Низковольтная аппаратура (НВА) – это неотъемлемая часть практически любой электрической сети. Приборы, у которых на всех входах и выходах номинальное напряжение (за исключением импульсного напряжения искрового разряда) не превышает 1 000 В переменного и 1 500 В постоянного тока, востребованы в промышленности и быту. Они устанавливаются на общественных и административных объектах, а также в коммунальных распределительных сетях.
Возможности низковольтной аппаратуры
Низковольтная аппаратура используется для различных целей, бытовых и профессиональных. К этой категории относится электрооборудование, обеспечивающее функциональность и безопасность низковольтной электрической сети.
Преобразователь напряжения
Современные варианты преобразователей, в отличие от устаревших механических предшественников, представляют собой электрические приборы или электронные устройства, которые обеспечивают на выходе нужный вольтаж.
В зависимости от характера вносимых изменений преобразующие устройства могут быть повышающими и понижающими. Помимо амплитуды питающего напряжения они могут корректировать его частоту.
Среди всех разновидностей преобразователей наибольшим спросом пользуются следующие:
- Трансформаторные преобразующие устройства;
- Электронные аналоги трансформаторных преобразователей, работающие по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ);
- Инверторы и выпрямители;
- Стабилизаторы напряжения.
Линейные трансформаторы. Преобразующие устройства на базе линейных трансформаторных схем в свое время были одним из самых широко распространенных технических решений.
В работе эти устройства используют эффект индукции и возможность передачи электричества через общее для двух катушек электромагнитное поле. Амплитуду рабочего напряжения в нагрузке удается задавать за счет индуктивной связи входных и выходных цепей трансформатора.
С этой целью количество витков во вторичной катушке делается или меньше, чем в первичной обмотке (и тогда создается понижающий эффект) или больше – таким образом создается вариант повышающего трансформатора.
Расчет сечения намоточных проводов и рабочих токов в обеих обмотках выполняется на основании того же соотношения витков в каждой из катушек, поскольку мощность в преобразующих устройствах этого типа передается с небольшими потерями – токи в обмотках обратно пропорциональны действующим на них напряжениям.
Достоинством индуктивных преобразователей специалисты называют простую электрическую схему, удобство обслуживания и несложный ремонт.
К числу недостатков линейных трансформаторов относят значительные габаритные размеры и вес устройств. Эти свойства обусловлены особенностями конструкции обмоток и сердечника. Устранить этот недостаток позволяет более прогрессивный метод передачи мощности в нагрузку – широтно-импульсная модуляция.
Преобразователи напряжения с ШИМ. Этот способ преобразования напряжения базируется на приеме, при котором он искусственно приводится к импульсному виду, что в значительной степени упрощает основные операции.
С этой целью в схему вводится дополнительный сигнал в виде несущей, представленной «пилой» или «треугольником». Он подается на инвертирующий вход компаратора, в то время как на прямом действует модулируемый уровень.
В те моменты, когда значение несущей превышает по амплитуде полезный сигнал, на выходе компаратора появляется электрический «нуль». Полученный импульсный сигнал усредняется.
Применение метода широтно-импульсного модулирования обеспечивает ряд весомых преимуществ:
- Высокий КПД импульсных блоков питания;
- Преобразователи напряжения этой конструкции более экономичны из-за низкого уровня тепловых потерь (по сравнению с линейными трансформаторами);
- Импульсные блоки питания характеризуются меньшими размерами и весом;
- Надежность;
- Более длительный срок эксплуатации.
В числе недостатков можно назвать сильные импульсные помехи, которое создает само устройство в непосредственной близости от места установки.
Инверторные преобразователи напряжения. Устройство представляет собой электронный модуль, предназначенный для преобразования исходного постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения.
Рядовыми жителями само слово «инвертор» воспринимается не иначе как техника для профессиональных нужд. Отчасти они правы, поскольку преобразователи частоты применяются в промышленности и в хозяйстве для управления работой электродвигателя переменного тока.
Тем не менее, чисто с технической точки зрения инвертором такие устройства называть некорректно. Инвертор является лишь функциональным узлом частотника. Узлом, который осуществляет преобразование постоянного тока, сформированного входным выпрямителем, в переменный с заданными параметрами для поддержания той или иной скорости вращения двигателя.
Это устройство широко используется и отдельно от преобразователя частоты во многих сферах деятельности человека, в том числе и в быту. Чтобы представить возможности инвертора, достаточно сказать, что он, например, может преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного. И тут использование преобразователя становится совершенно очевидным: с его помощью можно организовать питание электрооборудования от источника постоянного тока. Функцию такого источника может выполнять аккумуляторная батарея.
