyi sekä lääkintäerotusmuuntajia (2 kVA), että häiriövaimennusmuuntajia (3kVA). Muuntajilla on kolmekin tarkoitusta tässä systeemissä. Ensinnäkin turvallisuussyistä tapahtuva erotus verkosta, sitten häiriöiden - ja myös ylijännitteiden vaimennus.
Rakenteellisesti nuo aiemmin mainitut muuntajat eroavat siinä, että häiriönvaimennusmuuntajassa on kaksi staattista suojaa ja lääkintäerotusmuuntajassa yksi.
Muuntajilla on tarkoitus syöttää erilaisia verkkokäyttöisiä testilaitteita sekä kokeiltavia laitteita. Koska tehoreserviä on riittävästi, niin ei tarvitse aina ajatella voiko tuon ja tuon laitteen kytkeä. Itse muuntajien tyhjäkäyntiteho on kokoluokka huomioon ottaen varsin pieni, joten normaalisti ne voivat olla jatkuvasti kytkettynä.

Täältä lisää häiriöiden poistosta

SÄHKÖVERKON VARMISTUS UPS-LAITTEILLA

Kuten alussa kerroin käytin alkuun pientä lähinnä yhden PC:n syöttämiseen takoitettua UPS:ia.
Laitteiden määrän kasvaessa tuo värkin teho kävi liian pieneksi.

Tämänhetkisessä järjestelmässäni on kaikkineen 6 kpl tietokoneita yleensä jatkuvasti käytössä.



Kuvassa on osa vanhemmasta päästä. Lisäksi on kolme konetta mitta -ja radiolaiteräkkien yhteydessä sekä uudempi kone "normaaliin käyttöön".
Lisäksi koko joukko erilaisia pienempiä oheislaitteita ja yksi kohde jossa UPS:in tarve on osoittautunut hyvin tarpeelliseksi. Tämä on kovalevytallennuksella varustettu satelliittiviritin. Myöskin tavanomaisten videoiden sähkönsyötössä toimiva UPS pelastaa ikäviltä yllätyksiltä.



Kuvassa näkyvät järjestelmäni UPS:it eli 2 kpl APC:n 1400VA ja Powerwaren 1800VA laitteet. Lisäksi tässä räkissä on yksi varalla oleva kehikko, jossa sijaitsevat 48V järjestelmästä "alaspäin" tasavirtaa ( 2 x 24V/10A ja 13,5V/30A) muodostavat hakkurit.
APC:n UPS:it ovat tietokonevalvonnassa ja ajavat koneet alas mikäli sähkökatko on liian pitkä. Lisäksi niiden seuranta on Internetissä omalla sivullaan.
Tarkoitus on vielä laittaa valvonta myös Powerwaren UPS:ille.

Vähän samoja valvontasioita sivuten on paraikaa koekäytössä sähköverkon kolmen vaiheen ja toisen tasajännitejärjestelmän mittausten teko tietokoneella ja myöhemmin näiden seurannan siirto Internettiin.
Tällä hetkellä ovat yhtenä erilaisista mittauksista mm. akustojen ja virtalähteiden lämmön mittaukset olleet jo jonkin aikaa seurattavissa netin kautta.

TAKAISIN TEKNIIKKAHAKEMISTOON !