|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи № 1-50
ЗАЩИТА БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ ОТ БРОСКОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ
Е.Берер
В настоящей статье рассматриваются проблемы защиты бытовой электрической и электронной аппаратуры от бросков напряжений, возникающих при аварийных ситуациях в питающей сети, и приводится описание устройства, осуществляющего функции указанной защиты.
Качество электрических сетей в нашей стране в городах и, особенно, в сельской местности, несмотря на многочисленные нормативные документы, оставляет желать много лучшего. Это относится к "нормальному" и, тем более, к аварийному режимам работы электросетей. Перенапряжения в сети зачастую столь велики, что даже при относительной кратковременности приводят к выходу из строя холодильников, телевизоров и другой, в основном дорогостоящей, аппаратуры. Вероятно, возможен юридический вариант возмещения материальных потерь, но, по мнению автора, на сегодняшний день проще и дешевле использовать технические способы борьбы с бросками напряжения.
Наиболее часто встречающаяся причина нестабильности сетевого напряжения — тривиальный плохой контакт, чаще всего в розетках, реже в щитах и коммуникационных (разделочных) коробках. Хотя эта причина приводит не к перенапряжениям, а наоборот, к провалам или снижению питающего напряжения, результат может оказаться плачевным для холодильника, стиральной машины или телевизора. Дело в том, что устройства, имеющие достаточно мощные электродвигатели, имеют пусковые токи, в 5...15 раз превышающие номинальное значение. При наличии плохих контактов в питающей сети включение таких устройств может привести к столь сильной "просадке" напряжения, что электродвигатель не сможет разогнаться и будет неопределенно долго находиться в пусковом режиме и, в конечном счете, выйдет из строя.
Механизм выхода из строя телевизоров несколько иной. При наличии "мерцающего" нарушения контактов в сети, из-за чего возможны быстрые спонтанные изменения сопротивления линии и искрение в точке нарушения контакта, система внутренней стабилизации напряжения в телевизоре может быть "введена в заблуждение" хаотически меняющимся напряжением в сети.
Учитывая вышеизложенное, можно сказать, что борьба за сохранность бытовой техники должна начинаться с проверки качества проводки и контактов внутри квартиры или дачи. Эта проверка производится по следующей методике:
1. Возьмите тройник, не греющийся при подключении к нему достаточно мощной нагрузки, например, импортного электрочайника мощностью 1,8 кВт, и подключите к нему вольтметр переменного напряжения с разрешающей способностью не хуже 1 В на шкале 250 В, например, цифровой тестер типа М832, и электрочайник. Включая и выключая электрочайник, зафиксируйте значения напряжения холостого хода Uхх и напряжения под нагрузкой Uнгр.
2. Рассчитайте сопротивление r линии питания по формуле:
r = (Uхх — Uнгр)*(Uном/Рном) (1),
где Uном и Рном — номинальные напряжение и мощность выбранной вами нагрузки в вольтах и ваттах соответственно. Сопротивление r не должно превышать 0,3...0,6 Ом. Если при измерении по п. 1 показания вольтметра неус тойчивы, это свидетельствует о наличии плохого контакта и, возможно, искрения в линии.
3. Произведите действия по п. 1 и 2 для всех используемых вами розеток и отремонтируйте некачественные.
4. Если все или большая часть проверенных розеток имеют одинаковое или близкое по величине отклонение от нормы, это может быть признаком плохого контакта в общем участке линии, реже в соединительных проводах, чаще в разделочных коробках, а также в распределительном щите, ответственность за который несут внешние службы энергоснабжения.
5. Проверка качества контактов в распределительном щите производится путем измерения падения напряжения на проверяемых участках схемы щита — винтовых стяжках проводов, включенных автоматах защиты и др. при включенной нагрузке 1-2 кВт. При мощности нагрузки 2 кВт оно не должно превышать 0,25-0,5 В. По соображениям безопасности проверку желательно производить в присутствии второго человека, используя резиновый коврик и хорошо изолированные острые щупы.
ВНИМАНИЕ !!! Устранение обнаруженных в распределительном щите дефектов должен производить электрик эксплуатирующей организации (ЖЭК, ДЭЗ, РЭУ).
Проверка качества контактов в разделочных коробках производится аналогично.
6. Если все принятые меры не дали желаемого результата, следует сделать заключение о дефекте в проводах и заменить их.
Перенапряжения опасны для всех видов бытовой аппаратуры, если они превышают существующие для данной сети нормы и, как
правило, являются следствием аварий, возникающих на участках сети, расположенных вне места появления перенапряжений.
Перенапряжения могут носить кратковременный (менее 1 мс) и длительный (более 0,5 с) характер.
