Стандарт сетевого напряжения в России
Потребляющее однофазный электрический ток оборудование (бытовое, промышленное, телекоммуникационное) рассчитано на работу и обеспечение максимальных технико-экономических показателей только при напряжении, соответствующем требованиям стандарта, установленного для однофазного напряжения в отечественных электросетях:
- номинальное действующее значение – 230 В с допустимым отклонением ±10 %;
- частота – 50 Гц с допустимым отклонением ±0,2 Гц.
Кривая напряжения с указанными параметрами представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Кривая напряжения, соответствующая требованиям установленного стандарта
Более того, многие устройства, например, техника IT-систем или энергозависимые газовые котлы, отрицательно реагируют даже на допустимое ГОСТом отклонение в 10%.
Одно из наиболее распространённых решений для обеспечения требуемого качества энергоснабжения и, как следствие, защиты электрооборудования от скачков и колебаний напряжения в сети – установка стабилизатора напряжения.
Сегодня на рынке электрооборудования представлен большой выбор стабилизаторов различных типов и от различных производителей. Они отличаются по принципу регулирования напряжения, а соответственно по основным техническим характеристикам: быстродействию, точности и диапазону стабилизации, уровню шума, габаритам, массе и другим параметрам. Как следствие, не все стабилизаторы одинаково эффективны и надежны в работе.
Инженеры ГК «Штиль» провели ряд практических опытов с целью сравнить работу различных стабилизаторов напряжения в ситуациях, имитирующих наиболее распространённые проблемы электроснабжения (кратковременное пропадание сетевого напряжения, скачки напряжения, модифицированную форму входного напряжения, работу от генератора, перегрузку) и выявить лучший стабилизатор напряжения. Тестируемыми стабилизаторами в каждом опыте являются:
- инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 (мощность 550 ВА);
- инверторный стабилизатор другого отечественного производителя (мощность 400 ВА);
- релейный стабилизатор отечественного производителя (мощность 550 ВА).
Далее представлено детальное рассмотрение каждого опыта с последующими выводами.
Опыт 1. Работа стабилизаторов при колебаниях сетевого напряжения
Описание проблемы: резкие изменения амплитуды сетевого напряжения и, соответственно, его действующего значения, длящиеся обычно от нескольких миллисекунд до одной минуты.
Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения (границы амплитуды, соответствующей номинальному значению напряжения, обозначены пунктирной линией, каждое колебание выделено красным цветом)
Причины проблемы: источником сетевых колебаний могут стать десятки причин как природного, так и техногенного происхождения, но наиболее часто подобные явления возникают при смене режима работы (включение/выключение) мощных электроприёмников.
Используемое оборудование: демонстрационный стенд «Штиль» ДРС-001 (рисунок 3), тестируемые стабилизаторы, осциллографы.
Рисунок 3 – Стенд для проверки характеристик стабилизаторов
Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от подключенного к сети демонстрационного стенда. Амплитуда выходного напряжения стенда меняется в ручном режиме, что имитирует колебания сетевого напряжения на входе стабилизатора (диапазон моделируемых в рамках опыта колебаний – 140-260 В).
Схема опыта 1 приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема опыта 1 (тестирование работы стабилизаторов при колебаниях входного напряжения)
|
Осциллограф 1 фиксирует колебания напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения. Показания осциллографа 1 при ручном изменении амплитуды напряжения на выходе стенда «Штиль» ДРС-001 представлены на рисунке 5. |
Рисунок 5 – Показания осциллографа 1 |
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данных колебаниях и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа при колебаниях сетевого напряжения | Показания осциллографа 2 |
| Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 | Коррекция амплитуды входного напряжения и обеспечение на выходе напряжения с номинальным значением |
 |
|
Инверторный стабилизатор другого российского производителя |
Коррекция амплитуды входного напряжения, выходное напряжение с отклонением, равным приблизительно 10% от номинала |
|
| Релейный стабилизатор российского производителя | Передача колебаний на выход без коррекции. В процессе опыта у устройства наблюдались проблемы с работой индикации, а именно её кратковременное отключение |
 |
Инверторные стабилизаторы справились с колебаниями сетевого напряжения, однако точности прибора стороннего производителя, в отличии от точности прибора «Штиль», может не хватить для успешной защиты современной электроники и автоматики. Релейный стабилизатор не смог сгладить входные колебания – на практике полученное от него напряжение окажет отрицательное влияние на различное бытовое и промышленное электрооборудование (особенно на изделия, имеющие в составе электродвигатель), а также приведёт к мерцанию осветительных приборов, что представляет опасность для глаз человека.
Опыт 2. Работа стабилизаторов при кратковременном провале сетевого напряжения
Описание проблемы: непродолжительное снижение (прерывание) сетевого напряжения вплоть до 0 В с последующим его возвращением к действующему в этой сети значению. Данную ситуацию можно рассматривать как случай наиболее экстремального сетевого колебания.
Кривая напряжения с кратковременным провалом приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Кривая входного напряжения с кратковременным провалом (провал выделен красным цветом)
Причины проблемы: кратковременные провалы обычно вызываются либо авариями и внешними воздействиями на электросеть, либо запуском мощных потребителей электроэнергии.
