Релейный стабилизатор с защитой по току

Релейный стабилизатор с защитой по току

Во многих квартирах особенно сельской местности в доме обязательно стоит стабилизатор.
Некоторые хозяева используют его для работы особо «чувствительной» техники, газовых котлов, холодильников и другой подобной бытовой техники.

Некоторые более заботливые владельцы, устанавливают стабилизатор «на весь дом», такие стабилизаторы, как правило, обладают не малыми габаритами и весом и мощность их начинается от 7 — 10 кВт и больше.

Именно о таких стабилизаторах мы и поговорим в этой статье, а собственно о их ремонте и поиске неисправности, так как и каждая техника они выходят из строя.
В этой статье мы рассмотрим ремонт релейного стабилизатора известной китайской фирмы «Forte — ACDR — 10000» на 10кВт.

Но прежде чем приступить к ремонту, давайте разберемся в природе его устройства.
Релейный стабилизатор состоит из нескольких частей, собранных в единую систему:

Автоматический трансформатор — самая тяжелая его часть, это большой железный сердечник с несколькими обмотками соединенными по принципу автотрансформатора. Несколько концов толстого медного провода выходящих с трансформатора, коммутируются с помощью реле, количество которых зависит от обмоток и ступеней переключения.

Элементы управления — силовые элементы с помощью которых и осуществляется переключения обмоток и пуск с задержкой. В релейных стабилизаторах роль таких элементов выполняют реле, ну а в «моделях по дороже», в роли таких элементов могут служить полупроводниковые элементы — симисторы которые имеют куда больший ресурс работы на «переключение».

Блок управления — основная плата устройства с установленным на нее микропроцессором, с соответствующей прошивкой который запрограммирован на переключения и управления силовыми элементами (реле). При заранее определенных ступенях напряжения, переключаются соответствующие обмотки автотрансформатора. В случаях когда это не возможно, по причине поломки, выдается «ошибка» и стабилизатор пере запускается или отключается. Там же предусмотрена и схема задержки на включения (например 120 секунд).

Блок индикации и измерения напряжения — плата, как правило, установленная на лицевой панели (крышке) стабилизатора. Там же, на ней установлены «цифровые индикаторы» или дисплей.
Кроме них, могут быть установлены и элементы управления, например включения «задержки».

Стабилизатор постоянно сравнивает входной уровень напряжения с номинальным и «решает» либо добавить, либо уменьшить определенное количество вольт в «домашнюю» электросеть. Осуществляются такие решения подключением либо отключением (переключением) необходимых обмоток, в данном случае с помощью реле.

Во всех стабилизаторах существует система защиты которая проверяет входные и выходные напряжения, ток, температуру на соответствие номинальным значением и условиям эксплуатации. Защитные механизмы у каждого стабилизатора свои, но можно выделить несколько основных:

• Пределы стабилизации (входное и выходное напряжение)

• Отношение выходного напряжения к входному

• Превышение тока нагрузки (перегрузка)

• Перегрев трансформатора, превышение температуры внутри устройства

• Невозможность «переключить» обмотку (при выходе из строя элементов управления)

Выполняем ремонт

Самой частой причиной поломки таких стабилизаторов являются реле, переключающие обмотки трансформатора. В следствие многоразовых переключений контакты реле могут выгорать, заклинивать, а может перегореть и самая катушка.

Если выходное напряжение исчезает или появляется индикация «ошибка» – необходимо проверить все реле. Сначала осмотрев внешне и если никаких видимых повреждений незаметно, то разобрать корпус каждого реле.
Сразу станет заметно какие контакты на сколько изношены, а где и вовсе сгоревшие.

В данном стабилизаторе, неисправность проявлялась в виде отключения стабилизатора по «ошибке» что сопровождалось звуковой индикацией. Отключался он не всегда, а только при сильно пониженном напряжение, но в приделах нормы стабилизации. — где то около 175 вольт. Отключался в независимости от нагрузки на выходе что явно отметало как причину общую перегрузку. Перед выключением слышно как несколько раз пощелкивают реле.

Как позже выяснилось, блок управления давал команду реле переключится на другую обмотку, но так как физически обмотки переключенными не были то и вылетала «ошибка» и стабилизатор попросту выключался.

Разобрав все пластмассовые крышки реле было обнаружено подгорание на двух реле, но в одном из них контактная площадка которая должна подключать обмотки, полностью выгорела и «контакт» был попросту невозможен, хоть реле и щелкало чтобы замкнуть пластины.

Мог еще произойти и такой случай при котором контакты могли б залипнуть друг к другу и в итоге несколько обмоток трансформатора окажутся короткозамкнутыми. Трансформатор начнет перегреваться и если не сработает защита то может и перегореть одна из обмоток автотрансформатора. Кстати говоря, подобная опасность присуща не только релейным стабилизаторам но и симисторным.

Очень часто в релейных стабилизаторах выходят из строя транзисторные ключи, которые в разных моделях стабилизаторов могут собираться на разных типах транзисторов. Когда при прозвоне радиоэлементов схемы были обнаружены неисправные «усилители», их необходимо заменить на такие же по параметрам.

