Пристрій автоматичного відключення котла при підвищенні енергоспоживання

Зміст

  • Принцип дії
  • Пояснення до схеми
  • ТТН
  • Підбір W2
  • Конструктивне виконання
  • Монтаж і підключення
  • Налаштування
  • Індикація стану та діагностика
  • А що ще через нього можна включати?
  • Підсумковий нюанс
  • Уявімо собі ситуацію: звичайна міська квартира. Пробки або головний автомат – на 16 А; більше не дозволяє ліміт споживаної потужності. Є електробойлер. Господиня включає праска і приймається за прасування; в цей момент автоматично включається на підігрів остиглий бойлер. Струм споживання перевищує норму, пробки або автомат вибивають, квартира знеструмлюється. Прикро, що і на комп’ютері зникла важлива інформація.

    А тепер уявімо собі іншу ситуацію: біля лічильника на стіні висить коробочка трохи більше сигаретної пачки. «Відчувши», що загальний струм споживання зріс і залишку на водонагрівач вже не вистачить, вона розриває ланцюг живлення Тена, а коли все випрасуваний і праска відключений, відновлює її, і бойлер з деяким запізненням продовжує гріти.

    Більш того, коробочка миттєво включає і вимикає бойлер згідно включення/вимикання терморегулятора праски: вона не містить електромеханічних комутаційних пристроїв, спрацьовує не повільніше ніж за 10 мс (електромеханічний контактор – не швидше 20 мс) і квартирний автомат «не бачить» перемикання споживачів. Скільки б не тривала прасування, бойлер не встигне сильно охолонути, і загальний витрата електроенергії збільшиться.

    Така ось «коробочка» – пристрій автоматичного відключення бойлера – і описана далі в статті.

    Принцип дії

    Схема пристрою наведена на малюнку. Його основа – вимірювальний трансформатор типу ТТН (трансформатор струм – напруга) ТМ1. Первинна обмотка ТМ1 (W1) – виток або півтора емальованому міді великого перерізу – включена в розрив фазного проводу L. Її індуктивність і активний опір незначні і не мають жодного впливу на електропостачання квартири. Вторинна обмотка W2 – багато витків тонкого дроту. Ті, хто знає електродинаміку, відразу зрозуміють, що при наявності феромагнітного магнітопровода НАПРУГА U на вторинній обмотці буде прямо пропорційно ТОКУ I первинної, і за його величиною можна судити про величину струму в вимірюваної ланцюга.

    Електрична принципова схема пристрою автоматичного відключення електробойлера

    Випрямний діод VD1 і накопичувальний конденсатор С1 спільно з ТМ1 складають вимірювальний вузол. Коефіцієнт перетворення обраний 1:1,5, тобто при струмі в вимірюваної ланцюга 30 А напруга на С1 складе 45 Ст. Такий, досить високий, коефіцієнт перетворення обраний для усунення гістерезису пристрою по струму. Якщо взяти його, скажімо, 5:1 (6 на С1 при 30 А вимірюваних), то при настройці пристрою на 6 А зворотне відновлення вторинної ланцюга відбувається при 5,7 0,3 А. А різниці при 220 В цей 66 Вт, тобто одна-дві лампи освітлення можуть «збити з пантелику» пристрій.

    Обмежувальний резистор R1, регулювальний потенціометр R2, стабілітрон VD2, світлодіод LED1, шунт витоку R3 і транзистор VT1 складають вузол управління і індикації спрацьовування. Принцип його роботи очевидний: R2 налаштовують пристрій на потрібний струм. Коли напруга на його движку перевищить напругу пробою стабілітрона плюс 2 (падіння напруги на світлодіоді), VT1 відкривається, замикаючи на загальний провід ланцюг керуючого електрода тиристора VS1, той закривається і розмикає ланцюг живлення котла. LED1 при цьому загоряється за рахунок струму бази VT1, сигналізуючи про спрацювання пристрою.

    Діодний міст VD2-VD6, дільник напруги R5/R4 і тиристор VS1 складають вузол комутації. Він зібраний за звичайною схемою з шунтуванням діагоналі діодного моста. При цьому через ТЕН бойлера і тиристор протікають синусоїдальні однополярні імпульси струму з частотою 100 Гц. Через R5/R4 на початку кожного імпульсу (коли напруга досягне приблизно 2) тиристор відкривається і пропускає струм. При падінні напруги до приблизно 0,5 В тиристор закривається і «чекає» наступного імпульсу.

    При спрацьовуванні вузла управління відкриваючі імпульси через відкритий VT1 «йдуть у землю», по закінченні чергової напівхвилі 220 В 100 Гц тиристор закривається, а наступна не пройде через протилежно спрямовані плечі VD2-VD6. При використанні в якості тиристорів VS1 виробництва 70-х із старого мотлоху потужність бойлера становить 90% від номінальної, а з сучасними оптотиристорами – 97-98%.