Аккумулятор выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения (в большинстве случаев 12 В). Он непригоден для работы практически любого оборудования. 12 В постоянного тока подойдет разве что для питания LED-ленты и некоторых других видов специфических устройств. Для обеспечения электричеством других потребителей постоянный ток аккумулятора необходимо преобразовать в переменный с требуемыми параметрами. С этой задачей помогает справиться специальный преобразователь – инвертор.
На что следует обращать внимание при выборе инвертора? Параметры всех источников питания можно условно разделить на две основные группы. В первую входят обязательные требования, которые предъявляет к источнику питания потребитель энергии. Этим требованиям инвертор должен соответствовать полностью.
Во вторую группу требований входят желательные – те, которые предъявляет к источнику питания сам пользователь. Несоответствие фактических свойств инвертора или какие-либо отклонения технических характеристик от желательных параметров никакого влияния на работу потребителя не оказывают.
К числу обязательных и одних из наиболее важных параметров инвертора эксперты относят форму выходного сигнала. Функционал простейших моделей позволяет преобразовывать постоянный ток аккумуляторной батареи в различные вариации так называемой «модифицированной» синусоиды, которая характеризуется не привычной формой в виде полуволн, а ступенчатой.
Стоимость таких вариантов преобразователей напряжения более демократичная. Однако сфера их применения несколько ограничена, поскольку не каждый электроприбор может питаться от ступенчатой синусоиды, даже если ее напряжение соответствует 220 В. Есть категории потребителей, для которых сигнал правильной синусоидальной формы принципиально важен. Именно поэтому форма выходного сигнала является одним из ключевых параметров для инвертора.
На этапе выбора важно понимать, с какими потребителями будет использоваться инвертор. Если это отопительный котел, насосы и другие электротехнические устройства с двигателями или трансформаторными блоками питания, с задачей может справиться лишь инвертор с выходным напряжением правильной формы.
В тех случаях, когда электроприбор оснащен импульсным блоком питания, синусоидальность выходного сигнала принципиального значения не имеет. Современные импульсные блоки питания надежны и совершенно некапризны. Некоторые компании-производители в рамках одной модели выпускают версию как с чистым синусом, так и с модифицированным.
В зависимости от конструкции и своего назначения инверторные преобразователи напряжения делятся на две большие группы:
- Ручные инверторы – это простейшие компактные устройства, которые пользователю необходимо включать в работу самостоятельно (вручную). Физические размеры большинства современных моделей достаточно компактные. Габариты устройств удалось уменьшить после того, как на силовые транзисторы перестали устанавливать радиаторы охлаждения. Функцию радиатора теперь выполняет алюминиевый корпус.
Ручные инверторы нашли широкое применение в быту. Кроме того, их нередко используют автолюбители: инвертор легко подключается к автомобильному аккумулятору и после нажатия кнопки готов обеспечивать потребителя стабильным напряжением 220 В синусоидальной или модифицированной формы (в зависимости от выбранной модели преобразователя). Спрос на них объясняется желанием автомобилистов пользоваться в салоне авто приборами, рассчитанными на переменное напряжение 220 В.
- Автономные инверторы (АИ) – это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, где коммутация тока происходит независимо от процессов во внешних электрических цепях. Эту функцию обеспечивают дополнительные коммутирующие устройства внутри самого преобразователя.
На выходе пользователь может получить переменный ток теоретически любой частоты, плавно регулировать от нуля до максимального значения частоту и напряжение.
Благодаря этому свойству автономные инверторы широко применяются в регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно применение автономных инверторов в тяговых электроприводах электровозов, электропоездов, тепловозов.
При рекуперативном торможении электродвигатели подвижного состава переводятся в генераторный режим. Благодаря энергии движущейся массы поезда генераторы вырабатывают электричество, которое через регулирующие и преобразующие устройства возвращается в тяговую сеть.
По способу управления АИ могут быть:
- самовозбуждаемые (самоуправляемые). В таких устройствах на управляющие электроды вентилей подаются отпирающие импульсы, которые формирует схема управления из выходного переменного напряжения. Такие преобразователи вместе с системой управления и нагрузкой формируют замкнутую автоколебательную систему.
- АИ с внешним возбуждением (управлением). В таких моделях в состав системы управления сходит задающий генератор переменного напряжения той или иной формы (синусоида, прямоугольники, короткие импульсы и т.д.).
