Стандарт напряжения в России
Потребляющее однофазный электрический ток оборудование (бытовое, промышленное, телекоммуникационное) рассчитано на обеспечение необходимых технико-экономических показателей только при электричестве, которое подходит под требования стандарта, установленного для однофазного вольтажа в отечественных электросетях:
- номинальное действующее значение на фазе – 230 В с допустимым отклонением ±10%;
- частота – 50 Гц с допустимым отклонением ±0,2 Гц.
Кривая напряжения с этими параметрами на рисунке 1.
Рис. 1
Многие электроприборы, например, техника it-систем или энергозависимые газовые котлы отрицательно реагируют даже на допустимое ГОСТом отклонение в 10%.
Распространённое решение для обеспечения энергоснабжения требуемого качества и защиты электрооборудования от сетевых скачков и колебаний – установка стабилизатора напряжения.
На рынке электрооборудования представлен большой выбор устройств разных типов и производителей, но какие из них лучшие сразу понять трудно. Они отличаются по принципу регулирования и другим техническим характеристикам: быстродействию, точности и диапазону стабилизации напряжения, уровню шума, габаритам, массе и другим параметрам.
Инженеры ГК «Штиль» провели ряд испытаний, чтобы сравнить работу различных стабилизаторов и выявить лучший из них. В ходе экспериментов имитировались проблемы электроснабжения:
- кратковременные обрывы питания;
- перепады и скачки напряжения;
- гармонические искажения;
- питание от генератора;
- перегрузка.
В экспериментах применялись три модели:
- «стабилизатор «Штиль» IS550 инверторного типа (мощность 550 ВА);
- с двойным преобразованием от другого отечественного производителя (мощность 400 ВА);
- релейный стабилизатор отечественного производителя (мощность 550 ВА).
Рассмотрим каждый эксперимент подробно.
Опыт 1. Сетевые колебания
Проблема: резкие изменения амплитуды вольтажа и его действующего значения, длящиеся обычно от нескольких миллисекунд до одной минуты.
Цель: определить, какой лучший однофазный стабилизатор для защиты от сетевых колебаний.
Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями показана на рисунке 2.
Рис. 2 – границы амплитуды, соответствующей номинальному значению, обозначены пунктирной линией, каждое колебание выделено красным цветом
Причины проблемы: источники сетевых колебаний могут могут быть природного или техногенного происхождения. Наиболее часто они возникают при смене режима (включение/выключение) мощных электроприёмников.
Дополнительное оборудование: демонстрационный стенд «Штиль» ДРС-001 (рисунок 3), тестируемые изделия, осциллографы (ОЦ 1 и 2).
Рис. 3
Описание опыта: питание от подключенного к сети демонстрационного стенда. Амплитуда выходного напряжения стенда меняется в ручном режиме, что имитирует сетевые колебания сетевого на входе стабилизатора (рабочий диапазон моделируемых в рамках опыта колебаний – 140-260 В).
Схема испытания приведена на рисунке 4.
Рис. 4 – Схема исследования 1 (тестирование при колебаниях на входе)
|
ОЦ 1 фиксирует перепады на его входе, ОЦ 2 – состояние сигнала на выходе. Показания осциллографа 1 при ручном изменении амплитуды напряжения на выходе стенда «Штиль» ДРС-001 представлены на рисунке 5. |
Рис. 5 – Данные ОЦ 1 |
Описание работы тестируемых моделей при данных колебаниях и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа при колебаниях | Данные осциллографа 2 |
| Инверторный «Штиль» | Коррекция амплитуды входного сигнала и обеспечение на выходе вольтажа с номинальным значением |
 |
|
Инверторный другого российского производителя |
Коррекция амплитуды входного напряжения, выходное с отклонением, равным приблизительно 10% от номинала |
|
| Релейный | Передача колебаний на выход без коррекции. В процессе опыта у устройства наблюдались проблемы с работой индикации, а именно её кратковременное выключение |
 |
Лучшими стали инверторные. Они справились с колебаниями сетевого напряжения, однако точности прибора стороннего производителя, в отличие от точности прибора «Штиль», может не хватить для успешной защиты современной электроники и автоматики.