    Обмежувальний резистор R6 і діод LED2 складають вузол індикації підключення бойлера. Світіння LED2 свідчить, що харчування на бойлер подано через пристрій.

    Примітка: LED2 сигналізує тільки про подачу напруги. Нагрів бойлера включає/вимикає, як і раніше, його термостат.

    Двополярний перемикач S1.1/S1.2 призначений для включення котла безпосередньо при несправності схеми. Надійність пристрою досить висока; схема побудована так, що більшість можливих несправностей призводять не до відключення, а, навпаки, до постійної подачі напруги на бойлер, як ніби «коробочки» зовсім ні, але призначене пристрій для того, щоб позбутися від турбот, а не додавати їх. S1.1/S1.2 – зі світловою індикацією включення, щоб видно було, запитан бойлер через «коробочку» або безпосередньо.

    Пояснення до схеми

    Пристрій розроблявся виходячи з принципу «дубовість»: поставив, підключив і забув. Саме цим пояснюється деяка архаїчність схемотехнічних рішень.

    Наприклад, замість ТМ1, який потрібно мотати, можна було б застосувати компактний датчик струму на магніточутливих електронних компонентах. Але такий датчик пропускає далі в схему короткочасні викиди напруги – імпульсні перешкоди (ІП). ІП – основне джерело несправностей електроніки, яка підключається безпосередньо до мережі, а джерел їх у сучасній квартирі більше ніж достатньо. ТТН ж у поєднанні з накопичувальним конденсатором пригнічує ІП повністю без додаткових фільтрів.

    Номінал R1 може бути від 1 до 5,6 кОм. Його зменшення збільшує граничне значення струму спрацьовування; збільшення – зменшує його. VD1 – на напругу 4,7-5,6 Ст. Цього цілком достатньо, щоб усунути гістерезис по струму спрацьовування. LED1 і LED2 – підвищеної яскравості; їх світіння добре видно вже при струмі в 2 мА.

    Транзистор VT1 повинен бути достатньої потужності, оскільки його струм бази може перевищувати 10 мА. Розсіюється потужність – не менше 5 Вт; максимально допустима колекторне напруга – від 50 Ст. В оригінальній конструкції використаний старий радянський КТ815Г; підійдуть будь-які його аналоги або більш потужні.

    Міст VD2-VD6 і тиристор VS1 – на струм не менше 20 А. Струм споживання побутових бойлерів не перевищує 10 А; подвійний «військовий» запас по струму замість полуторного промислового або 30% побутового робить міст і тиристор практично вічними. VS1 повинен бути встановлений на радіаторі площею 30-50 кв. див.

    S1.1/S1.2 – на струм 10 А з вбудованою світловою індикацією, як зазначено вище. Можна взяти і потужніший, але давати для S1.1/S1.2 великий запас по струму особливого сенсу немає: він включається у виняткових випадках і часто не перемикається.

    ТТН

    Магнітна індукція в магнітопроводі ТМ1 становить частки тесла (Тл), тому намотувати його можна хоч на залозі з консервної банки або на Ш-подібному фериті. Трансформаторна сталь все ж краще: індукція насичення фериту набагато менше, і при різких сильних перепадах напруги в мережі ІП можуть проникати в схему. Площа перерізу – від 1 кв. см. Більше – не страшно, але зростуть массогабариты пристрою.

    В оригіналі ТМ1 намотаний на каркасі згорілого трансформатора «базарного» китайського мережевого адаптера живлення. Радіоаматори знають, що перемотувати «китайця» марно: высококоэрцитивный феромагнітний сплав, з пластин якого набраний сердечник, чутливий до нагрівання, при перегорання погіршує свої властивості і перемотаний дуже швидко знову згоряє. Але як ТТН такий трансформатор працює без помітного нагрівання при максимальному струмі в первинній обмотці.

    Конструкція трансформатора ТМ1

    Конструкція і дані ТМ1 показано на рисунку. Первинна обмотка W1 – виток або півтора з складених разом 10-12 мідних емальованих проводів діаметром 1,0-0,8 мм з міді, або обрізок мідної емальованому шини відповідного перерізу. Щільність струму j W1 бажано витримувати до 4 А/кв. мм щоб уникнути магнітного насичення сердечника від ІП. Коефіцієнт перетворення до деякої міри залежить від магнітних властивостей матеріалу сердечника і площі його поперечного перерізу, тому при виготовленні ТМ1 на випадковому магнітопроводі кількість витків вторинної обмотки W2 доведеться підібрати.