Устройства этого типа более гибкие с точки зрения регулировки или стабилизации рабочей частоты. В них она полностью определяется задающим генератором, не зависит от параметров нагрузки и напряжения питания силовой части преобразователя.
По этой причине автономные инверторы с внешним возбуждением больше подходят для использования в установках вентильного электропривода и в автономных системах электроснабжения.
В числе преимуществ самовозбуждаемых АИ можно назвать простоту схемы управления и возможность автоматического изменения рабочей частоты при изменении параметров нагрузки, имеющей резонансный характер. Поэтому такие устройства устанавливаются в некоторые установки индукционного нагрева металлов.
Существует несколько различных схем силовой части автономного инвертора, отличающихся своими нагрузочными характеристиками, формой кривой выходного напряжения, числом фаз на выходе, способом соединения вентилей и условиями их работы и др. Однако основной особенностью каждой из них, во многом определяющей эти и другие характеристики АИ, является способ осуществления коммутации тока. Речи идет о способе перевода тока с одного вентиля на другой.
При мощности в несколько сот ватт транзисторы применяются реже и инверторы строятся с использованием вентилей с неполной управляемостью (тиристоров).
Принцип работы инверторных преобразователей напряжения достаточно прост. Его можно описать с помощью несложного алгоритма:
- Постоянное напряжение с источника питания подается на модуль обработки, где при помощи встроенного контроллера оно коммутируется с определенной частотой;
- На выходе коммутатора формируются прямоугольные импульсы нужной амплитуды, которые после этого поступают на блок фильтрации;
- После обработки импульсы приобретают вид классической синусоиды с амплитудой 220 В.
Частоту переключения в коммутаторе задают управляющие сигналы, поступающие с контроллера. Помимо регулирования напряжения, управляющий модуль синхронизирует частоту переключения выходных ключей коммутатора, а также обеспечивает защиту преоразующего устройства от перегрузок и коротких замыканий.
Выпрямительные устройства
Выпрямительные устройства, предназначенные для выпрямления переменного напряжения, изготавливаются на базе полупроводниковых диодов. В зависимости от используемой схемы эти приборы могут быть представлены в нескольких исполнениях:
- Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода и сопротивления. Схема классического устройства очень проста. В ней присутствует всего один диод. Так как этот элемент отличается односторонней проводимостью, то обеспечивает на выходе пульсирующее электрическое напряжение одной полярности. То есть диод пропускает лишь одну полуволну постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе.
Работа преобразователя при наличии низких частот в электрической сети с переменным током (например, при подсоединении к стандартной электросети 50 Гц) способствует формированию напряжения с большой пульсацией, что нежелательно. Для ее снижения приходится использовать различные индуктивно-емкостные фильтры. В преобразователях малой мощности обычно применяют самые простые емкостные фильтры, состоящие из конденсатора, включенного параллельно нагрузке.
Емкости конденсатора должно быть достаточно для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, соответствующее половине периода. Поэтому используются радиоэлементы, емкость которых составляет 2 000 – 5 000 мкФ. Это существенно увеличивает габариты преобразователей. Ведь электролиты с такой емкостью характеризуются большими габаритами.
С учетом этих особенностей и из-за низкого качества выпрямленного напряжения (значительного искажения синусоиды) на практике однополупериодный выпрямитель используется крайне редко
В случае использования такие устройства обычно устанавливают в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не вызывают беспокойства.
Однополупериодные преобразователи очень полезны при установке в импульсных блоках питания, которые функционируют на частотах 10-15 кГц. На этих частотах в большой емкости фильтра необходимости нет, а схема уже намного меньше влияет на качество выпрямления.
В качестве примера выпрямительного устройства можно привести зарядку от телефона. Поскольку она обеспечивает питание небольшой мощности, то в ней используется однополупериодная схема.
Преимущество однополупериодного преобразователя заключается в простой схеме. Для ее создания требуется немного деталей, что обеспечивает невысокую стоимость устройства. К числу недостатков можно отнести то, что используется энергия лишь положительных полупериодов входного сигнала, из-за чего у выпрямителя крайне низкий КПД.
- Двухполупериодный выпрямитель – это устройство (или контур), которое проводит ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Для выпрямления обоих полупериодов синусоиды в таком устройстве используются два диода, по одному на каждую половину цикла. Также в нем установлен трансформатор, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод.
Двухполупериодный выпрямитель похож на два однополупериодных.
Устройства этого типа бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная как схема Гретца.
