Схемы бесперебойного питания для устройств на микроконтроллерах. Резервное электроснабжение дома: ИБП, генератор, автозапуск

Жизнь современного человека невозможна без применения различных устройств. Каждый дом наполнен электронной и бытовой техникой, инструментами и осветительными приборами. Но, к сожалению, снова стали обыденностью проблемы с электроснабжением.

Электричество могут отключить по графику или безо всякого предупреждения, случаются и простые аварии на сетях. А любые скачки напряжения и перерывы в поступлении "света" не только нарушают привычное течение жизни, но и повышают риск выхода оборудования из строя.

Устройство системы резервного питания (СРП) на основе аккумуляторной батареи (АБ) позволяет решить эту проблему раз и на долгое время. Важно сделать это обоснованно, вдумчиво и с должным подходом к качеству выполнения монтажных работ.

Что подключать?

При помощи СРП имеет смысл обеспечивать бесперебойное питание лишь основных потребителей , отличающихся либо малой мощностью, либо периодической работой в течение непродолжительного времени. Это, в частности, могут быть:
- газовое или твердотопливное отопление (автоматика управления, циркуляционные насосы);
- водоснабжение (насос);
- дежурное освещение (3-5 электроламп на строение);
- 2-4 дополнительные розетки для техники (холодильник, компьютер, интернет-роутер).

Резервировать продолжительные нагрузки от работы мощных устройств (электрического котла, бойлера, кондиционера или электрического духового шкафа) не стоит. Ведь это повлечет за собой необходимость использования нескольких аккумуляторов большой емкости, да и сопутствующая им техника также нуждается в усилении. Таким образом, для обустройства системы придется понести очень большие и неоправданные финансовые затраты.

Оптимальный вариант - следовать принципу разумной достаточности, то есть установить СРП нужной производительности и использовать только ту технику, которая действительно необходима в данный момент. Это даст возможность сэкономить на начальном этапе и продлить время автономной работы техники.

Накопители энергии

Аккумуляторы - важнейший элемент СРП, поскольку обеспечивают работоспособность техники при возникновении неполадок или отключений в сети. Эти приборы применяют для многоразового накопления и дальнейшей раздачи электроэнергии.

Наиболее распространенными долгое время являлись кислотные (кислотно-свинцовые) аккумуляторы , принцип действия которых основан на погружении двух или более пластин из свинца в раствор серной кислоты (электролита). Возникающая между ними химическая реакция и вызывает накопление электроэнергии. Данные приборы также носят название тяговых или стартерных, поскольку способны обеспечить повышенные значения пускового (начального) тока. В связи с этим их широко применяют в автомобилях. А вот для создания домашней автономной системы использовать тяговые устройства не советуют. Дело в том, что жидкий кислотный электролит при больших токах может закипать, поэтому корпус аккумулятора делают негерметичным. А это, в свою очередь, приводит к появлению риска возгораний и даже взрывов в помещении.

В отличие от них гелевые аккумуляторы используют кислоту, находящуюся в состоянии тиксотропного геля (похожего по своей консистенции на воск). Корпус приборов делают цельным, но даже в случае его повреждения гель не сможет разлиться. Отсутствует какая-либо опасность или вред для окружающей среды. По этой причине гелевый аккумулятор можно устанавливать в любом помещении.

А наиболее современными являются AGM-аккумуляторы (Absorbed Glass Mat). Электролит в них связан при помощи специального стекловолокна. У этих устройств те же преимущества, что и у гелевых. Да и стоимость примерно равна (и в 2-з раза выше, чем у кислотных). К тому же AGM-аккумуляторы практически не нагреваются, поскольку внутреннее сопротивление в них незначительно.

Существенная деталь: во время зарядки кислотных аккумуляторов до 20 % энергии переходит в тепловое состояние, у гелевых данный показатель составляет порядка 10-15 %, а у AGM-моделей он равен лишь 3-4 %. То есть последние практически не нагреваются, а это - положительная характеристика с точки зрения безопасности и меньший расход электроэнергии. Кроме того, гелевые и AGM-приборы эффективнее в случае длительного простоя: они теряют не более 1-3 % энергии в месяц, а кислотные - до 1 % в день.

Таким образом, для применения в домашних СРП можно рекомендовать гелевые и AGM-аккумуляторы. Тем более что они не требуют периодического добавления электролита и вообще какого-либо обслуживания в процессе работы.

Чтобы увеличить возможности СРП, приобретают несколько АБ и устанавливают их в виде соединенной параллельно цепи для увеличения отдачи электроэнергии.

Аккумуляторы разных типов внешне очень схожи, поэтому важно покупать оборудование у профильных компаний или в строительных гипермаркетах

Обеспечивать автономным питанием нужно только самую необходимую технику: насосы отопления и водоснабжения, осветительные приборы. Нецелесообразно подключать к аккумуляторам мощные приборы, без которых некоторое время можно легко обойтись - кондиционеры, электрические духовки

Важные характеристики

АБ выбирают с учетом нескольких параметров. Масса важна для определения места расположения батареи. Современные аккумуляторы весят порядка 10-20 кг. Относительная тяжесть связана с особенностями конструкции приборов, в частности использованием электролита в вязкой консистенции. Поэтому легкие полки для установки АБ не подойдут - нужна более основательная опора, например стеллаж из металлических уголков. Выходное напряжение у большинства современных моделей составляет 12 В. Есть также модификации на 24 и 48 В. Для бытового применения специалисты рекомендуют выбирать АБ, которые выдают постоянный ток с напряжением В 12 В.

Максимальная величина пускового тока показывает, сможет ли аккумулятор выработать ток, необходимый для запуска двигателей. Дело в том, что практически все электроустройства в момент включения требуют значительно больше энергии, чем в рабочем режиме. Эту величину измеряют в амперах (А). В домашних условиях достаточно АБ с пусковым током в 200-400 А. Этого хватит, чтобы включить, например, насос для скважины или бытовые модели электроинструмента.

