Алгоритм расчёта мощности стабилизатора
При подборе необходимой модели стабилизатора напряжения его неправильно рассчитанная мощность может привести к следующим последствиям:
- стабилизатор с выходной мощностью, меньшей, чем требуется, будет постоянно отключаться или вообще не запустится, а возможно и выйдет из строя;
- приобретение устройства с мощностью, намного превышающей требуемое значение, будет бесполезной тратой средств. Прибор в процессе работы будет недозагружен, что снизит его КПД.
Для определения актуальной мощности стабилизатора и правильного выбора подходящей модели рекомендуем придерживаться алгоритма, состоящего из трёх действий:
- Выяснить мощность нагрузки.
- Прибавить запас к значению мощности, потребляемой нагрузкой.
- Подобрать по итоговой величине подходящую модель стабилизатора.
Разберём три указанных пункта и проанализируем наиболее распространённые ошибки, сопутствующие каждому из них.
Выясняем мощность подключенной к стабилизатору нагрузки
Мощность нагрузки равняется сумме мощностей всех устройств, которые будут подключены к стабилизатору и могут работать одновременно. Перед расчётом нужно выяснить энергопотребление каждого прибора: обычно оно указано в технической документации или на заводской табличке изделия.
⇒ На этом этапе важно не перепутать потребляемую электрическую мощность с мощностью, которая характеризует полезную работу оборудования. Например, у отопительной техники может быть указана тепловая мощность, у кондиционера – мощность охлаждения, у аудиосистемы – звуковая мощность. Для расчёта стабилизатора используют только мощность, потребляемую из электросети. В паспорте она может называться «потребляемая мощность», «присоединительная мощность» или «электрическая мощность».
⇒ Для оборудования с электродвигателями нужно учитывать не только номинальную, но и максимальную потребляемую мощность. Насосы, стиральные и посудомоечные машины, холодильники, кондиционеры, станки и компрессоры при запуске могут кратковременно потреблять в несколько раз больше, чем в рабочем режиме.
Если в документации указано несколько значений мощности для разных режимов работы, расчёт ведут по наибольшему из них. Если указаны пусковая мощность или пусковой ток, их также нужно учитывать.
Пусковые токи могут быть важны и для крупных светотехнических систем. Например, светодиодные светильники не имеют пускового тока как электродвигатель, но их блоки питания и конденсаторы при включении могут кратковременно увеличивать потребление.
Если в документации указана только активная мощность в Вт или кВт, для подбора стабилизатора может потребоваться пересчёт в полную мощность – ВА или кВА. Разницу между этими величинами разберём ниже.
Чем отличаются кВА и кВт в стабилизаторе?
⇒ Мощность стабилизаторов часто указывают в ВА или кВА, а мощность нагрузки – в Вт или кВт. Поэтому при подборе важно понимать, как связаны эти величины.
При подборе сначала рассчитывают активную и полную мощность нагрузки, а затем сравнивают эти значения с активной и полной мощностью стабилизатора.
⇒ Активная мощность нагрузки измеряется в ваттах или киловаттах – Вт, кВт. Она показывает, сколько энергии прибор потребляет для полезной работы: нагрева, вращения двигателя, питания электроники, освещения и т. д.
⇒ Полная мощность нагрузки измеряется в вольт-амперах или киловольт-амперах – ВА, кВА. Она учитывает не только активную мощность, но и особенности работы прибора в цепи переменного тока. У оборудования с электродвигателями, насосами, компрессорами, станками, кондиционерами и другой индуктивной нагрузкой полная мощность может быть выше активной. Поэтому приобретение стабилизатора 1000 ВА для нагрузки 1000 Вт может оказаться неверным решением: устройство будет перегружено по полной мощности.
Разница между активной и полной мощностью связана с коэффициентом мощности cos φ. Он показывает, какая часть полной мощности превращается в активную. Если cos φ равен 1, активная и полная мощность почти совпадают. Если cos φ равен 0,8, то для нагрузки 1 кВт потребуется уже 1,25 кВА полной мощности.