Профилактическая мера по восстановлению слегка подгоревших реле стабилизатора довольно простая и состоит из таких действий:

1. снимаем крышку реле
2. снимаем пружину, чтоб освободить подвижный контакт реле
3. каждый подвижный и неподвижный контакт нужно зачистить с помощью мелкой наждачки
4. промыть контактные площадки спиртом
5. после высыхания спирта, покрыть защитным средством KONTAKT S-61

При более сильном и значительном обгорание контактов реле и если нет возможности его заменить можно поступить следующим образом: по возможности почистить контакты реле (методом описанным выше) и поменять реле местами.
То — есть там где в стабилизатора самая часто используемая обмотка на которой постоянно обгорает реле, поставить «новое» реле, а «подуставшее» реле поставить на место того реле что сохранилось в хорошем состояние, там оно прослужит еще много времени.

В случае полного выгорания контактной площадки реле, его нужно заменить на новое.
Но когда нет времени ждать посылки с новым реле или есть желание попробовать восстановить обгоревшую часть пластины самостоятельно, можно поступить как сделал я.

В таких же соотношениях размеров, был вырезан кусок медной жилы которая была закреплена по всей длине пластины припоем, предварительно залудив жилу и саму пластину. Но так чтоб место контакта припадало все таки на медную часть, а не на припой.

При наличии мощной точечной сварки, все это лучше было сварить для большей надежности на случай возможного нагрева пластины.
Но так как в данном устройстве реле было заменено и поставлено на место где не происходит обгорания, например на понижающую часть обмотки, то и беспокоится не о чем.

Другие неисправности

Кроме явных механических проблем с реле и выхода из строя «усилителей» представленных в виде ключевых транзисторов, могут встречаться и другие поломки уже на плате блока управления: холодная пайка, отслаивающиеся дорожки на плате, заусеницы в местах пайки, шарики от припоя и отхождения контактов в штырьковых соединениях — вот лишь малое что может послужить причиной неисправной работы стабилизатора.

Иногда встречается такая неполадка как хаотическое отображение сегментов на дисплее,в то же время может наблюдаться хаотическое включение реле. Частой причиной такого поведения есть «холодная пайка» кварцевого резонатора который работает на частоте 8 — 16 мегагерц, плохой его пропай ведет к неправильной работе микропроцессора.
По этому всю заднюю часть платы лучше сразу осмотреть по поводу плохой пайки, заусениц или шариков с припоя которые там часто бывают в виду быстрой пайки плат монтажниками которые ее собирают.

Затем можно осмотреть плату на дефекты радиоэлементов. Очень часто со временем электрические конденсаторы вздуваются и выходят из строя, выявить это будет не сложно. Их необходимо заменить на аналогичные.
Кроме того в стабилизаторе был выявлен клеммник с трещиной, который не мог обеспечить надежный контакт мощного силового кабеля. Такой клеммник ввиду невозможности создать достаточную затяжку провода, мог нагреваться и тем самим со временем еще и усугубить надежность контакта.

Диагностика

Но после ремонта стабилизатора или даже на этапе диагностики неисправности, возникает необходимость проверить работу устройства в разном диапазоне напряжений, как повышенных так и пониженных.

В мастерских для этих целей служит ЛАТР или лабораторный автотрансформатор регулируемого типа. Его подключают на вход проверяемого стабилизатора и уже изменяя напряжения на входе, имитируя перепады в сети, смотрят на поведение стабилизатора, справляется ли он с работой в номинальных (паспортных) пределах напряжения.

Но так как у меня нет соответствующего регулируемого автотрансформатора, то мы пошли немного другим путем. Была собрана определенная «схема»:

1. На входе стабилизатора, последовательно фазе была подключена лампочка примерно 60ват, мощность лампочки подбирается экспериментальным путем.

2. На выходе в роли нагрузки был подключен обычный сетевой шуруповерт или дрель (400 — 1000 Ват) с кнопкой плавной регулировки оборотов.

Во время работы шуруповерта на минимальных оборотах, лампочка которая включена на входе последовательно — не светится. Стабилизатор при этом запущен и работает без проблем.
Начинаем плавно увеличивать обороты шуруповерта, лампочка при этом светит все ярче.
Чем интенсивней яркость лампочки, тем больше проседает напряжение на входе стабилизатора, что естественно видно на индикации дисплея. Кроме того, при уменьшению напряжения на входе , слышно как переключаются обмотки трансформатора и щелкают реле.
Таким не хитрым способом можно проследить правильно ли работает стабилизатор, при условие что в вашей домашней же сети будет нормальное напряжение (220 — 240 вольт).

Как видим, отремонтировать стабилизатор напряжения можно и в домашних условиях. Ну или по крайней мере можно разобрать и определить поломанный узел и оценить стоимость работ по его восстановлению или замене. Предполагается что человек который приступит к ремонту стабилизатора, будет обладать базовыми знаниями в электричестве и электронике и будет иметь минимальный набор инструментов, паяльник, мультиметр и мелкий инструмент.
Следует быть осторожным работая с напряжением при диагностике и проверке работы.Все остальные работы по ремонту и замене производятся в обесточенном состояние.