Емкость батарей - это величина заряда, который аккумулятор способен накопить, а потом отдать в ходе своей работы. Измерение емкости происходит в ампер-часах (А х ч), и чем она больше, тем дольше проработают подключенные к АБ устройства.

Чтобы выяснить, какая именно практическая отдача у аккумулятора, надо выполнить простой арифметический расчет. Например, АКБ емкостью 200 А х ч и напряжением 12 В накапливает 12 х 200 = 2400 Вт х ч = 2,4 кВт х ч. Однако в силу того, что производители рекомендуют разряжать АБ не ниже уровня 20-25 % заряда, реально доступная мощность составляет в данном случае не более 75-80 % от номинальной, то есть порядка 2 кВт х ч. На практике это означает возможность обеспечить освещение от четырех ламп по 50 Вт каждая в течение ю часов или работу электроплиты мощностью 2 кВт на 1 час. Расчет требуемой емкости аккумулятора ведут в увязке с подбором других устройств СРП, поэтому их нужно рассмотреть отдельно.

Примерный бюджет

Один гелевый аккумулятор емкостью 150-200 А х ч стоит порядка 200-250 у. е. За подходящий ИБП надо будет заплатить 400-700 у. е., а дополнительное оборудование "потянет" еще на 30-50 у. е. Таким образом, общая стоимость СРП составит порядка 2500-2700 у. е. В то же время можно ограничиться покупкой простого ИБП мощностью 1 кВт и аккумулятора емкостью 150 Ач. Общие затраты в таком случае составят примерно 300-400 у. е., а система позволит сохранить работоспособность холодильника, компьютера и пары электроламп на 2-3 часа. Правда, отопление от такой СРП работать не сможет.

Маломощные ИБП в одном корпусе объединяют аккумулятор, инвертор, автоматику. Потребители подключаются к ним напрямую - через вилку. Таких систем хватает на очень короткое время (до часа) и только на компьютер, зарядное устройство, светильник.

Для обеспечения большого количества потребителей используют отдельные наборные системы, подключаемые не в розетку, а к щитку электропитания.

Компоненты системы

Помимо аккумуляторов в состав СРП входят еще несколько очень важных устройств. Источник бесперебойного питания (ИБП, или UPS) - вспомогательное устройство, которое работает в паре с АБ. Его применяют для компенсации пиковых нагрузок и кратковременного электроснабжения бытовой техники в случае резких скачков и падений напряжения в сети. Этот прибор постоянно подключен к розетке, а все остальные запитывают уже после него.

Выделяют два конструктивных вида ИБП в зависимости от электронной схемы управления - offline и online. Первые - проще и дешевле, но обеспечат энергоснабжение от АБ лишь при отключении или резком падении напряжения в сети. Кроме того, время срабатывания у них составляет порядка 30-40 мс. Вторые - дороже, но "выпрямляют" даже небольшие скачки. Таким образом, они обеспечивают наилучшую защиту подключенных к ним устройств, что особенно важно не только для компьютеров, но и другой современной высокоточной техники (например холодильников, стиральных машин, телевизоров с электронными блоками управления). Время срабатывания редко превышает 2 мс. Конечно, лучше и надежнее ИБП online-типа, хотя по времени срабатывания вполне достаточно и offline-ИБП.

Инвертор - это преобразователь тока. В нормальном режиме он потребляет минимальное количество электроэнергии и обеспечивает зарядку аккумулятора. При возникновении же аварийной ситуации инвертор автоматически переходит в режим компенсации. Необходимость в нем связана с тем, что АБ выдают постоянный ток с напряжением 12, 24 или 48 В, а большинству электроприборов требуется переменный с напряжением 220 В. Выделяют модифицированные (с модифицированной синусоидой) и синусоидальные приборы. Первые хороши лишь для видео- и аудиотехники, а для бытовых устройств необходимы вторые. Они стоят дороже, но и выдают, говоря простым языком, ток более высокого качества.

Кроме того, СРП оснащают дополнительными устройствами - контроллерами заряда, а также электронными приборами автоматического управления, регулирования и защиты. В последнее время, как правило, все они размещены в корпусе инвертора.

Подбор общих параметров

При расчете параметров СРП нужно определить требуемую мощность оборудования и емкость АБ. Но прежде чем заняться подсчетами, следует уточнить разницу между двумя схожими терминами. В общем случае мощность электрооборудования определяется в Ваттах (Вт). Но выходную мощность ИБП составляет произведение значений тока и напряжения, данный параметр указывают в вольт-амперах (ВА). Часть этой энергии уходит на работу самого прибора, но львиная доля приносит пользу. Вот эту полезную мощность обычно дополнительно заносят в техпаспорт (измеряется в Вт).

Для калькуляции требуемых значений сначала подсчитывают статическую потребляемую мощность оборудования, которое работает постоянно или регулярно (компьютер, холодильник, циркуляционный насос котла, электролампы), с учетом его количества и среднего времени работы в течение суток. К результату добавляют краткосрочные запросы силовых потребителей (например, насоса водоснабжения, привода ворот, электрочайника).

Правда, одновременное включение всех этих приборов маловероятно, поэтому к первой цифре добавляют мощность только самого сильного (в приведенном примере - насос). Наконец, обязательно следует учесть динамическую (пусковую) мощность питаемого оборудования. Она достигается в момент запуска устройств и может превышать статические значения в 3-4 раза. Опять-таки складывать все пусковые показатели надобности нет, вероятность их совместного (до долей секунды) включения ничтожно мала. Так что достаточно ориентироваться на наибольший показатель. В итоге выбирают конкретные инвертор и ИБП.

Однако производить точный расчет вовсе необязательно. Если нет цели обеспечить резервное питание абсолютно всех приборов, а только наиболее важных устройств, то для частного дома площадью 150-300 м2 достаточно моделей общей мощностью 3-6 кВА, выдерживающих пусковую мощность до 9-12 кВА.

