Схема резервного питания от батареек. Резервное электроснабжение дома: ИБП, генератор, автозапуск

Периодические отключения электричества способны вывести из строя всю систему отопления и повлиять на работу бытовой техники. Организация резервного питания дома только на первый взгляд сложная задача. В этой статье мы расскажем вам, как самостоятельно организовать резервное электроснабжение дома.

Практически в любом хозяйстве можно найти ряд устройств, которые было бы неплохо обеспечить резервным питанием. Сюда можно отнести холодильник, водонасосное оборудование, отопительный котел, компьютеры и устройства телефонии. Внезапно прерванная подача питания или скачки напряжения сокращают срок работы двигателей, возможен выход из строя блоков питания электронных устройств.

Существует два способа снизить влияние городской электросети на ритм своего быта. Для этого используют или источники бесперебойного питания (ИБП), или аварийные электрические генераторы .

Использование ИБП в домашнем хозяйстве

Почти все современные настольные компьютеры снабжены блоками бесперебойного питания для защиты от потери данных. Схожие по устройству приборы, но более мощного класса, могут быть использованы для питания бытовой техники во время аварийного обесточивания. Специфика их использования распространяется вплоть до организации аккумуляторных хранилищ, способных обеспечить весь дом электроэнергией в течение одного-двух дней.

И все же в быту наиболее широко применяются ИБП, защищающие отдельный потребитель или несколько, объединенных в выделенную линию, к которой может быть подключена также котельная или дежурное освещение. Это в корне меняет план электроснабжения дома, может потребоваться прокладка дополнительной проводки.

Инверторная система бесперебойного питания: 1 — сеть; 2 — батарейный инвертор; 3 — аккумуляторный банк; 4 — потребители

Перед приобретением ИБП следует составить список аварийных потребителей и рассчитать их мощность, потребляемую за наиболее продолжительный период, на который возможно отключение энергии. При этом обязательно учитывается как режим работы оборудования, так и прошлые опыты простоя без электричества.

Например, в резервном питании нуждаются:

1. Холодильник — 400 Вт, время работы — 6 ч.
2. Циркуляционный насос — 95 Вт, время работы — 24 ч.
3. Газовый котел и автоматика котельной — 85 Вт, время работы — 24 ч.
4. Зарядка ноутбука и телефонов — 200 Вт, время работы — 4 ч.

Таким образом, можно определить общее потребление приборов: 2,4 + 2,28 + 2,04 + 0,8 = 7,52 кВт/ч в сутки. Чтобы учесть и компенсировать временную деградацию аккумуляторов ИБП, к этому значению нужно добавить 30%, в итоге необходимая суточная емкость батареи ИБП составит почти 9,8 кВт/ч. Сделав поправку на время аварийной работы, вы получите необходимую мощность устройства. Учитывайте, что устройства такого класса мощности весьма дорогостоящие и делать дополнительный запас мощности не всегда нужно: поскольку ИБП не будет работать под полной нагрузкой, расчетной емкости хватит вполне.

Конфигурации защищенных сетей

При необходимости организовать резервное питание одному-двум потребителям, разумно использовать локальные ИБП. Так не потребуется переделка проводки в доме, нужно только корректно выбрать место установки прибора, а он довольно громоздкий.

В целом при нагрузке свыше 3 кВА/ч имеет смысл устанавливать одно устройство резервного питания для всех потребителей, организовав для них выделенную линию. Покупка одного мощного ИБП выгоднее нескольких менее мощных, в этом случае расходы на монтаж новой проводки вполне оправданы.

Другой плюс высокомощных ИБП — возможность самостоятельно определить режим и характеристики выходного тока для более продолжительной автономной работы. Встроенный контроллер заряда в таких устройствах существенно продлевает жизнь батарей и поддерживает их в полной готовности даже во время длительного простоя. Большинство устройств имеют интерфейс связи с ПК для отслеживания журнала работы и диагностики, а встроенный стабилизатор напряжения исключит скачки напряжения и сетевые помехи.

