Падает напряжение в сети при включении потребителей: Почему проседает напряжение в доме на 30 Вольт при включении бойлера или микроволновки?

Поможет ли стабилизатор напряжения? | Силовая электроника

Воронцова Наталья
Воронцов Николай

№ 3’2008

PDF версия

Если вы обнаружили, что в вашем доме, например, в загородном коттедже, пониженное напряжение в сети, то напрашивается простое решение этой проблемы — поставить стабилизатор напряжения. Но, оказывается, стабилизатор может исправить ситуацию не во всех случаях.

И именно в коттеджах (имеющих повышенную нагрузку) стабилизатор не всегда помогает, поэтому приходится искать другие способы исправить положение. Дело в том, что подводящая линия имеет сопротивление. Оно очень маленькое, но оно есть. А при больших токах потребления на этой линии напряжение заметно падает. Согласно закону Ома падение напряжения на подводящей линии можно высчитать по формуле:

Существенное падение напряжения происходит в тех случаях, когда к потребителю тянется длинная линия. На промышленных предприятиях такой проблемы нет: там трансформаторная подстанция находится на территории предприятия или буквально рядом с ним.

Авторы несколько раз сталкивались с такой ситуацией. Без нагрузки напряжение на входном автоматическом выключателе было 220 В. При включении нагрузки оно падало до 170 В. После установки стабилизатора напряжение на входе оказалось ниже 150 В, и он отключился по нижнему предельному напряжению. Казалось бы, что не хватает каких-то 10 В. И, чтобы поднять напряжение, перед стабилизатором был установлен автотрансформатор, поднимающий напряжение на 32 В. Стабилизатор снова отключился по нижнему напряжению, так как напряжение на входном автоматическом выключателе оказалось ниже 120 В. Померить его точно было невозможно, потому что когда стабилизатор повышал напряжение на выходе, оно понижалось на входе, и при достижении нижнего предела происходило отключение устройства.

Оказалось, что в зависимости от сопротивления подводящей линии к ней можно подключить какуюто максимальную нагрузку (поднимая напряжение с помощью стабилизатора до 220 В).

На рисунке а показана выходная обмотка трансформатора на подстанции (выдающая 220 В), сопротивление линии (R_л) и сопротивление нагрузки (R_н). На рисунке б изображена та же схема с включенным стабилизатором напряжения перед нагрузкой.

Рисунок. Схема питания нагрузки:
а) без стабилизатора;
б) со стабилизатором

Многие свойства, справедливые для трансформатора, справедливы и для стабилизатора, так как основным его элементом является один или несколько трансформаторов.

1. Мощность на входе трансформатора равна мощности на выходе трансформатора:

   Отсюда получается, что, если с помощью трансформатора надо вдвое повысить напряжение на нагрузке, то при этом вдвое увеличится потребление тока из подводящей линии (чтобы сохранился баланс входной и выходной мощности).

2. Трансформатор преобразовывает не только ток и напряжение, но и сопротивление. Если трансформатор имеет коэффициент трансформации К_пер, то имеют место следующие соотношения:

Например: пусть подводящая линия имеет сопротивление 0,65 Ом. Рассчитаем поведение линии и стабилизатора при подключении нагрузки 2 Ом (при 220 В она будет потреблять 220/2 = 110 А, нагрузка составит P = 220 В × 110 А = 24 200 Вт).

Смоделируем процесс работы стабилизатора при сопротивлении линии R_л = 0,4 Ом и сопротивлении линии R_л = 0,65 Ом.

Модель работает следующим образом.

В начальный момент коэффициент передачи стабилизатора равен единице.

R₁ = R_нагр (R₁ — входное сопротивление стабилизатора и напряжение на выходе трансформаторной подстанции равно 220 В).

1. Рассчитаем коэффициент передачи стабилизатора для текущего шага, умножая коэффициент передачи (К_пер) предыдущего шага на коэффициент коррекции (К_кор) предыдущего шага. Для первой строчки таблицы К_пер = 1.
2. Пересчитаем сопротивление нагрузки, приведенное к входу стабилизатора R₁ = R_нагр / К²_пер.
3. Находим напряжение на входе стабилизатора с учетом делителя напряжения, состоящего из значений сопротивления линии и сопротивления нагрузки, пересчитанных по отношению к входу стабилизатора:
4. Рассчитаем коэффициент коррекции (то есть во сколько раз надо поднять напряжение на выходе стабилизатора, чтобы оно стало равно 220 В): К_кор = 220 / U_вых.

Далее расчеты повторяются для каждой из строчек таблицы в том же порядке.

В таблице 1 приведен результат такого расчета (для R_л = 0,4 Ом), показывающий, как стабилизатор последовательно, за несколько шагов повышает напряжение.

Таблица 1. Модель работы стабилизатора при R_л = 0,4 Ом

№ шага	R1	Uвх	Кпер	Uвых	Кпер2
1	2	183,33333	1,0000000	183,33333	1,2000000
2	1,3888900	170,80745	1,2000000	204,96890	1,0733333
3	1,2055860	165,19135	1,2880000	212,76646	1,0339975
4	1,1276109	162,39371	1,3317890	216,27412	1,0172276
5	1,0897404	160,92930	1,3547323	218,01612	1,0090997
6	1,0701752	160,14319	1,3670599	218,92534	1,0049088
7	1,0597455	159,71552	1,3737706	219,41248	1,0026780
8	1,0540929	159,48117	1,3774491	219,67719	1,0014695
9	1,0510018	159,35225	1,3794732	219,82215	1,0008091
10	1,0493032	159,28117	1,3805893	219,90187	1,0004462
11	1,0483674	159,24193	1,3812054	219,94581	1,0002464

Первый столбик отображает порядковый номер шага стабилизатора. В первой строчке таблицы отражена ситуация, когда прибор находится в нейтральном состоянии (напряжение проходит напрямую без повышения и понижения, коэффициент передачи равен единице). Затем стабилизатор определяет, во сколько раз ему надо повысить напряжение, чтобы оно оказалось в норме. Эта величина отражена в 6-м столбике в виде коэффициента коррекции (К_кор).

