Električna energija: Neprekidna struja

Prošlog meseca smo pisali o načinima proizvodnje i prenosa električne energije do potrošača. Samo saznanje o načinu funkcionisanja neće nam mnogo pomoći da obezbedimo kontinuitet ili barem da se zaštitimo od prestanka napajanja, ako se jave problemi. Zato se sada bavimo UPS-ovima, agregatima i drugim uređajima.

Postoje dva načina kako da premostimo pauzu u napajanju: akumulatori u koje je uskladištena energija i proizvodnja same energije. U realnosti je često potrebna kombinacija ove dve ideje. Šta nabaviti i instalirati zavisi od potreba, mogućnosti i očekivanih problema. Ako je potreba za konstantnim napajanjem imperativ, onda nema mesta štednji. Ali ako mogu da se prave kompromisi, treba proceniti šta je zaista neophodno.

Aktivna i reaktivna snaga

Na samom početku razjasnićemo neke pojmove oko struje. Većina toga se uči u redovnom školstvu, ali neke stvari se ne pominju, a mnogo toga čovek i zaboravi. Recimo, reaktivna snaga – primetio sam da mnogi ne-inženjeri imaju teškoća da razlikuju snagu i energiju, naročito što se u ovoj oblasti koriste jedinice W i Wh. W je vat, a h je oznaka za vreme, 1 sat, i to je zapravo sva razlika i sličnost. Snaga se meri u vatima – W, a to je brzina vršenja rada, snaga=rad/vreme. Energija je sposobnost da se izvrši rad i zvanična jedinica je džul – J. Rad i energija imaju istu jedinicu, energija je samo mera koliki rad se može obaviti.

Manji agregati uglavnom rade na benzin a veći na dizel. Neki koriste gas kao gorivo – znatno su ređi, ali mogu biti pogodni za urbane uslove eksploatacije

Radi lakšeg manipulisanja, možemo videti da je J=W×s, vat u sekundi, snaga puta vreme. Da ne bismo dobijali velike brojeve, koristi se čas umesto sekunda, tako imamo jedinicu Wh. Zamislimo peć čiji grejači imaju snagu 2 kW; ako ta peć radi 10 sati, potrošiće 20 kWh energije.

Ako bi radila 20 sati dnevno, potrošiće 40 kWh, dvostruko više. Dvostruko više uglja će morati da se sagori ili vode da prođe kroz turbinu. Ako je snaga grejača samo 1 kW i ako oni rade 20 sati, potrošiće 20 kWh energije, dakle isto kao duplo jača peć za upola kraće vreme. Jedina prednost je što će moći da se koristi manji generator, jer je angažovana manja snaga. Zato imamo jedne podatke o instalisanoj snazi za proizvodnju, a druge koliko oni doprinesu godišnje u proizvodnji. Ne rade sve elektrane sve vreme, ili nema potrebe ili ne mogu – nema vode, redovni remont…

Sledeća zbunjujuća stvar je korišćenje jedinice VA (volt-amper) umesto W (vat). To se već nije učilo u školi. Ono što znamo iz tog perioda života jeste da je snaga proizvod napona i struje, P=U×I. Onako na brzinu može se pomisliti da se radi samo o naglašavanju da se radi o tim veličinama, no istina je malo komplikovanija. Stare sijalice sa ugljenim vlaknom svu energiju potroše za grejanje i svetlo. Daljih dilema nema kada je u pitanju jednosmerna struja. Ali naizmenična ima induktivnost i kapacitivnost. Zbog postojanja ovih elemenata koji pomeraju fazu između struje i napona, javlja se oblik snage koji se u proračunima iskazuje ne kao realan, nego kao kompleksan broj (ima realni i imaginarni deo).

Uprošćeno govoreći, ovi elementi imaju osobinu da „skladište“ energiju i kako se menja polaritet, oni će je otpuštati i ponovo uzimati. Mehanička analogija je, recimo, klatno. Rezultat takvog ponašanja je pojava reaktivne komponente snage koja se realno ne troši, ali putuje kroz sistem i zauzima resurse. Zato se uvode pojmovi prividna, aktivna i reaktivna snaga. Prividna je ukupna snaga koja opterećuje sistem, generatore i prenosne provodnike; izražavamo je u VA. Ali ona neće biti kompletno pretvorena u rad. Zato se ona razlaže na aktivnu i reaktivnu snagu. Aktivna je ona koja se „troši“, koja se pretvara u koristan rad (deo ode na gubitke). To je „prava“ snaga i izražavamo je u vatima. Reaktivna snaga je ona beskorisna, koja samo putuje a ne radi ništa, zauzima resurse i njena jedinica je VAr (volt-amper reaktivno). Na slici vidimo trougao snaga, gde su aktivna i reaktivna snaga katete pravouglog trougla, a hipotenuza je prividna snaga. Ugao između prividne i aktivne snage je ugao između napona i struje. Ono što se češće pominje je faktor snage, koji predstavlja odnos aktivne i prividne snage, tj. kosinus pomenutog ugla.