Длительная автономная работа — подключаем генератор

Есть два пути повышения времени автономной работы: наращивание парка аккумуляторных батарей и использование автономного источника электроэнергии. Первый вариант более дорогостоящий и использовать его следует лишь в тех условиях, где установка ДВС-генератора невозможна, например, в квартирах или офисах. Возникает спорный вопрос: а зачем нужен ИБП при наличии генератора?

Практика показывает, что параллельное использование этих устройств имеет свои плюсы:

1. Электроснабжение осуществляется абсолютно беспрерывно.
2. Характеристики тока, генерируемого портативными электростанциями, далеки от идеальных. Стабилизатор ИБП сглаживает помехи, имеет УЗИП электронного типа.
3. При работе от генератора не нужны устройства высокого класса мощности, достаточно чтобы они соответствовали пиковой нагрузке при одновременно включенных потребителях. В случае, рассмотренном выше, будет достаточно ИБП мощностью 1 кВА/ч.

В отдельных случаях имеет смысл использовать генераторы с функцией автозапуска. В момент перехода на питание от аварийного генератора и при возникновении нештатных ситуаций (генератор заглох, кончилось топливо), питание переключается на ИБП. В нормальном же режиме генерируемого электричества будет достаточно для поддержки полного заряда батарей и включения всех потребителей в работу.

Гибридная система бесперебойного питания: 1 — сеть; 2 — инвертор; 3 — генератор; 4 — аккумуляторный банк; 5 — потребители

Построение схемы на многофункциональном АВР

Комфорт от применения ИБП достаточно высок, чтобы многие владельцы задумались о резервном питании всей электросети, а не отдельных потребителей. Для этого также есть несколько путей решения.

При невозможности установить генератор функцию резервного питания на себя берет сборка аккумуляторных батарей достаточной емкости. Тип аккумулятора определяется режимом работы: гелиевые имеют наибольшую цикличность и рассчитаны на частые включения, свинцово-кислотные AGM-аккумуляторы дешевле, их оптимально использовать для работы в режиме байпаса.

Аккумуляторный парк собирается из нескольких параллельно подключенных необслуживаемых аккумуляторов емкостью в 100-200 А/ч. Суммарная емкость парка должна соответствовать общему энергопотреблению в пересчете на низкое напряжение, то есть в рассмотренном выше случае потребление приборов от сети 230 В составило 9,8 кВт/ч или кВА/ч. При напряжении 12 В это эквивалентно общему потреблению в 816 А/ч, так определяется суммарная емкость парка. При сборке нужно учитывать также собственное энергопотребление системы и потери в проводах низкого напряжения, это примерно 5-7% от первоначальной мощности. Все функции по управлению системой бесперебойного питания берет на себя инвертор с электронным управлением. Стоимость устройства надлежащего качества (MeanWell) на 1 кВт пиковой мощности составляет 400-600 $, от 3 до 5 кВт — 1200-1400 $. К слову, комплексные устройства с теми же параметрами обходятся как минимум в 2-3 раза дороже.

Резервная система с блоком АВР: 1 — сеть; 2 — генератор; 3 — аккумуляторный банк; 4 — щит автоматического ввода резерва (АВР); 5 — многофункциональный инвертор; 6 — потребители

При наличии генератора аккумуляторный парк можно существенно сократить до одного-двух часов бесперебойной работы. Но потребуется установка устройства АВР с функцией запуска генератора. Подойдут и простейшие щиты отечественного производства, такие как ЩАПг-3-1-50 «Техэнерго» (~20 000 руб.) или сборки АВР самостоятельного исполнения.

Электроника для начинающих

Пролог

В была рассмотрена постановка задачи на разработку маломощного резервного источника питания на мощность 60 Вт с синусом на выходе для циркуляционного насоса системы отопления. Была выбрана концепция реализации данного устройства. В этой статье пойдет речь о разработке электрической схемы устройства, с необходимыми расчетами для выбора номиналов компонентов, входящие в состав устройства.

Вооружившись САПРами и учебниками черновиками, карандашом и GOOGLE приступим к проектированию. Начнем с простого – система питания устройства.

Организация питания

Для питания элементов схемы нам понадобится три типа шины постоянного напряжения в 12, 5 и 3,3 Вольта.

