В статье рассматривается возможность безразрывного переключения цепей переменного тока с помощью электромеханических реле. Показана возможность уменьшения эрозии контактов реле и, как следствие повышение долговечности и уменьшение помех от работы на примере стабилизатора напряжения сети для квартиры.
Идея
Встретил в интернете рекламу на сайте ООО "Прибор", г. Челябинск:Стабилизаторы напряжения марки Селен, выпускаемые нашим предприятием, основаны на принципе ступенчатого регулирования напряжения путем безразрывного переключения обмоток автотрансформатора (патент на изобретение № 2356082). В качестве ключей используются мощные быстродействующие реле.
Приведены картинки переключений (слева "Селен", справа - с обычными характеристиками)
Меня эта информация заинтересовала, я вспомнил, что в кинопередвижке "Украина" тоже было безразрывное переключение напряжения – там, на время переключения между смежными контактами переключателя подключался проволочный резистор. Я стал искать в интернете, что-либо полезное по этому поводу. Ознакомиться с изобретением №2356082 я не смог.
Мне удалось найти статью "Типы стабилизаторов напряжения", где рассказывалось о возможности подключения диода к контактам реле в момент переключения. Идея заключается в том, чтобы в переменном напряжении произвести переключение во время положительного полупериода. При этом можно подключить диод параллельно контактам реле на время переключения.
Что дает такой способ? Переключение 220В меняется на переключение всего 20В, и так как нет разрыва тока нагрузки, то и практически нет дуги. Кроме того, при малых напряжениях дуга практически не возникает. Нет дуги – контакты не подгорают и не изнашиваются, надежность увеличивается в 10 и более раз. Долговечность контактов будет определяться только механическим износом, а он составляет 10 миллионов переключений.
На базе этой статьи были взяты самые обычные реле и измерены время отключения, время нахождения в разорванном состоянии и время включения. Во время измерений увидел на осциллографе дребезг контактов, который вызывал большое искрение и эрозию контактов, что резко уменьшает ресурс работы реле.
Для реализации и проверки этой идеи был собран релейный стабилизатор переменного тока мощностью 2 кВт, для питания квартиры. Вспомогательные реле подключают диод только на время переключения основного реле во время положительного полупериода. Оказалось, что реле имеют значительные времена задержки и дребезга, но, тем не менее операцию переключения удалось умесить в один полупериод.
Принципиальная схема
Состоит из автотрансформатора переключаемого как по входу, так и по выходу при помощи реле.
В схеме применено прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером. Выходное напряжение через делитель R13, R14, R15, R16 поступает на вход микроконтроллера через конденсатор C10 .
Питание реле и микросхемы осуществляется через диод D3 и микросхему U1 . Кнопка SB1 совместно с резистором R1 служат для калибровки стабилизатора. Транзисторы Q1-Q4 – усилители для реле.
Реле Р1 и Р2 – основные, а реле Р1а и Р2а совместно с диодами D1 и D5 и замыкают цепь во время переключения основных реле. Для уменьшения времени отключения реле в усилителях реле, применены транзисторы BF422 и обмотки реле шунтированы диодами 1N4007 и диодами Зенера на 150 Вольт, включенными встречно.
Для уменьшения импульсных помех, попадающих из сети, на входе и выходе стабилизатора стоят конденсаторы C1 и C11.
Трехцветный светодиод индицирует уровни напряжения на входе стабилизатора: красный – низкое, зеленый – норма, синий – высокое.
Программа
Программа написана на языке СИ (mikroC PRO for PIC), разбита на блоки и снабжена комментариями. В программе применено прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером, что позволило упростить схему. Микропроцессор применен PIC16F676 .Блок программы zero ожидает появление спадающего перехода через ноль
По этому перепаду происходит либо измерение величины переменного напряжения, либо начинается переключение реле.
Блок программы izm_U измеряет амплитуды отрицательного и положительного полупериодов
В основной программе производиться обработка результатов измерений и если необходимо дается команда на переключение реле.
Для каждой группы реле написаны отдельные программы включения и выключения с учетом необходимых задержек R2on
, R2off
, R1on
и R1off
.
5-й бит порта C задействован в программе для подачи импульса синхронизации на осциллограф, чтобы можно было посмотреть на результаты эксперимента.
Технические характеристики
При изменении входного напряжения в пределах 195-245 Вольт выходное напряжение поддерживается с точностью 7%. При изменении входного напряжения в пределах 185-255 Вольт выходное напряжение поддерживается с точностью 10%Выходной ток в длительном режиме 9 А.
Детали и конструкция
При сборке использован трансформатор ТПП 320-220-50 200 Вт. Обмотки его соединены на 240 Вольт, что позволило уменьшить ток холостого хода. Основные реле TIANBO HJQ-15F-1 , а вспомогательные LIMING JZC - 22F .Все детали установлены на печатной плате, закрепленной на трансформаторе. Диоды D1 и D5 должны выдерживать ток 30-50А в течение времени переключения (5-10 мсек).
Прибор повешен на стене и закрыт кожухом из жести
Настройка
Налаживание устройства заключается в проверке безобрывного переключения и установке номинального напряжения 220 Вольт с помощью построечного резистора R15 и кнопки SB1.Необходимо подать на вход напряжение от ЛАТР"а через лампу накаливания мощностью 100 – 150 Вт, установить напряжение 220 Вольт и удерживая кнопку добиться зеленого свечения, вращая построечный резистор.
После этого кнопку отпустить, вольтметр подключить к выходу устройства и вращая ЛАТР проверить пороги переключения: нижний 207 Вольт и верхний 232 вольта. При этом лампа накаливания при переключениях не должна вспыхивать или светиться, что свидетельствует о правильной работе. Также работу безобрывного переключения можно увидеть на осциллографе, для этого надо подключить внешний запуск к порту RC5 и наблюдать выходное напряжение стабилизатора в, изменяя входное напряжение. В моменты переключений синусоида на выходе не должна разрываться.