Причиной кратковременных перенапряжений обычно являются коммутационные броски при включении/отключении мощных нагрузок с индуктивным импедансом.
Вероятность прямого повреждения бытовой аппаратуры импульсными помехами весьма мала, чаще их воздействие проявляется в виде сбоев работы цифровых устройств, в частности компьютеров.
Для устранения импульсных перенапряжений и помех используются серийно выпускаемые широкополосные заградительные фильтры, например, типа ФП-1, на ток до 25 А и напряжение до 500 В.
Более неприятными для аппаратуры и чаще возникающими, особенно в сельской местности, являются длительные перенапряжения из-за так называемого "перекоса фаз" в трехфазных линиях электропередач. Суть их состоит в следующем.
При недостаточном сечении соединительных проводов от понижающего трансформатора к потребителям или недостаточной его мощности, а также плохих контактах в силовом щите, повышение нагрузки на одной фазе приводит к уменьшению напряжения на ней и повышению на двух других.
Наихудшая ситуация будет при коротком замыкании нагрузки одной из фаз, например фазы А, так как при этом напряжения фаз В и С возрастут почти вдвое (в 1,73 раза). Учитывая инерционность средств защиты линии от перегрузок и их реальное состояние, можно уверенно сказать, что процент выхода из строя бытовой аппаратуры, подключенной к этим фазам, будет весьма высок.
К сожалению, ситуации с достаточно сильным перекосом фаз стали нередки даже в Москве, а в сельской местности это почти рядовое явление, и вопрос защиты бытовой аппаратуры от бросков напряжения питающей сети весьма актуален. Рассмотрение вопросов технической реализации устройства защиты аппаратуры от бросков напряжения (в дальнейшем для краткости — УЗАБ) начнем с анализа возможных алгоритмов его функционирования при провалах и выбросах питающего напряжения, имеющих различную длительность.
Кратковременные, длительностью до 1.2 с, провалы напряжения не выводят из строя аппаратуру, приводя в худшем случае лишь к ее сбоям, которые в большинстве случаев допустимы, если их последствия легко устраняются, например, повторным включением.
В противном случае, например, при недопустимости потери или искажения информации в компьютере, необходима система бессбойного питания. Это самостоятельная область вопросов питания аппаратуры и в настоящей статье она не рассматривается.
Следовательно, УЗАБ должен реагировать на провалы напряжения, величина и длительность которых превышают наперед заданные значения, отключая нагрузку от сети. После окончания провала напряжения УЗАБ должен с некоторой задержкой подключить нагрузку к сети.
Поскольку частота напряжения сети Fс = 50 Гц, УЗАБ не должен реагировать на провалы напряжения, длительность которых менее (5-10) Тс, т.е. 0,1...0,2 с, где Тс = 1/fс — период колебаний напряжения сети.
Допустимая величина провала определяется техническими характеристиками защищаемой аппаратуры, но, в среднем, не должна превышать 15% от номинального напряжения сети.
Реакция УЗАБа на выбросы напряжения должна быть сходна с реакцией на провалы, отличаясь лишь критериями оценки величины длительности выброса. Даже кратковременное превышение напряжения питания может привести к отказу за щищаемой аппаратуры. С другой стороны, наличие в сети импульсных составляющих с широким спектром амплитуд и длительностей может сделать невозможным нормальное функционирование УЗАБа.
Основная масса современной бытовой техники имеет по сетевому вводу фильтр нижних частот (ФНЧ) с полосой среза 0,1.1,0 мГц, поэтому УЗАБ должен реагировать только на выбросы с длительностью более 10 мкс.
Допустимая величина выброса в среднем не должна превышать 20% от номинального напряжения сети.
При превышении выбросом заданного порога УЗАБ должен отключить сеть от нагрузки, а после прекращения выброса с некоторой задержкой подключить сеть к нагрузке.
Если во время задержки произойдет выброс или провал напряжения сети, должно произойти формирование новой задержки с момента окончания последнего выброса или провала.
Может быть предусмотрена возможность технологической (не оперативной, а при установке на "объекте") регулировки порогов срабатывания и длительности задержки.
УЗАБ должен устойчиво работать во всем возможном диапазоне напряжений питающей сети, включая аварийные ситуации.
При пропадании питающей сети и последующем ее появлении подключение нагрузки должно происходить после окончания переходных процессов в схеме УЗАБа и его готовности "к несению службы".
В некоторых случаях, когда в сети относительно часто (с периодом в 1-2 мин) возникают короткие (1-10 с) провалы напряжения, может оказаться целесообразной (а возможно, и необходимой) задержка выключения УЗАБа, длительность которой несколько больше средней длительности провалов.