Выпрямитель со средней точкой нуждается в более сложном исполнении силового трансформатора, хотя там используется в два раза меньше диодов, чем в мостовой схеме.
У двухполупериодного выпрямителя со средней точкой есть преимущества только перед моделью однополупериодного выпрямителя. К достоинствам такой схемы можно отнести:
- В процессе работы выполняется передача тока обоих потенциалов, что позволяет сохранить около 90% исходной энергии.
- Два диода распределяют нагрузку более равномерно. Тем самым они продлевают срок своей службы и существенно снижают нагрузку на всю схему.
- У двухполупериодного выпрямителя величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше, чем у однополупериодного устройства. Поэтому его схема предполагает сглаженную пульсацию тока, без использования высоковольтных емкостных конденсаторов.
К минусам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения число витков во вторичной обмотке трансформатора должно в два раза превышать количество, которое используется при реализации мостовой схемы. А это нерационально с точки зрения расходования медного провода.
В цепях бытовых и промышленных приборов наиболее распространен двухполупериодный мостовой выпрямитель. В состав электронного элемента входят:
- Трансформатор;
- Четыре полупроводниковых диода;
- Конденсатор сглаживания импульсов;
- Резистор в качестве дополнительного сопротивления.
Устройство этого типа работает по мостовой схеме:
- Полупроводниковые диоды образуют пары, собираясь при этом в контур;
- Одна сторона каждой пары соединяется с выводами вторичной обмотки трансформатора;
- Две другие стороны соединяются с цепью (нагрузкой) – резистором;
- В момент формирования первого полупериода первая пара диодов открывается и пропускает ток к нагрузочному резистору. При этом вторая диодная пара остается закрытой;
- Во время второго полупериода первая пара диодов закрыта. В работу вступают диоды второй пары. Они открываются и перенаправляют ток к резистору.
При такой работе диодов сохраняется эффект пульсации тока, который нивелируют при помощи емкостного конденсатора. Двухполупериодное мостовое выпрямление имеет одно важное преимущество перед схемами, которые реализуются с использованием меньшего количества диодов. Оно состоит в величинах обратного выпрямленного тока и напряжения. Эти величины превышают те же параметры в других схемах более чем в два раза. Это означает, что КПД у мостовой схемы выше.
К числу недостатков можно отнести количество диодов. Каждые из четырех диодов сохраняют в закрытом положении величину обратного напряжения, которое соответствует напряжению в однополупериодном выпрямителе. Таким образом, наличие четырех диодов не способствует снижению нагрузки обратного тока на вторичную обмотку.
Несмотря на имеющиеся недостатки, техническое решение на базе диодного моста получило более широкое распространение. Схема может быть смонтирована из четырех диодов, или такой вариант приобретается в сборке. Специалисты отдают предпочтение второму варианту, поскольку такая схема более компактна и занимает меньше места на печатной плате.
Двухтактное выпрямление тока применяется для работы с электродвигателями постоянного тока. Схема может быть реализована на большинстве электрических машин, которые оснащены щеточными узлами.
- Выпрямитель с удвоением напряжения. В процессе проектирования выпрямителей зачастую выясняется, что наибольшим весом, габаритами и стоимостью, по сравнению с другими элементами, входящими в схему выпрямителя, обладает силовой трансформатор.
Для уменьшения этих показателей выпрямителя, когда выпрямленное напряжение в несколько раз превышает напряжение питающей сети, целесообразно применять бестрансформаторные схемы выпрямителей с удвоением или умножением
напряжения.
Модель с удвоением напряжения называется выпрямитель Латура-Делона-Гренашера. Принцип работы устройства построен на поочередном заряде двух конденсаторов, соответственно, на положительном или отрицательном полупериоде. От однофазной мостовой схемы схема Латура-Делона-Гренашера отличается тем, что вместо двух диодов в нее включены два одинаковых конденсатора.
Для получения объективной оценки работы выпрямителя, необходимо учитывать его характеристики. В том числе:
- Номинальное значение тока на выходе. Он является результатом выпрямления, но его график не отличается идеально ровной формой. В качестве приемлемого значения рассматривается среднее значение выходного тока;
- Номинальное напряжение, представляющее собой среднее значение выходной величины;
- Значение питающего напряжения и частота тока. В большинстве случаев это напряжение 220 В с частотой 50 Гц;
- Пульсация или отклонение выходной величины от фиксированного значения. Именно этот показатель демонстрирует качество работы устройства;
- Частота пульсаций на выходе рассматриваемой схемы. Для оценки берется наиболее резко выраженная частота изменений. У модели с удвоением этот показатель в два раза превышает питающее напряжение;
- Коэффициент пульсаций. Его можно рассматривать в качестве показателя выпрямления выходного сигнала. Он равен отношению пиковой величины пульсации и среднего значения напряжения или электрического тока;
- Коэффициент фильтрации – это отношение коэффициентов пульсации на входе и на выходе фильтра.