Рассчитать необходимую емкость аккумулятора довольно просто. Для этого объем потребления делят на напряжение АБ с учетом коэффициента неполного разряжения устройства. Например, для гарантирования расхода электроэнергии в объеме 4,5 кВт х ч требуется 500 А х ч (4500 Вт / 0,75х12 В). Таким образом, чтобы техника в доме проработала 4 часа, необходим аккумулятор емкостью 2000 А х ч (4 х 500 А х ч). При этом учитывают тот факт, что рост емкости АБ автоматически ведет к увеличению стоимости и повышению массы прибора, поэтому лучше установить несколько аккумуляторов меньшей емкости.

Кроме того, при отключении внешнего энергоснабжения практически никто не использует всю технику одновременно. Так что на деле указанные выше значения будут достаточны для обеспечения комфортного пребывания в доме в течение 8-ю часов.

В общем случае специалисты рекомендуют приобрести для такого здания восемь аккумуляторов напряжением 12 В на 200 А х ч каждый или десять аккумуляторов на 150 A x ч. А при желании сэкономить достаточно будет и четырех таких АБ - они "продержат" все здание 1-1,5 часа и обеспечат работу необходимого минимума устройств на 3-4 часа. Если перебои с подачей электричества более затяжные и могут длиться 1-2 дня, первым делом нужно просчитать, на работе какой техники можно сэкономить, и только потом планировать наращивание батарейных секций.

Монтаж

При кажущейся сложности СРП объем требуемых для ее подключения электромонтажных работ практически минимален. Ведь все домашние "нагрузки" подводят к щитку электросети. Надо лишь установить поблизости ИБП с АБ и инвертором и подключить последний в сеть между потребителями и щитом.

Для СРП нужно небольшое пространство. Достаточно примерно 0,5-1 м2. Важно правильно выбрать помещение. СРП можно устанавливать в неотапливаемых комнатах, так как большая часть современных моделей аккумуляторов спокойно переносит охлаждение до -20 °С. Однако они хуже воспринимают сырость и конденсацию влаги. Кроме того, при снижении внешней температуры емкость АБ падает на 10-20 %. Увеличивается и время зарядки. Так что лучше расположить СРП в том месте, где обеспечивается постоянное поддержание температуры около 0°С и имеется хорошая вентиляция. Это может быть гараж, правильно выполненный подвал, подсобное помещение.

На стене монтируют инвертор и ИБП, рядом устанавливают аккумуляторы - чаще всего вдоль стенки или же цепочкой на полке или стеллаже. В продаже есть специальные блоки источника резервированного питания с подготовленными местами для размещения оборудования. Также допускается установка СРП в закрытый перфорированный шкаф, где она заодно будет защищена от детей и домашних животных.

В ходе выполнения работ важно обеспечить качественные проводные соединения всех компонентов - тогда СРП прослужит много лет. После монтажа вмешательство в работу системы в течение всего периода эксплуатации не понадобится. Нужно лишь периодически протирать пыль.

Достоинства системы

Фактически мгновенное срабатывание (в течение миллисекунд) в случае отключения электричества. Большинство современных, даже высокоточных электроприборов не "замечает" перехода из стандартного режима питания на автономный,
- Способность выдерживать значительные перегрузки.
- Защита техники от перепадов напряжения, перекоса фаз и других "капризов" сети.
- Возможность выполнения своих обязанностей при малых нагрузках без ущерба для долговечности службы системы.
- Практически бесшумная работа.
- Экологичность, отсутствие вреда для окружающей среды по сравнению с применением дизельных генераторов.

Обеспечение надежности и бесперебойности электроснабжения имеет первостепенное значение. И, естественно, одним из основных средств решения этой задачи есть автоматизация включения резервного электропитания (АВР). Схемы АВР широко применяются в энергосистемах и распределительных электросетях всех напряжений.

Ниже даются описания трех вариантов выполнения АВР в простых электросетях напряжением до 1000 В, из который больше всего часто придется иметь дело электромонтерам.

Схема АВР в двухпроводных сетях напряжением до 220 В (рис.1) рассчитанная на наличие двух линий, одна из которых является рабочей, другая - резервной, и применяется как в однофазных сетях переменного тока, так и в двухпроводных сетях постоянного тока.

Практическое применение системы двух линий из АВР распространяется на ответственные электросети с небольшой подключенной мощностью токоприемников, как, например, аварийное освещение, цепи управления и сигнализации и др. В случаях питания исключительно ламп накаливания при равенстве напряжений рабочей и резервной линий схема может быть использована совместно для переменного и постоянного токов, например с питанием рабочей линии от источника переменного, а резервного - от источника постоянного тока.

Самая простая схема АВР осуществляется с помощью реле контроля наличия напряжения РКН, контакты которого непосредственно включены в линии рабочего и резервного питания. В двухпроводных сетях переменного тока 220 В в качестве реле РКН может быть применено реле типа ЭП -41/33Б. Контакты этого реле рассчитаны на рабочий ток до 20 А, что при 220 В отвечает мощности 4,4 кВт, достаточной для большинства небольших однофазных установок переменного тока. При постоянном току необходимо выбрать соответствующее реле другого типу, имея при этом в виду, что размыкать цепь при постоянном току значительно труднее, чем при переменном. Следовательно, даже при сравнительно небольших токах придется применить не реле, а контактор с дугогасящими камерами.

Действие схемы показано на мал.1. Реле РКН получает питание от рабочей линии и имеет запирающие контакты в той же линии, что и размыкающие линии резервного питания. Поэтому при наличии питания на рабочей линии реле РКН используется и питание нагрузки осуществляется от нее; резервная линия (независимо от того, есть на ней напряжение или нет) от нагрузки отсоединена. При отсутствии напряжения в рабочей линии происходит переключение контактов реле РКН, то есть размыкаются контакты в цепи питания от рабочей линии и защелкивающиеся в цепи питания резервной.

Рис 1. Схема АВР в двухпроводных сетях.

При возобновлении напряжения на рабочей линии происходит обратное переключение.

Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока к 380/220В без контроля обрыва фаз (рис. 2). Как и в предыдущем случае, схема рассчитана на наличие двух линий, из которых одна рабочая, другая - резервная.

Вообще говоря, схемы АВР в трехфазных сетях переменного тока с электросиловой или смешанной электросиловой и осветительным нагрузками требуют контроля обрыва фаз. Это объясняется тем, что трехфазные электродвигатели не могут работать под нагрузкой на двух фазах: они остановятся, и их обмотки могут сгореть (предохранители в этом случае вовремя не перегорают). Однако в некоторых, но достаточно распространенных случаях необходимость контроля отпадает. Это имеет место при защите линий автоматическими выключателями, которые отключают все три фазы одновременно при любом повреждении в электросети, которая защищается, без предохранителей, и выполнении линий питания трехжильными или четырехжильными кабелями, в которых обрыв одной фазы маловероятен. Отсутствие контроля обрыва фаз позволяет существенно упростить схему АВР.

В противовес описанной выше схеме для двухпроводных сетей, где переключения в цепях рабочей и резервной линий осуществлялись непосредственно контактами реле, в схеме АВР для сетей трехфазного переменного тока как исполнительные органы используются магнитные или пускатели трехполюсные контакторы. Это позволяет существенно расширить область применения схемы, потому что номинальные рабочие токи для магнитных пускателей серии П лежат в пределах от 15 до 135 А, а трехполюсных контакторов (типов КТЭ и КТВ) - от 75 до 600 А.

Режимы работы схемы. В рассмотренной схеме каждое из четырех возможных положений переключателя режимов ПП (пакетный переключатель) определяет один из четырех режимов работы схемы.

Положение АВР-1: линия №1 является рабочей, линия №2 - резервной с автоматическим включением резерва.

Положение АВР-2: линия №2 рабочая, линия №1 резервная с автоматическим включением резерва.

Положение Мест, (местное управление) : переключение линий происходит пакетными выключателями 1В и 2В.

Положение 0 (нуль) : обе линии отключенные от цепи управления контакторами 1К и 2К и лишенные питания.

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению схемы, необходимо обратить внимание на то, что в цепи управления обеими линиями введенные контакты того же переключателя Пп. Потому его контакты, которые отвечают потому или другому положению, в цепях катушек 1К и 2К обоих контакторов замкнуты одновременно. Так, например, при замыкании контакта переключателя 1-7 Линии №1 одновременно оказывается замкнутым контакт 11-13 Линии №2, на что указывают черные кружки на пунктирных линиях АВР-1.

Рис. 2. Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока напряжением к 380/220В без контроля обрыва фаз.

Но контакты 1-3 и соответственно 11-17, а также контакты 1-5 и 11-15 разомкнуты. Контакты 1-3 и 11-17 замкнутся в положении ЛВР-2, при этом контакты 1-7, 11-13, 1-5 и 11-15 будут разомкнуты. Контакты 1-5 и 11-15 замкнуты в положении Мест и, наконец, в положении 0 все контакты разомкнуты, на что указывает отсутствие черных кружков на пунктирной линии 0.

Автоматическая работа схемы. В положении АВР-1, катушка контактора 1К питательного Линии №1 получает питание по цепи 1-7-0. При этом главные контакты 1К замкнуты и нагрузку питает Линия №1, тем временем катушка контактора 2К Линии №2 (цепь которой разомкнута блоком-контактом 1К) лишена питания. Следовательно, Линия №2 отключена от шин и является резервной.

Допустимо теперь, что Линия №1 осталась без напряжения. В этом случае контактор 1К отпустит, его главные контакты отсоединят Линию №1 от шин, а блок-контакт замкнет цепь катушки 2К (11-13- 17-0). Если на Линии №2 есть напряжение, то контактор 2К включится и питание шин возобновится. Другими словами, состоится АВР, то есть автоматическое включение резерва.

При возобновлении питания по Линии №1 создаются обратные переключения, то есть автоматически включится контактор 1К, а потом отключится контактор 2К, потому что при включении контактора 1К его блок-контакт 13-17 размыкает цепь катушки 2К.

Таким образом, рассмотренная схема относится к категории схем из самовозвратом.

Необходимо подчеркнуть, что такое самовозвратом не всегда допустимая, особенно в сложных сетях высокого напряжения. В этих случаях схема возвращается в исходное положение после ряда предыдущих операций, осуществляемых вручную или с помощью телемеханики.

Если переключатель ПП занимает положение АВР-2, то рабочей является Линия №2, а резервная - Линия №1. Катушка контактора 2К включена по цепи 11-17-0, тем временем как катушка контактора К1 отключена блоком-контактом 2К 3-7. При исчезновении напряжения на Линии №2 автоматически включается Линия №1 аналогично описанному выше.

Работа схемы на местном (ремонтному, «ручному») управлении. В положении переключателя Мест цепи АВР разомкнуты. Контактор 1К руководствуется выключателем 1В по цепи 1-5-7-0, контактор 2К. - выключателем 2В по цепи 11-15-17-0. Этот режим предвиден для испытания и проверок действия всего устройства потом или ремонту налаживания, а также на случай неисправности в цепях автоматического управления.

Наконец, положение переключателя 0 отвечает полному отключению как главных цепей, так и цепей управления, что необходимо при ремонтных работах.

Предупредительная сигнализация. Действие АВР возобновляет питание электроустановки по резервной линии, но вместе с тем свидетельствует о нарушении нормального режима работы и необходимости принять меры к устранению причины, что вызывало действие АВР. Поэтому нужно немедленное оповещение дежурного персонала пункта, в ведении которого находится электроустановка, о переключении. Для оповещения служит предупредительная сигнализация, которая особенно необходима для полностью автоматизированных установок, которые работают без дежурного персонала, где ненормальность в питании, которое вызывало действие АВР, может оставаться незамеченной очень долгое время.