Релейный оказался не лучшим. Он не смог сгладить входные колебания – на практике полученный от него вольтаж с большой погрешностью окажет вредоносное воздействие на различное бытовое и промышленное электрооборудование (особенно на изделия с электродвигателем), а также приведёт к мерцанию светильников, что представляет опасность для глаз человека.
Опыт 2. Кратковременные провалы сети
Проблема: непродолжительное снижение (прерывание) сетевого сигнала вплоть до 0 В с последующим его возвращением к действующему в этой сети значению. Такую ситуацию можно рассматривать как случай наиболее экстремального колебания.
Цель: понять, какой лучший стабилизатор при кратковременном обрыве питания.
Кривая напряжения с кратковременным провалом приведена на рисунке 6.
Рис. 6 – Кривая с кратковременным провалом (выделен красным цветом)
Причины проблемы: кратковременные провалы обычно вызываются либо авариями и неисправностями в электросети, либо запуском мощных потребителей электроэнергии.
Дополнительное оборудование: источник постоянного напряжения – 12 В, транзистор, реле, адаптер интерфейса RS-485, персональный компьютер (ПК) с управляющим ПО, нагрузка, осциллографы.
Описание: подключение к сети через реле, соединённое с источником напряжения 12 В. Между реле и источником установлен транзистор, который при получении управляющего сигнала от ПК вызывает срабатывание реле, приводящее к кратковременному прерыванию подачи питания на входе стабилизатора.
Схема исследования 2 приведена на рисунке 7.
Рис. 7 – Схема опыта 2 (тестирование при провалах электроэнергии)
|
ОЦ 1 фиксирует провал на входе стабилизатора, ОЦ 2 – состояние на выходе. Показания ОЦ 1 при возникновении в результате срабатывания реле кратковременного провала представлены на рисунке 8. |
Рис. 8 – Данные ОЦ 1 |
Описание состояния теста при данном провале и данные на осциллографе 2 приведены в таблице ниже.
| Тестируемая модель | Работа при кратковременном сетевом провале | Данные осциллографа 2 |
| Инверторный «Штиль» | Нейтрализация провала и обеспечение выходного сигнала необходимого качества |
|
| Инверторный другого российского производителя | Выключение и обесточивание электротехники |
|
| Релейный | Передача сетевого провала на выход без нейтрализации |
|
Лучшим стабилизатором оказался прибор бренда «Штиль». Он полностью исключил влияние кратковременного провала входного сигнала на состояние выхода. Релейник, наоборот, оказался не лучшим. Он показал медленную реакцию. Он не успел переключить обмотки с помощью силовых реле и странслировал провал на выход, что в реальной ситуации негативно скажется на функционировании чувствительной электротехники, например, электронных компонентов энергозависимого газового котла.
Выключение, выполненное стабилизатором двойного преобразования от стороннего производителя, стало худшим развитием событий. Некоторые потребители электроэнергии (например, компьютеры и серверы) снабжаются импульсными блоками питания. Их схема позволяет работать при кратковременных прерываниях электроснабжения. Но если отключится стабилизатор, установленный в цепи перед таким блоком, то отключится и сам блок. Поэтому для нагрузки с импульсным блоком питания модель, неустойчивая к кратковременным сетевым провалам, окажется не просто бесполезна, а даже вредна (без неё оборудование работало бы, а с ней – будет отключаться после каждого провала).
Опыт 3. Несинусоидальное входное напряжение
Проблема: отклонение сетевого сигнала от синусоидальной формы. Пример несинусоидального напряжения приведён на рисунке 9.
Цель: понять, какой лучший стабилизатор для защиты от гармонических искажений.
Рис. 9 – Пример несинусоидальной формы (она характерная для выхода ИБП off-line типа, представлена в красном цвете, а кривая идеальной синусоиды – в синем)
Причины проблемы: в основном нарушение синусоидальности происходит из-за электроприборов, потребляющих несинусоидальный ток и называемых нелинейной нагрузкой (полупроводниковые преобразователи, индукционные печи, сварочные установки). Выходное вольтаж с искривленной синусоидой также встречается у большинства вырабатывающих электроэнергию генераторов, а также у ряда источников бесперебойного питания в автономном режиме.
Дополнительное оборудование: источник бесперебойного питания off-line типа, нагрузка, осциллографы.