Выпрямители могут быть построены по разным схемам. Приведенные характеристики позволяют сравнивать эффективность устройств разного исполнения.
Стабилизаторы напряжения
Чтобы защитить аппаратуру и организовать условия для ее бесперебойной работы, необходимо обеспечить стабильность показателей электросети. Изменения нагрузки неизбежно вызывают колебания в сети.
По оценкам специалистов, повышение напряжения всего на 10% может сократить срок службы электроприборов в четыре раза. Возросшее сопротивление нагрузки может стать причиной перегрева проводов, расплавления изоляции и короткого замыкания.
В отличие от реле напряжения, которые просто отключают сеть при выходе значения напряжения за рамки допустимых пределов, стабилизаторы выравнивают колебания напряжения и обеспечивают постоянство питающего тока.
Стабилизаторы напряжения гарантируют получение качественного питания для любой подключенной к выходу аппаратуры. Эти устройства не только защищают электрооборудование, повышая его надежность и срок эксплуатации, но и снижают вероятность возникновения пожара и даже позволяют экономить электричество.
По виду стабилизируемого напряжения эти устройства делятся на два типа. Первые устанавливаются в цепях постоянного тока, а вторые применяются в силовых сетях 220/380 В.
В зависимости от исполнения стабилизаторы бывают:
- Электромеханические. Конструкция устройств этого типа состоит из автотрансформатора и электромагнитного механизма с ползунком. При повышенном напряжении ползунок перемещается вниз и понижает напряжение. При пониженном всё происходит наоборот.
Благодаря высокой точности напряжения на выходе, подходят для обеспечения работы чувствительной аппаратуры: аудиотехники, медицинских и измерительных приборов.
В числе преимуществ электромеханического стабилизатора мощно назвать высокую точность поддержки выходного напряжения (до 2%), хорошую перегрузочную способность и плавное регулирование.
К недостаткам этого устройства специалисты относят высокий риск износа движущихся частей, большие габаритные размеры и вес (у более мощных моделей), а также требовательность к условиям эксплуатации. Температура в помещении, где установлен стабилизатор, должна находиться в диапазоне от -5 °С до +40 °С.
- Электронные. В отличие от релейных стабилизаторов, эти устройства не содержат механических или электромеханических компонентов, что улучшает их технические возможности. В процессе работы они издают меньше шума. Для преобразования напряжения в них применяются полупроводниковые элементы – тиристоры или симисторы.
В конструкцию также входит автотрансформатор, но графитовые щетки заменены на реле или полупроводники – силовые ключи. С их помощью включается необходимая обмотка, которая добавляет определенное количество вольт. Из-за ступенчатого регулирования точность стабилизации у разных моделей колеблется в пределах 5-10%.
Преимуществами электронных стабилизаторов напряжения принято считать компактный размер, отсутствие движущихся деталей, цифровое управление, быструю реакцию на изменения параметров электрической сети и возможность эксплуатации при температуре до -20 °С.
Одним из основных недостатков этих устройств специалисты называют низкую перегрузочную способность. Высокие нагрузки или короткое замыкание может вывести цифровые элементы из строя, поэтому при выборе оптимальной модели следует обращать внимание на варианты с хорошим запасом мощности.
Более высокая скорость и точность регулировки напряжения, бесшумность в работе, надежность и долгий срок службы обеспечивают широкое применение электронных стабилизаторов напряжения в домашних условиях для защиты бытовой нагрузки, не имеющей в своём составе электромоторов. Например, осветительных систем, телевизионной и кухонной техники.
Область применения этих устройств серьезно ограничивается отличием формы выходного напряжения от синусоидальной. К электронным стабилизаторам не рекомендуется подключать высокоточное чувствительное оборудование: устройства, в составе которых есть электродвигатель (системы отопления, насосы могут выйти из строя из-за неправильной формы кривой выходного напряжения), профессиональное аудио- и видеооборудование (ступенчатое переключение создает помехи, которые снижают качество звука и картинки), а также компьютерную технику, поскольку точности, которую дает ступенчатая регулировка напряжения, может оказаться недостаточно.