Во втором столбике приведены сопротивления нагрузки пересчитаные ко входу стабилизатора(R₁). Для этого сопротивление нагрузки делится на квадрат значения коэффициента передачи.

Затем выполнен расчет (U_вх), то есть какое напряжение будет на входе стабилизатора с учетом падения напряжения на подводящей линии (третий столбик таблицы).

В четвертом столбике — расчет значения коэффициента передачи стабилизатора (К_пер). В начальный момент (первая строчка) стабилизатор пропускает напряжение напрямую. Для последующего шага этот коэффициент можно рассчитать, умножив значение текущего коэффициента передачи на значение коэффициента коррекции (К_кор).

В пятом столбике показано выходное напряжение стабилизатора. Для этого входное напряжение умножается на коэффициент передачи.

Из приведенного примера следует, что стабилизатор справился с коррекцией напряжения на пятом шаге. Выходное напряжение стало 220 В (с точностью менее 1%), коэффициент коррекции стал равен единице (с точностью до второго знака после запятой). При этом достаточно, чтобы стабилизатор имел коэффициент передачи не менее 1,37 и, значит, мог повысить напряжение со 160 В.

В следующем примере изменим сопротивление подводящей линии с 0,4 на 0,65 Ом. Результаты расчетов показаны в таблице 2. В этой таблице выделена четвертая строка.

Таблица 2. Модель работы стабилизатора при R_л = 0,65 Ом

№ шага	R1	Uвх	Кпер	Uвых	Кпер2
1	2	166,037736	1	166,037736	1,325
2	1,13919544	140,075808	1,325	185,600446	1,18534198
3	0,81079947	122,1008079	1,57057813	191,780278	1,14714611
4	0,61613153	107,057548	1,80168259	192,883719	1,14058356
5	0,4736082	92,7314382	2,05496954	190,560281	1,15449032
6	0,35533552	77,7589304	2,37244244	184,478587	1,19255033
7	0,24985336	61,0852182	2,82925702	172,825783	1,27295822
8	0,15419024	42,181379	3,60152598	151,917332	1,44815602
9	0,0735235	22,3561091	5,21557154	116,599886	1,88679429
10	0,02065271	6,77488722	9,84071062	66,669705	3,29984963
11	0,00189666	0,64007771	32,4728653	20,785157	10,5844762

В ней представлены критические значения, так как при увеличении коэффициента передачи стабилизатора с каждой следующей строкой до этих значений выходное напряжение растет (1–4 строки), а при дальнейшем увеличении К_пер (5–11 строки) — падает. В случае, если стабилизатор еще не отключится по низкому входному напряжению и сможет обеспечить рассчитанные коэффициенты передачи, то падение напряжения на подводящей линии начнет увеличиваться быстрее, чем растет напряжение на выходе стабилизатора.

Проанализируем данные, приведенные ниже четвертой, «критической» строки. Сопротивление нагрузки становится меньше сопротивления линии. Поэтому и изменение падения напряжения на линии будет больше изменения падения напряжения на входе стабилизатора. То есть напряжение на входе стабилизатора будет падать быстрее, чем он поднимает напряжение на нагрузке.

Критическим становится коэффициент передачи, при котором пересчитанное сопротивление нагрузки становится меньше сопротивления подводящей линии. А теперь определим сопротивление подводящей линии, и какую мощность к такой линии можно подключить? Чтобы определить сопротивление подводящей линии, необходимо:

1. Измерить напряжение на входном автоматическом выключателе (U1).
2. Измерить ток через входной автоматический выключатель (I1).
3. Включить дополнительно нагрузку (2–3 кВт).
4. Измерить напряжение на входном автоматическом выключателе (U2).
5. Измерить ток через входной автоматический выключатель (I2).
6. Рассчитать сопротивление подводящей линии

Критическим будет приведенное сопротивление нагрузки (R₁), когда оно станет меньше или равно сопротивлению линии (R_л).

Теперь рассчитаем максимальную мощность, которую может пропустить такая линия.

Так как трансформаторная подстанция выдает 220 В и мы хотим получить с линии максимальную мощность, то R_кр должно быть равно R_лин. Так как два этих сопротивления равны, то они образуют делитель напряжения. Напряжение на R_кр будет 110 В.

Определим мощность на приведенном сопротивлении нагрузки (она же будет равна мощности на реальной нагрузке согласно (1) P = U² / R_кр).

В первом случае при R_л = 0,4 Ом; P= 110² / 0,4 = 30 250 Вт.

Во втором случае при R_л = 0,65 Ом; P = 110² / 0,65 = 18 615 Вт.

Наша нагрузка составляла 24 200 Вт. Она меньше максимально допустимой для первого случая (сопротивление линии R_л = 0,4 Ом) — стабилизатор справился с коррекцией напряжения. Но та же нагрузка больше максимально допустимой во втором случае (сопротивление линии R_л = 0,4 Ом) — значит, стабилизатор не справился с коррекцией напряжения.

Для определения мощности, которую можно подключить к вашей линии, можно воспользоваться следующей формулой:

Стабилизатор должен иметь коэффициент передачи не более 2, чтобы поднять напряжение со 110 В до 220 В. Делать коэффициент передачи больше 2 — не целесообразно, так как при увеличении тока в линии (при поднятии напряжения со 110 В и ниже ) на R_лин на падение напряжения будет увеличиваться больше, чем на R_кр, и стабилизации напряжения не будет.