Описание: подключение к питаемому от сети ИБП, который после отключения электроэнергии переходит в автономный режим и начинает подавать на вход тестируемого прибора несинусоидальный сигнал. Испытание проводилось как с нагрузкой, так и без неё, что позволило проанализировать работу стабилизатора с модифицированной синусоидой двух типов.
Схема исследования 3 приведена на рисунке 10.
Рис. 10 – Схема опыта 3 (тестирование при несинусоидальном входном напряжении)
|
ОЦ 1 фиксирует форму напряжения на входе стабилизатора, ОЦ 2 – его форму на выходе. Показания ОЦ 1 при переходе ИБП в автономный режим и отсутствии/наличии нагрузки представлены на рисунках 11 и 12. |
Рис. 11 и 12 – Слева показания ОЦ 1 после подключения нагрузки (форма приходящего от ИБП напряжения сгладилась, но осталась несинусоидальной), справа – при её отсутствии |
Описание состояния изделий при несинусоидальном входном напряжении и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа при несинусоидальном входном напряжении | Данные осциллографа 2 |
| Инверторный «Штиль» | В обоих случаях обеспечен чистый синус на выходе |
|
| Инверторный другого российского производителя |
Отключение и обесточивание электрооборудования |
 |
| Релейный | При максимальном отклонении входного сигнала от синусоиды – сигнализирование об ошибке и периодическое отключение/включение. При менее критичном отклонении – более устойчивая работа, без самопроизвольных выключений. Выходное напряжение оба раза имело несинусоидальную форму и увеличенную амплитуду по сравнению с входной |
 |
Лучшим оказался инверторный стабилизатор «Штиль». Он восстановил форму питающего напряжения и довел её до идеальной синусоиды, что позволяет рассматривать данный прибор как действенное средство защиты от несинусоидальных искажений напряжения в сетях переменного тока.
Не лучшим стал релейный. Он не смог исправить форму входного сигнала, следовательно, он не подойдёт для решения задач по снижению несинусоидальности, возникающих, например, в связке газового котла и ИБП с модифицированной синусоидой.
Ситуацию с отключением прибора с двойным преобразованием от стороннего производителя можно трактовать двояко. С одной стороны, устройство защищает подключенное оборудование от воздействий несинусоидальности. С другой – отключает его, что может повлечь как минимум бытовой дискомфорт, а в случае ответственной техники привести и к более масштабным негативным последствиям (срыв производственного процесса, потеря несохраненных данных на сервере).
Опыт 4. Питание от генератора
Проблема: низкое качество вырабатываемой электроэнергии у большинства топливных генераторов, характеризующихся отклонениями вольтажа по форме и частоте. Чтобы это решить, можно подключить после генератора стабилизатора напряжения. Однако далеко не каждый из них окажется эффективен в паре с генератором.
Цель: понять, какой лучший стабилизатор для генераторной установки.
Дополнительное оборудование: генератор с двигателем внутреннего сгорания, допускающий ручное изменение частоты выходного напряжения, нагрузка, осциллографы.
Описание: организация питания от агрегата. Его выходная частота в ходе эксперимента меняется в диапазоне 40-60 Гц с шагом 1 Гц.
Схема опыта 4 приведена на рисунке 13.
Рис. 13 – Схема опыта 4 (тестирование при совместной работе с генератором)
|
ОЦ 1 фиксирует частоту и форму сигнала на входе стабилизатора, ОЦ 2 – частоту и форму на выходе. Показания осциллографа 1 при работающем генераторе представлены на рисунке 14. |
Рис. 14 – Показания ОЦ 1 при работающем генераторе |
Описание состояния изделий при подключении к данному генератору и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
| Тестируемая модель | Работа с генератором | Данные осциллографа 2 |
| Инверторный «Штиль» |
Если частота в пределах 43-57 Гц – исправление формы входного сигнала до идеальной синусоиды, без регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение |
|
|
Инверторный другого российского производителя |
Отключение и обесточивание подключенных электроприборов |
|
| Релейный | Если частота в пределах 48-52 Гц – передача входного напряжения на выход, без исправления формы и регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – выключение |
 |
В этом эксперименте лучший стабилизатор – от ГК «Штиль». Его выходное напряжение имело форму чистой синусоиды и частоту, аналогичную частоте на входе. Такой результат позволяет рекомендовать этот прибор для улучшения качества поступающей от генератора электроэнергии. Однако следует понимать – не каждая техника сможет работать со всеми значениями частоты, входящими в допустимый для этого стабилизатора диапазон!
