Устройство для регулирования трехфазного напряжения

Устройство для регулирования трехфазного напряжения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения без искажения фазы первой гармонической составляющей. Наиболее целесообразной областью применения являются трансформаторные подстанции мощностью 1000 кВА и выше. Сущность изобретения: устройство содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор и тиристорный циклоконвертор в цепи первичной обмотки этого трансформатора. Трехфазный циклоконвертор в цепи первичной обмотки этого трансформатора. Трехфазный циклоконвертор выполнен с однофазным звеном повышенной частоты и представляет собой два последовательно соединенных преобразователя с синхронизированными с семью системами управления, один из которых трехфазно-однофазный мостовой циклоинвертор, а другой однофазно-трехфазный нулевой циклоинвертор. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для регулирования или стабилизации напряжения трехфазной электрической сети.

Известен стабилизатор трехфазного напряжения по а.с. СССР N 322836, кл. Н 02 М 5/02, 1970, содержащий в каждой фазе однофазный четырехобмоточный трансформатор, однофазный реверсивный выпрямитель с естественной коммутацией и однофазный инвертор напряжения или тока с соответственно емкостным или индуктивным фильтром на входе.

К недостаткам устройства, прежде всего, следует отнести большой вес, габариты и сложность как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования, а также инерционность звена постоянного тока и снижение коэффициента мощности при увеличении угла управления выпрямителем с естественной коммутацией.

Известен также стабилизатор (регулятор) трехфазного напряжения заявка Японии N 63-36004, кл. G 05 F 1/30, 1988), содержащий в каждой фазе однофазный понижающий трансформатор и однофазный мост на ключах с двухсторонней проводимостью и естественной коммутацией, включенный между понижающим и вольтодобавочным трансформаторами.

Однако и это устройство имеет большой вес и габариты трансформаторного оборудования. Ему также свойственно снижение коэффициента мощности в процессе регулирования напряжения из-за естественной коммутации ключей.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор (регулятор) трехфазного напряжения с улучшенными энергетическими показателями по а.с. СССР N 589663, кл. G 05 F 1/30, 1984, который взят за прототип. Устройство содержит в каждой фазе однофазный вольтодобавочный трансформатор и мост на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, а также синхронизированную с сетью систему управления.

Недостатки прототипа сложность устройства из-за большого количества полностью управляемых ключей, а также большой вес и габариты вольтодобавочного агрегата из-за выполнения его на трех однофазных трансформаторах.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что другая ветвь каждого однофазного моста содержит ключи с естественно коммутацией и подключена к одному из концов соответствующей фазной первичной обмотки, все ветви трех однофазных мостов соединены параллельно, образуя два трехфазных моста, один из которых на полностью управляемых ключах, а другой на ключах с естественной коммутацией и в качестве трехфазного вольтодобавочного агрегата применен трехфазный трансформатор, другие концы первичной обмотки которого объединены, причем введены две синхронизированные с сетью системы управления, одна из которых от трехфазно-однофазного мостового циклоконвертора с искусственной коммутацией, подключенная своим выходом к трехфазному мосту на полностью управляемых ключа и своим управляющим входом к выходу элемента сравнения, а другая от однофазно-трехфазного нулевого циклоконвертора с естественной коммутацией, подключенная своим выходом к трехфазному мосту на ключах с естественной коммутацией.

На фиг;1 приведена принципиальная схема стабилизатора (регулятора) трехфазного напряжения; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие процесс преобразования и изменения напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит входные 1 и выходные 2 выводы, предназначенные для подключения соответственно к трехфазной сети и трехфазной нагрузке, трехфазный трансформатор 3, трехфазно-однофазный мостовой циклоконвертор 4 с искусственной коммутацией на полностью управляемых ключах 5-10 с синхронизированной с сетью системой управления 11, однофазно-трехфазный нулевой циклоконвертор 12 с естественной коммутацией, выполненной в виде трехфазного моста с двухсторонней проводимостью на ключах 13-18 с синхронизированной с сетью системой управления 19, датчик 20 напряжения нагрузки и элемент сравнения 21.

Элементы схемы соединены следующим образом. Два циклоконвертора 4 и 12 с системами управления 11 и 19 соединены последовательно и через них первичная обмотка трехфазного трансформатора 3 подключена к входным 1 или выходным 2 зажимам, а вторичная обмотка включена между входными 1 и выходными 2 зажимами устройства, датчик напряжения 20 нагрузки через элемент сравнения 21 подключен к управляющему входу системы управления 11, а синхронизирующие входы систем управления 11 и 19 подключены к входным зажимам 1, предназначеным для подключения к сети.

Процесс преобразования устройством (фиг.1) трехфазного напряжения сети с обобщенным вектором в трехфазное напряжение нагрузки с обобщенным вектором протекает в три этапа (фиг.2): на первом этапе посредством трехфазно-однофазного циклоконвертора 4 на полностью управляемых ключах 5-10 с системой управления 11 происходит преобразование трехфазного напряжения сети с частотой f₁ в однофазное регулируемое промежуточное напряжение с утроенной частотой 3f₁; на втором этапе посредством однофазно-трехфазного циклоконвертора 12 на ключах 13-18 с естественной коммутацией и с системой управления 19 происходит преобразование однофазного регулируемого напряжения в трехфазное напряжение с обобщенным вектором , которое имеет двухступенчатую форму, частоту первой гармоники, равную частоте сети f₁ и регулируется по величине широтно-импульсным способом; на третьем этапе посредством трехфазного трансформатора 3 происходит уменьшение трехфазного напряжения в коэффициент трансформации к_т раз и прибавление его к напряжению сети , формируя на нагрузке трехфазное регулируемое напряжение с обобщенным вектором где _f— фаза напряжения вольтодобавки, которая принимает два значения — 0 рад. (фиг.2,а-б) или рад (фиг.2,в-г), обеспечивающая соответственно противофазность и синфазность напряжения и напряжения добавки по отношению к напряжению .