В этом случае надо переходить на 3-фазную сеть. Если проложить четыре таких же провода и равномерно распределить нагрузку по фазам (ток не будет течь по нейтрали), то эффективное сопротивление линии по каждой фазе уменьшится вдвое. Для второго случая R_наг =0,65/2 = 0,325 Ом и P = 110² / 0,325 = 37 230 Вт по каждой фазе. А 3 фазы можно нагрузить до 100 Квт (выигрыш в 6 раз).

Литература

1. Лосев А. К. Теория линейных электрических цепей. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1987.

55. Различные проблемы электрооборудования

55. Различные проблемы электрооборудования

1) Какие последствия может вызвать повышенное напряжение в сети?
Все производители электроаппаратуры приводят допустимый диапазон изменения напряжения питания, в пределах которого их аппаратура работает нормально. Например, если прибор может работать при напряжении 220 В ± 10%, это означает, что минимальное напряжение его питания составляет 220 — 22 = 198 В, г. максимальное 220 + 22 = 242 В. Понятно, что если напряжение питания ниже 198 В или выше 242 В, разработчик не может гарантировать нормальную работу своего прибора.
Проблему повышенного напряжения достаточно легко понять, потому что во всех случаях, каким бы ни был тип потребителя, перенапряжение всегда приводит к росту потребляемого тока. Если перенапряжение значительное, или продолжительное по времени, защита потребителя от перегрева является задачей тепловых и электромагнитных предохранительных устройств. Если перенапряжение слабое, короткое или редко возникающее, потребителю, как правило, ничто не угрожает.
С другой стороны, если перенапряжение очень значительное (например, при грозовом разряде оно может превышать многие миллионы Вольт), всплеск силы тока может быть таким, что потребитель сгорит, прежде чем на этот всплеск среагируют предохранительные устройства.
Если на лампочку напряжением 24 В / 3 Вт подать 24 В (см. рис. 55.1), она горит, потребляя мощность 3 Вт. Однако, если на нее подать напряжение 240 В (то есть в 10 раз больше), она мгновенно перегорает. Это происходит потому, что потребляемая мощность пропорциональна квадрату напряжения (Р = U2 / R). Таким образом, подключая лампочку к источнику питания с напряжением, в 10 раз большим номинального, мы заставляем ее поглощать мощность, возросшую в 100 раз (то есть 300 Вт, что соответствует небольшому электронагревателю).

2) Какие последствия может вызвать падение напряжения в сети?

В случае падения напряжения, проблема определения последствий гораздо более сложная, поскольку последствия зависят от типа потребителя электроэнергии. В общем, можно выделить две основные категории потребителей: типа сопротивления и типа двигателя.
Для потребителя типа сопротивления,
падение напряжения всегда приводит к эквивалентному снижению потребляемого тока (напомним закон Ома: I = U
Так, при низком напряжении, сопротивление потребляет более слабый ток, что не
влечет за собой абсолютно никакой опас-
ности  его  повреждения.  Например  (см.
рис. 55.2), сопротивление, потребляющее 300 Вт при 240 В, будет потреблять только 3 Вт, если оно находится под напряжением 24 В! Конечно, это может быть очень плохо, если речь идет, например, об электронагревателе картера компрессора!

Для потребителя типа двигателя необходимо различать двигатели, приводящие в действие устройства с большим моментом сопротивления (см. рис. 55.3), например, поршневые холодильные компрессоры, и приводные двигатели механизмов с низким моментом сопротивления (например, осевой вентилятор, для вращения которого достаточно легкого дуновения ветра).
Центробежные вентиляторы находятся между этими двумя категориями, однако большинство из них имеет такие характеристики, с которыми трудно выдержать заметное падение напряжения питания. Поэтому их, как правило, относят к категории агрегатов с большим моментом сопротивления.

Прежде всего вспомним, что момент на валу двигателя, то есть его способность приводить в движение какой-либо агрегат, зависит от квадрата напряжения питания.
Так, если двигатель предназначен для работы при напряжении 220 В, то в случае падения напряжения до ПО В (то есть в 2 раза меньше), его крутящий момент на валу упадет в 4 раза (см. рис. 55.4).
Если во время падения напряжения момент сопротивления приводимого агрегата очень велик (например, у компрессора), двигатель останавливается. При этом он начинает потреблять ток, равный величине пускового тока, и это происходит в течение всего периода вынужденной остановки. В результате, двигатель опасно перегревается и остается только надеятся, что встроенная защита или тепловое реле защиты очень быстро отключат питание.
С другой стороны, если момент сопротивления приводимого устройства низкий (например, у небольшого осевого вентилятора), снижение напряжения питания обусловливает уменьшение скорости вращения, потому что мотор при этом имеет меньшую располагаемую мощность.
Как раз именно это свойство используется в большинстве многоскоростных двигателей, вращающих вентиляторы в индивидуальных кондиционерах (см. рис. 55.5).
В положении БС (большая скорость) сопротивление замкнуто накоротко и к мотору подается 220 В. Он вращается с номинальной скоростью.
В положении МС (малая скорость) сопротивление включено последовательно с обмоткой двигателя, что обусловливает заметное падение напряжения на двигателе. Крутящий момент на валу падает, и вентилятор вращается с пониженной скоростью.

При этом падает и потребляемый ток. Это свойство широко используется при изготовлении электронных регуляторов скорости на основе тиристоров, специально предназначенных для регулирования давления конденсации путем изменения скорости вращения осевых вентиляторов. устанавливаемых в конденсаторах с воздушным охлаждением (см. рис. 55.6).
Эти регуляторы, называемые иногда вентилями тока или преобразователями, работают, как и большинство регуляторов-ограничителей, по принципу «срезания» части амплитуды переменного тока.