При напряжении на выходе меньше 187V горит красный диод, а зеленый мигает.
При напряжении на выходе больше 242V горит синий диод, а зеленый мигает.
Стабилизатор работает у меня 3-й месяц и показал себя очень хорошо. До этого у меня работал стабилизатор предыдущей разработки . Он работал хорошо, но иногда в момент его переключения срабатывал источник бесперебойного питания компьютера. С новым стабилизатором эта проблема исчезла безвозвратно.
Учитывая, что в реле резко уменьшилась эрозия контактов (практически нет искрения), можно было бы в качестве основных использовать менее мощные реле (LIMING JZC - 22F).
Замеченные недостатки
Довольно сложно было подобрать в программе время задержки реле.Для такого включения желательно применять более быстродействующие реле.
Выводы
a) Безобрывное переключение цепей переменного тока с помощью реле – вполне реальная и разрешимая задача.b) Можно в качестве вспомогательного реле применить тиристор или симистор, тогда на реле не будет падения напряжения, а симистор за 10 мсек не успеет нагреться.
c) В таком режиме искрение контактов резко уменьшается, а долговечность возрастает, и уменьшаются помехи от переключений реле
Использованы источники
1. на сайте “Энергосбережение в Украине”2. Официальный web-сайт предприятия ООО "Прибор", г. Челябинск
3. Даташиты на детали
Файлы
Схема, чертеж печатной платы и программа с прошивкой▼ 🕗 12/08/12 ⚖️ 211,09 Kb ⇣ 165 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!
Напряжение сети, особенно в сельской местности, нередко выходит за пределы, допустимые для питаемой аппаратуры, что приводит к ее выходу из строя.
Избежать столь неприятных последствий возможно с помощью стабилизатора, который поддерживает выходное напряжение в необходимых пределах для нагрузки, а если это невозможно - отключает ее.
Предлагаемое устройство относится к весьма перспективным конструкциям, в которых нагрузка автоматически подключается к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора в зависимости от текущего значения напряжения сети.
Годин А.В. Стабилизатор переменного напряжения
Журнал «РАДИО». 2005. №08 (с.33-36)
Журнал «РАДИО». 2005. №12 (с.45)
Журнал «РАДИО». 2006. №04 (с.33)
Из-за нестабильности напряжения в сети в Подмосковье вышел из строя холодильник. Проверка напряжения в течение дня выявила его изменения от 150 до 250 В. Как следствие, занялся вопросом приобретения стабилизатора. Знакомство с ценами на готовые изделия повергло в шок. Стал искать схемы в литературе и Интернет.
Почти подходящий по параметрам стабилизатор с микроконтроллерным управлением описан в . Но его выходная мощность недостаточно высока, переключение нагрузки зависит не только от амплитуды, но и от частоты напряжения сети. Поэтому было решено создать собственную конструкцию стабилизатора, не обладающую этими недостатками.
В предлагаемом стабилизаторе не использован микроконтроллер, что делает его доступным для повторения более широкому кругу радиолюбителей. Нечувствительность к частоте напряжения сети позволяет его использовать в полевых условиях, когда источником электроэнергии является автономный дизель-генератор.
Основные технические характеристики
Входное напряжение, В: 130…270
Выходное напряжение, В: 205…230
Максимальная мощность нагрузки, кВт: 6
Время переключения (отключения) нагрузки, мс: 10
Устройство содержит следующие узлы: Блок питания на элементах T1, VD1, DA1, C2, C5. Узел задержки включения нагрузки C1, VT1-VT3, R1-R5. Выпрямитель для измерения амплитуды напряжения сети VD2, C2 с делителем R13, R14 и стабилитроном VD3. Компаратор напряжения DA2, DA3, R15-R39. Логический контроллер на микросхемах DD1-DD5. Усилители на транзисторах VT4-VT12 с токоограничительными резисторами R40-R48. Индикаторные светодиоды HL1-HL9, семь оптронных ключей, содержащих оптосимисторы U1-U7, резисторы R6-R12, симисторы VS1-VS7. Напряжение сети подключено к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора T2 через автоматический выключатель-предохранитель QF1. Нагрузка подключена к автотрансформатору T2 через открытый симистор (один из VS1-VS7).
Стабилизатор работает следующим образом. После включения питания конденсатор C1 разряжен, транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. Транзистор VT3 закрыт, а так как ток через светодиоды, в том числе входящие в состав симисторных оптронов U1-U7, может протекать только через этот транзистор, то ни один светодиод не горит, все симисторы закрыты, нагрузка отключена. Напряжение на конденсаторе C1 возрастает по мере его зарядки от источника питания через резистор R1. По окончании трехсекундного интервала задержки, необходимого для завершения переходных процессов, срабатывает триггер Шмидта на транзисторах VT1 и VT2, транзистор VT3 открывается и разрешает включение нагрузки.
Напряжение с обмотки III трансформатора T1 выпрямляется элементами VD2C2 и поступает на делитель R13, R14. Напряжение на движке подстроечного резистора R14, пропорциональное напряжению сети, поступает на неинвертирующие входы восьми компараторов (микросхемы DA2,DA3). На инвертирующие входы этих компараторов поступают постоянные образцовые напряжения с резисторного делителя R15-R23. Сигналы с выходов компараторов обрабатывает контроллер на логических элементах «исключающее ИЛИ» (микросхемы DD1-DD5). На линии групповой связи рис. выходы компараторов DA2.1-DA2.4 и DA3.1-DA2.3 обозначены цифрами 1-7, а выходы контроллера - буквами A-H. Выход компаратора DA3.4 не входит в линию групповой связи.