Двенадцати вольтная шина – основная. Она является питанием моста, осуществляющего закачку тока в низковольтную обмотку линейного сетевого трансформатора. С нее же питаем драйвера транзисторов, входящих в мост. Коммутирующие сеть реле тоже будут питаться с данной шины.

Пяти вольтная шина необходима для питания токовой микросхемы ACS712, микросхемы логики, символьного ЖКИ и т.д.

Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.

Лирическое отступление

Для наглядности куски схемы рисовались в Proteuse v 7.7. В его библиотеках есть не все использованные компоненты, так что некоторые компоненты заменены на аналоги. Окончательная, полная схема будет в формате САПРа Dip Trace. Со всеми утвержденными компонентами. Но это уже в следующей статье.

Родилась вот такая схема:

Картинка кликабельна.

Формирователи шины 5 и 3,3 Вольта организованы на 1 % LDO стабилизаторах типа NCP1117STхх. Аналоговое питание модуля АЦП берется с шины 3,3 Вольта через индуктивность, сглаживающие и блокировочные конденсаторы. Аналоговую землю тоже стоило бы разделить. Но в данной схеме этого нет, так как измерения не критичные, и погрешность в пару разрядов не приведет к «расстройству» устройства. Применим программный фильтр – скользящее среднее и может даже погрешности в один разряд добьёмся.

Измерение тока и защита от перегрузки

Датчик тока ACS712ELCTR-05B-T представляет собой интегральную микросхему. Детектирование тока происходит на эффекте Холла. Данный датчик позволяет МК измерять как прямой, так и обратный ток. С остальными характеристиками можно ознакомиться из его pdf . Выход датчика аналоговый. Средняя точка, соответствующая нулевому току = 2,5 В. Усиление 185мВ на 1 Ампер. Хотя датчик регистрирует и большие токи, только линейность искажается, и при определенном токе входит в насыщение. Так что для согласования выхода датчика с МК, поставим делитель напряжения. И поделим шкалу пополам. Разрядности АЦП МК хватит для приемлемой точности.

Для быстродействующей защиты от перегрузки или короткого замыкания в низковольтной обмотке линейного трансформатора, установим токовый шунт. Сигнал с шунта усилим на ОУ и на компараторе соберем схему сравнения с защелкой. Данные о перегрузке будем загонять в МК, а также по этому сигналу будем закрывать ВСЕ ключи моста.

Небольшое видео, симуляции работы токовой защиты, представлено ниже.

Силовая часть

Силовая часть РИПа представлена на рисунке.

Картинка кликабельна.

Мост транзисторов «опирается» на токовый шунт, для обеспечения быстродействующей защиты. Выход моста через LC фильтр, рассчитанный на частоту среза в ~ 1 кГц, подается на низковольтную обмотку трансформатора. О фильтре и трансформаторе стоит поговорить более подробно.

Расчет фильтра производился в программе «Калькулятор РЛ» ссылку на так называемый офф. сайт уже не найду. Поэтому архив с калькулятором выложил сюда . Вот скрин расчета.

Полученная индуктивность в 10 миллигенри довольна внушительна. Но и емкость получилась приличная. Так как у нас на выходе с фильтра переменка, то полярным конденсатором не обойдешься. В схему заложил два керамических конденсатора в параллель - 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).

Расчет дросселя по полученным данным производил в программе Coil32. Вот ссылка на архив с программой. Ферритовое кольцо для такого дросселя выбрал со следующими параметрами: Кольцо N87 R25x15x10. Вот скрин расчета в программе.

Получилось 70 витков провода диаметром 1 мм, для обеспечения нужной индуктивности. Вполне приемлемо для ручной намотки.