Для предупредительной сигнализации используется третий полюс переключателя режимов ПП, через который включенные блоки-контакты 1К и 2К. Схема работает таким способом. При нормальном питании шин цепь предупредительной сигнализации разомкнута.

При автоматическом переключении введений в положение переключателя ПП АВР-1 Линия №2 включится, блок-контакт 2К замкнется, благодаря чему на дежурный пункт подается предупредительный сигнал. В положении переключателя АВР-2 при включении Линии №1 цепь предупредительной сигнализации защелкивающаяся блоком-контактом 1К.

Аварийная сигнализация. Оповещение о полном отключении установки выполняет аварийная сигнализация. Для аварийной сигнализации, которая действует при отсутствии напряжения на обеих линиях, используется специальная цепь с включенными последовательно блоками-контактами контакторов обеих линий. Если хотя бы одна из линий находится в рабочем состоянии, то цепь аварийной сигнализации прервана соответствующим блоком-контактом 1К или 2К. При исчезновении напряжения на обеих линиях оба блоки-контакта окажутся замкнутыми и по цепи аварийной сигнализации будет поданный сигнал на дежурный пункт.

Важное замечание. Рассмотренная схема, так же как рассмотрена ниже схема с контролем обрыва фаз, допускает возможность одновременного питания шин по двум линиям в течение очень короткого времени, необходимого для процесса переключения. Хотя это время вычисляется долями секунды, однако для обеих линий должны быть соблюденные условия рівнобіжної работы (тот же вид тока - постоянный или переменный, равенство напруг, соблюдение фаз).

Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока к 380/220В с контролем обрыва фаз (рис. 3) применяется в случаях, когда возможен обрыв одной или двух фаз без отключения всей питательной линии.

Наиболее часто это возникает в электросетях, защищенных плавкими предохранителями, когда короткое замыкание или перегрузка вызывает перегорание предохранителя лишь в одной или двух фазах. Аналогичное явление возможно при обрыве одного или двух проводов в результате ветра, гололеда, неосторожность обслуживающего персонала и тому подобное

Как и в схеме на рис. 2, шины электроустановки получают независимое одно от одного питания по двум трехфазным линиям, одна из которых является рабочей, а вторая резервной. На введениях линий устанавливаются магнитные пускатели или трехполюсные контакторы.

Выбор режима осуществляется с помощью переключателя режимов ПП, что выполняет той же функции, что и в описанной выше схеме.

Реле контроля обрыва фаз. Для контроля обрыва фаз служит специальное реле типа Е-511 Киевского завода реле и автоматики. Оно состоит из двух электромагнитных реле напряжения: основного реле 2ПП для линии №1 (4ПП для линии №1) и вспомогательного реле 1ПП (3ПП), а также содержит конденсаторы C1, С2 и активные опоры R1 и R2. Как видно из схемы, конденсатор C1 и сопротивление R1 соединены последовательно и включены между фазами А1 и В1 линии №1 (А2, В2 линии №2). Конденсатор С2 и сопротивление R2 также соединены последовательно и присоединены между фазами В1 и С1 (У2, С2).

Величины сопротивлений и конденсаторов подобраны таким образом, что при отсутствии обрыва фаз (нормальный режим) между точками X1 и Y1 для реле линии №1 (Х2 и Y2 для реле линии №2) напряжение равняется нулю. Следовательно, реле 1ПП (3ПП, проходит между точками X1 и Y1 (X2 и Y2), отпущенный и его контакт в цепи реле 2ПП (4ПП) замкнут: реле 2ПП (4ПП) притянуто.

При обрыве одной из фаз симметрия напряжений нарушается. Вследствие этого между точками X1 и Y1 (Х2 и Y2) возникает разница потенциалов, достаточная для срабатывания реле 1ПП (3ПП). При срабатывании реле 1ПП (3ПП) его контакт размыкает цепь катушки реле 2ПП (4ПП), реле отпускает, что, как будет объяснено ниже, приводит к действию АВР.

Рис. 3. Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока напряжением к 380/220В с контролем обрыва фаз. Пунктирными линиями обведенные элементы, которые входят в состав реле типа Е-511.

При обрыве двух фаз, например А1 и В1, реле 2ПП также отпускает, потому что оно остается присоединенным только к одной фазе С1. При обрыве фаз У1 и С1 реле 2ПП отпускает, потому что остается присоединенным только на одной фазе А1. И, наконец, при обрыве фаз А1 и С1 реле 2ПП полностью избавляется от питания.

Взаимодействие реле обрыва фаз с схемой АВР. Для приведения схемы в рабочее состояние необходимо переключатель режимов ПП установить в положение АВР-1, а потом включить рубильник 1P. При этом реле 2ПП сработает и включит катушку контактора 1К: на шины будет поданное напряжение от линии №1. Потом нужно включить рубильник 2Р. При включении рубильника 2Р контактор 2К не включится, потому что цепь его катушки уже разомкнута блоком-контактом 11-13 включенного ранее контактора 1К, но реле 4ПП сработает и замкнет свой контакт 15-13.

При перегорании предохранителей и обрыве проводов в одной, двух или трех фазах линий № 1 реле 2ПП отпустит и контактом 1-3 отключит контактор 1К, после чего через блок-контакт, который замкнулся, 1К 11-13 включится контактор 2К: питание шин возобновится от линии №2.

При возобновлении нормального питания по линии №1 схема автоматически вернется в первобытное положение: включится контактор 1КО, после чего отключится контактор 2К.

В положении переключателя ПП АВР-2 будут происходить аналогичные переключения.

Необходимо особенно подчеркнуть следующее:

а) В процессе возобновления питания после действия АВР обе линии кратковременно оказываются соединенными через шины.

б) При переключении переключателя ПП из положения АВР-1 (АВР-2) в положение АВР-2 (АВР-1) возможный перерыв питания шин на время, необходимое для включения контактора 2К (1К).

в) Прежде чем переводить схему на местное управление, необходимо включить выключатель 1В или 2В в зависимости от того, какая линия должна будет продолжать питать шины.