Поз. I. Высокое давление конденсации, регулятор скорости полностью пропускает полупериоды сети. Напряжение на клеммах двигателя (соответствующее заштрихованной области) равно напряжению в сети и двигатель вращается с максимальной скоростью, потребляя номинальный ток.
Поз. 2. Давление конденсации падает, в действие вступает регулятор, срезая часть каждого полупериода, поступающего на вход двигателя (в каждом полупериоде он на короткое мгновение отключает питание). Среднее напряжение на клеммах двигателя падает (см. заштрихованную область) и скорость, также как и потребляемый ток, падают.
Поз. 3. Если среднее напряжение становится настолько слабым, что крутящий момент двигателя оказывается меньше, чем момент сопротивления вентилятора, мотор останавливается и начинает греться. Поэтому регуляторы скорости, как правило, настраиваются на предельно допустимое значение минимальной скорости.
Примечание. Метод «срезания» части амплитуды переменного тока может использоваться только тогда, когда однофазные двигатели предназначены для привода агрегатов с низким моментом сопротивления. Если речь идет о трехфазных двигателях (для привода машин с большим моментом сопротивления), то нужно использовать многоскоростные двигатели (см. раздел 65) или частотные преобразователи, гораздо более дорогостоящие и громоздкие, либо двигатели постоянного тока (эти два типа оборудования используются с приборами типа «Инвертор»).
Падение напряжения может происходить и в сети внешней энергосистемы: мы хорошо знаем последствия кратковременного отключения напряжения или падения напряжения, которые приводят к снижению яркости освещения. Мы знаем также, что необходимо соблюдать правила подбора сечения питающих проводов, чтобы ограничить падение напряжения на них до приемлемой величины. Однако, иногда падение напряжения может иметь и другие причины, не относящиеся напрямую к потерям напряжения в подводящих проводах.

Например, катушка электромагнита реле 24 В (вполне обычная), позволяющая управлять небольшим контактором, представленным на рис. 55.7, в момент срабатывания электромагнита потребляет ток 3 А, а в режиме удержания потребляемый ток составляет 0,3 А (то есть в 10 раз меньше).
То есть электромагнит при включении потребляет ток, равный десятикратному току режима удержания. Хотя продолжительность включения очень короткая (около 20 мс), это иногда может оказывать заметное влияние в больших командных цепях, имеющих много контакторов или реле.

В ней установлено 20 контакторов, от С1 до С20 (поскольку размеры страницы ограничены, контакторы с С2 по С19 на схеме не показаны).
После выключения тока все 20 контакторов находятся в ждущем режиме. Как только ток включится, они одновременно сработают.
Поскольку каждый контактор потребляет при срабатывании 3 А, через вторичную обмотку трансформатора пойдет ток, равный 3 х 20 = 60А!
Если вторичная обмотка имеет сопротивление 0,3 Ом, то падение напряжения на ней в момент срабатывания контакторов составит 0,3 х 60 = 18 В. Тогда напряжение питания контакторов составит всего 6 В (см. рис. 55.9), и они могут не сработать.
При этом, и трансформатор, и проводка будут сильно перегреваться, а контакторы начнут гудеть, но не смогут переброситься в режим удержания, что будет продолжаться до тех пор, пока не сгорит предохранитель или не сработает автомат защиты.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление 0,2 Ом, в момент включения питания контакторов падение напряжения на ней составит 0,2 х 60 = 12 В. Контакторы при этом будут запитаны только 12 В вместо 24 В, и утверждать, что они сработают, нет никаких    |jj| оснований. Если же они не сработают, ток в цепи останется аномально высоким, также как и в предыдущем примере.
Проблема сопротивления вторичной обмотки объясняет, почему напряжение холостого хода на выходе трансформатора более значительное, чем напряжение под нагрузкой. Чем больше потребляемый ток, тем ниже выходное напряжение.

В примере на рис. 55.10 трансформатор 220/24 В имеет мощность 120 ВА и запи-тан напряжением 220 В.
Когда трансформатор выдает ток 5 А, замер выходного напряжения дает нам величину 24 В (24 х 5 = 120 ВА).
Однако, когда потребляемый ток падает до 1 А, выходное напряжение повышается, достигая, например, 27 В. Это напряжение, вызвано влиянием сопротивления провода вторичной обмотки.

Если ток падает, выходное напряжение растет. И наоборот, если потребляемый ток больше 5 А, выходное напряжение становится ниже 24 В и трансформатор начинает перегреваться (напомним, что нагрев зависит от квадрата тока).
Итак, слишком маломощный трансформатор может вызвать серьезные проблемы: поэтому нельзя пренебрегать подбором мощности трансформаторов!

3) Как настраивать тепловое реле?

Реле тепловой защиты предназначено, главным образом, для защиты двигателя от незначительной по величине, но продолжительной перегрузки по току. Напомним, что двигатель нагревается пропорционально квадрату потребляемого тока (Р = R х I2). Таким образом, если потребляемый ток возрастает в 2 раза (см. рис. 55.11), нагрев двигателя увеличивается в 4 раза.
Конечно, идеальным вариантом тепловой зашиты был бы такой вариант, при котором двигатель очень быстро отключался бы от сети при превышении заданного значения силы тока. Однако, в этом случае возможно срабатывание реле тепловой защиты на пусковом режиме, когда сила тока, в некоторые моменты, может в 8 раз превосходить номинальное значение. Поэтому, используемая конструкция (на основе трех биметаллических пластин) позволяет запустить двигатель без нежелательных отключений. Это достигается за счет установки в тепловое реле нагревательного элемента, который выбирается с учетом времени, необходимого для отключения двигателя в зависимости от тока, проходящего через нагревательный элемент.