Если напряжение сети меньше 130 В, на выходах всех компараторов и выходах контроллера низкий логический уровень. Транзистор VT4 открыт, включен мигающий светодиод HL1, индицирующий чрезмерно низкое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Если напряжение сети меньше 150 В, но больше 130 В, логический уровень сигналов 1 и A высокий, остальных - низкий. Транзистор VT5 открыт, горят светодиоды HL2 и U1.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена с верхним по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS1.
Если напряжение сети меньше 170 В, но больше 150 В, логический уровень сигналов 1, 2 и B высокий, остальных - низкий. Транзистор VT6 открыт, горят светодиоды HL3 и U2.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена со вторым сверху по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS2.
Остальные уровни напряжения сети, соответствующие переключению нагрузки на другой отвод обмотки автотрансформатора T2: 190, 210, 230 и 250 В.
Для предотвращения многократного переключения нагрузки, в случае, когда напряжение сети колеблется на пороговом уровне, введен гистерезис 2-3 В (запаздывание переключения компараторов) с помощью положительной обратной связи через R32-R39. Чем больше сопротивления этих резисторов, тем меньше гистерезис.
Если напряжение сети больше 270 В, на выходах всех компараторов и выходе H контроллера высокий логический уровень. На остальных выходах контроллера -низкий уровень. Транзистор VT12 открыт, включен мигающий светодиод HL9, индицирующий чрезмерно высокое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Стабилизатор выдерживает неограниченное время аварийное повышение напряжения сети до 380 В. Надписи, индицируемые светодиодами, аналогичны описанным в .
Вариант с одним трансформатором питания
Конструкция и детали
Стабилизатор собран на печатной плате 90х115 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Светодиоды HL1-HL9 смонтированы так, чтобы при установке печатной платы в корпус они попали в соответствующие отверстия на передней панели устройства.
В зависимости от конструкции корпуса, возможен вариант монтажа светодиодов со стороны печатных проводников. Номиналы токоограничительных резисторов R41-R47 выбраны так, чтобы ток протекающий через светодиоды симисторных оптронов U1.1-U7.1 был в пределах 15-16мА. Необязательно использовать мигающие светодиоды HL1 и HL9, но их свечение должно быть хорошо заметно, поэтому их можно заменить светодиодами непрерывного излучения красного цвета повышенной яркости, такими как АЛ307КМ или L1543SRC-Е .
Зарубежный диодный мост DF005M (VD1,VD2) можно заменить отечественным КЦ407А или любым с напряжением не менее 50В и током не менее 0,4А. Стабилитрон VD3 может быть любым маломощным, имеющим напряжение стабилизации 4,3…4,7 В.
Стабилизатор напряжения КР1158ЕН6А (DA1) может быть заменен на КР1158ЕН6Б . Микросхему счетверенного компаратора LM339N (DA2,DA3), можно заменить отечественным аналогом К1401СА1 . Микросхему КР1554ЛП5 (DD1-DD5), можно заменить аналогичной из серий КР1561 и КР561 или зарубежной 74AC86PC .
Cимисторные оптроны MOC3041 (U1-U7) можно заменить MOC3061 .
Подстроечные резисторы R14, R15 и R23 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3 . Постоянные резисторы R16-R22 C2-23 с допуском не ниже 1%, остальные могут быть любыми с допуском 5%, имеющие мощность рассеяния не ниже указанной на схеме. Оксидные конденсаторы C1-C3, C5 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Остальные конденсаторы C4, C6-C8 - любые пленочные или керамические.
Импортные симисторные оптроны MOC3041 (U1-U7) выбраны потому, что они содержат встроенные контроллеры перехода напряжения через ноль. Это необходимо для синхронизации выключения одного мощного симистора и включения другого, чтобы предотвратить замыкания обмоток автотрансформатора.
Мощные симисторы VS1-VS7 также зарубежные BTA41-800B , так как отечественные той же мощности требуют слишком большой ток управления, который превышает предельно допустимый ток оптосимисторов 120мА. Все симисторы VS1-VS7 установлены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности не менее 1600 см2.
Микросхему стабилизатора КР1158ЕН6А (DA1) необходимо установить на теплоотвод, изготовленный из отрезка аллюминиевой пластины или П-образного профиля с площадью поверхности не менее 15 см2.
Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 3 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 1,87 см2. Его сетевая обмотка I, рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,064 мм. Обмотки II и III содержат по 522 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,185 мм.
Вариант с двумя трансформаторами питания
При номинальном напряжении сети 220 В напряжение каждой выходной обмотки должно составлять 12 В. Вместо самодельного трансформатор T1 можно применить два трансформатора ТПК-2-2×12В , соединенных последовательно по способу, описанному в как показано на рис.
Файл печати устройства PechatStab-2.lay (вариант с двумя трансформаторами ТПК-2-2×12В ) выполнен с помощью программы Sprint Layout 4.0 , которая позволяет выводить рисунок на печать в зеркальном отображении и очень удобна для изготовления печатных плат при помощи лазерного принтера и утюга. Ее можно скачать здесь.
Силовой трансформатор
Трансформатор T2 на 6 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном магнитопроводе габаритной мощностью 3-4 кВт, способом, описанным в . Его обмотка содержит 455 витков провода ПЭВ-2.
Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 3 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются шиной сечением 18,0 мм2 (2мм на 9 мм). Такое сечение необходимо, для того чтобы автотрансформатор не грелся в процессе длительной эксплуатации.
Отводы сделаны от 203, 232, 266, 305, 348 и 398-го витка, считая от нижнего по схеме вывода. Напряжение сети подается на отвод 266-го витка.
Если мощность нагрузки не превышает 2,2 кВт, то автотрансформатор T2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 1,5 кВт проводом ПЭВ-2. Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 2 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются проводом диаметром 3 мм
Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,3 раза. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 20 А. Перед нагрузкой желательно поставить дополнительный автомат на 10А
При изготовлении автотрансформатора, при неизвестном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника, для того, что бы не ошибиться в выборе отношения витков на вольт, необходимо провести практическое исследование статора (см. раздел ниже).