Используемое оборудование: источник постоянного напряжения – 12 В, транзистор, реле, адаптер интерфейса RS-485, персональный компьютер (ПК) с управляющим ПО, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: тестируемый стабилизатор подключен 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 напряжения на входе стабилизатора.
Схема опыта 2 приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема опыта 2 (тестирование работы стабилизаторов при провалах входного напряжения)
|
Осциллограф 1 фиксирует провал напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения. Показания осциллографа 1 при возникновении в результате срабатывания реле кратковременного провала напряжения представлены на рисунке 8. |
Рисунок 8 – Показания осциллографа 1 |
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данном провале и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор |
Работа при кратковременном провале сетевого напряжения |
Показания осциллографа 2 |
| Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 | Нейтрализация провала и обеспечение выходного напряжения, отвечающего всем требованиям стандартов |
|
| Инверторный стабилизатор другого российского производителя | Отключение и обесточивание нагрузки |
|
| Релейный стабилизатор российского производителя | Передача сетевого провала на выход без нейтрализации |
|
Инверторный стабилизатор «Штиль» полностью исключил влияние кратковременного провала входного напряжения на состояние выходного напряжения. Релейный стабилизатор, наоборот, странслировал провал на выход, что в реальной ситуации негативно скажется на функционировании чувствительной нагрузки, например, электронных компонентов энергозависимого газового котла.
Отключение, продемонстрированное инверторным стабилизатором стороннего производителя, можно считать наиболее худшим развитием событий. Дело в том, что некоторые потребители электроэнергии, в частности компьютеры и серверы, снабжаются импульсными блоками питания, схема которых позволяет работать при кратковременных прерываниях питающего напряжения. Но если отключится стабилизатор, установленный в цепи перед таким блоком, то отключится и сам блок. Следовательно, для нагрузки с импульсным блоком питания стабилизатор, неустойчивый к кратковременным сетевым провалам, окажется не просто бесполезен, а вреден (без него нагрузка работала бы, а с ним – будет отключатся после каждого сетевого провала).
Опыт 3. Работа стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении
Описание проблемы: отклонение сетевого напряжения от синусоидальной формы. Пример несинусоидального напряжения приведён на рисунке 9.
Рисунок 9 – Пример сетевого напряжения несинусоидальной формы (несинусоидальная форма, характерная для выхода ИБП off-line типа, представлена в красном цвете, а кривая идеальной синусоиды – в синем)
Причины проблемы: чаще всего нарушение синусоидальности происходит из-за электроприборов, потребляющих несинусоидальный ток и называемых нелинейной нагрузкой (полупроводниковые преобразователи, индукционные печи, сварочные установки). Кроме того, выходное напряжение с формой отличной от синусоиды характерно для большинства вырабатывающих электроэнергию генераторов, а также для автономного режима ряда источников бесперебойного питания.
Используемое оборудование: источник бесперебойного питания off-line типа, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: стабилизатор подключен к питаемому от сети ИБП, который после отключения сетевого напряжения переходит в автономный режим и начинает подавать на вход тестируемого прибора несинусоидальное напряжение. Испытание проводилось как с нагрузкой, так и без неё, что позволило проанализировать работу стабилизатора с модифицированной синусоидой двух типов.
Схема опыта 3 приведена на рисунке 10.
Рисунок 10 – Схема опыта 3 (тестирование работы стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении)
|
Осциллограф 1 фиксирует форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – форму выходного стабилизированного напряжения. Показания осциллографа 1 при переходе ИБП в автономный режим и отсутствии нагрузки представлены на рисунке 11. После подключения нагрузки форма приходящего от ИБП напряжения сгладилась, но осталась несинусоидальной – рисунок 12. |
Рисунок 11 и 12 – Слева показания осциллографа 1 после подключения нагрузки, справа – при отсутствии нагрузки |
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа при несинусоидальном входном напряжении | Показания осциллографа 2 |
| Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 | В обоих случаях обеспечено выходное напряжение с формой идеальной синусоиды |
|
| Инверторный стабилизатор другого российского производителя |
Отключение и обесточивание нагрузки |
 |
| Релейный стабилизатор российского производителя. |
При максимальном отклонении входного напряжения от синусоиды (рисунок 11) – сигнализирование об ошибке и периодическое отключение/включение. При менее критичном отклонении (рисунок 12) – более устойчивая работа, без самопроизвольных отключений. Выходное напряжение оба раза имело несинусоидальную форму и увеличенную амплитуду по сравнению с входной |
 |
Инверторный стабилизатор «Штиль» восстановил форму питающего напряжения и довел её до идеальной синусоиды, что позволяет рассматривать данный прибор как действенное средство защиты от несинусоидальных искажений в сетях переменного тока.
Релейный стабилизатор 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 инверторного стабилизатора стороннего производителя можно трактовать двояко. С одной стороны, устройство защищает подключенное оборудование от воздействий напряжения с неправильной формой. С другой – отключает его, что может повлечь как минимум бытовой дискомфорт, а в случае ответственной техники привести и к более серьёзным последствиям (срыв производственного процесса, потеря несохраненных данных на сервере).