Кривая на рис. 55.12 построена для наиболее благоприятного случая, когда биметаллические пластины нагревательного элемента уже горячие (если эти пластины холодные, время отключения возрастает). Для теплового реле, настроенного на 10 А, при токе 10 А отключения не происходит вообще, что представляется вполне нормальным. Если ток растет до 15 А, тепловое реле отключит двигатель примерно через 80 с. При токе 40 А, отключение произойдет через 6 с, а при токе 60 А — через 3 с.
Рассмотрим теперь кривую построенную для реле, настроенного на те же 10 А, но для случая, когда тепловое реле должно защищать трехфазный двигатель в случае обрыва одной из фаз (двигатель работает только с двумя обмотками).

Если оставшиеся две обмотки потребляют 10 А, тепловое реле отключит двигатель примерно через 240 с (4 минуты). Если ток вырастет до 15 А, отключение произойдет примерно через 40 с. При токе в 20 А, тепловому реле для отключения двигателя потребуется 18 с, для 60 А — 3 секунды.
Как видим, настроенное на 10 А тепловое реле, в случае аномалий, отключает защищаемый двигатель через достаточно длительный отрезок времени.
Поэтому, тепловое реле никогда не следует настраивать на величину тока, превышающую номинальное значение (указанное на пластинке, прикрепленной к корпусу двигателя).

Часто случается, что двигатель потребляет ток ниже, чем указано на его корпусе. Это объясняется тем, что сила тока, указанная на корпусе, соответствует току, потребляемому при номинальном значении развиваемой двигателем мощности. Например, компрессор, оснащенный конденсатором с воздушным охлаждением, зимой потребляет ток ниже (давление конденсации меньше), чем летом (давление конденсации больше). В этом случае, реле тепловой защиты должно быть настроено на максимальное значение потребляемой силы тока, не превышающее, однако, силы тока, указанной на корпусе (иначе для чего нужна табличка с характеристиками двигателя?).
В двигателе, представленном перегрев обусловлен. При этом, тепловое реле не может реагировать на аномальное повышение температуры двигателя или его обмоток.
То же самое произойдет, если оребренный корпус двигателя чрезмерно загрязнится: охлаждение обмоток ухудшится и двигатель начнет сильно перегреваться. В этом случае реле тепловой защиты также не сможет ничего сделать, поскольку потребляемый ток не возрастает. Только встроенная тепловая защита (предусмотренная разработчиком) способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя выключить двигатель.

С другой стороны, повышение потребляемой двигателем силы тока может быть вызвано механическими неисправностями (например, заклинивание подшипника в двигателе или приводимом агрегате). Это повышение силы тока (которое будет происходить довольно медленно, с той же скоростью, что и увеличение силы трения в подшипнике), рано или поздно, вызовет отключение двигателя тепловым реле или встроенной тепловой защитой, если она существует (в этом случае двигатель оснащен двойной системой тепловой безопасности, что может быть тем более полезным, поскольку двигатель является важнейшим элементом установки).
Чтобы дополнить наши сведения о тепловых реле, напомним, что они выполняют свои функции для каждой из обмоток в отдельности. Это означает, что если 3 биметаллических пластинки нагреваются по-разному (например, если в одной из обмоток имеется обрыв, две других нагреваются), реле отключает двигатель (см. кривую на рис. 55.13).

Функция дифференциального межфазного реле, которую при этом выполняет тепловое реле, дает неоспоримые преимущества в случае использования трехфазного двигателя (см. поз. 1 на рис. 55.15), однако требует специальной схемы подключения в случае использования однофазного двигателя.
В самом деле, если подключить реле так, как показано на поз. 2 рис. 55.15, правая пластина не будет нагреваться и через несколько минут после начала работы реле выключит двигатель.

То есть реле необходимо подключать таким образом, чтобы все три биметаллические пластины пропускали одинаковый ток (см. поз. 3 на рис. 55.15).
Наконец, напомним, что тепловое реле оказывается совершенно бесполезным для защиты от перегрева электронагревателей, поскольку этот тип потребителя рассчитан на постоянную силу тока (I = U / R). Если в электронагревателе произошло короткое замыкание, гораздо более эффективным средством его защиты является простой плавкий предохранитель, который к тому же, значительно дешевле.

4) Для чего нужны плавкие предохранители серий gl и аМ?
Мы видели, что тепловое реле служит для защиты двигателя от продолжительного, но небольшого превышения номинальной силы тока. Однако, в случае короткого замыкания потребителя, тепловое реле будет слишком инерционным и громадный ток, проходящий в цепи при коротком замыкании, может привести к значительным повреждениям (расплавлению проводов и кабелей, пожару). Поэтому, для защиты установки от короткого замыкания, используются плавкие предохранители.

Рассмотрим рабочую кривую промышленного плавкого предохранителя серии gl, рассчитанного на номинальный ток 10А (см. рис. 55.16).
При токе 10 А, проходящем через этот предохранитель, последний никогда не расплавится (что априори представляется нормальным). Если ток достигает 25 А, предохранитель расплавится через 6 секунд, а при токе 60 А — через 0,1 секунды.
Такой предохранитель нельзя использовать для защиты короткого замыкания двигателя с номинальным током 10 А. В самом деле, если пусковой ток достигнет значения 60 А, а продолжительность пускового периода превысит 0,1 секунды (что случается очень часто), предохранитель расплавится при первой же попытке запуска двигателя.

Следовательно, эта серия предохранителей (gl) может использоваться для защиты от короткого замыкания таких потребителей, у которых пусковой ток либо вовсе не отличается от номинального (например, электронагреватели), либо продолжительность пускового периода чрезвычайно короткая (например, лампы накаливания, подобные тем, которые приведены на рис. 54.39).