Выбор трансформатора пал на тороидальный трансформатор типа ТТП-60, со вторичным напряжение в 9 Вольт. Расчет прост. Переменное напряжение в 9 Вольт дает в амплитуде 12,7 Вольт. Напряжение заряженного АКБ порядка 13 Вольт. Так что сможем более менее на выходе получить 220 вольт. Для заряда АКБ конечно маловато. Поэтому есть предложение, домотать вторичку витков на 5-6. То есть получилась низковольтная обмотка с отводом. С крайних выводов обмотки снимаем повышенное напряжение для заряда АКБ, во время работы от сети. А на крайний и средний вывод подаем напряжение с моста, когда работаем от АКБ. По напряжению, снимаемому с крайних выводов обмотки, судим о напряжении в высоковольтной обмотке во время работы от АКБ, обратная связь для регулировки.

Транзисторы моста управляются от МК через драйверы полумостов IRS2101S. Управление верхними ключами осуществляется по бутстрепной схеме. Управление P-канальным зарядным транзистором осуществляется обычным биполярником. Сглаживающий зарядный дроссель имеет те же габариты и расчетные величины, что и дроссель в LC фильтре после моста.

Детектирование наличия сети и коммутация

Для детектирование сети применятся конденсаторная схема питания. Напряжение заводится на оптопару. Выход оптопары загоняем в МК для контроля наличия сети. Схема показана ниже.

Картинка кликабельна.

Сетевое напряжение через гасящий конденсатор, диоды, стабилитрон, сглаживающие конденсаторы, токоограничивающий резистор подается на светодиод оптопары. Выход идет в МК.

Управление реле, коммутирующие сеть на нагрузку, осуществляется от МК.

Токовая защита реализована на ОУ и компараторе. Выход компаратора расходится на два транзистора. Один для ввода сигнала в МК, второй для закрывания всех транзисторов моста.

На рисунке ниже представлены схемы включения драйверов для моста.

Картинка кликабельна.

Все типовое, согласно даташиту на драйвер IRS2101S.

Схема формирование импульсов моста

Чтоб не нагружать МК бесполезной работой, формирование сигналов импульсов моста собрано на логике И. От МК требуется три сигнала. Один синусоидальный ШИМ за период, а также два дискретных сигнала, первая полуволна и вторая. Реализация такого подхода изображена на рисунке.

Картинка кликабельна.

Перегрузка по току, заведена в МК и продублирована светодиодом. Управление зарядным P-канальным транзистором организованно на биполярном NPN транзисторе.

Логика работы моста будет заключаться в следующем. 20 кГц ШИМ будет модулироваться таблицей синуса в количестве 400 значений. Передача значений в регистр ШИМ будет организованна через ДМА. После загрузки половины буфера, то есть 200 значений, одного полупериода, ДМА вызовет прерывание, где сигналы MCU_P_1 и MCU_P_2 будут взаимно инвертироваться. После загрузки всего буфера, в прерывании от ДМА будет происходить обратное инвертирование сигналов MCU_P_1 и MCU_P_2. И далее в циклическом режиме. Постоянный уровень полуволны, будет подаваться на верхний транзистор плеча, а синусоидальный ШИМ на нижний ключ противоположного плеча. Следующий полупериод – это другая пара транзисторов.

Во время перегрузки по току, NPN транзистор Q7 обеспечит на входе логики низкий уровень, что в свою очередь приведет к низкому уровню на выходе логике и как следствие – запиранию ВСЕХ транзисторов моста.

Аппаратная платформа

Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.

Как уже упоминалось выше, МК будет от ST семейства STM32. Чем обуславливается такой выбор?

• МК имеет невысокую стоимость. Аналоги по возможностям от ATMEL или PIC имеют даже более высокие цены, при разрядности в 8 бит.
• Наличие на борту 12 битного АЦП, ЦАП, контроллера ДМА.
• 32 бит разрядность ядра.
• Увеличенную емкость память программ и данных.

Одним словом выигрывает по многим позициям.

Для индикации работы устройства и вывода необходимых данных в схеме будет использоваться знакосинтезирующий ЖКИ с управляющим контролером KS0066 (HD44780). Библиотек для работы с таким дисплеем в рунете полно.

Схема подключения дисплея к контроллеру выглядит следующим образом.

Картинка кликабельна.