    Підбір W2

    Підбір робимо, виходячи з співвідношення 1 А – 1 В змінного напруги; тоді після випрямлення на С1 отримаємо якраз 40-45 Ст. Мотаємо W2, припустимо, 200 витків, для швидкості роботи. Шукаємо будинку досить потужний споживач. Припустимо, є електрочайник на 1300 Вт. При 220 В в мережі його струм споживання 1300/220 = 6 А за законом Ома.

    Включаємо W1 ТМ1 в розрив ланцюга живлення чайника (тільки не забуваємо налити воду; чайник без води не можна включати і в якості баласту), мультиметром в режимі вимірювання змінної напруги міряємо «перерву» на W2. Припустимо, виявилося 1,7 Ст. При 30 А з такою обмоткою отримаємо 30/6 = 5х1,7 = 8,5, а нам потрібно 30 Ст. Потрібну кількість витків W2 буде 30/8,5 = 3,53х200 (вихідна кількість витків) = 706. Округляємо до 700 або 750; відхилення напруги на W2 на 20% на роботу пристрою істотного впливу не робить. Діаметр дроту значення не має, лише б обмотка помістилася у вікні каркаса.

    Конструктивне виконання

    При роботі пристрою виділяється приблизно 5 Вт тепла. Це небагато, але в глухому корпусі при постійному включенні в мережу теплової режим може виявитися важкуватий, тому потрібно передбачити вентиляційні отвори. Корпус – будь-яка відповідна діелектрична коробочка. Монтаж – на друкованій платі.

    Вхід з виходом мережі і відведення на бойлер підключаються через стандартні клемники. Щоб не переплутати дроти, їх бажано рознести подалі один від одного і замаркувати. Движок R2 – під шліц, т. к. регулювання (див. далі) здійснюється один раз при установці пристрою. У корпусі – отвір навпроти движка R2, або його виводять на корпус, а після регулювання заклеюють скотчем. LED1, LED2 і S1.1/S1.2 виводяться на передню панель.

    Монтаж і підключення

    Пристрій монтується або в квартирному електрощитку, або на стіні між лічильником і головною розподільною коробкою. Включається в розрив фази, як зазначено. На вхід заводяться дроту від лічильника; на вихід – вся інша квартира, крім бойлера. Котел підключається до відведення для нього. Підключення, зрозуміло, проводиться при знеструмленій квартирі з дотриманням правил електробезпеки.

    Докладніше про те, як встановлювати сам накопичувальний, а також проточний водонагрівач читайте за посиланням.

    Налаштування

    Насамперед визначаємо запас по струму квартири. Припустимо, постійні споживачі – освітлення, телевізор, комп’ютер і т. п. в сумі дали 700 Вт; це при 220 В буде 3,2 А. Автомат, припустимо, на 16 А. Залишається 12,8 А, це буде 12,8х220 = 2816 Вт; 2,8 кВт.

    Потім шукаємо найближчого МЕНШОГО по потужності споживача. Скажімо, є пилосос на 1400 Вт, то ж електрочайник, праска на 2,2 кВт і мікрохвильовка на 2,8 квт. Вибираємо праска, щоб надалі уникнути непередбачених відключень. Можна включити чайник з пилососом, вони в сумі дадуть 2,7 кВт, але шумно буде.

    Далі відключаємо бойлер його штатним автоматом, ставимо движок R2 в крайнє нижнє положення за схемою. Потім включаємо праска і плавно обертаємо движок R2 до тих пір, поки червоний світлодіод не згасне і не загориться жовтий. Все, регулювання закінчена, можна «врубати» бойлер і жити спокійно.

    Індикація стану та діагностика

    При нормальній роботі пристрою повинні світитися або LED1 (жовтий), або LED2 (червоний). Якщо не горять або горять обидва відразу – пристрій несправний, треба до ремонту або заміни включити S1.1/S1.2. Для діагностики включаємо в мережу те, на чому налаштовували: жовтий повинен згаснути, а червоний засвітитися. Однак можливо, що змінилося напруга мережі; у такому разі може знадобитися повторна регулювання.

    А що ще через нього можна включати?

    Можна включати «омічні» споживачі: праска, чайник, електрокамін. Мікрохвильову піч, холодильник, кондиціонер, комп’ютер, телевізор і всі, де крім простої электроспирали є хоч якась електроніка, можна: при живленні однополярными імпульсами такі пристрої або зовсім не будуть працювати, або швидко вийдуть з ладу. В бойлері електроніки немає, там термостат на біметалічній пластині. Освітлення теж не можна: практика показує, що будь-які лампочки при живленні однополярными імпульсами швидко згоряють.

    Підсумковий нюанс

    Перші експлуатанти пристрою, ознайомившись з його роботою, вирішили переставити його на ланцюг живлення розетки у прасувальної дошки, благо туди йде окрема гілка проводки. Тобто, вони віддали пріоритет бойлера: при перевантаженні по струму відключається праска. Але, звичайно, пріоритети у своєму житлі кожен визначає сам.