Устройство работает следующим образом. Полностью управляемые ключи 5-10 моста циклоконвертора 4 (фиг.1) переключаются по алгоритму приведенному на нижних диаграммах фиг. 2, а-г. В соответствии с диаграммой в любой момент времени в работе находятся два ключа, один из нечетной группы с ключами 5, 7, 9, а другой из четной группы с ключами 6, 8, 10. Каждый ключ находится в замкнутом состоянии 60 эл.град. причем в паре с ключом из другой группы он работает 30 эл.град. При замыкании двух ключей, относящихся к одной из ветвей моста, выходные зажимы преобразователя 4 закорачиваются и в последствии через ключи 13-18 преобразователя 12 шунтируют первичную обмотку трансформатора 3, устраняя дроссельный режим его работы при мгновенных значениях u_п 0 и u_f 0. При замыкании ключей из разных ветвей моста преобразователя 4 на выходе этого преобразователя циклически формируются то положительные, то отрицательные импульсы из линейных напряжений сети. Регулирование длительности этих импульсов от 60 до 0 эл.град. следующих с утроенной частотой сети, осуществляется одновременным взаимным и встречным смещением интервалов проводимости пар ключей 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10 мостового циклоконвертора 4 на 30 эл. град. При дальнейшем смещении интервалов проводимости также на 30 эл. град. импульсное переменное напряжение u_п инвертируется и на интервалах полупериодов этого напряжения длительность его прямоугольных импульсов регулируется от 0 до 60 эл.град.

Возможна подача на управляющий вход системы управления 11 как однополярного, так и двухполярного напряжения управления.

При двухполярном напряжении управления, снимаемом непосредственно с выхода элемента сравнения 21 (вычитателя), регулирование напряжения u_п производится с инверсией в области u_п 0 как показано на фиг.2, б-в, а при однополярном (выпрямленном) напряжении управления регулирование действующего значения промежуточного высокочастотного напряжения u_п производится в том же диапазоне, но без инверсии полуволн его первой гармоники. В том и другом случаях, не зависимо от полярности полувон напряжения u_п преобразователя 4, стабилизатор (регулятор) обеспечивает режимы вольтоприбавления и вольтовычитания. Эти режимы задаются реверсивным алгоритмом управления (фиг.2) однофазно-трехфазным циклоконвертором 12 на ключах с естественной коммутацией 13-18 (фиг.1).

Ключи преобразователя 12 обладают двухсторонней проводимостью и каждый ключ выполнен, например, на двух встречно параллельно включенных тиристорах, образуя в каждой ветви моста циклоконвертора 12 две пары тиристоров, одна из которых подключена катодами, а другая анодами к фазным первичным обмоткам трансформатора 3. Каждая пара тиристоров в составе ключей 13-18 (см.фиг.2) на протяжении периода напряжения сети работает 180 эл.град. причем при формировании вольтодобавки на интервале 180-_т в выпрямительном режиме, а на оставшемся интервале _т в инверторном режиме, направляя активную энергию из сети 1 через преобразователи 4, 12 и трансформатор 3 в нагрузку 2, а при формировании вольтовычета наоборот, на интервале 180-_т в инверторном режиме, а на интервале _т в выпрямительном, направляя активную энергию через преобразователи 4 и 12 из нагрузки 2 в сеть 1 (_т фаза тока первичной обмотки трансформатора 3). При таком 180-градусном алгоритме управления, когда в любой момент времени в работе находятся три ключа преобразователя 12, на первичных фазных обмотках трансформатора 3 формируются двухступенчатые напряжения u_f (фиг.2, а и фиг.2, г) со средней высотой ступени, равной 1/3 от среднего значения выпрямленного напряжения u_п на каждом 60-градусном интервале, равном длительности соответственно каждой ступени.

Средняя высота каждой ступени в кривой мгновенного значения напряжения u_f и действующее значение первой гармоники напряжения вольтодобавки регулируются широтно-импульсным способом, вследствие изменения u_п (фиг.2, б и 2, в), сформированных из линейных напряжения сети.

Представленные на фиг. 2 алгоритмы управления преобразователями 4 и 12 реализованы синхронизированными с сетью системами управления 11 и 19, которые взяты соответственно от трехфазно-однофазного циклоконвертора с естественной коммутацией.

Предлагаемое устройство позволяет с улучшенным быстродействием регулировать (стабилизировать) напряжение на нагрузке без сдвига первой гармоники. Оно проще, легче и дешевле известного устройства, поскольку в силовой части применено в 2 раза меньше полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью и взамен трех однофазным вольтодобавочным трансформаторам применен один трехфазный.