В общем архиве есть программа для расчета отводов автотрансформатора по своим габаритным размерам статора при известном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника.
Если мощность нагрузки не превышает 3 кВт, то автотрансформатор T2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 4 кВт проводом ПЭВ-2 диаметром 2,8 мм (сечение 6,1 мм2) Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,2 раз. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 16 А. Можно применить симисторы VS1-VS7 BTA140-800, размещенные на теплоотводе площадью не менее 800 см2.
Настройка
Налаживание осуществляется с помощью ЛАТР -а и двух вольтметров. Необходимо установить пороги переключения нагрузки и убедиться в том, что выходное напряжение стабилизатора находится в допустимых пределах для питаемой аппаратуры.
Обозначим U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7 - значения напряжения на движке подстроечного резистора R14, соответствующие напряжению сети 130, 150, 170, 190, 210, 230, 250, 270 В (пороги переключения и отключения нагрузки).
Вместо подстроечных резисторов R15 и R23 временно монтируют постоянные резисторы сопротивлением 10 кОм.
Далее стабилизатор без автотрансформатора T2 включают в сеть через ЛАТР . На выходе ЛАТР -а повышают напряжение до 250 В, затем движком подстроечного резистора R14 устанавливают напряжение U6 равное 3,5 В, измеряя его цифровым вольтметром. После этого понижают напряжение ЛАТР -а до 130 В и измеряют напряжение U1. Пусть, например, оно равно 1,6 В.
Вычисляют шаг изменения напряжения:
∆U=(U6 – U1)/6=(3,5-1,6)/6=0,3166 В
,
ток, текущий через делитель R15-R23
I=∆U/R16=0,3166/2=0,1583 мА
Вычисляют сопротивления резисторов R15 и R23:
R15= U1/I=1,6/0,1583=10,107 кОм,
R23= (Uпит – U6 –∆U)/I=(6–3,5–0,3166)/0,1588=13,792 кОм
, где Uпит - напряжение стабилизации микросхемы DA1. Расчет приближенный, так как в нем не учтено влияние резисторов R32-R39, однако его точность достаточна для практической настройки стабилизатора.
Программу для расчета R8,R16 и граничных напряжений переключения можно скачать во вложениях.
Далее устройство отключают от сети и с помощью цифрового вольтметра устанавливают сопротивления резисторов R15 и R23, равные вычисленным значениям и монтируют их на плату вместо постоянных резисторов, упомянутых выше. Снова включают стабилизатор и отслеживают переключение светодиодов, плавно увеличивая напряжения ЛАТР -а от минимального до максимального и обратно. Одновременное свечение двух и более светодиодов указывает на неисправность одной из микросхем DA2, DA3, DD1-DD5. Неисправная микросхема должна быть заменена, поэтому удобнее установить на плате не сами микросхемы, а панели для них.
Убедившись в исправности микросхем, подключают автотрансформатор T2 и нагрузку - лампу накаливания мощностью 100…200 Вт. Снова измеряют пороги переключения и напряжения U1-U7. Для проверки правильности расчетов, меняя ЛАТР -ом входное на Т1 необходимо убедиться в мигании светодиода HL1 при напряжении ниже 130 В, последовательном включении светодиодов HL2 - HL8 при пересечении порогов переключения, указанных выше, а также мигании HL9 при напряжении выше 270 в.
Если максимальное напряжение ЛАТР -а меньше 270 В, устанавливают на его выходе 250 В, вычисляют напряжение U7 по формуле: U7=U6+∆U=3,82 В. Перемещают движок R14 вверх, проверяют, что при напряжении U7 происходит отключение нагрузки, после чего возвращают движок R14 вниз, устанавливая прежнее значение U6, равное 3,5 В.
Завершить налаживание стабилизатора желательно его подключением к напряжению 380 В на несколько часов.
За время эксплуатации нескольких экземпляров стабилизаторов разной мощности (примерно полгода) не было сбоев и отказов в их работе. Не было неисправностей питаемой через них аппаратуры по причине нестабильного напряжения сети.
Литература
1. Коряков С. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением. - Радио, 2002, №8, с. 26-29.
2. Копанев В. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети. - Радио, 1997, №2 с.46.
3. Андреев В. Изготовление трансформаторов. - Радио, 2002, №7, с.58
4. http://rexmill.ucoz.ru/forum/50-152-1
Расчет автотрансформаторa
Вам удалось достать статор из двигателя, но Вы не знаете, из какого материала он выполнен. Вообще при расчете сердечников мощностью выше 1 кВт часто возникают проблемы с исходными данными. Можно легко избежать проблем, если провести исследования имеющегося у Вас сердечника. Сделать это очень просто.
Подготавливаем сердечник для намотки первичной обмотки: обрабатываем острые края, накладываем изолирующие прокладки (в моем случае на тороидальный сердечник я сделал накладки из картона). Теперь наматываем 50 витков провода диаметром 0.5-1 мм. Для измерений нам понадобится амперметр с пределом измерения примерно до 5 ампер, вольтметр переменного напряжения и ЛАТР .MS Excel
N/V= 50/((140-140*0.25) = 0,48 витков на вольт .
Число витков в отводах рассчитывается по средним напряжениям каждого из входных диапазонов контроллера и составит:
Отвод №1 – 128,5 В х 0,48 В = 62 Вит
Отвод №2 – 147 В х 0,48 В = 71 Вит
Отвод №3 – 168 В х 0,48 В = 81 Вит
Отвод №4 – 192 В х 0,48 В = 92 Вит
Отвод №5 – 220 В х 0,48 В = 106 Вит (с него же снимается напряжение на нагрузку)
Отвод №6 – 251,5 В х 0,48 В = 121 Вит
Отвод №7 – 287,5 В х 0,48 В = 138 Вит (полное количество витков автотрансформатора)
Вот и вся проблема!
