Инновация в области защиты сети от перенапряжения

Современный рынок предельно насыщен разнообразными моделями устройств защиты, в которых реализованы классические подходы: либо быстрое отключение нагрузки при перенапряжении, с той или иной задержкой

(во избежание ложных срабатываний от допустимых помех), либо стабилизация классическим автотрансформатором и отключение нагрузки, если стабилизация уже невозможна. Однако эти подходы имеют существенные недостатки, о которых лучше узнать путем инженерного тестирования конкретной модели. Здесь же мы хотим показать преимущества нового, неклассического инженерного подхода, который удалось реализовать в нескольких моделях инженером Александром Васильевым.

Обзор разработки

Модель синхронного ограничителя напряжения разработана и собрана как раз для маломощной аппаратуры, требующей автоматического восстановления питания без особой задержки. Экспериментальная отработка и основные испытания её только что завершились (впереди тепловые испытания). ОНС (см. на фото ниже) может включаться в разрыв существующей линии питания, либо непосредственно к розетке с подключением нагрузки через гнёзда.

Ограничитель напряжения рассчитан на мощность до 250 Вт. Он собран на основе стандартной распределительной коробки фирмы «Tyco electronics», — 75х75 мм. Надо отметить, что схема управления балластом одинакова для всех уровней мощности, изменяется лишь сам балласт (классический), — мост, транзистор и радиатор охлаждения. Рассказывать здесь о схемных решениях нет возможности, поскольку устройство представляет собою объект «ноу-хау» и ожидает серьёзной деловой проверки в рамках договорной работы. Можно сказать лишь, что схема аналоговая и в ней используются элементы только широкого применения. ОНС рассчитан на режим регулярного ограничения входного напряжения величиною до 255 — 260 в, — наиболее вероятный уровень, и кратковременного – до 275 в, при токе нагрузки до 1А. Для защиты от перегрева на радиаторе закреплен миниатюрный термо-автомат. Достигнуты следующие функциональные свойства синхронного ограничителя:

Возможность стационарного соединения в цепи питания, то есть включения питания нагрузки с пусковым током (для импульсных источников питания) и ограничением напряжения, или отключением питания при чрезмерном перенапряжении в сети.
Мгновенное реагирование ограничителя в широком спектре импульсных и скачкообразных перенапряжений, зависимое лишь от частотных свойств элементов управления и балласта (примерно до 3 Мгц — для обычных элементов широкого применения).
Возможность тестирования в рабочем режиме на предельное ограничение напряжения (проверка балласта) и на отключение нагрузки (посредством микрокнопок).
Мгновенное отключение нагрузки, зависимое лишь от времени срабатывания реле (несколько мс).
Автоматическое восстановление цепи питания с задержкой несколько секунд при условии снижения напряжения до допустимого уровня (менее 250 в).

Надо заметить, что в связи с особенностями нагрузки, её назначением, целесообразны две модификации ОНСа, — с автоматическим восстановлением питания и только ручным восстановлением. Устройство второй модификации ограничителя много проще, поскольку вместо реле и связанных с ним элементов используется типовой, широко распространенный термоавтомат (брейкер), модернизированный разработчиком для обеспечения автоматического сброса от схемы защиты (см. предыдущую статью — новое устройство защиты от повышенного напряжения). Этот автомат сохраняет свойство защиты и от перегрузки.

В минимальном варианте конструкции радиатор балласта охлаждается конвективно, через отверстия в коробке (защищенные сеточкой). Для обеспечения большей мощности защиты (тепловыделений) можно использовать дополнительную коробку, в которой следует разместить кулер с трансформатором тока и термо-брейкер-автомат. Коробочки удобно соединить нижними плоскостями, сделав предварительно окна или отверстия для обдува радиатора (этот принцип удобно использовать и для других модулей, размещаемых в подобных коробочках и требующих охлаждения).

В чем весомое преимущество ОНС?

В предыдущей статье разработчик уже отмечал, что все потребители в сети 230 в, 50/60 Гц (номинальное напряжение однофазной сети по новому ГОСТу, с допуском +/- 10%), имеющие импульсные источники питания (с собственной стабилизацией) требуют особого подхода к защите от повышенного напряжения. Все они нуждаются не просто в защите от повышенного уровня, а в защите от широкого спектра импульсных и скачкообразных перенапряжений. Современный рынок предельно насыщен фильтрами и вольт-автоматами (реле напряжения), включающими элементы защиты от импульсных помех микросекундного диапазона. Что касается более длительных импульсов и бросков, скачков, то надо отметить, что эти устройства имеют определенное сглаживание (фильтрацию) перед чувствительным элементом автомата (чтобы не раздражать владельцев частым срабатыванием). То есть какую-то часть импульсов они пропускают. Что касается уставки на срабатывание, то она не должна быть выше 250 вольт. Многие «реле напряжения» имеют внешнюю регулировку уставки, но это надо считать скорее недостатком, чем достоинством. Она введена как раз для того, чтобы не раздражать частым отключением. Но, напряжение более 250 вольт очень опасно для любой электронной аппаратуры.