Причины применения в схеме реле типа Е-511. Реле типа Е-511, как видно из приведенного выше описания, являет собой сравнительно сложное устройство, и, естественно, возникает вопрос: или нельзя контролировать обрыв фаз более простыми средствами. Ответ дает рис. 4. На нем показано, что в системах трехфазного переменного тока при наличии присоединенных к сети электродвигателей обрыв одной фазы не вызывает полного отсутствия напряжения в этой фазе со стороны нагрузки. Некоторая часть напряжения в оборванной фазе Uост будет поддерживаться через обмотки неотключенного электродвигателя, и она достаточно большая, чтобы удерживать притянутым якорь простого промежуточного реле (какое с целью осуществления контроля за обрывом фазы должно было бы отпустить). Выходит, контроль даже с помощью трех промежуточных реле не достигает цели.

Рис. 4. Недопустимость контроля обрыва фаз тремя промежуточными реле.

а - при соединении обмоток электродвигателя в звезду; бы - при соединении в треугольник.

Надежный контроль обеспечивается или тремя реле минимального напряжения, значительно более чувственными, чем промежуточные реле, или специальным реле, например типа Е-511.

В данной статье мы рассмотрим, как создать резервный аккумуляторный источник питания для небольших электронных устройств, чтобы на них никогда не пропадало питание.

Существует множество электронных устройств, на которые должно подаваться питание постоянно и без перебоев. Хорошим примером таких устройств являются будильники. Если посреди ночи питание пропадет, и будильник вовремя не сработает, вы можете пропустить важную встречу. Самым простым решением этой проблемы является резервная аккумуляторная система питания. Таким образом, если питание от внешнего источника падает ниже определенного порогового значения, аккумуляторы автоматически нагрузку на себя и продолжают всё питать, пока не восстановится внешнее питание.

Компоненты

• источник питания постоянного тока;
• аккумуляторы;
• батарейный отсек;
• стабилизатор напряжения (необязательно);
• резистор 1 кОм;
• 2 диода (с допустимым прямым током, превышающим ток от источника питания);
• разъем «папа» для постоянного напряжения;
• разъем «мама» для постоянного напряжения.

Принципиальная схема

Существует множество различных видов аккумуляторных систем резервного питания, и выбор типа системы в значительной степени зависит от того, что именно вы питаете. Для данного проекта я разработал простую схему, которую можно использовать для питания маломощной электроники, которая работает от 12 вольт или ниже.

Во-первых, нам нужен источник питания постоянного тока. Такие источники очень распространены и бывают различных напряжений и номинальных токов. Блок питания подключается к схеме через разъем питания постоянного тока. Затем он подключается к блокирующему диоду. Блокирующий диод предотвращает протекание тока из резервной аккумуляторной системы обратно в источник питания. Далее, через резистор и еще один диод подключается аккумуляторная батарея. Резистор позволяет батарее медленно заряжаться от источника питания, а диод обеспечивает низкое сопротивление пути протекания тока между батареей и конечной схемой, таким образом, аккумулятор может питать конечную схему, если выходное напряжение источника питания упадет слишком низко. Если схема, которую вы питаете, требует стабилизированный источник питания, то вы можете просто добавить в конце стабилизатор напряжения.

Если вы питаете Arduino или аналогичный микроконтроллер, то вы должны учесть, что вывод V in уже подключен к встроенному стабилизатору напряжения на плате. Таким образом, вы можете подать на вывод V in любое напряжение в диапазоне от 7 до 12 вольт.

Выбор номинала резистора

Выбор номинала резистора должен быть сделан с осторожностью, чтобы вдруг не перезарядить аккумулятор. Чтобы выяснить, с каким номиналом надо использовать резистор, необходимо в первую очередь рассмотреть источник питания. Когда вы работаете с нестабилизированным источником питания, выходное напряжение не неизменно. Когда схема, которая питается от него, выключается или отключается, напряжение на выходных клеммах источника увеличивается. Это напряжение холостого хода может достигать значения в полтора раза выше, чем то напряжение, которое указано на корпусе блока питания. Чтобы проверить это, возьмите мультиметр и измерьте напряжение на выходных клеммах источника питания, когда к нему ничего не подключено. Это и будет максимальное напряжение источника питания.

NiMH аккумулятор может безопасно заряжаться при токе заряда C/10, или одна десятая емкости аккумулятора в час. Однако прикладывание тока такой же величины после того, как аккумулятор был полностью заряжен, может привести к его повреждению. Если предполагается, что аккумулятор будет непрерывно заряжаться в течение неопределенного периода времени (как, например, в аккумуляторной системе резервного питания), то ток заряда должен быть очень низким. В идеале, ток заряда должен быть равен C/300 или еще меньше.

В моем случае, я буду использовать аккумуляторный отсек размера AA с аккумуляторами емкостью 2500 мАч. В целях безопасности мне нужен ток заряда 8 мА или меньше. Исходя из этого, можно рассчитать, резистор какого номинала нам нужен.

Чтобы рассчитать необходимое сопротивление вашего резистора, начните с определения напряжения холостого хода источника питания, затем вычтите из него напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи. Это даст вам напряжение на резисторе. Чтобы определить сопротивление, разделите разность напряжений на значение максимального тока. В моем случае, напряжение холостого хода источника питания равно 9В, а напряжение на аккумуляторной батарее равно около 6В. Это дает разность напряжений 3В. Деление этих 3 вольт на ток 0,008 ампер дает значение сопротивления 375 Ом. Поэтому номинал нашего резистора должен быть не менее 375 Ом. Для дополнительной безопасности я использовал резистор 1 кОм. Однако имейте в виду, что использование резистора с большим сопротивлением значительно замедлит заряд аккумулятора. Но это не проблема, если система резервного питания используется очень редко.

Для обеспечения надежной работы многих стационарных устройств необходимо применять резервное питание. Чаще всего для этих целей устанавливают аккумулятор, но за ним надо следить, не допуская сильного разряда и вовремя ставить на подза- ряд. Удобнее эту обязанность поручить автоматике.