Подключение происходит напрямую. Порты МК непосредственно подключены к дисплею. Сопряжение 3 вольтовой и 5 вольтовой логики не производилось. Здесь возможно появятся проблемы, и придется выводы МК настроить как выходы с открытым коллектором, и подтянуть линии к 5 вольтам, а сами выходы МК использовать толерантные к 5 вольтам. Как говорится жизнь покажет, но при разработке печатной платы, необходимо заложить данный «апдейт».

Пользовательские кнопки необходимы для организации навигации по меню и параметрам, отображаемым на дисплее.

Дополнительные расчеты

Для расчета бутстрепного конденсатора воспользуемся методом, предложенным в данной статье . В конце описания есть пример расчета необходимой емкости бутстрепного конденсатора. Возьмем его за основу и пересчитаем для наших реалий.

Определимся с параметрами схемы:

• V IN,MAX = 15V максимальное входное напряжение,
• V DRV = 12V напряжения питания драйвера и амплитуда управляющего сигнала,
• dV BST = 0.5V пульсация напряжения на конденсаторе C BST в установившемся режиме,
• dV BST,MAX = 3V максимальное падение напряжения на C BST перед тем как сработает схема защиты от пониженного напряжения или амплитуда управляющего сигнала станет недостаточной,
• f DRV = 100 Hz частота преобразования, так как наш конденсатор работает в промежутке 10 мс,
• D MAX = 1 максимальный коэффициент заполнения при минимальном входном напряжении.

Характеристики применяемых компонентов:

• Q G = 24 nC общий заряд переключения IRLZ44ZS при V DRV = 5V и V DS = 44V,
• R GS = 10К величина резистора R GS ,
• I R = 10uA ток утечки диода D BST при максимальном входном напряжении и температуре его перехода TJ = 80°C,
• V F = 0.6V падение напряжения на диоде D BST при токе 0.1A и температуре перехода TJ = 80°C,
• I LK = 0.13mA ток утечки схемы сдвига уровня при максимальном входном напряжении и температуре кристалла TJ = 100°C,
• I QBS = 1mA ток, потребляемый драйвером верхнего уровня.

Рассчитанное значение подберем из стандартного ряда. Тип конденсатора возьмем танталовый, для уменьшения тока утечки самого конденсатора. Итого получается 47 мкФ x 25 В, тип D.

Рассчитаем ток заряда конденсатора, тем самым подберем диод.

Так что диод рассчитанный на прямой ток в 1 А, справится с этой задачей.

Заключение

В этой статье разработали электрическую схему РИПа. Теперь все куски схемы соберем воедино. И на основе уже утвержденной схемы разработаем топологию печатной платы. Разводку печатной платы и обобщенную электрическую схему со спецификацией по компонентам представлю в следующей статье.

Программную реализацию функционала устройства распишу в отдельной статье. Есть задумка реализовать в программе много интересных решений, например, ПИД регулирование выходного напряжения при работе от АКБ.

Эпилог

Этой статьей, хотел вынести на суд общественности и опытных радиолюбителей и не любителей тоже, схематические решения. Быть может, внимательный читатель найдет какие-либо критические ошибки в схемотехники или предложит более правильное исполнение отдельных узлов. Найдется какое-нибудь более простое решение узлов или для повышения надежности внести дополнительные схемотехнические решения.

Принципиальная схема показанная на рисунке автоматически подключает резервную батарею питания к нагрузке и отключает ее при подачи напряжения питания с сетевого источника питания. Схема основана на микросхеме LTC4412 от Linear Technology, которая управляет внешним MOSFET транзистором. Транзистор в схеме используется как идеальный диод, падение напряжение на котором не более 20 мВ. Падение напряжения на диоде Шоттки при его прямом включении составляет 0,2-0,4 вольт, а для обычных, например кремниевых диодов, это значение порядка 0,6-0,7 вольт.

Входное напряжение может быть в пределах от 3 до 28 В, напряжение батареи от 2,5 во 28 В. Максимальный ток нагрузки не более 2А. Ток потребления микросхемы LTC4412 не более 11 мкА.