Формулы для пересчёта:
Полная мощность нагрузки, кВА = активная мощность нагрузки, кВт / cos φ
Активная мощность нагрузки, кВт = полная мощность нагрузки, кВА × cos φ
Например, оборудование потребляет 4 кВт, а его коэффициент мощности равен 0,8. Тогда полная мощность нагрузки составит: 4 / 0,8 = 5 кВА.
Это значит, что при выборе стабилизатора нужно учитывать не только активную мощность нагрузки 4 кВт, но и полную мощность нагрузки 5 кВА.
⇒ У стабилизатора в паспорте также обычно указывают два значения: полную мощность в ВА или кВА и активную мощность в Вт или кВт. Например, модель может иметь характеристики 3 кВА / 2,5 кВт. Это значит, что подключаемая нагрузка не должна превышать ни 3 кВА по полной мощности, ни 2,5 кВт по активной мощности.
Например, нагрузка потребляет 2,4 кВт при cos φ = 0,8. Её полная мощность составит: 2,4 / 0,8 = 3 кВА. Такая нагрузка уже находится на пределе возможностей стабилизатора 3 кВА / 2,5 кВт по полной мощности и почти на пределе по активной мощности. Подбирать модель «впритык» не рекомендуется: нужен запас.
Если же нагрузка потребляет 3 кВт при cos φ = 1, по полной мощности это будет 3 кВА, но стабилизатор 3 кВА / 2,5 кВт всё равно не подойдёт, потому что активная мощность нагрузки выше допустимых 2,5 кВт.
⇒ Поэтому при выборе стабилизатора нельзя ориентироваться только на кВА или только на кВт. Нужно рассчитать активную и полную мощность нагрузки, добавить запас и сравнить результат с двумя паспортными параметрами стабилизатора: кВА и кВт. Подходящая модель должна проходить по обоим значениям.
Ориентировочная таблица пересчёта активной мощности нагрузки в полную:
| Активная мощность нагрузки | При cos φ = 1 | При cos φ = 0,8 | При cos φ = 0,7 |
| 1 кВт | 1 кВА | 1,25 кВА | 1,43 кВА |
| 2 кВт | 2 кВА | 2,5 кВА | 2,86 кВА |
| 3 кВт | 3 кВА | 3,75 кВА | 4,29 кВА |
| 5 кВт | 5 кВА | 6,25 кВА | 7,14 кВА |
| 10 кВт | 10 кВА | 12,5 кВА | 14,29 кВА |
Таблица показывает, какая полная мощность нагрузки получается при разной активной мощности и разном коэффициенте мощности. После расчёта нужно выбрать стабилизатор, у которого паспортные значения полной мощности в кВА и активной мощности в кВт выше расчётных значений нагрузки с учётом запаса.
Если коэффициент мощности указан в паспорте оборудования, для расчёта нужно использовать именно его. Он может обозначаться как cos φ, PF или Power Factor. Если данных нет, для бытовой техники часто используют ориентировочные значения 0,7-0,8, а для нагревательных приборов – 0,9-1.
Пример: нужно подобрать стабилизатор для системы освещения с активной мощностью 700 Вт.
| Вид нагрузки | Характеристики |
| Система освещения |
Активная мощность – 700 Вт |
|
Полная мощность неизвестна, поэтому для предварительного расчёта можно использовать ориентировочный коэффициент мощности 0,85 для нагрузки данного типа. Pполная = 700 Вт/ 0,85 = 823 ВА. Значит, стабилизатор должен иметь активную мощность выше 700 Вт и полную мощность выше 823 ВА. После этого к расчётным значениям добавляют запас мощности. |
Когда можно ориентироваться только на активную мощность в кВт?
Ориентироваться только на активную мощность в кВт можно в тех случаях, когда у подключаемой нагрузки активная и полная мощность почти совпадают. Обычно это простая активная нагрузка: лампы накаливания, электрочайники, утюги, ТЭНы и другие нагревательные приборы. Также разница между кВт и кВА может быть небольшой у техники с блоками питания, где есть коррекция коэффициента мощности.
Если в нагрузке есть электродвигатели, компрессоры, насосы, станки, кондиционеры или оборудование без коррекции коэффициента мощности, нужно проверять не только активную мощность в кВт, но и полную мощность в кВА.