Стабилизаторы напряжения: какой выбрать? Обзор типов и полезные советы

Для того чтобы гарантировано решить проблемы с некачественным напряжением крайне важно правильно подобрать тип и параметры стабилизатора напряжения. Каждый тип обладает своими особенностями, сильными и слабыми сторонами. Какой лучше выбрать? Давайте разбираться!

Какие проблемы с напряжением обычно встречаются?

1. Пониженное напряжение. Лампочки накаливания светят тускло, диодные моргают, микроволновка не греет, насос плохо качает и т.д. Напомним, что по ГОСТу (29322-2014 п.3.1) напряжение на вводе в дом не должно отклоняться более чем на 10%. На данный момент есть два стандарта – 220В (допуск: 198 – 242В) и 230В (207 – 253В).
2. Повышенное напряжение от 250В и более. При значениях 265В начнет выходить из строя бытовая техника.
3. Плавающие значения напряжения. При слабой нагрузке на общий трансформатор напряжение повышенное или нормальное, при нагрузке фиксируются просадки.

Теперь перейдем к краткому обзору типов стабилизаторов.

Релейные стабилизаторы

В основе такого стабилизатора лежит автотрансформатор, ступенчатые отводы от которого при помощи электромеханических реле позволяют ступенчато осуществлять нужную коррекцию напряжения. Технология достаточно старая и благодаря низкой себестоимости позволяет производить самые дешевые стабилизаторы.

Схема работы стабилизатора на автотрансформаторе

К плюсам подобных стабилизаторов можно отнести:
+ Относительно быструю скорость реакции на просадки напряжения
+ Низкая цена

Минусы:
– Невысокая точность стабилизации. Обычно около 10-8%. У продвинутых моделей до 5%
– Срок эксплуатации зависит от частоты просадок напряжения и составляет где-то 3-5 лет
– Уровень шума средний – вы будете слышать как переключаются реле

Самый главный минус. При просадках напряжения, которые часто происходят под ощутимой нагрузкой, срабатывают электромеханические реле. В результате ступенчатых переключений, происходит кратковременное прерывание питания подключенной нагрузки с последующим резким включением. Это приводит к образованию искры внутри реле и, как следствие, к гармоническим помехам на выходе стабилизатора. В результате контакты реле подгорают, его ресурс снижается, а чувствительная бытовая техника может работать некорректно или даже выйти из строя, лампочки будут заметно моргать.

Силовые реле в стабилизаторе напряжения

Таким образом, релейные стабилизаторы мы рекомендуем только в том случае, если значения напряжения не плавают (например, стабильно низкие значения) и у вас в доме нет чувствительной дорогой бытовой техники и электроники. Не рекомендуем в случае постоянно плавающего и «моргающего» напряжения, а также, если просадка происходит при включении у вас в доме мощного оборудования.

Изготавливаются как правило в Китае или из китайских комплектующих. Популярные бренды: Энергия, Сантэк, Русэлф, Ресанта и т.п.

Электромеханические стабилизаторы

Тут мы опять имеем дело с автотрансформатором, но регулировка напряжения происходит не ступенчато, а плавно при помощи щеточного электропривода. Эта технология, как и релейная, появилось одной из первых и имеет относительно низкую себестоимость.

Плюсы:
+ Высокая точность стабилизации и плавная регулировка напряжения

Минусы:
– Поскольку регулировка механическая, то при резком скачке напряжения привод не успевает осуществить корректировку и есть вероятность попадания повышенного опасного напряжения в электросеть вашего дома
– Привод нуждается в регулярном обслуживании

Этот тип стабилизаторов можно рекомендовать при редких и плавных отклонениях напряжения от нормы и при условии регулярного обслуживания.

Дешевые модели изготавливаются в Китае, однако есть премиальный итальянский бренд электромеханических стабилизаторов Ortea.

Электронные стабилизаторы

Электронные стабилизаторы по принципу работы похожи на релейные, только переключение обмоток автотрансформатора происходит посредством быстродействующих полупроводниковых ключей – тиристоров или симисторов. Это позволяет осуществлять коррекцию моментально и без заметных гармонических помех на выходе.

Плюсы таких стабилизаторов:
+ Как правило, высокая точность и скорость стабилизации
+ Бесшумная работа
+ Длительный срок эксплуатации до 10-15 лет

Минусы:
– Заметно более высокая цена из-за использования дорогих электронных компонентов. Если напряжение на входе крайне низкого качества в частности очень резко скачет и просаживается следует обратить внимание на инверторные стабилизаторы

Резюме: электронные стабилизаторы решают большинство проблем с некачественным напряжением и их можно смело рекомендовать для большинства загородных домов.

Большинство производителей находятся на территории России и к популярным маркам можно отнести: Энерготех, Лидер, Вольтер, Штиль и прочие.