Для подзаряда аккумулятора необходимо соответствующее устройство (внутреннее или внешнее). Зарядное устройство можно выполнить в составе системы бесперебойного питания и полностью автоматизировать процесс, т. е. оно может включаться при снижении напряжения на аккумуляторе ниже порогового уровня , или же применить «плавающий» подзаряд . Под плавающим зарядом подразумевают подключение аккумулятора параллельно с нагрузкой (рис. 2.18), когда источник питания служит только для компенсации токов саморазряда в элементах питания. В этом случае схема получается наиболее простой.

В этих схемах поступающее напряжение с трансформатора выбирается таким, чтобы зарядный ток, проходящий через аккумулятор, компенсировал ток естественного саморазряда. Нужное напряжение после выпрямителя можно подобрать экспериментально установкой дополнительных диодов или с помощью отводов от вторичной обмотки трансформатора (у некоторых унифицированных трансформаторов, например из серии TH, ТПП и др., есть возможность немного изменить напряжение во вторичной цепи за счет переключения отводов в первичной обмотке). При этом контролируем ток в цепи аккумулятора по амперметру. Обычно значение тока «плавающего» подзаряда не должно превышать 0,005…0,01 номинального для аккумулятора. Уменьшение тока заряда приводит только к увеличению продолжительности процесса (в данном применении время заряда значения не имеет - оно всегда будет достаточным).

Такие схемы можно применять, если ваша сеть достаточно стабильна и питающее напряжение не выходит за рамки допуска

Рис. 2.18. Схемы, обеспечивающиеплавающийподзаряд аккумулятора резервного питания

(в крупных городах за этим следят). В противном случае между трансформатором и аккумулятором устанавливается стабилизатор напряжения и диод, препятствующий прохождению тока аккумулятора в стабилизатор, когда трансформатор не включен (рис. 2.19). Микросхема KP142EH12 может быть заменена аналогичной импортной LM317.

Рис. 2.19. Схема зарядного устройства со стабилизатором напряжения

Более совершенная схема зарядного устройства приведена на рис. 2.20. Она не только поддерживает стабильное напряжение на

аккумуляторе, но и имеет настраиваемую токовую защиту, которая предотвращает повреждение элементов в случае короткого замыкания на выходе (или неисправности аккумулятора). Ограничение тока полезно и в тех случаях, когда подключается новый аккумулятор (еще не заряженный или сильно разряженный ранее). В этом случае ограничение тока на нужном уровне предотвращает перегрузку питающего сетевого трансформатора (он может быть маломощным - 14…30 Вт, так как в режиме «Тревога» необходимый ток вполне может обеспечить сам аккумулятор). Кроме того, внутри микросхемы есть температурная защита, отключающая ее выход при перегреве, что исключает повреждение компонентов.

Для сборки устройства можно воспользоваться односторонней печатной платой из стеклотекстолита, показанной на рис. 2.21, ее внешний вид приведен на рис. 2.22.

При монтаже применялись детали C1 - любой оксидный, С2-С4 - из серии K10. Подстроечный резистор R4 - многооборотный СП5-2В. В качестве микросхемы можно использовать любые из серии K142EH3 или K142EH4 - они имеют планарные выводы. Для установки микросхемы со стороны печатных проводников, в плате сделано окно размером 15 x 10 мм и отверстия для ее крепления. Между пластиной теплоотвода микросхемы и платой подкладываются диэлектрические шайбы так, чтобы выводы легли прямо на токопроводящие дорожки. Это позволит ко всей плоскости микросхемы закрепить отводящую тепло пластину.

Рис. 2.21. Топология печатной платы и расположение элементов

Рис. 2.22. Внешний вид монтажа элементов на плате

Трансформатор (T1) можно заменить на ТП115-K9 - он имеет 2 обмотки по 12 В с допустимым током до 0,8 А. В холостом ходу на обмотке будет напряжение 16 В, а после выпрямления и сглаживания конденсатором - 19 В, что вполне достаточно для работы стабилизатора (основную часть времени схема будет работать как раз в режиме хрлостого хода).

Работающая аналогично еще одна схема приведена на рис. 2.2,3- Основой ее является микросхема L200 (отечественных аналогов нет), имеющая выводы (2 и 5) для контроля тока в нагрузке. Приреденное включение микросхемы является типовым: от номинала резистора В2 зависит максимальный ток в цепи нагрузки (Lax = 0,45/R2), а нужное напряжение выставляется резистором R3. Стабилизатор может обеспечить выходной ток от 0,1 до 2 А и имеет внутреннюю защиту от перегрева.

Рис. 2.23. Второй вариант схемы зарядного устройства с ограничением тока

Для монтажа элементов второй схемы зарядного устройства можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 2.24.

О настройке всех схем со стабилизацией. Вам потребуется миллиамперметр, вольтметр (лучше цифровой) и имитирующий нагрузку мощный резистор. Все это соединяется no схеме, показанной на рис. 2.25.

Сначала при отключенном аккумуляторе соответствующим подстроечным резистором выставляем на выходе стабилизатора напряжение 13 В, После этого переключателем S1 включаем резистор RH и проверяем ток ограничения. Его можно установить любым при помощи подбора резистора токовой обратной связи - R3 в схеме рис. 2.20 (например, для тока 220 мА - R3 = 3,9 Ом; для 300 мА - R3 = 3,3 Ом) или R2 в схеме на рис. 2.23.

Рис. 2.24. Топология печатной платы и внешний вид монтажа

Рис. 2.25. Стенддля настройки и проверки зарядногоустройства

Теперь вместо резистора RH подключаем аккумулятор GB1. Необходимый ток в цепи заряда (для энергоемкости конкрегного аккумулятора) устанавливаем подстройкой выходного напряжения. Окончательную установку следует делать уже после того, как аккумулятор полностью зарядится - этот ток должен компенсировать саморазрядОВ1.