Устройство имеет хорошую готовность к серийному производству, т.к. ее электрическая часть, включая и силовую схему и систему управления, содержит собственно два известных преобразователя, серийный выпуск которых, известных как реверсивные выпрямители, уже освоен, а перевод реверсивных выпрямителем в режим циклоконверторов весьма прост, в то время как для устройства-прототипа требуются все этапы проектирования, включая как проведение НИРОКР, так и подготовку производства.

Устройство для регулирования трехфазного напряжения, содержащее трехфазный трансформатор с вторичными фазными обмотками, включенными между выводами для подключения сети и выводами для подключения нагрузки, первый трехфазный мост, выполненный на двунаправленных ключах с естественной коммутацией, второй трехфазный мост и узел управления, при этом фазные выводы первого трехфазного моста соединены с первыми крайними выводами соответствующих первичных фазных обмоток трехфазного трансформатора, вторые крайние выводы которых соединены в общую точку, объединенные выводы ветвей первого моста соединены с соответствующими объединенными выводами ветвей второго трехфазного моста, фазные выводы второго моста соединены с соответствующими фазными выводами для подключения сети или нагрузки, отличающееся тем, что второй трехфазный мост выполнен на двунаправленных полностью управляемых ключах и предназначен для формирования импульсов переменного напряжения с частотой, равной утроенной частоте сети и регулируемой длительностью, кроме того, узел управления содержит датчик напряжения нагрузки, подключенный выходом к одному из входов элемента сравнения, к другому входу которого подключен источник сигнала задания, выход которого подключен к входу управления длительностью импульсов формирователя управляющих импульсов для ключей второго трехфазного моста, входы синхронизации которого связаны с выводами для подключения сети, и формирователь управляющих импульсов для ключей первого трехфазного моста, связанный с входами синхронизации с выводами для подключения сети.

Преобразователь частоты однофазный в трехфазный

Станки, насосы, электроинструменты часто комплектуют трехфазными электродвигателями. При отсутствии трехфазного напряжения, двигатели простого оборудования можно включать в однофазную сеть. Для этого применяют фазосдвигающий элемент, чаще всего конденсатор, который включается в цепь одной или двух обмоток.

При подключении трехфазной машины в однофазную сеть без фазосдвигающего устройства, между статором и ротором возникает пульсирующее магнитное поле, которое не обеспечивает старт. Для того чтобы ротор начал вращается, нужен сдвиг фаз между обмотками не менее 900. Для разности магнитных потоков необходим конденсатор или другой фазосдвигающий элемент. В однофазных двигателях применяют стартовые и вспомогательные обмотки, резистивные элементы, а также различные схемы их подключения.

Так как самостоятельно дорабатывать и изменять схемы трехфазных машин затруднительно, для включения таких двигателей в однофазную сеть чаще всего применяют внешние конденсаторы.

Параметры пускового элемента для соединения обмоток типа «Звезда» определяются по формуле: C=(2800 ×P)/(√3*U²*η*cosϕ), где С – емкость конденсатора, P – номинальная мощность двигателя, U – номинальное напряжение, η – коэффициент полезного действия, cosϕ – коэффициент мощности. При соединении обмоток в «треугольник» используется следующее выражение: C=(4800*P)/(√3*U²*η*cosϕ).

Для снижения недостатков работы трехфазного двигателя при питании однофазным напряжением используется 2 емкостных элемента – пусковой и рабочий. Пусковой конденсатор включается в цепь при пуске и разгоне, при достижении необходимой скорости вращения он отключатся. Такая схема улучшает пусковые характеристики: позволяет обеспечить высокий момент на валу при старте и в процессе разгона, снизить нагрев обмоток при высокой загруженности и длительной работе.

Для расчета емкости пускового элемента применяют формулу Cп=2,5хC, где С – предварительно рассчитанная емкость рабочего конденсатора.

Схема соединения обмоток статора трехфазного двигателя эквивалентна однофазному двигателю с пусковым конденсатором. При этом:

• Потери мощности составляют до 30%. Максимальная мощность трехфазного двигателя на З80 В при включении в сеть 220 составляет 70% от номинального значения.
• Увеличивается шум и нагрев обмоток. За счет увеличения паразитной постоянной составляющей напряжения на обмотках и перекоса фаз возникает избыточный нагрев и вибрации при работе электрической машины.

Такие схемы практически не применяются в промышленном оборудовании. Допускается кратковременная работа электродвигателя при исчезновении напряжения на одной или двух фазах для оборудования, которое используется в непрерывных технологических процессах. В прочих случаях предусмотрена аварийная остановка.

Подключение однофазных преобразователей частоты к трехфазному двигателю

Трехфазные электроприводы несложного оборудования мощностью до 4 кВт допускается включать в однофазную сеть через частотный преобразователь. Это позволяет регулировать скорость вращения вала без редукторов муфт, изменять производительность без задвижек, заслонок и других механических устройств, а также частично устранить недостатки схем пуска через конденсатор.

Для таких электроприводов рекомендовано использовать однофазные преобразователи. Такие устройства имеют емкостный выход, позволяющий отказаться от выносного конденсатора. Рассчитанное значение емкости вводится вручную при настройке преобразователей или автоматически определяется в режиме адаптации частотника к двигателю. Однофазные устройства позволяют рассчитывать оптимальную емкость при тестировании.