Модернизация
Понравилось это.
Отправим материал вам на e-mail
Потребление электроэнергии растёт с появлением большого количества приборов, облегчающих быт человека. Жителям мегаполисов в этом плане повезло: они не страдают от перебоев электричества. В больших городах существуют возможности поддержания электросетей в надлежащем состоянии. А вот всем остальным часто приходится сталкиваться со скачками напряжения. Хорошо, если дело обойдётся мигающими лампочками, но зачастую перебои приводят к выходу из строя дорогостоящих приборов. Какой выбрать стабилизатор напряжения 220в для дома, чтобы раз и навсегда забыть об этой проблеме?
Этот компактный прибор поможет справиться с перебоями электросети
Стабилизатор напряжения 220в: какой выбрать для дома, преимущества и принцип действия
Известно, что организации, поставляющие электричество в дома потребителей, нередко поднимают напряжение в сетях, рассчитанных на 220 – 380 вольт на десять процентов, а то и больше. Результатом становится не только повышенная оплата за энергию, но и выход из строя чувствительных приборов, потеря ценных данных и сбои в жизненно важных для человека системах.
Для чего необходим стабилизатор
Элементарный пример: десять процентов лишнего напряжения в сети заставляет лампу гореть на треть сильнее и при этом снижает продолжительность её службы почти вполовину. А заплатить за работу этой лампы придётся на двадцать процентов больше.
Оптимальный выход в этой ситуации – купить стабилизатор напряжения 220в для дома на 10квт или больше, мощность будет зависеть от количества подключённых приборов.
Преимущества от использования стабилизационного прибора:
- экономия расходов на электроэнергию;
- повышение сроков службы и производительности приборов, рассчитанных на нормальное напряжение сети;
- экономия на обслуживании электроприборов за счёт уменьшения количества поломок, связанных со скачками в сети.
Как работает прибор
Самый простой стабилизатор состоит из пары катушек, изолированных одна от другой и намотанных на один сердечник. К первой катушке подключается источник электроэнергии, а ко второй – потребитель. Магнитная индукция преобразует напряжение тока. Простейший прибор можно изготовить своими руками, схема стабилизатора напряжения 220в:
В современных стабилизационных приборах обмотки соединены гальваническим методом.
Кроме автоматического трансформатора в устройство входит:
- измерительный прибор входного напряжения, подающий информацию на блок управления;
- блок управления, регулирующий ток;
- защитное устройство, предотвращающее короткое замыкание и перегрузку;
- дополнительную защиту от попадания высоковольтного разряда;
- механизм непрерывного электропитания.
Виды стабилизаторов
Приборы для стабилизации напряжения в сети подразделяются на три основных вида:
- Электронные стабилизаторы.
- Сервоприводные устройства.
- Релейные приборы.
Электронные стабилизаторы
Самый современный вид стабилизирующих устройств. Имеют максимальную защиту от перегрузок и скачков за счёт электронных ключей, тиристоров или симисторов, с высокой скоростью реакции.
Полезная информация! Возможные отклонения на выходе электронного устройства не превышают трёх вольт.
Если стоит вопрос, какой выбрать стабилизатор напряжения 220в для дома, где есть дорогостоящая высокотехнологичная аппаратура – лучше подобных устройств не найти. Стоят они дороже остальных видов приборов, имеющих механические схемы.
Сервоприводные устройства
В основе работы этого прибора лежит изменение числа активных витков в обмотке вторичного вида. Бегунок по виткам перемещает миниатюрный сервоприводный мотор.
Сервоприводное устройство стоит гораздо меньше электрического, но уступает последнему в скорости реакции на скачки в сети. Кроме того, этот прибор издаёт негромкий, но заметный шум. Подобное устройство не спасёт дорогостоящую технику от резкого изменения напряжения. Его обычно устанавливают на дачах, где нет чувствительной техники.
Сервоприводное устройство можно изготовить своими руками. Повышающий стабилизатор напряжения 220в можно сделать из сварочного аппарата.
Релейные устройства
Трансформаторный метод стабилизации – самый простой из приведённых. Он основан на изменении количества витков в обмотке трансформаторного устройства. Реле реагирует на изменение напряжения и отключает или подключает нужное количество витков. На выходе получается стабильное напряжение с точностью регулировки в восемь процентов. Такие механизмы доступны по цене и отличаются продолжительным сроком службы за счёт устойчивости к перегрузке.
Какой лучше стабилизатор напряжения: релейный или электромеханический? Однозначный ответ дать на этот вопрос довольно сложно. Электронный прибор намного надёжнее защитит домашнюю технику, но его срок службы и стоимость проигрывают простейшему релейному устройству.
Обзор схем подключения стабилизатора напряжения в частном доме
Следует учитывать, что из-за реактивной мощности некоторых домашних электроприборов в момент запуска происходит пиковая нагрузка. Именно на её размер и стоит рассчитывать стабилизатор. Кроме того, важно принять во внимание коэффициенты трансформации, которые при снижении и поднятии напряжения «съедают» мощность аппарата.
Таблица 1. Коэффициенты трансформации
| Напряжение | 130 | 150 | 170 | 210 | 220 | 230 | 250 | 270 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Коэффициент | 1.77 | 1,55 | 1,35 | 1,10 | 1,05 | 1,10 | 1,35 | 1,55 |
Подбирать общее стабилизирующее устройство на весь дом следует, исходя из суммарной мощности все электроприборов, умноженной на 0.7 и коэффициент трансформации, приведённый в таблице.
Общая схема подключения трансформатора выглядит следующим образом.
Отличие подаваемого напряжения от эталонных 220 В может быть обусловлено как качеством трансформаторов и проводов, так и удаленностью потребителя от распределяющего устройства. Также одним из важных факторов, влияющих на стабильность напряжения, является физический износ, и перегрузка линий электропередач. Все это приводит к просадкам и скачкам вольтажа, что отрицательно сказывается на всех без исключения электроприборах.