Опыт 4. Совместная работа стабилизатора и генератора
Описание проблемы: низкое качество вырабатываемой электроэнергии у большинства топливных генераторов, характеризующихся, в частности, отклонениями по форме и частоте выходного напряжения. Один из способов улучшения данных параметров – подключение после генератора стабилизатора напряжения, однако далеко не каждый стабилизатор окажется эффективен при совместной работе с генератором.
Используемое оборудование: генератор с двигателем внутреннего сгорания, допускающий ручное изменение частоты выходного напряжения, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от генератора, выходная частота которого в ходе опыта меняется в диапазоне 40-60 Гц, с шагом 1 Гц.
Схема опыта 4 приведена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Схема опыта 4 (тестирование работы стабилизаторов при совместной работе с генератором)
|
Осциллограф 1 фиксирует частоту и форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – частоту и форму выходного, стабилизированного напряжения. Показания осциллографа 1 при работающем генераторе представлены на рисунке 14. |
Рисунок 14 – Показания осциллографа 1 при работающем генераторе |
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при подключении к данному генератору и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа с генератором | Показания осциллографа 2 |
| Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 |
Если частота в пределах 43-57 Гц – исправление формы входного напряжения до идеальной синусоиды, без регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение |
|
|
Инверторный стабилизатор другого российского производителя |
Отключение и обесточивание нагрузки |
|
| Релейный стабилизатор российского производителя |
Если частота в пределах 48-52 Гц – передача входного напряжения на выход, без исправления формы напряжения и регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение |
 |
Выходное напряжение инверторного стабилизатора «Штиль» имело форму чистой синусоиды и частоту, аналогичную частоте входного напряжения. Такой результат позволяет рекомендовать данный прибор для улучшения качества поступающей от генератора электроэнергии. Однако следует понимать – не каждая нагрузка сможет работать со всеми значениями частоты, входящими в допустимый для этого стабилизатора диапазон!
Релейный стабилизатор не оказал никакого влияния на качество приходящей от генератора электроэнергии – напряжение, зафиксированное на его выходе, не соответствует требованиям многих современных электроприборов и может привести к нарушениям их функционирования. Например, у электродвигателей, входящих в состав различной бытовой техники, возрастут вибрации и снизится КПД, а более чувствительная электроника газового котла или системы «умный дом» вообще отключится.
Поведение инверторного стабилизатора стороннего производителя говорит о том, что устройство не готово к устойчивой работе совместно с генератором, реализованном на базе двигателя внутреннего сгорания.
Опыт 5. Работа стабилизатора в условиях перегрузки
Описание проблемы: перегрузка стабилизатора, которая возникает не только при нагрузке, превышающей его выходную мощность, но и при номинальной в случае сильного снижения сетевого напряжения или воздействия высоких пусковых токов.
Используемое оборудование: тестируемые стабилизаторы, резистивная нагрузка с регулируемой потребляемой мощностью (за счёт ручного включения дополнительных ТЭНов), осциллограф.
Описание опыта: стабилизатор подключен напрямую к входной сети и соединён с нагрузкой, потребляемая мощность которой постепенно увеличивается и доводится до значения, вдвое превышающего номинальную выходную мощность стабилизатора.
Схема опыта 5 приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 – Схема опыта 5 (тестирование работы стабилизаторов при перегрузке)
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при перегрузке приведено в таблице ниже.
| Тестируемый стабилизатор | Работа с перегрузкой | ||
| 600 Вт | 800 Вт | 1000 Вт | |
| Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 |
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение длительного времени (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 вызвавшей отключение перегрузки запускается в автоматическом режиме |
|||
| Инверторный стабилизатор другого российского производителя |
Кратковременное сигнализирование о перегрузке, затем отключение. После снятия перегрузки автоматически не запускается |
||
| Релейный стабилизатор российского производителя | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 30 секунд, затем отключение | Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 15 секунд, затем отключение | Моментальное отключение |
|
Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия вызвавшей отключение перегрузки автоматически не запускается |
|||
Инверторный стабилизатор «Штиль» IS550 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.
Инверторный стабилизатор стороннего производителя показал полное отсутствие перегрузочной способности (дополнительные испытания показали, что устройство не работает даже при нагрузке, минимально превышающей его номинальную мощность).
Внимание! Любая перегрузка, независимо от величины и продолжительности, является аварийным режимом. Поэтому стабилизатор не следует постоянно эксплуатировать с нагрузкой, потребляемая мощность которой больше его номинала, даже если прибор способен питать её в течение длительного промежутка времени.
Общий вывод
Результаты опытов наглядно демонстрируют, что инверторный стабилизатор «Штиль» обеспечивает максимально возможный уровень защиты и может применяться как для нейтрализации различных негативных сетевых воздействий, так и для улучшения общего качества электроэнергии.
Релейный стабилизатор в ходе каждого опыта 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 стабилизатор стороннего производителя, несмотря на конструкцию во многом аналогичную инверторному стабилизатору «Штиль», показал низкую эффективность работы и в четырёх из пяти опытов не смог обеспечить электропитание нагрузки.