Инверторные стабилизаторы

Сделаны по технологии двойного преобразования, которая давно и активно используется при производстве ИБП on-line типа. Принцип работы заключается в преобразовании входящего переменного напряжения в постоянный ток, а затем из постоянного вновь генерируется переменное напряжение. Эта схема позволяет достичь максимальной точности и качества выходного напряжения.

Отсюда вытекает основное достоинство таких стабилизаторов:
+ это максимальное качество питания для бытовой техники и электроники вне зависимости от качества входного напряжения даже если ваш сосед любит заниматься сваркой
+ Исправляют форму синусоиды. Срок эксплуатации 8-10 лет
+ Не требуют обслуживания

Однако у этой технологии есть и свои минусы.
– Первое: инверторные стабилизаторы следует выбирать с хорошим запасом по мощности, так как схема двойного преобразования критично относится к возможным перегрузкам и нелинейной нагрузке
– Второе: многие модели имеют принудительное постоянное охлаждение вентиляторами, что означает шум
– И третье: это относительно низкий КПД
– Четвёртое – это цена

Резюме: инверторные стабилизаторы можно порекомендовать в случае крайне низкого качества электросети при наличии высокотребовательной к качеству напряжения техники. Иногда целесообразно устанавливать подобные стабилизаторы на отдельные потребители.

Основной рынок занимают два производителя: Штиль и Volter.

Ещё несколько советов относительно стабилизации напряжения:

1. Если у вас сильно пониженное напряжение менее 160В обратите внимание на специальные модели со смещенным к низу диапазоном стабилизации, обычно они обозначаются буквенным индексом LV (low voltage).
2. При трехфазном вводе мы рекомендуем устанавливать три стабилизатора напряжения по одному на каждую фазу. Однако при необходимости, всю самую важную нагрузку можно собрать на одну-две фазы и соответственно установить один или два, но хороших стабилизатора.
3. Мы рекомендуем дополнительно устанавливать молниезащиту – УЗИП для защиты стабилизаторов и бытовой техники от мощных импульсных помех. При воздушном вводе Класс 1+2, при подземном второго класса. Нелишним будет и наличие заземления, которое необходимо для корректной работы стабилизаторов.
4. В случае если происходят сильные просадки напряжения, а также отключения или моргания сети мы рекомендуем установить вместо стабилизатора ИБП двойного преобразования с внутренними аккумуляторами для автономной работы до 60 минут или внешними для автономии до суток.

Задавайте ваши вопросы в комментариях!

СТАБИЛИЗАТОРЫ С ЗАЩИТОЙ

Коллекторный стабилизатор.В этом стабилизаторе (рис. 16.33, а) реализуются высокая стабильность выходного напря­жения и защита схемы от короткого замыкания. Опорное напря­жение устанавливается с помощью стабилитрона VD1 через рези­стор R1. Это напряжение подается на базу транзистора VT2, через который протекает ток, определяемый резистором R2. Коллекторный ток транзистора VT2 открывает транзистор VT1. На выходе уста­навливается напряжение, равное напряжению на эмиттере транзи­стора VT2. Короткое замыкание на выходе схемы (резкое умень­шение выходного напряжения) повлечет за собой увеличение кол­лекторного тока транзистора VT1. Максимально возможный ток нагрузки будет определяться h_21Э транзистора VT1 и максимальным током транзистора VT2, зависящим от сопротивления резистора Д2. При коротком замыкании через транзистор VT1 протекает большой коллекторный ток. Для ограничения рассеиваемой мощности этим транзистором выбирается соответствующее сопротивление резистора R2. Работа стабилизатора отражена на графиках рис 16 33 б в

Рис. 16.33

Стабилизатор с параллельной схемой защиты от перегрузкиВ стабилизаторе (рис. 16.34, а) выходное напряжение устанавлива­ется в коллекторе транзистора VT1. Составной эмиттерный повто­ритель образован транзисторами VT2 и VT3. Подбором резистора R4 можно добиться коэффициента стабилизации более 10 3 .

Для защиты стабилизатора от перегрузок на выходе включен резистор R6. Ток нагрузки создает падение напряжения на этом резисторе. Это напряжение открывает транзистор VT5. Для увели­чения порога открывания транзистора VT5 включен диод VD2 Коллекторный ток транзистора VT5 открывает транзистор VT4, который уменьшает напряжение в базовой цепи составного эмиттер­ного повторителя. В результате напряжение на выходе уменьшает­ся. На рис. 16.34, б представлена зависимость выходного напряже­ния от тока нагрузки.

Стабилизатор с последовательной схемой защиты от пере­грузки. Для защиты стабилизатора (рис. 16.35, а) от перегрузок в нее введен транзистор VT4, который открывается, когда напря­жение на резисторе R6 превышает 0,4 В. Протекающий коллектор­ный ток транзистора VT4 уменьшает напряжение на базе составно­го эмиттерного повторителя. Выходное напряжение стабилизатора определяется напряжением на коллекторе транзистора VT3. Изменение выходного напряжения от тока нагрузки показано на рис. 16.35, б.