Рассмотрим теперь кривую плавкого предохранителя серии аМ (совместимого с двигателем), также рассчитанного на номинальный ток 10 А (см. рис. 55.17).
Видно, что предохранитель этой серии способен бесконечно долго выдерживать ток 25 А без отключения потребителя. При прохождении через него тока в 60 А, он выдерживает до расплавления 10 секунд (вместо 0,1 с для серии gl), что вполне достаточно для запуска двигателя. С другой стороны, при возникновении короткого замыкания, он очень быстро отключит сеть от потребителя, ограничивая ток короткого замыкания вполне допустимой величиной.
Следовательно, эта серия предохранителей (аМ) предназначена для защиты от короткого замыкания потребителей, имеющих продолжительный период действия пускового тока (например, электродвигатели) или характеризующихся очень высоким значением пускового тока с коротким временем действия (например, первичная обмотка трансформатора, что менее распространено).
Подбор плавких предохранителей (и электромагнитных автоматов защиты, которые все шире приходят им на смену) является достаточно сложной и, зачастую, не вполне изученной задачей, хотя они и могут оказаться причиной многих аномалий в работе установки. Поэтому, автор призывает вас к изучению многочисленной технической документации различных разработчиков этих устройств, если вы желаете пополнить свои знания в данной области.
‘ В настоящее время широко используются регулируемые автоматы защиты двигателей, которые совмещают в себе функции теплового реле и предохранителей типа аМ, что позволяет, при правильном подборе и настройке автомата, надежно защитить двигатель. Поэтому, все вышеуказанное о тепловых реле и предохранителях типа аМ, можно отнести и к регулируемым автоматам защиты двигателей. Тем не менее, при выборе автомата, мы рекомендуем строго следовать рекомендациям производителя.

Как операторы электросетей поддерживают допустимое напряжение

Боб Шивли, президент Enerdynamics и ведущий координатор

Ключевым фактором надежной работы электросети является поддержание напряжения в допустимых пределах. Невыполнение этого требования может привести к повреждению оборудования, жалобам клиентов и/или простоям. По мере того, как сеть развивается, чтобы интегрировать больше распределенных ресурсов, важно понимать основные принципы управления напряжением.

В отличие от частоты, которая одинакова во всей системе, напряжение в сети меняется. На каждом ключевом интерфейсе также должно поддерживаться напряжение в допустимых пределах. Каждая точка сети будет иметь желаемое напряжение, называемое V запланированным, а также максимальное и минимальное допустимое напряжение, называемое V max и V min соответственно.

Часто приемлемым считается отклонение в 5 % от запланированного напряжения. В системе передачи иногда допустимы большие отклонения. Если напряжение слишком высокое, защитные выключатели размыкаются, чтобы предотвратить повреждение оборудования, что приводит к обесточиванию отдельных участков сети. Если напряжение слишком низкое, распределительные компании могут быть не в состоянии поддерживать напряжение для своих клиентов, а оборудование клиентов не будет работать должным образом и/или линии отключатся, что приведет к перебоям в работе.

Изменения напряжения вдоль линии передачи или распределения на основе неконтролируемых факторов, включая импеданс линии, нагрузку на линию и потребление реактивной мощности потребителями, подключенными к линии. Как правило, падение напряжения зависит от расстояния до подстанции или другого источника питания.

Линейное напряжение может регулироваться двумя основными способами:

1. Трансформаторы
2. Устройства, вводящие или поглощающие реактивную энергию

Трансформаторы размещаются на подстанциях и в ключевых местах вдоль линий электропередач. Многие трансформаторы обеспечивают изменение статического напряжения, но величину изменения можно регулировать путем установки устройств, называемых переключателями ответвлений. Переключатели ответвлений могут регулироваться вручную или автоматически. Трансформаторы часто используются на длинных линиях в качестве регуляторов напряжения.

Напряжение на линиях также регулируется с помощью различных источников реактивной мощности, включая конденсаторы, статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) и синхронные конденсаторы. Компенсаторы реактивной мощности и синхронные конденсаторы обычно можно регулировать непрерывно. Конденсаторы управляются включением или выключением. Это можно сделать вручную или автоматически. В регионе, где существует генерация, часто можно управлять источниками генерации для производства большего или меньшего количества реактивной мощности.

Когда распределенные энергоресурсы (DER) устанавливаются на распределительных линиях, они могут изменить ожидаемый профиль напряжения, вводя ток в места, которые исторически потребляли только электроэнергию. Это требует от инженеров по распределению перепроектировать регулировку напряжения в цепи. В некоторых случаях DER могут помочь в регулировании напряжения, обеспечивая управление выходной реактивной мощностью через интеллектуальные инверторы. Дополнительным важным фактором, связанным с МЭР, является то, как они ведут себя во время временных перепадов напряжения. В настоящее время рекомендуется, чтобы DER включали возможность отключения при низком напряжении, чтобы DER оставались в сети во время кратковременных скачков напряжения. Невыполнение этого требования может вызвать дополнительные системные проблемы, поскольку DER внезапно отключаются.

Несмотря на то, что напряжение может сбивать с толку, специалисты коммунальных служб должны иметь общее представление о принципах регулирования напряжения, поскольку энергосистема становится все более распределенной. Системные операторы и проектировщики должны изучить новые методы управления напряжением, а клиенты, устанавливающие DER, должны будут понять, почему правила присоединения включают требования, связанные с поддержкой напряжения.

Чтобы узнать больше об этой концепции, обязательно просмотрите наши онлайн-курсы по энергетической отрасли, чтобы углубить свои знания в этой захватывающей отрасли!