Таковы основные требования к алгоритму функционирования УЗАБа. Некоторые второстепенные функции УЗАБа будут обсуждены при рассмотрении функциональной и принципиальной схем.
Функциональная схема УЗАБа показана на рис. 1.
Основой УЗАБа являются два компаратора: КВ — компаратор выбросов и КП — компаратор провалов. На неинвертирующий вход компаратора КВ через фильтр выбросов ФВ поступает напряжение, показанное на диаграмме рис. 2, б,
амплитуда которого прямо пропорциональна амплитуде напряжения сети (рис. 2, а). Фильтр ФВ предотвращает попадание на вход компаратора импульсных помех с длительностью импульса менее 10 мкс.
На инвертирующий вход КВ поступает напряжение порога выбросов Uпв, величина которого при номинальном напряжении сети больше амплитуды импульсов на неинвертирующем входе компаратора КВ (рис. 2, в). Когда при выбросе сетевого напряжения амплитуда импульсов превысит величину Uпв (точка t+ на рис. 2, в), напряжение на выходе компаратора резко изменит величину и знак (рис. 2, г), а образовавшийся перепад через сумматор импульсов сброса X поступит на вход R триггера Т и установит его в такое состояние, при котором силовой ключ СК отключит нагрузку от напряжения сети. Этот же фронт импульса переведет счетчик-таймер СТ в исходное (нулевое) состояние. При обратном пересечении напряжения Uпв напряжением импульса (точка t—) на выходе компаратора образуется фронт другого знака, не оказывающий влияния на триггер Т и счетчик-таймер СТ. Положительные фронты, формируемые с частотой 100 Гц, будут удерживать триггер и счетчик-таймер в указанном состоянии до тех пор, пока напряжение сети не войдет в норму (рис. 2, а).
При номинальном напряжении сети счетчик-таймер начнет счет импульсов, поступающих на его вход с выхода формирователя импульсов счета ФИС. ФИС представляет собой такой же компаратор, как КВ и КП, но с другой величиной порогового напряжения. На выходе ФИС постоянно формируется напряжение, аналогичное показанному на рис. 2, г. При поступлении на вход счетчика СТ определенного, наперед заданного, числа импульсов N на его выходе появится импульс, который, воздействуя на вход S командного триггера Т, переведет триггер в другое состояние. При этом ключ СК откроется и подключит нагрузку к сети. Из сказанного видно, что счетчик-таймер является элементом задержки времени, исключающим хаотичное поведение УЗАБа при кратковременных случайных или переходных процессах в сети. В нормальной ситуации на выходе СТ через каждые N входных импульсов будет появляться импульс, подтверждающий "нормальность" сетевого напряжения. Время задержки Тзад определяется формулой:
Тзад (с) = 0,01N (2),
где N — коэффициент деления частоты счетчика-таймера.
При провалах напряжения сети компаратор КВ "безмолвствует", а в игру вступает компаратор КП, и ход событий полностью аналогичен ранее описанному. Разница между схемами КВ и КП состоит в другом соотношении контролируемого (пропорционального напряжению сети) напряжения и напряжения порога Uпп (рис. 2, д) и, соответственно, в обратном включении входов компаратора. Кроме того, согласно сказанному при анализе алгоритма работы УЗАБа постоянная времени фильтра ФП гораздо больше, чем ФВ, и составляет доли секунды.
На сумматор импульсов сброса поступает также сигнал с выхода устройства начальной установки НУ. Это устройство при первом включении УЗАБа или при пропадании и последующем появлении напряжения сети формирует на выходе потенциал, который устанавливает УЗАБ в исходное (выключенное) состояние на время Тзад.
Блок питания БП формирует питающие напряжения для всех элементов схемы УЗАБа, напряжения для сигнальных входов компараторов, пропорциональные напряжению сети, и опорное напряжение, из которого формируются напряжения порогов компараторов.
Кнопки К1 и К2 позволяют принудительно устанавливать УЗАБ в режим включения или отключения нагрузки от сети, а светоиндикаторы Л1 и Л2 индицируют фактический режим работы УЗАБа. Вольтметр V позволяет визуально оценивать качество питающей сети. Переменные резисторы Rрег служат для коррекции пороговых напряжений компараторов в зависимости от качества сети и характера нагрузки. Все перечисленные органы регулировок и контроля выполняют сервисно-технологические функции и нужны только при первом подключении УЗАБа или для квалифицированного пользователя.
Окончание следует
Статья ЗАЩИТА БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ ОТ БРОСКОВ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ часть 2.
|
