Защита электрозависимых систем отопления
Опубликовано: 23 июля 2012 г.
103
Работа большинства современных отопительных котлов контролируется и управляется электроникой. Программируемая погодозависимая автоматика котла – визитная карточка престижных, комфортных и далеко не дешевых моделей ведущих производителей. В то же время параметры качества электрической энергии в российских сетях часто далеки от регламентируемых. Вследствие этого поломки бытового котельного оборудования по причине выхода из строя электронной автоматики являются наиболее частой аварийной ситуацией при эксплуатации в российских условиях.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Параметры качества электрической энергии в сети определены в ГОСТ 13109-97. Этот документ допускает отклонение от номинального значения напряжения 220 В ±5 % (т.е. диапазон 209–231 В является нормально допустимым). ГОСТ также определяет предельно допустимое отклонение напряжения от номинального ±10 % (т.е.198–242 В), что для множества владельцев собственных домов сегодня – неосуществимая мечта.
Низкое качество электроэнергии является важной составляющей при решении вопроса о построении современных систем отопления, где основным источником энергии является природный газ, но вся система в целом является электрозависимой.
В состав системы отопления входит группа автоматики и один (или несколько) циркуляционный насос. Автоматика котла сама по себе некритична к форме питающего ее напряжения. Однако в силу того, что производится контроль работы системы в целом, именно автоматика может отключить систему отопления, если значение напряжения на входе недостаточно для нормальной работы приточно-вытяжной вентиляции, циркуляционного насоса или при нарушении теплового режима теплообменника (колеблется для разных производителей от 170 до 190 В). Поэтому для корректной работы любого котла необходимо обеспечить Uвх ≥ 190 В.
Циркуляционный насос по своей сути является асинхронным двигателем, и для его нормальной работы необходимо, чтобы питающее напряжение было синусоидальной формы.
В силу своей высокой инерционности система отопления некритична к кратковременному отключению электроэнергии, тогда как чрезмерно высокое напряжение может привести к выходу из строя группы автоматики. Ремонт котла достаточно дорог, а остаться без тепла в отопительный сезон иной раз просто губительно. Можно смело утверждать, что кратковременное отключение котла лучше некачественного питания – таким образом, электропитание системы отопления должно быть стабилизированным и по возможности бесперебойным.
Варианты защиты
Для защиты системы отопления от некачественного электропитания или пропадания сети может быть использовано следующее оборудование:
– источники бесперебойного питания (ИБП) переменного напряжения;
– инверторы DC/AC;
– стабилизаторы напряжения.
Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов, установленных в корпусе ИБП, под управлением электрической схемы, поэтому в состав любого ИБП, кроме схемы управления, входит зарядное устройство, которое обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Для увеличения автономного режима работы можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей.
ИБП максимально способен защищать систему отопления, при этом он должен соответствовать ряду специальных требований:
– обеспечивать синусоидальную форму выходного напряжения;
– генерировать виртуальные «фазу», «ноль» для корректной работы группы автоматики котла, работать от аккумуляторных батарей в течение длительного времени (6–8 ч).
Выполнение этих условий ведет к значительному удорожанию ИБП по сравнению с источниками питания аналогичной мощности, например, используемыми для защиты компьютеров, что сужает возможную область их применения.
.jpg)
Инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. По принципу действия инвертор питания напоминает ИБП, включая задачи, которые выполняет преобразователь напряжения. Данное устройство позволяет корректировать напряжение, подаваемое стандартной сетью, и сделать возможным резервное питание важнейших приборов. Инвертор позволяет осуществлять питание оборудования при аварийной ситуации в сети (отключение или выплески), сохраняя его работоспособность и предупреждая поломки. При аварийной ситуации в сети 220 В все потребители электроэнергии, подключенные через инвертор, мгновенно (10–20 мс) перейдут на питание от энергии, запасенной в аккумуляторных батареях. После восстановления внешней сети 220 В, инвертор перейдет на режим трансляции электроэнергии к потребителям и автоматической зарядки аккумуляторных батарей.
Основной недостаток инверторных систем резервного электропитания – это ограниченное время автономной работы. Определяется емкостью аккумуляторных батарей и потребляемой мощностью. Этот недостаток могут компенсировать альтернативные источники электроэнергии (солнечные модули и ветрогенераторы), а также интегрирование в инверторную систему электропитания бензинового или дизельного электрогенератора с автозапуском.
В зависимости от используемого принципа преобразования различают три основных типа инверторов:
– инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы;
– инверторы со ступенчатой аппроксимацией;
– инверторы с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Инверторы, выполненные по схеме ШИМ, обеспечивают наиболее близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, что необходимо для корректной работы отопительного оборудования. Попытка использовать инверторы с выходным напряжением, отличным от синусоидального, приведет к отказу группы автоматики котла.
Запуск котла в случае использования инверторов осуществляется в ручном режиме, что сужает возможность их применения.
Наиболее широкое распространение для защиты систем отопления получили стабилизаторы напряжения, которые позволяют эффективно справиться с подавляющим большинством проблем, возникающих в электросетях: с длительным понижением (повышением) напряжения, кратковременным «скачком» напряжения, коротким замыканием, обрывом «нуля».
Типы стабилизаторов – достоинства и недостатки
Большинство представленных на рынке стабилизаторов можно разделить на три основные группы.
Первая – это феррорезонансные стабилизаторы, которые при своих неоспоримых достоинствах: высоком быстродействии, непрерывном регулировании напряжения, высокой точности стабилизации – находят ограниченное применение, так как имеют узкий диапазон входных напряжений, высокий уровень шума, вносят искажения в синусоидальность выходного напряжения, не могут работать на холостом ходу.
