CC BY
19
УДК 621.316.722.1
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ НЕИНДУКТИВНЫХ НАГРУЗОК
Андрей Юрьевич Григорьев, магистрант Максим Юрьевич Егоров, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВО Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, г. Великие Луки
В данной статье рассмотрена серьезная проблема в электрических сетях - отклонения напряжения, а также варианты и способы решения данной проблемы. Эта проблема встречается как в городской, так и в сельской местности. При этом заметим, что на селе качество электрической энергии значительно хуже, чем в городе. В основном сельские сети довольно изношены из-за того, что на многих из них ремонт не проводился очень давно. ГОСТ 32144-2013 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц, а также подразумевает отклонения напряжения от -10% до +10%. Но зачастую они превышаются в 2-3 раза, а это, в свою очередь, ведет к выходу электроприборов из строя. Происходит это по следующим причинам: короткие замыкания на линиях электропередач, мощные потребители в сети (сварочные аппараты, электрические чайники, фены, холодильники, синхронные и асинхронные двигатели), различные поломки на подстанции (витковое замыкание, связанное со старением проводов, понижение уровня масла в трансформаторе, падение напряжения на сопротивлении проводов), перекос фазных напряжений, при которых наблюдается значительное понижение мощности электроприборов. Для того чтобы нормализовать напряжение, уже есть специально разработанные приборы, но у них имеются свои недостатки. Основываясь на недостатках инвертор-ного стабилизатора напряжения, являющегося одним из самых лучших на сегодняшний день, мы предлагаем свой электронный прибор - неинверторный стабилизатор напряжения. Взяв за основу инверторный стабилизатор напряжения, мы упростили его схему, тем самым сделали его надежнее и дешевле относительно всех своих аналогов.
Ключевые слова: отклонения напряжения, некачественная работа электроприборов, импульсный блок питания, инвертор, неинверторный стабилизатор напряжения.
Введение
Общеизвестна такая проблема в электрической сети, как отклонения напряжения. ГОСТ 32144-2013 устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц, а также подразумевает отклонения напряжения от -10% до +10%. Но зачастую они превышаются в 2-3 раза, а это, в свою очередь, ведет к выходу электроприборов из строя. Более частые случаи наблюдаются в сельской местности. Сельские сети довольно изношены, ремонт на многих из них не проводился очень давно.
Поломки на линии электропередач происходят по причине старения соединителей и шлейфов, в которых наступают окислительные процессы, из-за этого протекание тока становится значительно хуже, так как соединения проводов за счет механических повреждений теряют свои свойства и параметры электроэнергии на линиях электропередач уже не соответствуют нормам ГОСТ 32144-2013. Статистика говорит нам о том, что чем дальше трансформаторная подстанция находится от потребителя, тем больше вероятность появления низкого уровня напряжения. Чем длиннее линия, тем ниже уровень напряжения. Примеров плохой некачественной работы достаточно много и происходит это по разным причинам, а именно:
- мощные потребители в сети (сварочные аппараты, различные синхронные и асинхронные двигатели, электрочайники, фены, микроволновые печи, холодильники);
- короткие замыкания (в основном бывают два вида коротких замыканий: межфазное, при участии двух или более фаз; однофазное, при участии фазного и нулевого провода);
- возможные поломки на подстанции (витковое замыкание, связанное со старением проводов, понижение уровня масла в трансформаторе, падение напряжения на сопротивлении проводов, из-за протекания тока на нагрузке и несимметрии напряжений, когда происходит перекос фаз, а также различные пробои изоляции, обрывы в цепи и т.д.) [4];
- слишком загруженные линии электропередачи (много мощных потребителей сети, при этом используется старая проводка, неподходящая по сечению) [5].
Перечисленные факторы очень сильно влияют на качество электроэнергии как в городе, так и в сельской местности. Это приводит к таким проблемам, как временное отключение электроэнергии, резкое повышение напряжения, электромагнитные наводки. Даже если все это происходит за доли миллисекунды и незаметно для человеческого глаза, это вовсе не означает того, что это не наносит вреда электроприборам.