Как уже говорилось в предыдущей статье, всем Изготовителям не выгодно предусматривать большой «запас прочности» по напряжению для своих изделий. Таким образом, вся масса устройств пассивной фильтрации и релейной защиты пригодна лишь для стабильных по уровню напряжения и возмущениям сетей, то есть рассчитана на редкое, случайное перенапряжение (на время грозы или аварий в сети). Многие из них всё же «доведут» владельцев до «белого каления», до решительной замены стабилизатором. Однако, современные стабилизаторы хотя и выглядят совершенными устройствами (включая рекламные характеристики, особенно для простого покупателя), но имеют всё же ряд существенных недостатков, которые могут быть выявлены лишь соответствующим инженерным тестированием в специальной лаборатории. В интернете очень мало статей на эту тему, да и содержат они лишь проверку содержимого и предельных стационарных режимов.

В чем же главное, принципиальное отличие нового подхода? Оно состоит в следующем:

синхронный ограничитель (ОНС) отслеживает каждую полуволну напряжения и синхронно «срезает» её амплитуду до допустимого уровня, — из расчета допустимого действующего напряжения менее 250 вольт;
величина срезаемой части определяется лишь граничным напряжением транзистора балласта и целесообразным ограничением тепловыделений, — для стабильной сети она может быть предельно большой, например до 100 вольт (тогда балласт будет срезать импульсы такой величины не отключая нагрузку);
срезается весь спектр импульсов, в зависимости только от частотных свойств балласта и элементов управления им;
недостаток, заключающийся в тепловыделении на балласте, не столь велик как кажется ввиду того, что выделяются импульсы, скважность которых пропорционально уменьшает выделяемую мощность, — например, в диапазоне 245 — 250 вольт выходного напряжения при входном – 245 – 275 в максимальное тепловыделение примерно в шесть раз меньше, чем при непрерывном напряжении (скважность вычисляется по углам синуса на границе среза синусоиды).

При нагрузках более 0,5 кВт в сети с частыми превышениями напряжения необходимо оснащать синхронный ограничитель вентилятором (кулером), который целесообразно запитывать от миниатюрного трансформатора тока (на основе понижающего трансформатора). Начиная с мощности в 1 -2 кВт целесообразно использование тандема — «СТАБ — ОНС», — эффективного совмещения свойств данных устройств. Стабилизатор обеспечивает статический режим, а ОНС динамический и активно-фильтрующий, с минимизацией тепловыделений.

Надо заметить, что применение современных автотрансформаторных стабилизаторов для малых мощностей нерационально в принципе, поскольку сам трансформатор имеет значительное потребление. Эти стабилизаторы рассчитаны на группу потребителей и на суммарную их мощность, близкую к номинальной, на непрерывную работу без существенного снижения потребляемой мощности. Только в этом случае достигается удовлетворительный КПД. Таким образом, предлагаемый ОНС видится практически необходимым и удачным дополнением современных стабилизаторов и эффективной заменой их для маломощной аппаратуры, которой становится всё больше (при сохранении и росте её стоимости, и ценности для владельца).

Совет от разработчика

В заключение, А. Васильев дал совет тем, кто желает испытать свои приобретенные или самодельные устройства защиты. В качестве источника повышенного напряжения следует использовать не ЛАТР, а обычный понижающий трансформатор с несколькими вторичными обмотками и выводами от первичной, так чтобы при фазном соединении вторичных обмоток с первичной и использованием определенных выводов первичной можно было бы получить высокое напряжение, к примеру, до 270-275 вольт. Это напряжение необходимо подавать на управляющую электронную часть устройства защиты через переменный резистор 10-20 кОм. Потребление управляющей электроники составляет обычно (и должно составлять) не более 10-15 мА. А силовую часть надо соединять непосредственно с сетью, учитывая фазу. При такой схеме питания можно более плавно и точно задавать напряжение и формировать идеальный скачок путем замыкания всего переменного резистора или добавочного.

Если Вас заинтересовал ограничитель напряжения синхронный, о котором говорилось в этой статье, обращайтесь за дополнительной информацией по электронной почте phil2007@list.ru (Александр Васильев, инженер-разработчик).