Преобразователь для двигателей, включенных в сеть 220 В, подбирают:

• По диапазону регулирования угловой скорости. Частотник должен обеспечивать изменение частоты вращения в заданном интервале.
• По максимальной емкости фазосдвигающего элемента. Преобразователь должен обеспечивать пуск электрической машины с заданным моментом на валу. При выборе устройства нужно рассчитать величину емкости, необходимой для старта и корректной работы двигателя, и сравнить ее с характеристиками преобразователя.
• По мощности. Параметры трехфазного двигателя при однофазном питании сильно отличаются от номинальных и не аналогичны характеристикам однофазных двигателей той же мощности. Для таких приводов выбирают частотный преобразователь с запасом мощности не менее 2 кВт.
• По дополнительным функциям. При выборе также учитывают наличие дисплея для индикации параметров, входов и выходов для датчиков, встроенных фильтров гармоник, функций самодиагностики, записи событий и другое.

Также следует учесть, что работа трехфазной машины в сети 220 В сильно отличается от нормы. Такие схемы подключения машин через частотник не обеспечивают точного управления и регулировки параметров, не позволяют реализовать сложные алгоритмы. Сфера применения таких приводов – станки, где требуется только регулировка скорости, бытовые маломощные насосы для автономных систем водоподачи и полива.

Преобразователи подключают кабелями марки, рекомендованной производителями. Сечение жил также должно быть не меньше рекомендованного. Для выходной цепи применяется трехпроводный кабель.

В разрыв фазного нулевого провода перед преобразователем устанавливают автоматический выключатель для коммутаций и защиты от коротких замыканий. При питании однофазным напряжением возникают гармоники, которые негативно влияют на работу двигателя и качество напряжения в сети. При высоких требованиях к электромагнитной совместимости, устанавливают входные и выходные фильтры.

Все подключения осуществляют согласно требованиям электробезопасности. После проверки правильности и качества подключений, включают частотный преобразователь в тестовой режим, настраивают интервал скоростей и другие параметры. Далее проверяют работу двигателя на разных скоростях.

Преимущества преобразователей частоты

Главное преимущество частотных преобразователей при включении трехфазных машин в бытовую сеть 220 В – возможность изменять скорость вращения ротора без потери момента и жесткости характеристик. Этого вполне достаточно для бытового электрооборудования. Устройства также:

• Обеспечивают защиту от перегрузок, коротких замыканий, перепадов напряжения. Преобразователи заменяют несколько электроаппаратов защиты: реле напряжения, автоматические выключатели, тепловые реле.
• Отображают текущие рабочие характеристики: напряжение в сети и выходной цепи, скорость вращения вала, потребляемый ток. Устройства также обеспечивают отключение электродвигателя при авариях и подачу аварийного сигнала, вывод сообщения с кодом неисправности. Некоторые модели преобразователей сохраняют запись с указанием даты, времени и кода аварии во встроенной памяти или на съемных носителях.
• Позволяют заменить релейные схемы управления. Однофазные преобразователи обеспечивают включение, отключение и изменение скорости вращения вала по сигналам датчиков. Управление трехфазным двигателем в однофазной сети при помощи частотника не уступает в надежности релейным схемам.
• Обеспечивают плавный пуск, снижение шума и энергопотребления. Применение преобразователей позволяет оптимизировать потребление электроэнергии в режиме неполной загрузки, а также осуществлять пуск с высоким моментом на валу. Наличие встроенного фильтра гармоник обеспечивает уменьшение постоянной составляющей, снижение шума двигателя и температуры обмоток статора.

Установка преобразователей частоты эффективна для любых приводов с двигателями переменного тока. При покупке устройства для трехфазных электрических машин нужно обратиться в техническую поддержку. Компании-производители дают бесплатные консультации по выбору силовой электроники для нестандартных электроприводов. Однако, в ряде случаев целесообразно заменить трехфазный двигатель на однофазный аналог или провести трехфазную сеть.

Энергоконтакт

Перекос Фаз (Фазных Напряжений) В Трехфазной Электрической Сети

Posted by energocontakt на 24 мая, 2011

Автор: Евгения

• Сущность явления
• Причины возникновения
• Последствия
• Способы устранения перекоса фаз
• Альтернативная технология.
• Диапазон изменения фазных напряжений.
• Практическое применение.

Сущность явления

Перекос фаз проявляется в трехфазных четырех- (пяти-) проводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Как правило, низковольтная трехфазная электрическая сеть напряжением 400 В (0,4 кВ)
содержит источники электроэнергии, обмотки которых соединены в «звезду» с выведенным нулем.

Если трехфазная сеть четырехпроводная, то нулевой проводник выполняет две функции. Первая функция: нулевой рабочий проводник служит для подключения однофазных электроприемников. Вторая функция: нулевой рабочий проводник служит для работы защиты.
В пятипроводной сети, каждой из двух перечисленных функций соответствует свой провод.
В низковольтных сетях различают первичные и вторичные источники электроэнергии (источники питания) независимо от способа получения электрической энергии.
К первичным источникам относятся те, которые непосредственно вырабатывают электроэнергию, например электрические генераторы (в качестве привода в них могут быть использованы гидроагрегаты, паровые турбины, дизели, газовые двигатели).
К вторичным источникам относятся те, которые преобразуют электрическую энергию первичных источников, как правило, это трансформаторы, установленные в трансформаторных подстанциях (ТП).