Результаты и обсуждение
Во многих устройствах используются импульсные блоки питания. Импульсный блок питания - это устройство, преобразующее сетевое напряжение до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику. Принцип работы блока питания заключается в следующем. Напряжение 220 В поступает на входной фильтр, который не пропускает помехи, имеющиеся в электрической сети, в сам блок питания в то же время не выпускает помехи из самого блока питания обратно в сеть. Отфильтрованное напряжение поступает, в свою очередь, на высоковольтный выпрямитель (диодный мост). На выходе выпрямителя стоит емкостный фильтр (один или два последовательно включенных элек-
тролитических конденсатора). Далее по схеме идет инвертор, построенный на базе импульсного трансформатора и одного или нескольких силовых транзисторов, выходной выпрямитель на базе одного или четырех диодов, после которого электроэнергия поступает на выходной фильтр. Из достоинств импульсного блока питания мы имеем: уменьшенный вес, компактный объем, хороший КПД (около 90%), недорогая цена (от 370 рублей до 13000 рублей), различный диапазон питающих напряжений, допускаются частоты 50/60 Гц, наличие встроенной защиты от коротких замыканий. Недостатком является то, что если с повышением напряжения блок питания может справиться, то резкое понижение напряжения, даже на доли секунды, может значительно сократить срок службы, либо же вообще вывести его из строя, так как при понижении напряжения вырастает потребляемый стабилизатором ток, который дает дополнительную нагрузку на диоды, транзисторы. В лучшем случае блок будет работать некорректно, в худшем - выйдет из строя. Чаще всего из строя выходит варистор, вслед за ним - диодный мост и в последнюю очередь - электролитические конденсаторы.
Рассмотрим специально разработанные приборы для решения проблемы нестабильного напряжения:
1) Сетевой фильтр. Самым простым решением является сетевой фильтр, его можно использовать как альтернативу для маломощных потребителей, однако он может выдерживать ток лишь до 15 А. Но он может защитить прибор от перенапряжений и перегрузок. В качестве защиты от перегрузок в сетевом фильтре ставится тепловой предохранитель; если он сработал, то повторно подать напряжение на приборы можно будет только после того, как он остынет. В случае перепадов напряжения в сетевом фильтре выходит из строя варистор, сопротивление его падает и происходит короткое замыкание, выбивается автоматический выключатель, который полностью защищает нашу домашнюю сеть от короткого замыкания.
2) Расцепитель минимально-максимального напряжения (РММ). Прибор защищает от высокого и низкого напряжения, но плохо справляется с перенапряжениями. Работает в паре с автоматическим выключателем. Недостатком является то, что он не включается автоматически после своего отключения. В РММ из строя при высоком напряжении выходит катушка расцепителя.
3) Реле защиты РКН и УЗМ. Оно надежнее, чем сетевой фильтр, потому что выдерживает ток от 25 А до 60 А. Его преимущества - это небольшие размеры и удобный монтаж, сразу отображается напряжение в реальном времени. Недостатком же является то, что реле больше подходит для трехфазных электрических сетей, а также не может удерживать стабильное напряжение, и плохо справляется с импульсными перенапряжениями, которые возникают, например, вследствие удара молнии. Чаще всего из строя выходят печатные дорожки и клеммные блоки.
Все эти перечисленные приборы неплохо справляются со своими задачами, но главный их недостаток в том, что они не могут регулировать напряжение, а просто выключают сеть при перегрузках.
4) Инверторный автоматический стабилизатор напряжения - это полностью электронный прибор, который способен поддерживать нужное напряжение на выходе. Он включает в себя входные фильтры, выпрямитель напряжения, корректор задаваемого коэффициента мощности, конденсатор, микроконтроллер и инвертор (он преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение). Инверторный стабилизатор напряжения работает по следующему принципу. Напряжение электрической сети изначально подается на входной фильтр помех, после этого переменное напряжение превращается в постоянное. Затем напряжение подается на выпрямитель и сглаживающий фильтр, далее попадает в сам инвертор, где окончательно становится переменным. Главной особенностью инверторного стабилизатора напряжения является то, что, в отличие от своих аналогов, он не имеет трансформатора в своей конструкции. А также он способен регулировать напряжение плавно, а не ступенчато, как это происходит в других стабилизаторах напряжений. За счет двойного инвертор-ного преобразования этот стабилизатор является совершеннее своих аналогов. Он сглаживает перепады напряжения за счет конденсаторов в своей конструкции. К его преимуществам относятся такие показатели как:
- возможность работы и обеспечения стабильного уровня напряжения ин-верторного стабилизатора в диапазоне от 115 до 300 В;
- тихая работа (то есть отсутствие каких-либо шумов);
- при больших перепадах напряжения, из-за большой емкости конденсаторов, сохраняется постоянное напряжение в пределах 220-230 В;
- отсутствие тяжелых силовых трансформаторов делает его легким и компактным;
- коэффициент полезного действия иногда достигает более 90%;
- мгновенная регулировка напряжения, а также крайне низкая погрешность отклонения уровня напряжения [2].