Информационный документ о перепадах напряжения — Janitza electronics

Меню

Падение напряжения может привести к серьезным проблемам, например, к сбою производственных процессов и проблемам с качеством продукции или процессов. Такие перепады напряжения возникают гораздо чаще, чем перебои, однако во многих случаях неустановленные. Коммерческие последствия падения напряжения снова и снова серьезно недооцениваются.

Но что такое падение напряжения? Как возникает падение напряжения? Можно ли предотвратить падение напряжения или мы должны попытаться ограничить последующие повреждения за счет своевременной идентификации? Более подробно эти темы будут рассмотрены в данной статье.

Что такое падение напряжения?

В соответствии с европейским стандартом EN 50160 падение напряжения – это внезапное снижение действующего значения напряжения до значения от 90 % до 1 % от установленного номинального значения с последующим «немедленным» восстановлением этого напряжения. Продолжительность падения напряжения составляет от половины периода (10 мс с сеткой 50 Гц) до одной минуты.

Если действующее значение напряжения не падает ниже 90% от установленного номинального значения, то это считается нормальным рабочим состоянием. Если напряжение падает ниже 1% от номинального значения, это считается прерыванием напряжения.

Поэтому падение напряжения не следует путать с прерыванием. Прерывание возникает, например, после срабатывания автоматического выключателя (тип. 300 мс). Сбой сетевого питания распространяется по оставшейся распределительной сети в виде падения напряжения.

Рис. 1: Пример падения напряжения Рис. 2: Разница между падением напряжения, пониженным напряжением и обрывом

Как возникает падение напряжения?

Рис. 3: «Запуск» больших нагрузок, т.е. двигателей, может привести к падению напряжения

1. Пусковые токи

Известной причиной небольших падений напряжения являются пусковые или пусковые токи для конденсаторов, двигателей и других устройств. На следующей диаграмме видно, что ток кратковременно увеличивается при запуске двигателя. Пусковой ток приводит к падению напряжения на импедансах Z и Z1. Однако это приводит к меньшему падению напряжения на низковольтной шине (зона падения 1) и несколько большему падению напряжения за импедансом Z1 (зона падения 2).

Возможное улучшение этого явления заключается в оптимизации самой системы, т.е. включение электрических нагрузок не должно приводить к критическим перепадам напряжения. Типичными решениями являются соответствующее пусковое оборудование, т.е. конденсаторные контакторы для PFC или устройства плавного пуска для двигателей, но это также может быть увеличение мощности короткого замыкания (снижение импеданса), например. большее сечение кабеля, изменение точки подключения на более высокие уровни сети, более мощное распределительное устройство и трансформатор….

Рис. 4: Типичный пример рабочей ситуации, когда падение напряжения происходит из-за короткого замыкания в сети низкого напряжения

2.

Короткие замыкания в сети низкого напряжения

При коротком замыкании в сети низкого напряжения протекает очень большой ток. Пик тока короткого замыкания зависит от значения импедансов Z и Z3. На практике импеданс Z3 является большим и доминирующим. Значение импеданса Z3 определяется, среди прочего, типом (сечением, материалом) и длиной кабеля. Чем больше длина кабеля, тем меньше ток короткого замыкания из-за более высокого импеданса. Ток короткого замыкания вызывает падение напряжения на импедансе Z, в результате чего напряжение на главной распределительной шине низкого напряжения кратковременно падает (зона падения 1).

В случае короткого замыкания должен быть отключен выключатель группы 3. Если для срабатывания выключателя требуется более 100 мс, то напряжение резко падает во всей системе на 100 мс.

Рис. 5: Большинство падений напряжения вызваны короткими замыканиями в сети среднего напряжения

3. Короткие замыкания в сети среднего напряжения

Чаще всего перепады напряжения возникают в сети среднего напряжения. Типичные основные причины следующие:

• Дорожные работы
• Копание и земляные работы
• Прогар в соединительной муфте
• Старение кабеля
• Короткое замыкание в воздушных линиях электропередачи (ураган, животные и т.п.)
• Удары молнии

На следующей диаграмме показан типичный пример проектирования сети среднего напряжения. Трансформаторные подстанции/местные вторичные подстанции (зеленые точки) соединены друг с другом в кольцо и подключены к распределительной главной подстанции (синие точки). Кольцо в какой-то момент разомкнуто (см. правую нижнюю часть кольца с зеленой точкой). В случае короткого замыкания будет протекать ток короткого замыкания (красная линия). Это будет течь до тех пор, пока выключатель на распределительной главной подстанции не отключит кольцо. Это видно на левой диаграмме (в верхнем левом кольце).

Таким образом, во время короткого замыкания кратковременно будет протекать большой ток. Из-за импеданса сети это приводит к кратковременному снижению напряжения во всей сети. Это кратковременное понижение напряжения заметно как «падение напряжения».

Около 75% всех падений напряжения происходит в сети среднего напряжения. Часто этого потребитель не может избежать.

Короткие замыкания в сети высокого напряжения

Короткие замыкания в сети высокого напряжения не так распространены, но если они и случаются, то часто вызваны грозами или (неисправным) распределительным устройством. Последние в первую очередь на участках в конце ЛЭП.

Проблемы, вызванные падением напряжения

Падение напряжения может привести к выходу из строя компьютерных систем, систем ПЛК, реле и преобразователей частоты. В критических процессах даже единичное падение напряжения может привести к высоким затратам, особенно это касается непрерывных процессов. Примерами этого являются процессы литья под давлением, процессы экструзии, заводы по производству кабелей и полупроводников, процессы печати или приготовление пищевых продуктов, таких как молоко, пиво или прохладительные напитки.