- Релейные стабилизаторы устроены на основе автотрансформатора, действующего по принципу коммутации напряжения с помощью силового реле. Измеряя напряжение на входе, устройство выполняет его ступенчатую регулировку за счет механического перемещения реле, что обеспечивает поддержание заданных величин выходного напряжения.
К числу преимуществ релейных стабилизаторов напряжения относится простота конструкции, компактные размеры и стойкость к перегрузкам. Они не издают сильного шума при работе (за исключением щелчков в момент срабатывания). Как правило, стабилизаторы этого типа неприхотливы, сохраняют работоспособность в диапазоне температур от -20 °С до +40 °С. Эксплуатация устройств осуществляется без специального обслуживания, риск перегрева во время работы сводится к минимуму.
С конструктивными особенностями релейных стабилизаторов связан и ряд недостатков. Поскольку регулирование напряжения осуществляется за счет механического перемещения реле, прибор срабатывает не мгновенно. Время реакции на резкий скачок напряжения может составлять около 10-20 мс. Казалось бы, не так уж и много, но для сложной современной техники этого может оказаться достаточно для возникновения сбоев. При частых срабатываниях реле быстро изнашиваются, в особенности у стабилизаторов дешевых моделей. Кроме того, у релейных стабилизаторов достаточно большая погрешность выходного сигнала.
Долгое время самыми эффективными стабилизаторами считались электронные модели. Так было до 2015 года, пока на рынке не появился принципиально новый продукт – инверторные стабилизаторы напряжения. С того момента, благодаря своим высоким техническим характеристикам, эти устройства завоевывают всё большую популярность, вытесняя с полок трансформаторные модели предыдущих поколений.
В отличие от электромеханических, релейных и электронных моделей в конструкции инверторных приборов нет автотрансформатора и сопряженных с ним коммутационных компонентов. Вместо них, на базе полупроводниковых элементов, реализована электронная схема. В число ее главных компонентов входят: выпрямитель, инвертор, управляющий микроконтроллер и промежуточные конденсаторы, выполняющие функцию накопителей энергии.
В силовой схеме инверторных моделей отсутствуют массивные металлические элементы и коммутационное оборудование, что снижает вес устройства и его габариты. Еще одна особенность конструкции этих устройств состоит в полном отсутствии подвижных деталей, склонных к механическому износу, что обеспечивает большой рабочий ресурс.
Работа инверторных стабилизаторов напряжения построена на основе применяемого в топологии источников бесперебойного питания (ИБП) online принципа двойного преобразования энергии, которое осуществляется в три этапа:
- Выполняется первое преобразование энергии. Выпрямитель переводит входное переменное напряжение в промежуточное постоянное, которое после этого поступает в накопитель-конденсатор, а затем на инвертор.
- Конденсатор, который выполняет роль промежуточного накопителя энергии, накапливает электрический заряд. Это обеспечивает непрерывность стабилизации напряжения и отсутствие задержек при реагировании на колебания сети даже при резком перепаде напряжения.
- На этом этапе инвертор производит второе преобразование энергии. Промежуточное постоянное напряжение он трансформирует обратно в переменное, но уже с нужными техническими характеристиками.
Важной особенностью этой схемы эксперты называют безостановочное регулирование входного напряжения и связанное с этим отсутствие задержек при реагировании на его малейшие колебания. Для выполнения своей функции стабилизатору с двумя последовательными преобразованиями не требуется совершать какие-либо дополнительные действия помимо непрерывной работы выпрямителя и инвертора, не зависящей от качества питающей сети.
В число преимуществ инверторных стабилизаторов входят:
- Мгновенная стабилизация напряжения;
- Широкий диапазон входного напряжения;
- Стабилизация напряжения с точностью 2%;
- Бесступенчатое регулирование входного напряжения;
- Синусоидальная форма выходного напряжения;
- Бесперебойная работа нагрузки;
- Широкий диапазон входной частоты.
Основными недостатками этих устройств является высокая стоимость и невозможность работать при минусовых температурах окружающей среды.
Низковольтные выключатели
Низковольтные выключатели предназначены для проведения тока в нормальном режиме и автоматической защиты (отключения) электрических цепей при перегрузках, недопустимом снижении или исчезновении напряжения, изменении направления тока и мощности, коротких замыканиях и т.п. Кроме того, это оборудование может использоваться для нечастых оперативных коммутаций цепей.
Конструкции, параметры и защитные функции выключателей отличаются большим разнообразием. По быстродействию эти устройства делятся на нормальные (с выдержкой времени на отключение) и токоограничивающие. В отдельную группу следует выделить выключатели гашения поля.