Как выбрать стабилизатор по киловаттам?
Чтобы выбрать стабилизатор по киловаттам, сначала рассчитайте активную мощность нагрузки: сложите потребляемую мощность всех приборов, которые могут работать одновременно. Затем учтите пусковые токи оборудования с электродвигателями и добавьте запас мощности.
После этого проверьте не только активную мощность стабилизатора в кВт, но и полную мощность в кВА. Модель должна подходить по обоим значениям. Например, если нагрузка потребляет 3 кВт, но из-за коэффициента мощности её полная мощность составляет 4 кВА, стабилизатор выбирают не ниже этих расчётных значений с запасом.
Ориентировочный подбор стабилизатора по кВт нагрузки
Если известна активная мощность нагрузки в кВт, можно предварительно оценить класс стабилизатора по таблице. Такой расчёт подходит для первичной ориентации, но не заменяет точный подбор: нужно учитывать коэффициент мощности, пусковые токи, запас и характеристики конкретной модели.
| Активная нагрузка | С запасом 30% | Полная мощность при cos φ = 0,8 с запасом | Какой класс стабилизатора рассматривать |
| 3 кВт | около 3,9 кВт | около 4,9 кВА | примерно от 5 кВА / 4,5 кВт |
| 5 кВт | около 6,5 кВт | около 8,1 кВА | примерно 8-10 кВА, зависит от активной мощности модели |
| 7 кВт | около 9,1 кВт | около 11,4 кВА | примерно от 12 кВА |
| 8 кВт | около 10,4 кВт | около 13 кВА | примерно от 15 кВА |
| 9 кВт | около 11,7 кВт | около 14,6 кВА | примерно от 15 кВА |
| 10 кВт | около 13 кВт | около 16,3 кВА | примерно от 20 кВА |
Значения в таблице ориентировочные. Если в нагрузке есть насосы, компрессоры, холодильники, кондиционеры, станки или другая техника с электродвигателями, стабилизатор может потребоваться мощнее из-за пусковых токов. При выборе нужно проверять не только активную мощность в кВт, но и полную мощность в кВА, а также паспортные характеристики конкретной модели.
Какой запас мощности нужен для стабилизатора?
Правильно выбранный стабилизатор должен иметь выходную мощность выше расчётной мощности нагрузки. Разница между мощностью стабилизатора и фактическим энергопотреблением подключённых приборов называется запасом мощности.
В большинстве случаев стабилизатор выбирают с запасом 20-30% к расчётной мощности нагрузки. Такой запас нужен, чтобы устройство не работало на пределе, выдерживало небольшое увеличение нагрузки и не уходило в перегрузку при просадках входного напряжения.
Для техники с электродвигателями запас может быть больше. Насосы, компрессоры, холодильники, кондиционеры, станки и электроинструменты при запуске кратковременно потребляют больше, чем в рабочем режиме. Если в паспорте указана пусковая мощность или пусковой ток, расчёт нужно делать по этим значениям.
Если стабилизатор выбирается для группы приборов, запас рассчитывают от суммарной мощности всех устройств, которые могут работать одновременно. Если позже планируется подключать дополнительную технику, её мощность тоже лучше заложить в расчёт заранее.
Также запас нужен при сильных просадках входного напряжения. У некоторых стабилизаторов при снижении входного напряжения уменьшается доступная выходная мощность, поэтому модель, подобранная «впритык», может уходить в перегрузку даже при формально подходящей мощности нагрузки.
Например, у инверторных стабилизаторов «Штиль» при снижении входного напряжения в диапазоне 135-165 В доступная выходная мощность уменьшается примерно на 20%, а при просадках в диапазоне 90-135 В – ещё на 20%. Поэтому в сетях с глубокими просадками запас мощности особенно важен: стабилизатор должен выдерживать не только расчётную нагрузку, но и работу в условиях пониженного входного напряжения.
Выбирать стабилизатор с запасом значительно больше 30% имеет смысл, если в будущем планируется подключать дополнительное оборудование или если сеть регулярно проседает до низких значений. В остальных случаях слишком мощная модель может оказаться избыточной по цене и возможностям.