Стабилизаторы напряжения на 220 В решают эту проблему. Схема подобных устройств позволяет сглаживать скачки в сети, и получать на выходе стабильные 220 Вольт с небольшой допустимой погрешностью. При этом не обязательно покупать такой аппарат – при желании и минимальных знаниях схемотехники его можно собрать своими руками в домашних условиях.
Разновидности стабилизаторов
Все промышленные образцы такого оборудования можно разделить на две большие группы:
- электромеханические;
- импульсные.
Электромеханические
Работа электромеханических устройств основана на сервоприводе, который способен изменять количество витков обмотки (а значит – и выходящее напряжение) перемещением токопроводящего ползунка по реостату. Такие аппараты дешевле всех других моделей, и обладают очень хорошими показателями стабилизации. Однако они чаще ломаются из-за наличия множества механических деталей.
Но самый главный их минус – скорость срабатывания. Из-за того, что привод перемещает токосниматель не мгновенно, задержка стабилизации может составлять до 0.1 секунды, что катастрофически много для приборов, чувствительных к перепадам. Другими словами, такой стабилизатор может попросту не успеть защитить современную электронику. К тому же, ввиду наличия механических частей, воспроизвести такой прибор дома – нетривиальная задача.
Импульсные
Импульсными называют стабилизаторы, работа которых основывается на принципе накапливания тока, и выдачи его потребителю отрывками – импульсами. Эти временные промежутки позволяют системе накопить нужный ток в , и после выдать стабилизированное питание. К таким аппаратам относят и приборы, работа которых основана на симисторах и тиристорах.
Подобные устройства дороже своих электромеханических аналогов, но и значительно надежнее – нет трущихся и движущихся частей, а значит, и ломаться, по сути, нечему. Правда показатели стабилизации у них хуже – они способны лишь на пропорциональное повышение или понижение входящих показателей. Зато скорость срабатывания – до 20 миллисекунд, а этого достаточно, чтобы обезопасить даже самые чувствительные домашние электроприборы. К тому же – такой аппарат можно собрать своими руками, обладая необходимой сноровкой и элементной базой.
Кроме разделения по принципу стабилизации, существует разделение на одно- и трехфазные устройства. Но ввиду того, что дома обычно используется однофазное питание, трехфазные аппараты мы в расчет не берем.
Схема стабилизатора напряжения на 220 В
В схеме, которую мы рассмотрим как пример создания стабилизатора своими руками, используются симисторы. Благодаря хорошо подобранной элементной базе, этот прибор сможет обеспечивать стабильные показатели при подаче на него от 130 до 270 В, и будет выдерживать подключение к нему нагрузки до 6 кВт. Но самое главное – скорость срабатывания – около 10 мс! Вот сама схема будущего стабилизатора напряжения на 220 В:
Не смотря на кажущуюся сложность схемы стабилизатора напряжения на 220 В, в производстве подобного прибора своими руками проблем возникнуть не должно, если вы обладаете хотя бы начальными знаниями в электрике. Итак, список комплектующих, необходимых для успешной сборки:
- Блок питания;
- Выпрямитель (корректирующий амплитуду напряжения);
- Контроллер и компаратор;
- Усилительный каскад;
- Устройство задержки включения нагрузки;
- Автоматический трансформатор;
- Ключи;
- Выключатель с функцией предохранителя.
Также будут необходимы провода для соединения элементов и намотки трансформаторов, печатная плата для сборки схемы, а из инструментов – паяльник, припой и пинцет.
Процесс изготовления стабилизатора на 220 В своими руками
Для начала нужно взять подходящий по размерам (примерно 120×90 мм) кусок фольгированного текстолита для изготовления печатной платы. Саму схему можно перенести на плоскость при помощи утюга и распечатанной на бумаге принципиальной схемы:
Получив необходимую архитектуру, можно приступать к намотке трансформаторов (можно купить и готовые ТПК-2-2, на 12В и соединить их последовательно, но можно изготовить самостоятельно). Для намотки каждого транса потребуется магнитопровод сечением 1.87 см 2 и три провода. Первая обмотка – 8669 витков провода сечением 0.064 мм. Две другие обмотки выполняются уже проводом с площадью сечения 0.185 мм, и каждая из них будет содержать по 522 витка.
Второй трансформатор отличается – он собирается на тороидальном магнитопроводе, но количество витков уже будет 455. Второй трансформаторный блок должен содержать 7 отводов, и если для первых трех достаточно провода 3мм 2 , то для остальных необходимо применять шину с площадью сечения не менее 18 мм 2 . Это позволит избежать нагревания при работе устройства, и повысит общую безопасность.
После сборки трансформаторов, их необходимо соединить последовательно согласно схеме, приведенной ниже:
Остальные комплектующие для сборки нужно покупать. Приобретя все необходимое, можно приступать к сборке прибора согласно принципиальной электрической схеме. Важно помнить, что микросхема контроллера и симисторы необходимо монтировать на охлаждающем радиаторе с применением термопроводящей пасты или клея.
Собрав все элементы воедино, вы получите надежный и качественный прибор с характеристиками, которые удовлетворят все бытовые потребности обычного жилого дома.
Если же подобная схема для вас сложна – лучше выбрать иной вариант самодельного стабилизатора, к примеру – релейный тип. Схема такого стабилизатора на 220 В не такая сложная, как у симисторного варианта, и ее обычно приводят как пример во всех журналах для радиолюбителей:
Схема проста, и содержит в себе 3 блока стабилизации, с разным порогом напряжения. Каждый из них состоит из стабилитрона и резисторов. Кроме блоков, в схеме есть два транзисторных ключа, управляющих электромагнитными реле. Благодаря простоте и относительной надежности, такой прибор станет отличной альтернативой более сложным устройствам.