Идеальную модель, отображающую взаимосвязь и взаиморасположение фазных и линейных напряжений можно изобразить в виде равностороннего треугольника с вершинами «А», «B», «С» и центром «0».
Векторы АВ, ВС и CA (лежащие на сторонах треугольника) — это линейные напряжения (380В).
Векторы, проведенные из центра треугольника к его вершинам — 0A, 0B и 0С — это фазные напряжения.
В идеале они равны между собой 0A=0B=0С и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°, то есть└A0B=└B0C=└C0A=120°.
Данная модель является идеальной и перекос фазных напряжений в ней отсутствует.

Так как к трансформаторам ТП подключают множество потребителей, в том числе однофазных, то в каждый случайный момент времени можно ожидать, что нагрузки в различных фазах будут различны.
Причем если даже однофазные нагрузки по величине одинаковы, то их включение под нагрузку или отключение не может происходить синхронно. Возникает ситуация RA > RB > RC ≠ 0, где «R» – это сопротивление нагрузки, и, соответственно, «RA» — это спротивление нагрузки на фазе А, «RB» — это спротивление нагрузки на фазе B, «RC» — это спротивление нагрузки на фазе C.

Различие фазных нагрузок по величине и характеру создает условия для возниконовения перекоса фазных напряжений.

Если обратиться к описанному выше равностороннему треугольнику, то графически это будет выглядеть следущим образом: точка 0 в центре треугольника, из которой исходят векторы идеальных фазных напряжений величиной 220В 0A, 0B и 0С, — смещается относительно центра треугольника. Назовем ее 0′. Смещаются и сами векторы фазных напряжений на произвольный угол друг относительно друга. Смещенные векторы фазных напряжений 0’A, 0’B и 0’С не равны между собой, 0’A ≠ 0’B ≠ 0’С.
Напряжение на каждой из фаз меняется с величины в 220 В например на 190В, 240В и 230В соответственно.

Такая ситуация называется перекосом фазных напряжений.

Если бы сопротивления нагрузки были равны, то токи, через них протекающие так же были равны между собой.
Учитывая то, что угол сдвига между ними равен 120°, то их геометрическая сумма равнялась бы нулю.

Однако при их неравенстве в результате суммирования возникает ток I00′, который называется уравнительным. А, следовательно, напряжение U00′, которое называется напряжением смещения.

Перекос фаз (фазных напряжений), как правило, характеризуется неизменностью или одинаковостью линейных напряжений источника и значительным различием по величине фазных напряжений. То есть равносторонний треугольник, образуемый векторами линейных напряжений остается равносторонним треугольником, это означает, что значение трех линейных напряжений соответствует 380В, возможны незначительные отклонения значений, которые называются являются допустимыми.
Значительно смещаются векторы фазных напряжений внутри треугольника, которые соединяют точку внутри треугольника с его вершинами, меняется величина фазных напряжений и угол сдвига между ними.

Причины возникновения перекоса фаз

Условно причины возникновения перекоса фаз можно разделить на внешние и внутренние.

Внутренние причины связаны с потребителями электроэнергии, которые неравномерно загружают фазы сети без учета мощности
однофазных электроприемников, коэффициента одновременности их включения,
подключают мощные двухфазные электроприемники к бытовым розеткам.

В реальной жизни причиной перекоса фаз является неравномерность загрузки не только по величине, но и по характеру нагрузки.
Нагрузка может быть активной (резистивной) — (R) или реактивной: индуктивной (L) или емкостной (С).

Внешние причины возникновения перекоса фаз могут быть связаны с неисправностями
в распределительной сети (например, в высоковольтных линиях электропередач (ЛЭП)
при высокой влажности и дефектах в гирляндах изоляторов или разрядников отдельных фаз) или наличием мощных потребителей, включенных на две фазы, т.е. на линейное напряжение (например, потребители тяговых сетей или электродвигатели электропоездов).

Также причины могут быть комбинированными (внешними и внутренними).

Последствия перекоса фаз

Последствия перекоса фаз проявляются в увеличении электропотребление из сети; в неправильной работе электроприемников, их сбоях, отказах, отключениях, перегорании предохранителей, износе изоляции.

Условно негативные последствия перекоса фаз можно разделить на три группы:

1. Последствия для электроприемников (приборов, оборудования), связанные с их повреждениями, отказами, увеличением износа, уменьшением периода эксплуатации.

а) последствия для однофазных электроприемников
Низкое напряжение вызывает неправильную работу однофазных потребителей: тусклый свет осветительных приборов, длительный нагрев нагревательных приборов, длительный запуск двигательных приборов, сбои в работе компьютеров и т.д. Высокое напряжение вызывает отказы электроприемников из-за износа изоляции, отключение их защитными устройствами, перегорание предохранителей.

б) последствия перекоса фаз для трехфазных электроприемников
Основную часть трехфазных потребителей (потребителей, питающихся от линейного напряжения) составляют электродвигатели, которые приводят в действие погружные и фекальные насосы, приводы автоматических ворот, станочное оборудование и т.д.
Система управления и контроля запуска таких трехфазных потребителей, как правило, подключается к фазному напряжению. При перекосах фаз система управления запуском (СУЗ) электродвигателя, которая контролирует длительность и факт запуска, работает неустойчиво, т.е. спонтанно выдает команды на его пуск или останов. Диапазон изменения фазного напряжения жестко регламентируется эксплуатационной документацией (как правило, не допускается перекос более ± 7,5 ÷ 10 % от номинала). Если перекос превысил допустимый предел, то СУЗ дает сбой. При восстановлении уровня фазного напряжения происходит очередной запуск и так далее.
Известно, что режим «пуска в ход» асинхронного двигателя характеризуется кратковременной работой обмоток статора в режиме короткого замыкания (КЗ), т.е. в момент включения двигатель потребляет гораздо больше энергии, чем в процессе работы. Естественно, что частые повторные пуски будут вызывать значительный перегрев изоляции и существенно увеличивать электропотребление из сети.
Возможные негативные последствия такого режима работы — либо отказ в запуске, либо отказ оборудования вследствие перегорания обмоток двигателя.