К недостаткам инверторного стабилизатора напряжения относится его цена, не можем упомянуть и о том, что чем больше подключено устройств, тем хуже стабилизатор обрабатывает входящее напряжение.
Мы показали имеющиеся на сегодняшний день основные приборы, которые тем или иным образом предназначены для улучшения стабилизации напряжения. Все эти приборы работают непосредственно с переменным сетевым напряжением, никак не воздействуя на его частоту и форму (кроме инвер-торного стабилизатора напряжения). К переменному сетевому напряжению, подаваемому на любые бытовые и промышленные электроприборы, предъявляют ряд следующих требований:
- уровень напряжения должен быть стабильным;
- оно должно быть синусоидальным;
- частота должна быть строго 50 Гц.
Если хотя бы какое-то из этих требований нарушено, то прибор будет работать либо некорректно, либо вообще выйдет из строя. Исходя из всего нами рассмотренного, мы предлагаем свой усовершенствованный неинверторный стабилизатор напряжения (рисунок 1). Как известно, многие электроприборы, согласно своей электрической схеме, допускают работу как при переменном, так и при постоянном токе. За счет этого мы упрощаем схему тем, что хотим убрать из нее такой сложный элемент как инвертор, и делаем его более компактным и простым, следовательно, надежным и относительно дешевым [3].
Рисунок 1 - Схема неинверторного стабилизатора напряжения
Мы упростили его схему и не применяли в ней инвертор. Его принцип действия заключается в следующем. На вход стабилизатора подается переменное напряжение 230 В с частотой 50 Гц. Сразу на входе ставится предохранитель (Ful) для защиты схемы от короткого замыкания и перегрузок [1]. Далее по схеме идет варистор (RV1), который также служит для защиты нашего устройства от импульсов перенапряжения, при резком увеличении напряжения его сопротивление уменьшается, он через себя пропускает электрический ток и может ограничить напряжение на входе схемы, параллельно которой он подключен. Последовательно со всей схемой стабилизатора включен в схему тер-мистор (RT1), который обезопасит стабилизатор от резкого броска тока, поступающего на конденсаторы (C1) и (C2). Его принцип работы заключается в следующем. При отсутствии напряжения термистор холодный, его сопротивление составляет от единиц до нескольких десятков Ом, это позволяет в первый момент подачи напряжения ограничить зарядный ток конденсаторов, так как бросок этого тока может губительно влиять на диодный мост и сами конденсаторы. При протекании зарядного тока термистор, как и любой проводник, греется.
При увеличении температуры его сопротивление падает до десятых долей Ома и далее он не препятствует протеканию тока. Далее в цепи идут два диода (VD1) и (VD2), которые также последовательно включены в схему, как и тер-мистор. Схема, построенная на двух диодах (VD1) и (VD2) и двух конденсаторах (C1) и (C2), составляет схему удвоения напряжения. Поскольку первые два конденсатора включены последовательно, напряжения на этих двух конденсаторах складываются и, будучи сложенными, поступают на третий конденсатор (C3). После этого удвоенное сглаженное напряжение поступает на ограничительный резистор (R1), затем на ключевой IGBT-транзистор (VT1), затем, когда транзистор откроется, на накопительный конденсатор (C4). Далее ток направлен к выходу, где расположен нагрузочный резистор (R2), предназначенный для разряда конденсатора (C4).
Выводы
В заключение всего сказанного, можно сделать вывод, что проблема некачественной электроэнергии является актуальной на сегодняшний день, но до сих пор нет идеального решения данной проблемы. В каждом из имеющихся для этого стабилизаторов напряжения отмечаются определенные недостатки. Нами для устройств с импульсными блоками питания (телевизоров, мониторов, персональных компьютеров) предлагается усовершенствованное решение - не-инверторный стабилизатор напряжения. Данный стабилизатор отличается от инверторного тем, что на его выходе не восстанавливается переменное синусоидальное напряжение, а на подключенные к нему нагрузки будет подаваться постоянное напряжение. Он характеризуется более дешевой конструкцией и не имеет явных проблем, на него будет подаваться переменное напряжение, а на выходе получаться постоянное.
Библиографический список
1. Вольдек, А. И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы / А. И. Вольдек, В. В. Попов. - Санкт-Петербург : Питер, 2008. - 320 с. - ISBN 978-5-469-01380-8. - Текст : непосредственный.
2. Егоров, М. Ю. Обоснование оптимального стабилизатора напряжения для широкого спектра применений / М. Ю. Егоров. - Текст : непосредственный // Промышленная энергетика. - 2017. - №2. - С. 48-50. - ISSN 0033-1155.