Idealno bi bilo kada bi faktor snage bio 1 i postoje razni načini da se uradi korekcija tog faktora. Ono što se najviše sretalo bili su kondenzatori za kompenzaciju koji su se stavljali paralelno s motorima u usisivaču, fenu… Induktivnost se kompenzuje kapacitivnošću. Zato vas nekad malo drmne struja kada dodirnete viljušku čim je izvučete iz utikača. Važno je znati da se na uređajima koji nas zanimaju, kao što je UPS ili generator, snaga izražava u VA, ali se navodi i faktor snage. Gruba računica kaže da pomnožite VA sa faktorom i tako dobijate koliku aktivnu snagu imate od tog uređaja. Ali je svakako vrlo važno znati ova dva podatka. Na primer, kupite UPS od 650 VA sa faktorom od 0,8 i dobri ste za sve do 520 W.

Neprekidno napajanje

Svako ko drži do svog rada ima UPS na koji su priključeni kritični elementi kao što su NAS, desktop PC i mrežna oprema. Oni koji ga još nemaju vredelo bi da ozbiljno porazmisle o nabavci – laptopi su sada za mnogo jedini računari, ali ne treba smetnuti s uma da postoji mrežna oprema koja vas povezuje sa Internetom, a time i sa cloud servisima, kao i sa e-mail-om i raznim sistemima za razmenu poruka.

Izbor UPS-a nije jednostavan jer se oni ne razlikuju samo po snazi nego i po načinu rada. Osnovna podela odnosi se na to ko stvarno napaja potrošača. „Obični“ UPS-ovi propuštaju mrežni napon do potrošača sve dok ne detektuju da je došlo do prekida. Tada brzo prelaze na baterijski režim rada, kada obezbeđuju potrebnu energiju; elektronika je tu da jednosmernu struju iz baterije pretvori u naizmeničnu struju potrebnog napona. U periodima kada ima struje, baterije se pune. Bolji UPS-ovi prate stanje baterija i održavaju ih „u formi“, tako da duže traju i budu uvek spremni za reagovanje. Takođe je poželjno da imaju i zaštitu od lošeg mrežnog napona.

Pomenuli smo prošli put da je smanjenje napona u mreži jedna od mera štednje struje, mada se ta mera ne primenjuje često jer ne daje spektakularne rezultate. Problemi s naponom mogu ukazivati i na stanje u lokalnoj mreži koja se projektuje tako da svi uređaji imaju napon u propisanim granicama. Pošto postoje određeni gubici u provodnicima, proračunava se tako da oni bliži trafo-stanici imaju nešto viši napon, što bi obezbedilo da oni krajnji imaju napon iznad donje granice. Iz raznih razloga tu ipak ima odstupanja. Zato je dobro UPS može sam da koriguje napon i to bez prelaska na baterijsko napajanje. To je nekada bila osobina premijum uređaja, dok je danas sve češća i na jeftinijim modelima, ali svakako proverite pre kupovine.

Druga skupina UPS-ova su online uređaji kod kojih se potrošači stalno napajaju preko invertera, kao da su na baterijskom napajanju. Prednost je ne samo brzina reakcije nego i kvalitet napona, pošto su to obično uređaji koji na izlazu daju pravu sinusoidu (još jedna od osobina na koju treba obratiti pažnju, oblik izlaznog napona invertera). I uvek se uređaji napajaju tom generisanom i kontrolisanom sinusoidom. Mane su cena i gabariti, tako da online UPS-ove ne srećemo tako često.

Mnogo je jednostavnije i jeftinije realizovati sklop koji daje napon nepravilnog, umesto sinusnog oblika. Ta „simulirana sinusoida“ je dobra za prekidačka napajanja naših PC-ja, ali ne i za motore ili npr. pojačalo koje ima transformator

O izlaznom naponu invertera (uređaj koji pretvara jednosmernu struju u naizmeničnu) treba da brinemo kad god iz UPS-a ne napajamo samo elektroniku, već i motore ili npr. pojačalo koje ima transformator. Mnogo je jednostavnije i jeftinije realizovati sklop koji daje napon nepravilnog, umesto sinusnog oblika. Taj oblik, tzv. „simulirana sinusoida“ ili PWM, je dobra za prekidačka napajanja naših PC-ja. Ima i nekih među-rešenja, recimo, oblik koji smo videli u prošlom broju časopisa, s kojim bismo mogli da pokušamo napajanje pumpe za grejanje.

Ostaje nam pitanje dužine rada na baterije. Oni koji žele dužu autonomiju često posežu za UPS-om veće snage, što generalno nije potrebno. Samo ćete uzeti skuplji i gabaritniji uređaj dok će se autonomija produžiti manje od željenog. Umesto toga, potrebno je odabrati uređaj potrebne snage, ali sa opcijom dodatnih baterija. Ne može svaki UPS da ih prihvati jer punjač mora biti dimenzioniran i za njih.