2. Последствия для источников электроэнергии: увеличение энергопотребления, увеличение потерь электроэнергии при питании от госсети; при питании от трехфазного автономного источника – механические повреждения (повреждения подшипников валов, подшипниковых щитов генератора и приводного двигателя, закоксовывание форсунок), уменьшение периода эксплуатации источника, увеличение его износа, повышенный расход топлива, масла, охлаждающей жидкости.

3. Последствия для потребителей, связанные с безопасностью, так как ухудшение качества изоляции может привести к:
— электротравматизму;
— возгоранию электропроводки или электроприемников;
а также последствия, связанные с увеличением расходов на:
— электроэнергию;
— расходные материалы для генератора;
— ремонт электроприемников, поврежденных вследствие перекоса фаз;
— приобретение новых электроприемников, отказавших вследствие перекоса фаз.

Способы устранения перекоса фаз

Централизованное решение, позволяющее устранить перекос фаз, отсутствует, так как невозможно обязать всех потребителей подключать одновременно нагрузки, равные по величине и характеру.

Традиционно для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиты отдельных электроприемников или небольшой их группы.
В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения.
Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменения напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз.
Из изложенного выше ясно, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью – и электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.

Альтернативная технология

Для решения задачи по устранению перекоса фазных напряжений и обеспечения заданного фазного напряжения необходимо использовать технологию, которая позволит выравнивать напряжение не на каждой из фаз по отдельности, а симметрировать фазы между собой, то есть симметрировать всю трехфазную систему — симметрируюзщий трансформатор.
Такое устройство обладает значительно большей эффективностью, оно не только само потребляет меньше электроэнергии, но и снижает электропотребление из сети для электроприемников.

Диапазон изменения фазных напряжений

Симметрирующий трансформатор допускает 100%-ый перекос нагрузки и устраняет перекос фазных напряжений во всем диапазоне их изменений независимо от причины перекоса:
(1) перекос в подводящей питающей сети, вызванный неисправностями в распределительной сети,
(2) неравномерное распределение фазных нагрузок,
(3) подключение мощного потребителя,
(4) комбинированные причины.

Практическое применение

Прикладные задачи, решаемые с помощью применения симметрирующего трансформатора:

• Устранение перекоса фазных напряжений, т.е. выравнивание фаз сети друг относительно друга.
• Равномерное распределение нагрузок по фазам.
• Обеспечение заданной величины фазных напряжений.
• Преобразование трехфазной сети в одно-(двух)фазную:
— с гальванической развязкой
— без гальванической развязки питающей сети и потребителя;
— с изменением (увеличением или уменьшением) выходного напряжения;
• Преобразование трехфазной трехпроводной сети в трехфазную четырехпроводную (т.е. формирование нулевого рабочего проводника для возможности подключения фазной нагрузки).
• Возможность снимать до 50% трехфазной мощности с одной фазы.
• Возможность использования менее мощных генераторов для той же группы потребителей.
• Возможность подключать более мощные электропримники при питании от автономного источника либо при ограничениях на потребляемую мощность из госсети.
• Отогрев конструкций и коммуникаций (при обледенении проводов, промерзании трубопроводов и т.д.).

Об авторе

военный энергетик, кандидат технических наук Евдокимов Владимир Викторович

Реле контроля напряжения: принцип работы, схема, нюансы подключения

Перепады напряжения – далеко не редкость в отечественных домах. Происходят они из-за изношенности электросетей, замыканий и неравномерности распределения нагрузки по отдельным фазам.

В результате бытовая техника либо недополучает электроэнергию, либо перегорает от ее переизбытка. Чтобы избежать перечисленных проблем, рекомендуется устанавливать реле контроля напряжения (РКН).

Предлагаем разобраться, какие преимущества дает применение такого устройства, каковы отличия РКН от стабилизатора, как выбрать подходящее реле и осуществить его подключения.

Зачем нужно регулирующее напряжение реле

Грамотное название рассматриваемого устройства – «реле контроля напряжения». Но среднее слово в разговорах электриков между собой нередко выпадает из этого термина.

В принципе, это один и тот же электротехнический прибор защитной автоматики. Плюс данное оборудование часто называют еще и «защитой от обрыва нуля». Почему – станет понятно ниже.

Не стоит путать автоматы УЗО и РКН. Первые защищают линию от перегруза и короткого замыкания, а вторые от скачков напряжения. Это разные по функциональному предназначению приборы.

220 В» привычна всем россиянам. На таком переменном вольтаже работает в доме бытовая техника, подключенная к розеткам. Однако по факту максимум напряжения в домашней электросети только колеблется вокруг этой отметки с разбросом +/-10%.

В отдельных случаях перепады достигают и больших величин. Вольтметр вполне может показывать падения до 70 и всплески до 380 Вт.