Выходная мощность стабилизатора должна превышать потребляемую мощность нагрузки на 20-30%
Подбираем модель стабилизатора
Для определения подходящей по мощности модели необходимо сверить мощностной ряд предлагаемых производителем стабилизаторов с энергопотреблением нагрузки – ближайшее в большую сторону значение в мощностном ряду и будет необходимой мощностью стабилизатора.
⇒ Выбор стабилизатора со значением мощности, ближайшим к энергопотреблению нагрузки в меньшую сторону, либо снизит заложенный ранее запас по мощности, либо в худшем случае приведёт к приобретению стабилизатора с несоответствующими нагрузке выходными параметрами.
⇒ Для трехфазного стабилизатора нагрузка на каждую фазу должна составлять не более 1/3 от номинальной. Например, трехфазный стабилизатор с номиналом 6000 ВА запитает трехфазную нагрузку в 4200 ВА (мощность потребляемая от одной фазы составит 1400 ВА), но подключение к отдельной фазе этого стабилизатора нагрузки в 2500 ВА вызовет перегрузку, так как максимально допустимое значение по одной фазе составляет: 6000/3=2000 ВА.
Пример подбора стабилизатора по мощности
Стабилизатор приобретается для одновременной защиты трех однофазных потребителей. Не будем акцентировать внимание на конкретном виде устройств, назовем их просто: потребитель 1, потребитель 2 и потребитель 3.
Согласно заводским паспортам:
- номинальная мощность потребителя 1 составляет 600 Вт, потребителя 2 – 130 Вт, потребителя 3 – 700 Вт;
- коэффициент мощности потребителей 1 и 2 равен 0,7, потребителя 3 – 0,95.
Определяем мощность нагрузки. Пусть потребитель 1 относится к категории оборудования, характеризующегося наличием высоких пусковых токов. При расчёте используем не его номинальную мощность, а максимальную – пусковую, равную согласно технической документации 1800 Вт. Используя вышеуказанную формулу, переведём мощность каждого потребителя из Вт в ВА:
- 1800 / 0,7 = 2571,4 ВА – для потребителя 1;
- 130 / 0,7 = 185,7 ВА – для потребителя 2;
- 700 / 0,95 = 736,8 ВА – для потребителя 3.
Теперь определим суммарную потребляемую мощность планируемой нагрузки в Вт и ВА:
- 1800 + 130 + 700 = 2630 Вт;
- 2571,4 + 185,7 + 736,8 = 3493,9 ВА.
Дальнейший выбор стабилизатора будем проводить, учитывая, что полная мощность нагрузки на устройство составит 3493,9 ВА, а активная – 2630 Вт (обратите внимание на разницу значений в Вт и ВА).
Далее определяем запас мощности. Примем рекомендованную величину запаса мощности в 30% от энергопотребления нагрузки – для получения численного значения необходимого запаса умножим на 0,3 ранее рассчитанные суммарные мощности планируемой нагрузки:
- 2630 х 0,3 = 789 Вт – запас активной мощности;
- 3493,9 х 0,3 = 1048,17 ВА – запас полной мощности.
Следовательно мощность нагрузки с учётом запаса составит:
- 2630 + 789 = 3419 Вт;
- 3493,9 + 1048,17 = 4542,07 ВА.
Теперь выберем модели однофазного стабилизатора с необходимой мощностью для электропитания нашей нагрузки (с учетом запаса), используя стандартный мощностной ряд однофазных инверторных стабилизаторов производства ГК «Штиль»:
| Полная мощность, ВА | Активная мощность, Вт |
| 350 | 300 |
| 550 | 400 |
| 800 | 600 |
| 1000 | 800 |
| 1500 | 1125 |
| 2000 | 1500 |
| 2500 | 2000 |
| 3000 | 2500 |
| 3500 | 2750 |
| 5000 | 4500 |
| 7000 | 5500 |
| 8000 | 7200 |
| 10000 | 9000 |
| 12000 | 11000 |
| 15000 | 13500 |
| 20000 | 18000 |
Ближайшая с большей стороны к расчётным значениям мощность – 5000 ВА и 4500 Вт, следовательно, именно такой стабилизатор подходит для подключения потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3.