• Похожие статьи

20.09.2014

Радиоволны излучаемые антенной представляют собой электромагнитные и магнитные поля. Скорость распространения радиоволн в пространстве 300000 км/с. Длина волны λ (м) и частота f (МГц) связаны между собой соотношением:λ=300/f. Такое соотношение удобно для практики, поэтому радиовещательные станции работают в диапазонах: километровых — 30…300кГц гектаметровых — 300кГц…3МГц декаметровых — 3…30МГц метровых — …

28.09.2014

На рисунке представлен генератор на микросхеме К174ХА11, частота которого управляется напряжением. При изменении емкости С1 от 560 до 4700пФ можно получить широкий диапазон частот, при этом настройка частоты производится изменением сопротивления R4. Так например автор выяснил что, при С1=560пФ частоту генератора можно изменять при помощи R4 от 600Гц до 200кГц, …

04.10.2014

Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторные батареи самые дешевые в настоящее время. Электролит в их находится в виде геля, поэтому аккумуляторы допускают работу в любом пространственном положении и не производят никаких вредных испарений. Им свойственна большая долговечность, если не допускать глубокого разряда. Теоретически они не боятся перезаряда, однако злоупотреблять этим не следует. Подзарядку …

Довольно часто возникает необходимость обеспечить резервное питания вашего устройства, в данной статье рассматривается 4 способа как обеспечить это.

Самый простой

Самый простой способ перейти на резервное питание-2 диода

Будет открыт только один из диодов, от того источника питания, напряжение на котором больше. Преимущества схемы-простота и дешевизна. Недостатки схемы очевидны, зависимость напряжения на нагрузке от тока, типа диода(шотки или обычный), температуры. Напряжение всегда будет ниже чем у источника на величину падения напряжения на диоде.

Немного сложней

Это схема немного сложнее, работает она следующим образом: когда напряжение VCC присутствует, и оно больше чем напряжение резервного источника(в данном случае это батарея BT2), то мосфет закрыт, потому что напряжение на затворе(Gate) выше чем на Истоке(Source), пропуск напряжения к нагрузке и Истоку обеспечивает открывшийся диод D3. Когда VCC пропадет, напряжение на Затворе пропадет вслед за ним, зато откроется диод внутри мосфета, обеспечив напряжение на Истоке, ну а поскольку на истоке теперь есть напряжение, а на Затворе нет, то транзистор полностью откроется, обеспечив коммутацию батареи без потери напряжения. Данный способ отлично подходит для коммутации питания для модуля GSM, внешнее напряжение выбираем 4,5в, тогда к модулю через диод D3 придет 4,2-4,3в а от батареи напряжение будет идти без потерь.

Дорогой но без потерь

Без потерь напряжения можно коммутировать источники с помощью специальных микрочхем, в частности LTC4412 скачать даташит Однако, эта микросхема бывает дефицитной и дорогой.

Оптимальный без потерь

Ну вот и подошли к оптимальному способу, причем без потерь. Для начала рассмотрим блок схему LTC4412

Сразу понятно, что в ней нет ничего сложного, так почему бы не повторить её на дискретных элементах? Блок PowerSorceSelector-это матрица из двух диодов, обеспечивает питание остальной схемы, A1-это компаратор, AnalogController-непонятно что, однако можно предположить, что ничего особо важного он не делает, позже станет понятно почему.

Попробуем изобразить это.

DA3-это компаратор. Он сравнивает напряжения на двух источниках. Питается через диод D4 или D5. Когда напряжение на VCC больше чем на батарее, на выходе компаратора устанавливается высокий уровень, это закрывает VT2, и открывает VT3, потому что он подключен на выход через инвертор. Таким образом, VCC проходит на нагрузку без потерь. В случае, когда VCC будет меньше батареи, низкий уровень на выходе компаратора закроет VT3 и откроет VT2.

Надо сказать пару слов о выборе деталей. DA3, DD1 должны иметь потребление, которое допустимо в данной системе, выбор очень широк, от единиц миллиампер, до сотен наноампер (например MCP6541UT-E/OT и 74LVC1G02). Диоды обязательно шотки, если падение на диоде будет выше порога открытия транзистора(а у IRLML6402TR он может быть -0,4в), то он не сможет полностью закрыться.

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.