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.

Кривая напряжения по требованиям стандарта картинка

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.

Кривая сетевого напряжения с колебаниями картинка

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.

Стенд для проверки характеристик стабилизаторов картинка

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.

Схема работы стабилизаторов при колебаниях входного напряжения картинка

Рисунок 4 – Схема опыта 1 (тестирование работы стабилизаторов при колебаниях входного напряжения)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данных колебаниях и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.

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.

Кривая напряжения с кратковременным провалом картинка

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.

Схема работы проверки стабилизаторов при кратковременном провале напряжения картинка

Рисунок 7 – Схема опыта 2 (тестирование работы стабилизаторов при провалах входного напряжения)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данном провале и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.

Опыт 3. Работа стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении

Описание проблемы: отклонение сетевого напряжения от синусоидальной формы. Пример несинусоидального напряжения приведён на рисунке 9.

Пример сетевого напряжения несинусоидальной формы картинка

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.

Схема проверки работы стабилизаторов при несинусоидальном напряжении картинка

Рисунок 10 – Схема опыта 3 (тестирование работы стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.

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.

Схема проверки совместной работы генератора и стабилизатора картинка

Рисунок 13 – Схема опыта 4 (тестирование работы стабилизаторов при совместной работе с генератором)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при подключении к данному генератору и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.

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.

Проверка работы стабилизаторов при перегрузке картинка

Рисунок 15 – Схема опыта 5 (тестирование работы стабилизаторов при перегрузке)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при перегрузке приведено в таблице ниже.

Общий вывод

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.

Полное описание технических характеристик, особенностей и преимуществ инверторного стабилизатора «Штиль» IS550.