Плюсы и минусы самодельного стабилизатора
Среди положительных моментов такого аппарата стоит отметить:
- Довольно высокие показатели стабилизации, достаточные для бытовых нужд;
- Низкая цена в сравнении с фабричными устройствами;
- Доступность самостоятельного ремонта.
Однако помимо достоинств, такой стабилизатор будет обладать и рядом недостатков:
- Сборка своими руками уступает по качеству фабричной (пайка, намотка трансформаторов и т.д.);
- Сложная и кропотливая настройка готового прибора;
- Отсутствие возможности получить точные данные стабилизации ввиду отсутствия специального оборудования.
В заключении хотелось бы сказать, что при отсутствии хотя бы начальных навыков в схемотехнике и опыта пайки радиодеталей, браться за сборку такого устройства не стоит, так как это ответственный и важный узел в электросети дома, от которого зависит сохранность всех электроприборов.
Основные данные по конструкции стабилизатора напряжения есть в этом видео
:
Перепады напряжения негативно сказываются на любой бытовой технике. Особенно это касается высокоточной электроники, регулирующей работу отопительных приборов.
Для того, чтобы выровнять ток в домашних условиях используют стабилизатор напряжения. В самом простом варианте он работает по принципу реостата, повышая и понижая сопротивление в зависимости от силы тока. Но есть и более современные приборы, которые в полной мере защищают технику от скачков напряжения. О том, как их сделать и поговорим.
Стабилизатор напряжения и принцип его действия
Для более детального понимания работы прибора рассмотрим составляющие электрического тока:
- сила тока,
- напряжение,
- частота.
Сила тока – это количество заряда, который прошел через проводник за определенный промежуток времени. Напряжение, если объяснять очень просто, эквивалентно понятию работы, которое совершает электрическое поле. Частота – это скорость, с которой поток электронов меняет свое направление. Данная величина характерна исключительно для переменного тока, который циркулирует в электросети. Большинство бытовых приборов рассчитано на напряжение в 220 Вольт, при этом сила тока должна быть 5 Ампер, а частота 50 Герц.
В большинстве случаев бытовая техника имеет допустимую вилку по каждому из параметров, но любая защита рассчитана на то, что условия работы приборов длительное время будут неизменными. В нашей же сети колебания тока происходят практически постоянно. Амплитуда составляет до 2 А по силе тока и до 40-50 В, по напряжению. Частота тока, также отлична от 50 Гц и составляет от 40 Гц до 60 Гц.
Данная проблема связана со многими факторами, но главный среди них, — удаленность конечного потребителя от источника электричества. В результате достаточно длительной транспортировки и многократной трансформации, ток теряет стабильность. Данный дефект электросетей присутствует не только у нас, но и в любых других странах, которые пользуются электричеством. Поэтому был придуман специальный прибор, позволяющий стабилизировать выходной ток.
Виды стабилизаторов напряжения
Так как ток – это направленное движение частиц, для его регулировки используются:
- механический метод,
- импульсный метод.
Механический основан на законе Ома. Такой стабилизатор называется линейным. Он состоит из двух колен, соединенных между собой реостатом. Напряжение подается на одно колено, проходит по реостату и попадает на второе колено, с которого уже и раздается далее. Преимущества данного метода заключается в том, что он позволяет достаточно точно установить параметры выходного тока. В зависимости от предназначения, линейный стабилизатор модернизируют дополнительными запчастями. Стоит отметить, что прибор эффективно справляется со своей задачей только в том случае, если разница между входным и выходным током невелика. В противном случае стабилизатор будет иметь низкий КПД. Но даже этого достаточно, чтобы защитить бытовую технику и обезопасить себя от короткого замыкания в случае перенагрузки сети.
Импульсный стабилизатор напряжения основан на принципе амплитудной модуляции тока. Схема стабилизатора напряжения устроена таким образом, что в цепи есть выключатель, который автоматически разрывает цепь через равные промежутки времени. Это позволяет подавать ток частями и равномерно накапливать его в конденсаторе. После того, как он зарядится, уже выровненный ток подается на приборы. Недостаток этого метода в том, что он не позволяет задать определенную величину. Тем не менее, достаточно часто встречаются импульсные повышающе-понижающие стабилизаторы, которые оптимально подходят для бытового использования. Они выравнивают ток в пределах чуть ниже или чуть выше нормы. В обоих случаях все параметры тока не выходят за допустимую вилку.
Важно отметить и разделение приборов на:
- стабилизатор напряжения однофазный,
- стабилизатор напряжения трехфазный.
После перераспределения в трансформаторе, выходит трехфазная линия, она как правило идет до распределительного щитка на отдельно взятый дом. Далее от щитка в квартиру идут уже стандартные фаза и ноль. Таким образом большинство бытовых приборов рассчитано именно на однофазную сеть. Поэтому в типовых квартирах целесообразно использовать однофазный стабилизатор. К тому же, стоит он в 10 раз дешевле трехфазного, даже если собрать его своими руками.
Стабилизаторы напряжения для дачи могут быть и трехфазными. Особенно актуально это для мощных насосов, культиваторов и тяжелой строительной техники. В таком случае необходимо сделать стабилизатор, рассчитанный на трансформацию тока под конкретный прибор. На практике сделать это достаточно сложно. Поэтому проще взять его в аренду. Использование указанных выше приборов носит временный характер, поэтому смысла тратить время и деньги на трехфазный стабилизатор напряжения нет.
Основные элементы стабилизатора напряжения
Для того, чтобы собрать простой выравниватель тока не понадобится ни особых навыков, ни специфических деталей. Стабилизаторы напряжения для дома состоят из:
- трансформатора,
- конденсаторов,
- резисторов,
- диодов,
- провода для соединения микросхемы.