Для электротехники страшно излишне как низкое, так и высокое напряжение. Если компрессор холодильника “недополучит” электроэнергии, то он просто не запустится. В итоге техника неизбежно перегреется и сломается.

При низком вольтаже обыватель в большинстве случаев даже не в состоянии внешне определить, исправно или нет работает оборудование в такой ситуации. Визуально можно лишь увидеть тускло светящиеся лампочки накаливания, напряжение к которым подается меньшее, чем положено.

С высокими всплесками все гораздо проще. Если на вход питания телевизора, компьютера или микроволновки подать 300–350 Вт, то в лучшем случае в них перегорит предохранитель. А чаще всего они “сгорят” сами. И хорошо еще, если при этом не произойдет реального возгорания техники и возникновения пожара.

Основные проблемы с перепадами напряжения в многоэтажках возникают из-за обрыва рабочего нуля. Этот провод повреждают по неосторожности электрики во время ремонта либо он сам просто перегорает от старости.

Если в доме на подъездной линии стоит комплект необходимой защиты современного уровня, то в результате такого обрыва происходит срабатывание автоматики УЗО. Все заканчивается относительно нормально.

Однако в старом жилом фонде, где не стоят защитные автоматы, пропадание нуля приводит к перекосу фаз. И тогда в одних квартирах напряжение становится низким (50–100 В), а в других резко высоким (300–350 В).

У кого что в результате выйдет в розетке, зависит от подключенной в данный конкретный момент к электросети нагрузки. Заранее точно рассчитать и предугадать это невозможно.

В итоге у одних вся техника перестает работать, а у других сгорает от перенапряжения. Здесь-то и нужно реле контроля напряжения. При возникновении проблем оно отключит сеть, предупредив поломку телевизоров, холодильников и т.п.

В частном секторе проблема с перепадами напряжения несколько иная. Если коттедж расположен на большом удалении от уличного трансформатора, то при повышенном потреблении электроэнергии в домах до него в этой крайней точке вольтаж может упасть до критически низких отметок.

В результате из-за длительной нехватки «вольт» электродвигатели в бытовых электроприборах неизбежно начнут гореть и выходить из строя.

Разновидности устройства РКН

Все модели реле, выполняющих функции регулятора напряжения, подразделяются на однофазные и трехфазные.

Однофазное реле. Обычно устанавливают в коттеджах и квартирах – большего в домовых щитках не требуется.

Трехфазное реле. Такие РНК предназначены для промышленного применения. Их часто используют в схемах защиты трехфазных станков. Причем если на входе подобной сложной техники требуется такой трехфазник, то его зачастую выбирают в комбинированном исполнении с контролем не только по напряжению, но и по синхронизации фаз.

Главный недостаток и одновременно плюс трехфазного реле – полное отключение питания на выходе при скачке вольтажа даже в одной из фазных линий на входе. В промышленности это идет только на пользу. Но в быту часто колебания напряжения в одной фазе не являются критичными, а РКН берет и отключает защищаемую сеть.

В отдельных случаях такая сверхнадежная перестраховка нужна. Однако в подавляющем большинстве ситуаций она излишня.

По типу исполнения и габаритам

Весь модельный ряд реле напряжения делится на три вида:

• переходники «вилка-розетка»;
• удлинители с 1-6 розетками;
• компактные “пакетники” на DIN-рейку.

Первые два варианта используются для защиты одного конкретного электроприбора или какой-либо группы. Они включаются в обычную комнатную розетку.

Третий вариант предназначен для монтажа в электрощитке в составе защитной системы электросети квартиры или коттеджа.

Переходники и удлинители рассматриваемых регуляторов имеют достаточно большие размеры. Производители стараются сделать их как можно меньше, чтобы они не портили своими видом интерьер.

Но у внутренних компонентов реле напряжения свои жесткие габариты, к тому же их еще надо скомпоновать в одном корпусе с розеткой и вилкой. В плане дизайна здесь не развернешься.

Реле на DIN-рейку для монтажа в распределительном щитке имеют более компактные размеры, в них нет ничего лишнего. Подключение их в сеть производится посредством соединения проводов и клемм.

По базе и дополнительным функциям

Внутренняя логика и работа реле для контроля напряжения выстраиваются на основе микропроцессора либо более простого компаратора. Первый вариант дороже, но предполагает более точную и плавную регулировку порогов срабатывания РКН. Большинство продаваемых защитных приборов сейчас выстроено на микропроцессорной базе.

Как минимум, на корпусе реле присутствует пара светодиодов, по которым можно определить наличие напряжения на входе и выходе. Более продвинутые приборы оснащаются дисплеями, показывающими выставленные допустимые пределы и имеющийся в линии вольтаж.

Регулировка пороговых значений производится потенциометром с градуированной шкалой либо кнопками с отображением параметров на табло.

Само отвечающее за коммутацию реле внутри РКН выполнено по бистабильной схеме. У этой катушки два устойчивых состояния. Энергия затрачивается только на переключение защелки. Для удержания контактов в сомкнутом или разомкнутом положении электричество не требуется.

С одной стороны это минимизирует энергопотребление, а с другой – гарантирует, что катушка не станет греться при работе регулятора.