Предположим, что потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3 необходимо подключить не к однофазному, а к трехфазному стабилизатору. Стандартный мощностной ряд ГК «Штиль» для подобных устройств следующий:
| Полная мощность, ВА | Активная мощность, Вт |
| 6000 | 5400 |
| 10000 | 8000 |
| 15000 | 13500 |
| 20000 | 16000 |
Нагрузку со значением полной мощности в 4542,07 ВА и активной – в 3419 Вт, возможно подключить к одной фазе трехфазного стабилизатора с выходной мощностью 15000 ВА / 13500 Вт, в котором отдельная фаза выдаст максимально – 5000 ВА / 4500 Вт.
Выбрать менее мощную модель стабилизатора позволит распределение нагрузки, то есть подключение каждого потребителя к отдельной фазе. Наибольшая нагрузка будет на фазе, питающей потребитель 1, энергопотребление которого – 1800 Вт / 2571,4 ВА.
Рассчитаем необходимый потребителю 1 запас мощности (примем рекомендованное значение запаса в 30%):
- 1800 х 0,3 = 540 Вт – запас активной мощности;
- 2571,4 х 0,3 = 771,4 ВА – запас полной мощности;
- 1800 + 540 = 2340 Вт – активная мощность потребителя 1 с учётом запаса;
- 2571,4 + 771,4 = 3342,8 ВА – полная мощность потребителя 1 с учётом запаса.
Значит, максимально возможная нагрузка на одну фазу стабилизатора при условии подключения трех потребителей к различным фазам может составить: 3342,8 ВА / 2340 Вт.
Выберем модель стабилизатора с выходной мощностью 10000 ВА / 8000 Вт, в которой допустимая нагрузка на одну фазу приблизительно равна 3333 ВА / 2666 Вт. В данном случае допустимо выбрать стабилизатор с полной мощностью чуть меньшей, чем расчётная – фактически это снизит запас по мощности для потребителя 1 на 1-2%.
⇒ Существуют стабилизаторы топологии «3 в 1», то есть с трехфазным входом и однофазным выходом. Подобная схема позволяет равномерно нагрузить трехфазную сеть при подключении однофазной нагрузки.
Какие ошибки чаще всего допускают при расчёте мощности стабилизатора: комментарий эксперта
При подборе стабилизатора чаще всего ошибаются не в арифметике, а в исходных данных. Например, берут не потребляемую электрическую мощность прибора, а тепловую, холодильную, звуковую или другую полезную мощность. Для расчёта стабилизатора нужно использовать именно ту мощность, которую оборудование потребляет из сети.
Вторая распространённая ошибка – смотреть только на кВт и не проверять полную мощность в кВА. Если у нагрузки коэффициент мощности ниже единицы, стабилизатор может оказаться перегружен по полной мощности, даже если по активной мощности кажется подходящим.
Отдельно нужно учитывать оборудование с электродвигателями: насосы, компрессоры, холодильники, кондиционеры, станки и электроинструмент. В момент запуска такая нагрузка может кратковременно потреблять больше, чем в рабочем режиме. Если не учесть пусковой ток, стабилизатор может уходить в перегрузку или отключать нагрузку.
Для трёхфазных стабилизаторов важно проверять не только общую мощность, но и нагрузку по каждой фазе. Даже если суммарная мощность кажется допустимой, перегрузка одной фазы может привести к срабатыванию защиты.
Андрей Новиков,
Ведущий инженер ГК «Штиль»
Мощностной ряд стабилизаторов напряжения «Штиль»
Российский производитель систем электропитания «Штиль» предлагает следующие инверторные стабилизаторы напряжения:
- однофазные модели настенного исполнения с выходной мощностью 0,3-18 кВт;
- однофазные модели напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью 0,8-18 кВт;
- модели конфигурации 3 в 1 напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью 5,4-16 кВт;
- трехфазные модели напольного/стоечного исполнения с выходной мощностью 5,4-16 кВт.