Релейник не оказал никакого влияния на качество приходящей от генератора электроэнергии. Вольтаж, зафиксированный на его выходе, не подойдет для многих электроприборов и может привести к нарушениям их функционирования. Например, у электродвигателей, входящих в состав различных бытовых приборов, возрастут вибрации и снизится КПД, а более чувствительная электроника газового котла или системы «умный дом» вообще отключится.
В этом эксперименте не лучшим оказался прибор с двойным преобразованием от стороннего производителя. Устройство не готово к устойчивой работе совместно с генераторной установкой, реализованном на базе двигателя внутреннего сгорания.
Опыт 5. Перегрузка
Проблема: перегрузка стабилизатора возникает не только при нагрузке, превышающей его выходную мощность, но и при номинальной в случае сильного снижения сетевого сигнала или воздействия высоких пусковых токов.
Цель: понять, какой лучший стабилизатор при перегрузках.
Дополнительное оборудование: резистивная нагрузка с регулируемой потребляемой мощностью (за счёт ручного включения дополнительных ТЭНов), осциллограф.
Описание: подключение напрямую к входной сети и соединение с техникой, потребляемая мощность которой постепенно увеличивается и доводится до значения, вдвое превышающего номинальную выходную мощность стабилизатора.
Схема эксперимента 5 приведена на рисунке 15.
Рис. 15 – Схема опыта 5 (тестирование при перегрузке)
Описание состояния изделий приведено в таблице ниже.
| Тестируемая модель | Работа с перегрузкой | ||
| 600 Вт | 800 Вт | 1000 Вт | |
| Инверторный «Штиль» | Сигнализирование о перегрузке и функционирование более 30 секунд | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 25 секунд, затем отключение | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 10 секунд, затем отключение |
|
Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия перегрузки запускается в автоматическом режиме |
|||
| Инверторный другого российского производителя |
Кратковременное сигнализирование о перегруженности, затем отключение. После устранения проблемы автоматически не запускается |
||
| Релейный | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 30 секунд, затем выключение | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 15 секунд, затем выключение | Моментальное отключение |
|
Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После устранения автоматически не запускается |
|||
Лучший стабилизатор – «Штиль» IS550. Он готов к работе с перегрузкой даже при двукратном превышении его выходной мощности. На практике подобные ситуации могут произойти, например, при включении холодильника, стиральной машины, насоса и прочего оборудования с высоким пусковым током. Релейный стабилизатор тоже выдерживает перегрузки, но меньшие по номиналу и продолжительности.
Изделие с двойным преобразованием от стороннего производителя оказалось не лучшим. Он показал полное отсутствие перегрузочной способности. Дополнительные испытания показали, что устройство не работает даже при нагрузке, минимально превышающей его номинальную мощность.
Любая перегруженность, независимо от величины и продолжительности, является аварийным режимом. Поэтому его не следует постоянно эксплуатировать с электротехникой, потребляемая мощность которой больше его номинала, даже если прибор способен питать её в течение длительного промежутка времени.
Общий вывод
Результаты экспериментов показывают, что лучшие стабилизаторы напряжения – это модели бренда «Штиль». Они надёжные и обеспечивают самый высокий уровень защиты, нейтрализуют различные негативные воздействия электросети и способны повысить общее качество энергии. Их можно установить в жилых помещениях, не вызывая дискомфорта для пользователей. Они обладают защитой от перегруженности, перегрева, импульсных всплесков и других проблем. У более мощных однофазных и трехфазных моделей имеется цифровой дисплей для отслеживания состояния системы. Однако они имеют более высокую цену по сравнению с релейными и электромеханическими стабилизаторами. Их стоимость зависит от выходной мощности и дополнительных функций.
Релейный в ходе каждого эксперимента транслировал возмущающее воздействие на выход, поэтому данный прибор будет успешно работать только с оборудованием, не требовательным к характеристикам электропитания (в связи с повсеместным использованием чувствительных электронных компонентов количество таких потребителей постоянно снижается).
Инверторный стороннего производителя показал низкую эффективность работы и в четырёх из пяти экспериментах не смог обеспечить питание электротехники.