При выборе реле напряжения в параметрах надо смотреть на:

• рабочий диапазон в Вольтах;
• возможности по установки верхнего и нижнего порогов срабатывания;
• наличие/отсутствие индикаторов уровня напряжения;
• время отключения при срабатывании РКН;
• время задержки возобновления подачи электричества;
• максимальную коммутируемую мощность в кВт или пропускаемый ток в Амперах.

По последнему параметру реле следует брать с запасом в 20–25%. Если подходящего под существующие в линии высокие нагрузки РКН нет, то берется маломощная модель, а на ее выходе подсоединяется магнитный пускатель.

С установкой порогов ситуация следующая. Если их задать слишком жестко, то частота срабатывания реле получится высокой. Здесь придется идти на компромисс.

Регулировку этих параметров надо выполнять так, чтобы они обеспечивали должный уровень защиты, но не допускали слишком частого переключения РКН. Постоянные включения и выключения не пойдут на пользу как подключенной к сети технике, так и самому регулятору напряжения.

При этом некоторые реле вообще не имеют возможности самостоятельно корректировать пороги. Они у них установлены “жестко”. Например, уставка по нижнему пределу заводом выполнена на 170 В, а во верхнему – на 265 В.

Такие РКН дешевле, но подбирать их надо более внимательно. Потом перенастроить эти приборы не получится, при ошибках в расчетах придется приобретать новые на замену неподошедшим.

Если в электросети постоянно возникают кратковременные (на доли секунды) несильные падения напряжения, то время отключения по нижнему порогу лучше установить по максимуму. Так срабатываний выйдет меньше, а угроза запитанному оборудованию будет минимальной.

Задержку на включение следует подбирать в зависимости от типа включенных в розетку электроприборов. Если подключенная техника имеет компрессор или электромотор, то время подачи напряжения стоит увеличить до 1–2 минут.

Это позволит избежать резких скачков вольтажа и тока при возобновлении питания в сети, что убережет холодильники и кондиционеры от поломок.

А для компьютеров и телевизоров этот параметр можно снизить и до 10–20 секунд.

Что лучше: стабилизатор vs реле

Нередко вместо подключения в щитке реле контроля электрики рекомендуют устанавливать в доме стабилизатор напряжения. В отдельных случаях это бывает оправдано. Однако есть ряд нюансов, о которых надо помнить при выборе того или иного варианта защита электроприборов.

В плане функционала стабилизатор не только выравнивает напряжение, но и отключается при слишком высоких показателях последнего. А реле напряжения – это исключительно защитная автоматика. Вроде бы первый включает в себя функции второго.

Но по сравнению с РКН стабилизатор:

• дороже и шумит;
• более инертен при резких перепадах;
• не имеет возможностей для регулировки параметров;
• занимает гораздо больше места.

При уменьшении входного напряжения, чтобы на выходе стабилизатора были нужные показатели, он начинает “втягивать” в себя больше тока из сети. А это прямой путь к перегоранию проводки, если она изначально не рассчитана на подобное.

Второй основной минус стабилизатора в сравнении с реле контроля – это его неспособность перехватить резкий скачок напряжения при обрыве нуля.

Достаточно буквально полусекунды с 350–380 Вт в розетке, чтобы вся техника в доме погорела. А большинство стабилизаторов не способно подстроиться под такие изменения и пропускает высокий вольтаж, отключаясь только через 1–2 секунды после начала всплеска.

Помимо стабилизаторов и реле для защиты линии от перепадов вольтажа в сети также можно применять расцепители максимального и минимального напряжения. Но у них в сравнении с РКН большее время срабатывания. Плюс они не включают питание обратно в автоматическом режиме, по работе больше походят на УЗО.

После отключения электроэнергии эти расцепители придется переключать в исходное состояние вручную.

Схемы подключения РКН

В щитке реле напряжения всегда устанавливается после счетчика в разрыв фазного провода. Он должен контролировать и по необходимости отсекать именно «фазу». Никак по-другому его подключать нельзя.

Основных схем подсоединения однофазных реле регулятора сетевого напряжения существует две:

• с прямой нагрузкой через РКН;
• с подсоединением нагрузки через контактор – с подключением магнитного пускателя.

При монтаже электрощита в доме практически всегда применяется первый вариант. Разнообразных моделей РКН с необходимой мощностью в продаже предостаточно. Плюс при необходимости этих реле можно установить по параллельной схеме и несколько, подключив к каждому из них отдельную группу электроприборов.

С монтажом все предельно просто. На корпусе стандартного однофазного реле имеется три клеммы – «нуль» плюс фазные «вход» и «выход». Надо лишь не перепутать подсоединяемые провода.

Выводы и полезное видео по теме

Чтобы Вам проще было сориентироваться в схемах подключения и выборе подходящего реле регулятора напряжения, мы сделали подборку видеоматериалов с описанием всех нюансов работы этого прибора.

Как защитить оборудование от перепадов в электросети с помощью РКН:

Настройка реле напряжения:

Реле контроля сетевого напряжения – это отличная защита от «обрыва нуля» и резких перепадов вольтажа. Подключить его несложно. Надо лишь вставить соответствующие провода в клеммы и затянуть их. Практически во всех случаях применяется стандартная схема с прямой нагрузкой через РКН.

Поделитесь с читателями вашим опытом подключения и применения реле напряжения. Пожалуйста, оставляйте комментарии, задавайте вопросы по теме статьи и участвуйте в обсуждениях – форма для отзывов расположена ниже.