Рис. 16.34

Рис. 16.35

Стабилизатор с отрицательным коэффициентом стабилизации.Стабилизатор напряжения (рис. 16.36, а) построен по схеме состав­ного эмиттерного повторителя. Опорное напряжение устанавливает­ся на коллекторе транзистора VT3. Это напряжение имеет отрица­тельный коэффициент стабилизации: с увеличением входного на­пряжения опорное напряжение уменьшается. С помощью резистора R4 можно менять коэффициент стабилизации. При некоторых со­противлениях резистора R4 зависимость ДU=f(E) может иметь го­ризонтальный участок для E=14 В (рис. 16.36, б). Для стабилиза­тора с фиксированным выходным напряжением 12,6 В горизонталь­ный участок начинается при напряжении E=19 В. На рис. 16.36, в представлена зависимость ДU от тока нагрузки.

Стабилизатор с динамическим опорным напряжением.В схему стабилизатора (рис. 16.37, а) введен ограничивающий резистор R6. Падение напряжения на этом резисторе через транзистор VT2 передается в каскад формирования опорного напряжения. Эта ОС позволяет увеличивать выходное напряжение стабилитрона с уве­личением тока нагрузки или поддерживать это напряжение посто­янным со сколь угодно высокой точностью. При больших токах нагрузки на резисторе R5 падает значительная часть входного на­пряжения. Транзистор VT3 входит в насыщение. Напряжение на выходе уменьшается с уменьшением сопротивления нагрузки (рис. 16.37, б).

Рис. 16.36

Рис. 16.37

Стабилизатор с управляемым опорным напряжением. В стаби­лизаторе (рис. 1(5.38, а) опорное напряжение устанавливается на коллекторе транзистора УТ1. В зависимости от сопротивления ре­зистора R4 опорное напряжение может иметь положительный или отрицательный коэффициент стабилизации. Опорное напряжение че­рез составной повторитель подается на выход стабилизатора. При увеличении тока в нагрузке выходное напряжение уменьшается из-за падения напряжения на переходах база — эмиттер. Включение на выходе, стабилизатора резистора R6 и транзистора VT4 изменяет зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Выходное напряжение будет увеличиваться с увеличением тока нагрузки, по­скольку с увеличением падения напряжения на резисторе R6 от­крывается транзистор VT4, который своим коллекторным током за­крывает транзистор VТ1. Напряжение в коллекторе этого транзи­стора увеличиваемся (рис. 16.38, б).

Рис. 16.38 Рис. 16.39

Уменьшение пульсаций опор­ного напряжения. Стабилизатор (рис. 16.39) имеет дополнитель­ный выпрямитель для уменьшения пульсаций в коллекторе усили­тельного транзистора VT3. Пуль­сирующее входное напряжение заряжает конденсатор С1 через диод VD1 до максимального зна­чения. На выходе выпрямителя включен стабилизатор напряже­ния на стабилитроне VD2 с на­пряжением стабилизации 8 В.

Стабилизатор обеспечивает коэффициент стабилизации около 100 при токе нагрузки до 0,8 А.

Ослабитель переменной составляющей. Стабилизатор (рис. 16.40) уменьшает переменную составляющую на фильтрующем конденсаторе С1. Пульсирующее напряжение в т. 1 ограничивается на ста­билитроне VD1. Ограничение напряжения через составной эмиттер-ный повторитель передается на конденсатор С1.

Релейный стабилизатор с защитой по току

Релейный стабилизатор со среднеквадратичным вольтметром.

Автор: Семен Арсенюк и Олег Гализин
Опубликовано 12.08.2010

Несмотря на то что на дворе 21 век есть еще места, где напряжение изменяется в широких пределах в зависимости от времени суток и подключенной нагрузки. Вот для таких мест и предназначен этот стабилизатор.
Принцип действия релейного стабилизатора основан на добавлении с помощью трансформатора (автотрансформатора) дополнительного напряжения на выход. При слишком высоком напряжении необходимо наоборот убрать излишки. Стабилизатор может быть реализован в виде автотрансформатора с одним выходом и несколькими входами. В зависимости от величины входного напряжения с помощью реле происходит переключение входного напряжения между входами автотрансформатора.

Схема, на основании которой решено было разрабатывать устройство, содержала компараторы для принятия решения о включении реле. Но для увеличения сервисных возможностей устройство было решено создавать с использованием микроконтроллера. Наиболее массово используемыми контроллерами на постсоветском пространстве можно считать контроллеры Atmel. Из них был выбран наиболее распространенный atmega8.
С помощью встроенного АЦП он измеряет входное напряжение и принимает решение о включении необходимого реле. За основу был взят проект вольтметра среднеквадратичных значений по ссылке https://arv.radioliga.com/component/option,com_remository/Itemid,27/func,fileinfo/id,85/ . Схему пришлось изрядно доработать.
Во-первых, для обеспечения безопасности устройства измеряемое напряжение должно подаваться на вход устройства с помощью трансформатора. Для точного измерения напряжения после трансформатора не годится обычный диодный мостик из-за падения в 0,6 вольта на каждом диоде. Поэтому должен был быть использован выпрямитель без ошибки.
Во-вторых, необходимо было доработать схему на предмет дополнительных выходов для управления реле.
И наконец, в-третьих, необходимо было разработать заново программу измерения напряжения (в исходном проекте отсутствуют исходники) и принятия решения о включении того или иного реле.
Первоначально схема была составлена в симуляторе для проверки работоспособности идеи:

Описание схемы
Измеряемое напряжение через трансформатор TR1 подается на активный выпрямитель на операционном усилителе LM358 (U2). Активный выпрямитель работает следующим образом. При положительной волне напряжение подается на делитель, состоящий из последовательного соединения R1, R2 и R3. На инвертирующий вход ОУ подается положительное напряжение. ОУ в насыщении. Выход ОУ близок к уровню земли. При отрицательной полуволне напряжения ОУ работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления R2/R1. Сопротивление R3 выступает в качестве дополнительной нагрузки ОУ. Для симметричного выпрямления и согласования напряжения с входным диапазоном АЦП значения сопротивлений должны быть точно подогнаны и подчиняться следующим формулам:
R1 = R2*Uout*1024/Uin/2.5
R3 = (R1 + R2)/(R1/R2 — 1)
После активного выпрямителя через фильтр R5-C2, убирающий высокочастотные помехи, выпрямленное напряжение подается на вход АЦП PC0 контроллера. Значение выпрямленного напряжения отображается на светодиодном индикаторе. Для управления служат 3 кнопки. 4 выхода микроконтроллера используются для управления реле. Три из них переключают напряжение, а четвертое отключает нагрузку в случае перенапряжения или слишком низкого напряжения.

Описание работы
Напряжение с точностью до вольта отображается на светодиодном 3 разрядном индикаторе. Обновление показаний производится с частотой приблизительно 3 раза в секунду. Такое замедление выполнено специально, поскольку обновление показаний каждый период иногда приводило к мельтешению последнего разряда. В нормальном режиме на индикатор выводится усредненное по 16 периодам среднеквадратичное значение напряжения.
После каждого периода производится расчет напряжения. Это напряжение сравнивается с заданными порогами включения реле. Для обеспечения более редкого переключения реле применен программный гистерезис и фильтрация. Фильтрация заключается в задержке переключения на несколько периодов. Если за это время напряжение пришло в норму, переключения не осуществляется. Время фильтрации оперативно подстраивается программно.
Если входное напряжение превышает заданный верхний порог или падает до нижнего порога, отключается главное реле и нагрузка обесточивается. Верхний и нижний пороги отключения можно оперативно изменять.
После того как напряжение вошло в диапазон регулирования стабилизатора, нужным образом коммутируются входы автотрансформатора, и подключается нагрузка. Это подключение происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой. Величина задержки подстраивается оперативно.
Все оперативно подстраиваемые параметры (верхний и нижний порог, время фильтра, задержка включения) сохраняются в энергонезависимой памяти.
При любом переключении реле мгновенное среднеквадратичное значение (на последнем перед переключением периоде) в течение 2 секунд отображается на индикаторе. Признаком отображения мгновенного значения является завершающая дополнительная точка. По окончании отображения мгновенного напряжения прибор переходит в предыдущий режим отображения.

Управление прибором.
Прибор имеет 2 основных режима отображения: режим среднеквадратичного значения напряжения и режим отображения частоты сети и 3 кнопки:UP, DOWN и ENTER. В режиме напряжения отображается среднеквадратичное значение напряжения без десятичных точек. При отображении частоты горит десятичная точка в среднем разряде. Переключение в режим частотомера осуществляется нажатием кнопки ENTER, обратно — по любой. Нажатие клавиш UP, DOWN в режиме измерения напряжения включает меню настройки. Меню имеет 5 настроек, каждая из которых отображается 2 стилизованными буквами:
rE — return — возврат из режима настроек в режим отображения напряжения
Hi — hight — верхний порог отключения
Lo — low — нижний порог отключения
dE — delay — задержка включения нагрузки ( периодов)
Fi — filter — время фильтра (периодов)
Перемещение в меню осуществляется по кругу клавишами UP, DOWN. Настройка активизируется нажатием клавиши ENTER. При этом отображается текущее значение параметра. Значение может быть увеличено или уменьшено клавишами UP, DOWN соответственно. При удержании клавиши через некоторое время происходит автоматическое изменение параметра с частотой примерно 5 раз в секунду. Значение задержки включения в этом случае изменяется на 10, остальные — на 1. Клавишей ENTER значение сохраняется, после чего происходит возврат в меню настройки. Причем короткое нажатие производит только оперативное изменение параметра. Длинное нажатие сохраняет параметр в энергонезависимую память. После сохранения в энергонезависимой памяти на дисплее некоторое время (4 сек) отображается надпись SA (saved). Выход из меню настройки осуществляется выбором пункта rE (return).
Внимание! При работе в любом режиме может отображаться текущее напряжение, вызвавшее переключение. В течение до 2 секунд после этого нажатия клавиш отрабатываются, но изменения могут не отображаться на индикаторе. Возврат к отображению текущего параметра происходит автоматически через 2 секунды.