Вторую группу составляют электромеханические стабилизаторы (как правило, китайского производства), которые представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя, автотрансформатора и системы управления двигателем. При перемещении подвижного контакта по обмотке автотрансформатора происходит изменение коэффициента трансформации, таким образом, обеспечивается регулирование выходного напряжения. Их достоинствами являются широкий диапазон входных напряжений, высокая точность поддержания выходного напряжения, отсутствие искажения синусоидальности. Для защиты систем отопления они не вполне эффективны из-за невысокой скорости регулирования выходного сигнала, наличия узла механического контакта, чем ограничивается ресурс работы при наличии требования по проведению профилактических регламентных работ, возникают существенные ограничения по возможной среде использования (чувствительность к повышенной влажности, содержанию пыли).
Третью, наиболее широко распространенную группу составляют ступенчатые корректоры напряжения. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключением) секций автотрансформатора с помощью силовых ключей (реле, симисторы, тиристоры). В силу своих преимуществ – простота реализации, высокое быстродействие, широкий диапазон входных напряжений, возможность работы на холостом ходу, отсутствие искажения синусоидальности, высокая перегрузочная способность – они получили широкое распространение на российском рынке и наиболее подходят для применения в условиях высокой динамики питающей сети. Их основной недостаток – дискретность регулирования, что проявляется, например, в виде мигания лампочек накаливания (непринципиально для систем отопления).
Современные стабилизаторы, как правило, оснащены дополнительной защитой: то есть, если напряжение сети не позволяет стабилизатору выдать нормальное напряжение, он отключит нагрузку, и автоматически включит только тогда, когда напряжение сети вернется в необходимый для корректной работы стабилизатора диапазон.
Критерии выбора
Подключение электроприборов к сети через стабилизатор является самым простым и надежным способом решения проблемы нестабильного напряжения. Однако определиться с типом нужного потребителю прибора еще недостаточно, необходимо, чтобы стабилизатор удовлетворял ряду дополнительных критериев, характеризующих параметры сети, в которую он будет установлен.
Во-первых, нужно определиться с выбором между однофазными и трехфазными моделями стабилизаторов. При однофазной сети (220 В) вопросов не возникает, но в случае трехфазной (380 В) возможны два варианта выбора.
Если на объекте, где требуется стабилизатор, есть хотя бы один трехфазный потребитель, то необходимо установить трехфазный стабилизатор напряжения.
Если же все потребители однофазные, можно подобрать три однофазных стабилизатора. У этого решения есть серьезное преимущество. При исчезновении напряжения на одной из фаз трехфазный стабилизатор отключит весь объект, установка же трех стабилизаторов позволит питать объект по оставшимся фазам.
Следующий и основной критерий при выборе стабилизатора – это мощность, которую он обеспечивает. Для этого при выборе стабилизатора пользователь должен решить, каким образом он будет защищать оборудование: индивидуально тот или иной прибор или всё оборудование, находящееся на объекте в целом. В любом случае необходимо правильно определить мощность подключаемых потребителей. Эта мощность, как правило, указана в эксплуатационных документах или на корпусе приборов.
Необходимо учитывать, что электродвигатели имеют пусковые токи, которые часто в паспортных данных не указывается, и мощность стабилизатора при использовании асинхронных двигателей, компрессоров, насосов должна в 3–5 раз превышать номинальную мощность потребителей.
При подсчете суммарной мощности необходимо, но не обязательно, учитывать коэффициент одновременности включения оборудования – проанализируйте, все ли приборы на вашем объекте будут включаться и работать одновременно. Скорее всего, обогреватель и кондиционер не будут использоваться в одно и то же время.
Также желательно принимать во внимание, что заводы-производители рекомендуют устанавливать стабилизаторы напряжения с запасом мощности 20–30 %.
В ряде случаев при выборе стабилизатора следует обратить внимание на то, что существенно дешевле купить один мощный стабилизатор и обезопасить весь объект. Такие стабилизаторы более надежны в эксплуатации.
При установке мощного стабилизатора также необходимо учитывать то обстоятельство, что увеличение напряжения на его выходных клеммах будет обеспечиваться за счет увеличения тока в подводящей сети. В случае падения напряжения в сети на 20 % стабилизатор повысит напряжение до нормы за счет 20 %-ного увеличения тока. Это необходимо учитывать при установке автомата защиты на вводе и соответствующего сечения подводящего кабеля.
Внимательно нужно относиться и к мощности стабилизатора, указанной в паспорте. Производители, как правило, указывают номинальную мощность нагрузки – то есть мощность, которую стабилизатор обеспечивает при номинальном входном напряжении – 220 В. В случае понижения входного напряжения выходная мощность стабилизатора снижается пропорционально. Например, к стабилизатору с заявленной номинальной мощностью 14 кВА при входном напряжении 165 В (нижняя граница диапазона входного напряжения) можно подключить максимальную нагрузку порядка 10 кВА.
При подсчете мощности, потребляемой устройством, следует учитывать полную мощность. Полная мощность – это вся мощность, потребляемая электроприбором. Она состоит из активной и реактивной мощности, в зависимости от типа нагрузки. Активная мощность всегда указывается в ваттах (Вт), полная – в вольт-амперах (ВА). Устройства-потребители электроэнергии зачастую имеют как активную, так и реактивную составляющие нагрузки. Примеры активной нагрузки – лампы накаливания, утюги, обогреватели; у такой нагрузки вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. Если их указанная потребляемая мощность составляет, например 1000 Вт, для их питания достаточно стабилизатора мощностью 1000 ВА. Все остальные нагрузки, как правило, имеют реактивную составляющую.
А. Елфимов
Журнал «Аква-Терм» № 2 (66), 2012