Идеально, если есть старый сварочный аппарат. Переделать его в стабилизатор напряжения очень легко, к том же не понадобится покупать дополнительные запчасти и конструировать корпус для микросхем. Этому вопросу посвящено видео в конце статьи. Но, ненужная сварка – это большая редкость, поэтому рассмотрим процедуру создания стабилизатора напряжения с нуля. Так как импульсный стабилизатор не позволяет провести точную настройку параметров, рассматривать будем линейный стабилизатор напряжения.
Изготовление самодельного стабилизатора напряжения
Его основа – это трансформатор. На практике трансформаторы намного меньше, чем массивные будки для выравнивания высокого напряжения, приходящего с электростанции. Они представляют собой две катушки, образующие индуктивную электромагнитную связь. Проще говоря, ток подается на одну катушку, заряжает ее, затем возникает электромагнитное поле, которое заряжает вторую катушку, с которой ток идет далее. Эта взаимосвязь выражена формулой:
| U 2 | = | N 2 | = | I 1 |
| U 1 | N 1 | I 2 |
- U 1 – напряжение на первичной обмотке,
- U 2 – напряжение на вторичной обмотке,
- N 1 – число витков на первичной обмотке,
- N 2 – число витков на вторичной обмотке,
- I 1 – сила тока на первичной обмотке,
- I 2 – сила тока на вторичной обмотке.
Формула не идеальна, так как позволяет либо понижать напряжение, либо его повышать. В 90% случаев к потребителю доходит ток с низким напряжением. Поэтому имеет смысл сразу же сделать повышающий трансформатор. Индуктивные катушки к нему продаются в магазинах электротехники либо на любом блошином рынке. Важно отметить, что число витков должно быть не менее 2000 тысяч, так как иначе трансформатор будет очень сильно греться и вскоре сгорит. Для того, чтобы выбрать мощность трансформатора, необходимо замерять напряжение в сети. Для расчетов возьмем значение 196 В. Формула приобретает такой вид:
Как видно из формулы, сила напряжения на выходе будет 220х4/196=4,4 А. Большинство электроприборов допускает вилку в 1 А. Поэтому полученная величина достаточна для нормальной работы техники.
Стабилизатор напряжения, энергия в котором увеличивается на заданную величину готов. Но, если в сети произойдет скачек мощности, то формула примет следующие значения:
Это приведет к поломке большинства электроприборов.
Для устранения данного дефекта воспользуемся законом Ома:
- U– напряжение,
- I– сила тока,
- R– сопротивление.
264=4,47хR, R=264/4,47=60. Данная формула говорит о том, что в идеале сопротивление всех элементов в системе будет составлять 60 Ом. Если понизить сопротивление, то напряжение уменьшиться:
220=4,47хR, R=220/4,47=50.
Для изменения сопротивления сети используется прибор, под названием реостат. Естественно, регулировать его вручную достаточно неудобно. Поэтому понадобится микросхема-стабилизатор напряжения, на которой будет отмечен путь следования электрического тока после выхода из трансформатора.
Наиболее простой способ – это вывести ток с трансформатора на конденсатор. Желательно использовать 12-16 конденсаторов одинаковой емкости. Это позволит накопить ток и сделать его более однородным. Далее все конденсаторы подсоединяются к реостату. Сила тока в сети после трансформатора будет в пределах 4,5-5 А, а желаемое напряжение должно составлять 220 В. Следовательно, имеем формулу R=220/4,75=46. При усредненных показателях сопротивление должно составлять 46 Ом.
Для достижения более плавного выравнивания, желательно установить несколько параллельных реостатов. Таким образом соединяясь в один поток после конденсаторов, цепь необходимо распределить на 4,6,8 отдельных веток, подключенных к реостатам. При этом следует использовать формулу R/число реостатов. Если делать цепь из 6 реостатов, то согласно представленным данным, каждый из них должен иметь сопротивление в 8 Ом.
После прохождения реостатов, цепь снова собирается в один поток и выводится на диод. Диод подключается к обычной розетке.
Все указанные манипуляции относятся к проводу на котором находится фаза, ноль просто пропускаем напрямую к розетке.
Указанный с реостатами способ является достаточно архаичным. Намного более эффективно использовать вместо них обычное устройство защитного отключения. Ток от трансформатора подается на УЗО, ноль также подключается к УЗО. Далее от него идет выход напрямую к розетке.
В том случае, если напряжение или сила тока возрастут в следствии скачка напряжения, УЗО разомкнет цепь, и бытовая техника не пострадает. В остальное время трансформатор будет качественно выравнивать ток.
При повышенном напряжении понадобится понижающий трансформатор. Собирается он по аналогии, за тем исключением, что обмотка на второй катушке должна быть сделана из более толстой проволоки, иначе трансформатор сгорит.
Наиболее эффективно собрать оба трансформатора. Тем более, что есть конструкции понижающе-повышающего типа. В первом случае понадобится ручное переключение провода, во втором — процесс поддается автоматизации. Как видно, сделать стабилизатор напряжения не сложно, но работа с электричеством предполагает предельный уровень осторожности.
Советы по работе с самодельным стабилизатором напряжения
Важно : описанная схема идеально подходит для постоянных условий, но в электросети достаточно часто случаются перебои и скачки, как вверх, так и вниз.
Поэтому при сборке стабилизатора напряжения рекомендуем отталкиваться от параметров конкретной техники, т.е.:
- продумать разводку по квартире,
- если ремонта не предполагается, установить удлинители под определенные группы электроприборов со схожими параметрами,
- подключить каждую группу к отдельному стабилизатору.
Любая бытовая техника либо на тыльной стороне, либо в паспорте содержит ведомости о требованиях к электропитанию. Отталкиваясь от конкретных цифр значительно проще создать эффективный стабилизатор, так как нет необходимости подстраиваться под сеть. Еще один полезный гаджет – это электронный вольтметр. Желательно подключить его в схему стабилизатора для визуального контроля за его работой.
Для корпуса подойдет любой материал кроме дерева. Достаточно часто самодельные стабилизаторы помещают в пластиковые контейнеры для еды.