Схема
После успешного апробирования основных принципов в симуляторе был собран прибор по следующей схеме.

По сравнению с симулятором произведены некоторые изменения. Роль инверторов выполняют транзисторы, добавлен разъем программирования и стабилизатор питания.
В этой схеме на вход Uin подается измерительный сигнал с трансформатора. Действующее значение этого сигнала 1.8В при 220В входного напряжения. Резисторы R3 и R6 используются для подстройки отображаемого значения под реальное входное напряжение. Разъем J2 подает сигналы на модуль управления реле.

Конструкция и детали
Основная схема собрана на печатной плате, остальное выполнено навесным монтажом.
В качестве транзисторов управления индикатором могут быть использованы любые маломощные npn. В качестве ОУ — любой у которого диапазон входа и выхода достигает уровня земли. Транзисторы управления реле — обязательно дарлингтоны. В авторской конструкции применены КТ829 с резисторами 5,6к в базе. Реле — на 24 вольта с током около 70мА. Автотрансформатор изготовлен из ЛАТРа с подпайкой к нему дополнительных выводов и исключения подвижного контакта. Отводы подобраны таким образом, что бы между ними было напряжение около 22В. Контроллер заменить без исправления программного обеспечения нельзя. Fuses настроены на работу контроллера от внутреннего RC генератора на 8 МГц. Вся конструкция помещена в корпус от компьютера. Плата с контроллером вставляется на место CD привода и прикреплена к пластмассовой заглушке.

Настройка
Настройке подлежит, прежде всего, активный выпрямитель. Для его настройки необходимо измерить входное и выходное напряжение измерительного трансформатора ( коэффициент трансформации). Потом по известному значению R4 согласно формулам рассчитать значения остальных двух резисторов. Эти сопротивления выставить построечными резисторами.
После этого подать сетевое напряжение на вход трансформатора и подстроить верхний резистор R3 таким образом, чтобы отображаемое напряжение соответствовало реальному напряжению в сети. Потом отключить устройство от трансформатора и подать отрицательное напряжение на вход. Запомнить показания прибора. Потом подать на вход положительное напряжение и подстроить нижним резистором R6 показания, что бы они совпадали с запомненными. Таким образом настраивается симметрия выпрямления обеих полуволн. Процедуру настройки нужно повторить несколько раз до тех пор пока после нее показания не будут соответствовать входному напряжению.

Параметры
Интервал входного напряжения при выходном напряжении 220В+-20% — 160В — 260В.
Разрешающая способность вольтметра среднеквадратичных значений — 1В
Диапазон измеряемых напряжений — 0 — 700В
Диапазон частот вольтметра — 0 — 200 Гц
Разрешающая способность частотомера — 0.1 Гц
Диапазон измерения частоты — 38 — 70 Гц
Интервал задержки включения — 0 — 32000 периодов ( 0 — 10 мин)
Время фильтрации — 0 — 999 периодов
Верхний порог отключения — 220 — 500В
Нижний порог отключения — 100 — 179В

Алгоритмы
Далее идет описание математической обработки сигнала для получения среднеквадратичного значения. Для простого повторения конструкции оно может быть опущено при прочтении. При разработке устройств обычно уделяется мало внимания описанию алгоритма. Но в устройствах на контроллерах именно он представляет главную ценность.
Микроконтроллер с частотой около 9500Гц (192 выборки на периоде) производит выборки входного сигнала. В обработчике прерывания АЦП каждая выборка возводится в квадрат и добавляется к значению накопителя квадратов напряжений. По окончании каждого периода значение накопителя квадратов передается на обработку в основной цикл программы.
Для нахождения минимума используется 8 последних отсчетов сигнала. Высчитывается их взвешенная сумма. При минимальном значении суммы, или вернее, как только это значение начало увеличиваться по сравнению с предыдущим значением, считаем, что сигнал прошел минимум. Так как может быть некоторая несимметричность при настройке выпрямителя, то измерение производится по периоду, хотя вполне можно было бы считать и каждые полпериода.
В основном цикле программы обнаруживается, что сумма квадратов напряжений на периоде посчитана и производится вычисление напряжения. Для этого суммы квадратов и количество отсчетов подвергаются усреднению по 16 точкам методом скользящего среднего. После этого усредненное значение суммы квадратов делится на усредненное значение количества отсчетов и из частного извлекается корень. Полученное значение масштабируется и выводится на индикатор.
Для индикации применен светодиодный индикатор на 3 цифры и динамическая индикация. Индикатор обновляется в том же обработчике прерывания от АЦП.

Стабилизатор или реле напряжения — что выбрать?

Приветствую вас, уважаемые читатели сайта elektrik-sam.info!

Для защиты от скачков и перепадов напряжения в электрических сетях наших квартир и домов применяются два типа устройств — это стабилизаторы питающего напряжения и реле контроля максимального и минимального напряжения. В этой статье мы рассмотрим основные преимущества и недостатки каждого из этих устройств.