Generatori struje

Generatori, popularno nazvani agregati, postoje odavno na tržištu, ali su manje popularni jer nisu prilagođeni radu u zatvorenom prostoru kao što je stan. Čak i da ga postavite na terasu, ne verujem da bi komšije blagonaklono gledale na njega, s obzirom na buku i mirise. No, i generatori napreduju: sve su tiši, ali ostaje problem izduvnih gasova. Ponuda je raznovrsna pa ako se odlučujete za neki od njih, izbor nije lak. Osnovni parametri su snaga i da li će biti monofazni ili trofazni. Verujem da će većini kućnih korisnika monofazni agregat biti sasvim dovoljan, ali neki oblici proizvodnje moraju da imaju trofazno napajanje.

Svako ko drži do svog rada ima UPS na koji su priključeni kritični elementi kao što su NAS, desktop PC i mrežna oprema

Sledeće pitanje je izbor goriva. Obično manji agregati rade na benzin a veći na dizel, mada ima izuzetaka. Neki koriste gas kao gorivo, ali su znatno ređi i verovatno najbolji za urbane uslove eksploatacije. Ono što je važnije jeste kakav napon daju, koliko je stabilan, koliko brzo reaguje na promene opterećenja. Jeftiniji modeli se ne snalaze dobro, tako da možda i nisu adekvatan izbor za neku osetljivu opremu, ali će odlično poslužiti za osvetljenje i pumpu za grejanje.

Ako pokušate da iza takvog generatora postavite UPS koji bi „ispeglao“ napon u prelaznim režimima, može doći do problema, pogotovu ako je UPS neki od jednostavnijih. Naime, kada se uključi neki potrošač a agregat ne reaguje dovoljno brzo, doći će do pada napona. Ako je napon ispod granice do koje AVR (automatska korekcija napona) radi bez prelaska na baterijsko napajanje, UPS će se prebaciti na baterije a agregat će se rasteretiti. Čim se rastereti, skoči napon, UPS pređe na napajanje iz mreže, opet motor ne reaguje brzo, padne napon i
sve ispočetka, mrtva petlja. Preporuka je da takav sistem isprobate pre postavljanja.

Akumulatori kao izvor napajanja imaju smisla za male potrošače, kao što je pumpa za grejanje ili laptop (ne gejmerski). Recimo da je snaga pumpa 100 W. Kupili ste akumulator kapaciteta 55 Ah, koji daje 12 V, dakle 660 Wh. To znači da će pumpa raditi oko šest sati, verovatno dovoljno da se premosti period bez struje. Verujem da je važno da se za to vreme održi i temperatura u frižiderima, a oni su obično snage od 100 W do 250 W. To znači da bi akumulator mogao da izdrži period od četiri sata bez struje (kompresor frižidera ne radi sve vreme). Problem sa olovnim akumulatorima jeste smeštaj, jer nije zdravo držati ih u zatvorenom prostoru, a ako se izbace na terasu, biće im hladno pa će se kapacitet smanjiti. Drugi problem je razvlačenje napojnih kablova do potrošača.

Na kraju pomenimo litijum-jonske baterije za kuću. Ima ih i kod nas, nisu jeftine, ali nisu ni nedostižne. Nose određene rizike, ali su svakako elegantnije rešenje od olovnih akumulatora. Najbolje je kombinovati ih sa solarnim pločama ili generatorima na vetar (ako živite u kraju sa stalnim vetrom – nije bitno da vetar bude jak, nego treba da je konstantan). Ekološki je sve to preporučljivo, ali ostaje problem cene i vremena potrebnog za realizaciju.

Mere predostrožnosti

Šta bi bio zaključak? Prvo, da se svi nadamo da će biti dovoljno struje i da neće biti dugih restrikcija. Ali čeka nas neizvesna zima te se treba na neki način pripremiti. Bez obzira na stanje u elektroenergetskom sistemu, preporučujem da nabavite UPS, ali i da proverite stanja baterija na postojećim UPS-ovima. Oni će vam omogućiti da bezbedno završite s radom i pogasite desktop mašine. Pri tome može ostati dovoljno energije u bateriji da vam mrežna oprema radi do ponovnog dolaska struje. Ovo je dobro, uz uslov da i ISP ima dovoljno dimenzionirano rezervno napajanje. Ako vam treba duži rad, potražite UPS-ove s dodatnim baterijama. Oni mogu biti sasvim dovoljni za dopunu laptopa (ako vas zadesi da nije puna baterija) i za neku LED sijalicu.

Ako imate mogućnost da negde smestite agregat i gorivo za njega, to je uvek vredna ideja. Ako ih koristite za elektroniku, pažljivo testirajte kako sve to funkcioniše; kod klasične primene u domaćinstvu, možete biti opušteniji. Važno je pravilno dimenzionisanje uređaja: pogledajte još jednom priču s početka teksta o VA, faktoru snage i W, da bi vaša investicija poslužila svrsi.

Sve popularniji solarni paneli u ovoj priči imaju smisla samo uz baterije. Ako imate mogućnosti da uložite u takav projekat, mirno ćete dočekati ovu zimu. Nama ostalima ostaje da se nadamo da su osamdesete prošle i da se vreme „stabilizacije“ neće vratiti, to jest da će biti dovoljno struje.