Эти устройства используются в цепях возбуждения крупных электрических машин, когда необходимо быстро свести к нулю магнитное поле обмотки возбуждения в случае возникновения внутри машины короткого замыкания из-за нарушения изоляции.
Низковольтные предохранители
Низковольтные предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических сетей и оборудования от токов КЗ в низковольтных электроустановках за счет автоматического отключения от электросети.
Предохранители содержат специальную вставку постоянного или переменного сечения. В случае короткого замыкания в плавких предохранителях она плавится, во взрывных – взрывается, прекращая подачу электроэнергии. После срабатывания производится замена вставок и устройство вновь готово к работе.
По конструктивному исполнению предохранители делятся на закрытые (вставка расположена в закрытом патроне) и насыпные (вставка находится в патроне, полностью заполненном мелкозернистым наполнителем).
Помимо традиционных предохранителей, которые начали использоваться с появлением электрических сетей, в особую группу можно выделить жидкометаллические самовосстанавливающиеся предохранители.
В таких устройствах функцию плавкого элемента выполняет жидкий металл, которым заполняется канал в герметизированном и вакуумированном патроне. При срабатывании устройства металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Внутри патрона возникает давление, которое через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя. В результате такого воздействия происходит отключение электрической цепи. Через 0,5-2 мс пары металла переходят в жидкое состояние, и предохранитель вновь готов к работе.
При срабатывании такого предохранителя металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Возникающее при этом в патроне давление через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя, который и осуществляет отключение электрической цепи. Сразу же после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5–2 мс) и предохранитель готов к повторному срабатыванию.
Низковольтные комплектные устройства
Низковольтные комплектные устройства (НКУ) – это набор электрощитового оборудования, состоящий из низковольтной аппаратуры, устройств управления, измерения, сигнализации, защиты, регулирования и т.п., смонтированных на единой конструкторской основе со всеми механическими соединениями и конструктивными элементами. Отличительной чертой НКУ является то, что они полностью смонтированы производителем в рамках единой конструкции.
Такие устройства предназначены для приема, распределения и учёта электроэнергии трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением 0,4 кВ и 0,69 кВ в сетях с глухозаземленной или изолированной нейтралью, управления электроэнергетическим оборудованием, а также его защиты от токов КЗ и перегрузок.
НКУ используются в составе систем энергоснабжения, управления и автоматики, где они выполняют функцию распределительных щитов, силовых распределительных пунктов, шкафов управления и автоматики. Кроме того, низковольтные комплектные устройства применяются в качестве распределительных устройств со стороны низкого напряжения на трансформаторных подстанциях.
В зависимости от специфики применения НКУ делятся на несколько видов:
- Вводно-распределительные устройства (ВРУ) предназначены для ввода электроэнергии на объект и ее первоначального распределения. Служат для электроснабжения жилых домов, общественных зданий, коммунальной инфраструктуры, коммерческой недвижимости и промышленных объектов. Кроме того, они выполняют функцию защиты отходящих и подходящих линий от длительных перегрузок и токов короткого замыкания.
- Главный распределительный щит (ГРЩ) – ключевое звено в системе электроснабжения низкого напряжения, от которого зависит бесперебойность и работоспособность всей системы питания объекта.
ГРЩ обеспечивает защиту силового трансформатора и отходящих линий электропитания, в нештатных ситуациях с его помощью можно управлять нагрузками.
При сбоях в энергоснабжении ГРЩ (при наличии АВВ) автоматически переключает потребителей на резервное питание и возвращается в исходное положение при восстановлении подачи электроэнергии.
Схемы главных распределительных щитов отличаются большим разнообразием. Особенности их построения зависят от количества вводов, отходящих линий, наличия АВР и приборов учета электроэнергии. Объединяет их одно: они все состоят из вводных рубильников, устройств защиты входной сети и отходящих линий.
Схема ГРЩ на два рабочих ввода включает в себя несколько функциональных элементов. Сборная конструкция состоит из распределительной, вводной и секционной панели. В роли секционных и вводных аппаратов могут выступать как автоматические выключатели, так и выключатели-разъединители. В схемы ГРЩ всегда необходимо закладывать запас по мощности и на дальнейшее развитие инфраструктуры здания.