Стабилизаторы напряжения

Начнем рассмотрение со стабилизаторов питающего напряжения и по порядку рассмотрим вначале преимущества, а затем недостатки применения этого типа устройств.

Преимущества стабилизаторов напряжения

1. Обеспечивают постоянное стабильное напряжение для питания наших электроприборов 220 В. Стабилизаторы сглаживают скачки и небольшие колебания питающего напряжения, выдавая на выходе стабильное напряжение 220 В.

При снижении напряжения обычно ниже 160 В, либо при превышении им значения 280 В, стабилизаторы отключаются от внешней питающей сети и обесточивают внутренних потребителей. Тем самым предохраняя электроприборы от выхода из строя.

2. Подключенное через стабилизаторы напряжения оборудование остается работоспособным. Такие электроприборы, как аудио- и видеотехника очень чувствительны к отклонениям питающего напряжения. Повреждение этих приборов такие колебания напряжения не вызывают, но могут сказываться на качестве его работы. Применение стабилизатора обеспечивает надежную работоспособность такого оборудования.

3. При применении стабилизаторов напряжения прекращают мерцать электрические лампочки. Это существенно продлевает срок их службы.

Недостатки стабилизаторов напряжения

1. Большие габариты. В большинстве случаев стабилизаторы напряжения довольно громоздки, и для их установки необходимо выделять дополнительное место. Габариты зависят от мощности подключаемой нагрузки. Чем больше мощность, тем больше габариты применяемого стабилизатора.

Во время своей работы эти устройства нагреваются, поэтому им необходимо достаточное место для эффективного охлаждения корпуса самого стабилизатора, и его внутренних элементов.

В трехфазных электрических сетях обычно применяют три отдельных стабилизатора напряжения, установленных в каждую фазу. Если устанавливать один трехфазный стабилизатор, то в случае короткого замыкания или пропадания одной из фаз, стабилизатор отключится.

Все однофазные потребители, подключенные к любой из фаз будут обесточены до тех пор, пока не восстановятся нормальные условия работы стабилизатора. Это очень неудобно, поэтому чаще применяется установка трех отдельных стабилизаторов напряжения в каждую из фаз. А это в свою очередь значительно увеличивает габариты.

2. Цена. Покупка хорошего стабилизатора напряжения может обойтись в приличную сумму денег.

Стабилизаторы намного дороже, чем реле контроля напряжения. В большинстве случаев стоимость является решающим фактором при выборе устройств защиты, и большинство пользователей склоняются в стороны приобретения реле напряжения.

3. Стабилизаторы чувствительны к пыли и влажности помещения, в котором они установлены. Внутри стабилизатора находится трансформатор, большое электромагнитное поле, которое притягивает пыль. Поэтому место установки должно быть хорошо защищено от пыли и влаги.

4. Чувствительность стабилизаторов напряжения к различным электрическим помехам. Если в электрической сети часты электрические помехи, это приведет к тому, что электроника стабилизаторов начнет «глючить», они могут отключиться, обесточивая тем самым всю квартиру.

Реле контроля напряжения

Следующий вид устройств для защиты от скачков и перепадов питающего напряжения — реле контроля напряжения, которые еще называют «барьерами» напряжения.

Преимущества реле контроля напряжения

1. В отличие от стабилизаторов напряжения, реле напряжения имеют малые габариты и в большинстве случаев предназначены для установки на DIN-рейку.

Также реле напряжения выпускаются для подключения в розетку. Это дает возможность защитить отдельный электроприбор (или группу приборов), не изменяя конфигурацию электропроводки. А это очень удобно.

2. Стоимость. Реле контроля напряжения намного дешевле, чем стабилизатор напряжения. Даже если мы используем несколько реле напряжения, их стоимость оказывается ниже, чем стабилизатора напряжения.

3. Автоматичность. Основная функция стабилизаторов — стабилизация питающего напряжения, в то время, как реле контроля напряжения является прибором автоматики и предназначены именно для защиты от скачков и перепадов напряжения. Их схемотехника лучше реагирует на скачки и перепады, она более быстродействующая.

Реле контроля напряжения лучше лучше справляются с защитой потребителей от выхода из строя электроприборов при превышении, либо понижении питающим напряжением допустимых пределов.

Недостатки реле контроля напряжения

1. Не устраняет колебания напряжения.

2. Для максимальной защиты необходима установка нескольких устройств.

Резюме

Как видно из выше рассмотренного, нет какого-то одного способа, который бы дал наилучший результат.

Максимальную защиту электроприборов в наших квартирах обеспечивает совместное применение стабилизаторов напряжения и реле контроля напряжения.

В этом случае наши потребители будут иметь максимальную защиту от возможных критических изменений напряжения в наших питающих электрических сетях.

Более подробно преимущества и недостатки каждого из устройств я рассмотрел в видео:

Стабилизатор или реле контроля напряжения?

Также рекомендую посмотреть