Затраты на падение напряжения состоят из:

• Упущенная выгода из-за остановки производства
• Затраты на восполнение потерь производства
• Затраты на задержку доставки продукции
• Затраты на потери сырья
• Затраты на повреждение машин, оборудования и пресс-форм
• Расходы на техническое обслуживание и персонал

Средние затраты на однократное падение напряжения сильно различаются в разных секторах:

• Тонкие химикаты € 190 000
• Микропроцессоры € 100 000
• Металлообработка € 35 000
• Текстиль € 20 000
• Продукты питания € 18 000

Иногда процессы выполняются в необслуживаемых зонах, в которых сразу не замечаются перепады напряжения. В этом случае, например, машина для литья под давлением может полностью остановиться незаметно. Если это обнаружится позже, уже будет большой объем ущерба. Клиент получает товар слишком поздно, и пластик в машине затвердел. В издательствах или в бумажной промышленности бумага может порваться или даже вызвать пожар. http://www.rtvoost.nl/nieuws/default.aspx?nid=119051

Рис. 6: Кривая ITI (CBEMA) указывает, когда падение напряжения приведет к выходу из строя IT-устройств

Восприимчивость ИТ-систем к перепадам и перебоям напряжения

ИТ-системы особенно чувствительны к перепадам и перебоям напряжения. Это означает, что все процессы, которые контролируются микропроцессорами, уязвимы для этого типа вмешательства, например,

• Системы ПЛК
• Преобразователи частоты
• Машинные контроллеры
• Серверы в центрах обработки данных
• шт.
• и т. д.

Кривая ITI-CBEMA, созданная Советом индустрии информационных технологий, определяет, когда падение напряжения приведет к отказу ИТ-устройств, а когда скачок напряжения приведет к повреждению ИТ-устройств. Хотя модель была разработана для сетей 120 В, 60 Гц, ее также можно применять к устройствам, подключенным к сетям 230 В, 50 Гц. Модель может использоваться производителями в качестве руководства по проектированию.

Как можно бороться с перепадами напряжения?

Рис. 7: Компактный анализатор цепей UMG 604 предназначен для сигнализации падения напряжения

В некоторых случаях падения напряжения, вызванные пусковыми токами, можно избежать за счет улучшения конструкции технической системы. Падения напряжения, вызванные короткими замыканиями в сети низкого напряжения, как правило, случаются довольно редко. Большинство падений напряжения вызвано короткими замыканиями в сети среднего напряжения. Нет ничего, что можно было бы сделать, чтобы противостоять причинам этих падений.

Сами по себе падения можно предотвратить с помощью:

• Статический ИБП, источник питания постоянного тока с инвертором на выходе. Это решение часто используется в качестве моста к аварийному электрогенератору.
• Непрерывный ИБП, маховик работает с нагрузкой (динамический ИБП). Энергия отбирается от маховика в случае кратковременного прерывания или падения напряжения. Это решение недешевое и часто используется в центрах обработки данных.
• Подключение систем управления и регулирования процесса к стабилизированному источнику питания.
• Переделка электрической инфраструктуры. Это не всегда возможно и уж точно недешево.

Из этого можно сделать вывод, что устранение перепадов напряжения дело недешевое. Обнаружение падения напряжения на ранней стадии может быть очень эффективным. С помощью хороших инструментов отчетности можно выявить первопричины и, таким образом, обеспечить реализацию целенаправленных (и более рентабельных) мер.

Рис. 8: Анализатор цепей идентифицирует колебания напряжения в области питания

Падение сигнального напряжения

Janitza предлагает широкий спектр анализаторов, способных выявлять кратковременные перебои и падения напряжения. Анализатор цепей UMG 604 непрерывно контролирует более 800 электрических параметров. Все каналы опрашиваются 20 000 раз в секунду, что позволяет сигнализировать и регистрировать кратковременные прерывания и падения напряжения. Электронное письмо или SMS могут быть отправлены на основе этих событий. Полный отчет можно создать с помощью прилагаемого программного пакета GridVis-Basic.

Размещая UMG 604 в области снабжения, можно получить комплексное и экономичное решение для идентификации, регистрации, оповещения и сообщения о перепадах напряжения. Измерительное устройство оснащено WEB-браузером, который позволяет вызывать наиболее важные параметры непосредственно с измерительного устройства без больших затрат и без сложных программ. Прерывания и падения напряжения можно анализировать и составлять отчеты с помощью встроенного обозревателя событий.

Анализ с помощью программного обеспечения GridVis

Базовая лицензия GridVis (GridVis-Basic) предоставляется вместе с измерительными устройствами Janitza бесплатно. Среди прочего с этим программным пакетом возможно следующее:

• Считывание значений измерений в реальном времени
• Получение исторических данных измерений в файлах и графиках
• Анализ кратковременных прерываний, переходных процессов и падений напряжения
• Распечатка полных отчетов EN 50160 одним нажатием кнопки
• Создание отчетов об исправности/неисправности.

С помощью встроенного генератора отчетов можно самостоятельно составлять краткие отчеты, периодически предоставляя обзор падений напряжения, кратковременных отключений и скачков напряжения, которые произошли с помощью кривой ITI (CBEMA).s

На диаграмме ниже можно увидеть, что произошло три падения напряжения, что привело к отказу системы.

Рис. 9b. С помощью GridVis вы можете самостоятельно выполнять комплексный анализ. Рис. 9о: С помощью GridVis вы можете самостоятельно выполнять комплексный анализ.

Резюме

Рис. 10: Отчет о падениях и скачках напряжения с помощью кривой ITI

Перепады напряжения возникают относительно часто и не всегда идентифицируются. Коммерческий ущерб, вызванный перепадами напряжения, больше, чем ущерб, вызванный перебоями. Диапазон перепадов напряжения может быть уменьшен за счет переделки электрической инфраструктуры. Применение источников бесперебойного питания или катушек индуктивности может уменьшить последствия перепадов напряжения.