Для переключения нагрузок между основным и резервным питанием используются системы автоматического ввода резерва (АВР). Независимо от исполнения, блоки, шкафы или АВР принято классифицировать по следующим характеристикам:
- количество резервных секций. На практике чаще других вариантов используются АВР на два ввода. Но для обеспечения высокой надежности энергоснабжения может быть задействовано и большее количество линий;
- тип сети. Большинство устройств предназначено для коммутации трехфазного питания. Однако на практике нередко встречаются также и однофазные блоки АВР. Например, они устанавливаются в бытовых электросетях для запуска двигателя бензинового или дизельного генератора;
- класс напряжения;
- мощность коммутируемой нагрузки;
- время срабатывания.
- Распределительный щит (РЩ). Комплектное устройство устанавливается в квартире, на лестничной клетке или в доме, в производственных помещениях, офисах и торгово-развлекательных комплексах. Является неотъемлемой частью электропроводки любого помещения.
Распределительные щиты выполняют функции распределения и учета электричества на определенных участках электросети.
По способу монтажа эти устройства делятся на три типа:
- накладные модели монтируются непосредственно на стену, опору или любую другую строительную конструкцию. Отличительная особенность таких щитков состоит в том, что их корпус полностью находится снаружи;
- встраиваемые щитки устанавливаются в предварительно подготовленную нишу в стене. Их корпус утоплен в стену, снаружи видна только крышка-дверца;
- напольные модели устанавливаются на поверхность пола или монтируются на специальной подставке.
В зависимости от места установки распределительные щиты бывают внутренней и наружной установки. Тип монтажа внутри помещения зависит от конструкции комплектного устройства. Место установки вне помещений зависит от степени защиты корпуса:
- IP20, IP30 – щиты, предназначенные для монтажа внутри помещений с нормальным уровнем влажности, поскольку их корпус не защищен от влаги. Имеют низкую степень защиты от посторонних предметов;
- IP44, IP54 – распределительные щиты характеризуются более высокой степенью защиты от посторонних предметов. Защищены от проникновения влаги внутрь корпуса, устанавливаются в помещениях с повышенной влажностью, а также вне помещений, но при условии защиты от попадания струй воды;
- IP55, IP65 – оборудование, предназначенное для установки в помещениях с агрессивной средой. Корпус защищен от пыли и проникновения инородных тел, попадания влаги, дождя и мощных струй воды. Щит может быть установлен вне помещений без дополнительной защиты.
Вне помещений устанавливаются щиты с корпусами накладного и напольного типов. Комплектные устройства монтируются на стенах зданий, сооружений, на опорах и подставках, чтобы распределять подачу электроэнергии на
соответствующем участке.
Корпуса электрических щитов изготавливаются из пластика или металла. Пластиковые боксы предназначены для установки небольших распределительных щитков внутри помещений. Бокс оснащен прозрачной крышкой для удобства контроля состояния защитной аппаратуры и других устройств.
Металлический корпус распределительных щитов может быть полностью изготовлен из металла, а может быть оборудован вставками из прозрачного пластика или стекла. Это позволяет контролировать режим работы различных устройств и снимать показания приборов учета электроэнергии не открывая крышку щита.
DIN-рейки для монтажа аппаратуры во всех распределительных щитах, независимо от материала корпуса, изготовлены из металла. Металлические корпуса устройств комплектуются специальными монтажными панелями, на которые может быть установлено необходимое оборудование и модульная аппаратура.
- Щит автоматического ввода резерва (ЩАВР) – комплектное устройство, которое предназначено для обеспечения бесперебойного питания различного оборудования. Подключается при отключении основной питающей линии, выполняет функцию автоматического переключения между несколькими независимыми источниками электроэнергии, тем самым обеспечивая безаварийную работу предприятий в случае возникновения нештатных ситуаций.
Корпус комплектного устройства изготавливается из огнеупорного термопласта или металла. Внутренняя компоновка щита подбирается индивидуально, в зависимости от специфики эксплуатации электрооборудования. Как правило, внутри устанавливаются реле контроля напряжения и управляющая аппаратура. Щиты могут быть оснащены одним или двумя контрольными реле.
- Щит автоматики и управления (ЩАУ) предназначен для полной автоматизации производственных процессов, обеспечивает управление и контроль работы исполнительных механизмов различного технологического оборудования. Одной из функций устройства является защита этого оборудования от внештатных ситуаций. В зависимости от конкретного назначения может иметь собственную классификацию.
Понижающие трансформаторы
Большинство бытовых электроприборов работает от сети питания 220 В. Достаточно часто возникают ситуации, когда необходимо понизить это напряжение до определенного значения, чтобы запитать низковольтных потребителей. Чтобы