3. Егоров, М. Ю. Проблема несимметрии напряжений в сельских сетях и ее решение посредством разработки устройства симметрирования напряжений / М. Ю. Егоров, Г. Н. Самарин, С. М. Сукиасян. - Текст : непосредственный // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - №3. - С. 42-46. - ISSN 2308-8583.
4. Косоухов, Ф. Д. Потери мощности и напряжения в сельских сетях 0,38 кВ при несимметричной нагрузке / Ф. Д. Косоухов. - Текст : непосредственный // Техника в сельском хозяйстве. - 1988. - №3. - С. 5-8. - ISSN 0131-7105.
5. Лещинская, Т. Б. Электроснабжение сельского хозяйства / Т. Б. Лещинская, И. В. Наумов. - Москва : КолосС, 2008. - 655 с. - ISBN 978-5-9532-0560-3. - Текст : непосредственный.
VOLTAGE STABILIZER FOR NON-INDUCTIVE LOADS
Grigoriev Andrei Iurievich, master-course student
Egorov Maxim Iurievich, Candidate of Technologies, associate professor
State Agricultural Academy of Velikie Luki FGBOU VO, Velikie Luki, Russia
The article discusses a serious problem in electrical networks-voltage deviations, as well as options and ways to solve this problem. The problem occurs in both urban and rural areas. At the same time, we note that the quality of electric energy in rural areas is much worse than in the city.
Mostly rural networks are quite worn out due to the fact that many of them have not been repaired for a very long time. GOST 32144-2013 establishes indicators and standards for the quality of electric energy at the points of transmission of electric energy to users of low, medium and high voltage electric networks of general-purpose AC power supply systems with a frequency of 50 Hz, and also allows voltage deviations from -10% to +10%.
But often they are exceeded by 2-3 times, and this, in turn, leads to the failure of electrical appliances. This happens for the following reasons: short circuits on power lines, powerful consumers in the network (welding machines, electric kettles, hair dryers, refrigerators, synchronous and asynchronous motors), various breakdowns at the substation (a turn-around circuit associated with the aging of wires, a decrease in the oil level in the transformer, a voltage drop on the resistance of wires), a skew of phase voltages, in which there is a significant decrease in the power of electrical appliances. In order to normalize the voltage, there are already specially designed devices, but they have their drawbacks. Based on the shortcomings of the inverter voltage stabilizer, which is one of the best to date, we offer our own electronic device - a non-inverter voltage stabilizer. Taking the inverter voltage stabilizer as a basis, we simplified its circuit, thereby making it more reliable and cheaper relative to all its analogues.
Key-words: voltage deviations, poor operation of electrical appliances, switching power supply unit, inverter, non-invertor voltage stabilizer.
Bibliograficheskij spisok
1. VoFdek, A. I. ETektricheskie mashiny\ Vvedenie v eTektromexaniku. Mashiny' postoyannogo toka i trans-formatory' / A. I. Vol'dek, V. V. Popov. - Sankt-Peterburg : Piter, 2008. - 320 s. - ISBN 978-5-469-01380-8. - Tekst : neposredstvenny'j.
2. Egorov, M. Yu. Obosnovanie optimaTnogo stabilizatora napryazheniya dlya shirokogo spektra primenenij / M. Yu. Egorov. - Tekst : neposredstvenny'j // Promy'shlennaya e'nergetika. - 2017. - №2. - S. 48-50. - ISSN 00331155.
3. Egorov, M. Yu. Problema nesimmetrii napryazhenij v sel'skix setyax i ee reshenie posredstvom razrabotki ustrojstva simmetrirovaniya napryazhenij / M. Yu. Egorov, G. N. Samarin, S. M. Sukiasyan. - Tekst : neposredstvenny'j // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2013. - №3. - S. 42-46. - ISSN 2308-8583.
4. Kosouxov, F. D. Poteri moshhnosti i napryazheniya v sel'skix setyax 0,38 kV pri nesimmetrichnoj nagruzke / F. D. Kosouxov. - Tekst : neposredstvenny'j // Texnika v sel'skom xozyajstve. - 1988. - №3. - S. 5-8. - ISSN 01317105.
5. Leshhinskaya, T. B. E'lektrosnabzhenie sel'skogo xozyajstva / T. B. Leshhinskaya, I. V. Naumov. - Moskva : KolosS, 2008. - 655 s. - ISBN 978-5-9532-0560-3. - Tekst : neposredstvenny'j.
E-mail: andrei 19 gr@mai l. ru
182112, Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
Тел.: +7 (81153) 7-16-22