Дополнительная литература

1. Кадино Э. Электронные системы охраны. Пер. с франц. - M.: ДМК Пресс, 2001,c. 11.

2. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 1. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 84.

3. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 3. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 133.

4. Сайт фирмы: http://www.dart.ru/index5.shtml?/cataloguenew/acoustics/oscillator.shtml

5. ХрусталевД. А. Аккумуляторы. - M.: Изумруд, 2003.

Ничего не может быть хуже, чем отключение света зимой. Любой из загородных жителей рано или поздно сталкивается с ситуацией, когда лампочки гаснут, скважинный насос перестаёт качать воду, а батареи системы отопления остывают на глазах. Время задействовать резервное питание!

Но есть и другое решение проблемы с перебоями электричества: система резервного питания дома или сокращённо – СРП.

Для правильного выбора такой системы питания необходимо понять, чем она отличается от системы автономного питания (САП).

Андрей-АА, Новая Москва.

СРП используется в том случае, когда к основной электросети. При отключении основного питания резервное электропитание «подхватывает» основных потребителей электроэнергии: скважинный насос, котёл, холодильник, компьютер, телевизор и другое электрооборудование . САП – это основная система электропитания для дома, применяемая при полном отсутствии основной электросети.

Переходим к выбору системы резервного питания. По мнению Андрей-АА , существует 4 основных типа резервного питания для дома.

• Если сеть отключается ненадолго, но суммарно в месяц более чем на 10 часов, то оптимальной будет система, состоящая из инвертора, зарядного устройства и блока аккумуляторов, заряжаемых от сети.

Инвертор – это преобразователь постоянного тока от аккумуляторных батарей в переменное однофазное напряжение 220В, от которого работает оборудование в доме.

• Если сеть отключают менее чем на 10 часов в месяц, то выгодней система из электрогенератора с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), оборудованного системой автоматического пуска.
• Если сеть отключают часто и надолго, или когда напряжение в сети слишком низкое, то оптимальной является система, состоящая из генератора, блока аккумуляторов, зарядного устройства и инвертора.

По аналогичному принципу строятся и системы автономного электропитания, но к ним предъявляются более высокие требования по мощности.

• Если требуемую мощность можно ограничить 1-1,5 кВт, то в качестве резервной системы питания можно использовать автомобиль с подключённым к нему инвертором.

Остановимся подробнее на третьем варианте. Пользователь с ником galexy456 предлагает пошаговый план создания бюджетной системы резервного питания для дома.

1 В электрический щиток заводятся два кабеля из подсобного помещения. Первый кабель необходим, чтобы подать электричество на инвертор. Второй – чтобы передать электричество от инвертора в дом.

galexy456

У меня на улице смонтирован маленький щиток, в котором реализована схема автоматического ввода резерва, или сокращённо АВР

АВР – это автоматический переключатель одной нагрузки на две питающих линии – основную и резервную.

2 В подсобное помещение ставим инвертор, аккумуляторы и коммутируем все устройства.

Инверторы бывают двух основных типов – с синусом на выходе (оптимальный вариант) и с так называемым «модифицированным синусом». Если инвертор выдаёт «модифицированный синус», то некоторые приборы при подключении к нему могут выйти из строя из-за высокого уровня гармоник частоты в питании – 150Гц, 250Гц, 350Гц и т.д.

В случае отключения электричества такая система работает следующим образом. АВР самостоятельно и быстро – так, что приборы не успевают отключиться, переключает питание с основного на резервное.

Теперь все подключённые энергопотребители продолжают работать от аккумуляторов и инвертора. Если энергоснабжение отсутствует больше 5-6 часов, то, не дожидаясь полного разряда аккумуляторов (от этого сильно сокращается срок их службы), для продолжения бесперебойного питания необходимо вручную завести генератор.

Существуют системы резервного питания с автоматическим запуском генератора, установленным в отапливаемом подсобном помещении и снабжённом принудительным отводом выхлопных газов. Главный недостаток таких СРП – это их высокая цена.

galexy456

После запуска генератора инвертор переводит нагрузку на питание приборов от него и одновременно начинает заряжать аккумуляторы. Таким образом, продлевается время работы системы и экономится моторесурс генератора, т.к. он работает не в постоянном режиме.

Необходимо помнить, что запускать генератор следует уже после израсходования ёмкости аккумуляторов примерно на 30-60%.

Любая, даже самая продвинутая и дорогая система резервного питания, в первую очередь, приучает экономить энергоресурсы в доме, т.к. от этого напрямую зависит время работы системы резервного электроснабжения дома.

Форумчане советуют:

• заменить все лампочки в доме на энергосберегающие;
• проложить вторую, резервную линию электросети, к которой, в случае отключения электричества, можно подключить самое необходимое оборудование в доме;
• как следует утеплить дом, чтобы уменьшить затраты на отопление;
• при работе резервной системы питания не пользоваться мощными электроприборами: утюгом, электрочайником, пылесосом.

Андрей-АА

Включение фена, чайника или утюга на 3-7 минут сильно не разрядит аккумуляторы, но глажку или работу с мощным электроинструментом лучше не допускать.

Для построения СРП нагрузку в доме можно условно разделить на три части:

1. Отопление.
2. Водонагревательные приборы.
3. Приборы, требующие обязательного резервного питания, а именно:

• освещение;
• циркуляционные насосы отопления;
• скважинный насос и насосная станция;
• компьютер;
• холодильник, телевизор, Интернет.

Также в качестве резервной системы питания можно использовать и автомобиль. Для этого необходимо:

1. Приобрести инвертор с синусоидальным выходом на 12-220 В мощностью до 2 кВт с защитой от перегрузки по току или по мощности.



Пользователи сайта FORUMHOUSE могут узнать, как самостоятельно сделать систему питания. Вся информация по расчёту собрана в этом дневнике. Автоматический «от А до Я» описан в этой теме.

А в этом видео рассказывается о том, как инвертор и блок аккумуляторов могут увеличить электрическую мощность в доме.