Устройство автоматического отключения бойлера при повышении энергопотребления

Представим себе ситуацию: обычная городская квартира. Пробки или главный автомат – на 16 А; больше не позволяет лимит потребляемой мощности. Имеется электробойлер. Хозяйка включает утюг и принимается за глажку; в этот момент автоматически включается на подогрев остывший бойлер. Ток потребления превышает норму, пробки или автомат выбивают, квартира обесточивается. Досадно, и на компьютере пропала важная информация.

А теперь представим себе другую ситуацию: возле счетчика на стене висит коробочка немного больше сигаретной пачки. «Почуяв», что общий ток потребления возрос и остатка на водонагреватель уже не хватит, она разрывает цепь электропитания ТЭНа, а когда все выглажено и утюг отключен, восстанавливает ее, и бойлер с некоторым запозданием продолжает греть.

Более того, коробочка мгновенно включает и выключает бойлер сообразно включению/выключению терморегулятора утюга: она не содержит электромеханических коммутационных устройств, срабатывает не медленнее чем за 10 мс (электромеханический контактор – не быстрее 20 мс) и квартирный автомат «не видит» переключения потребителей. Сколько бы ни продолжалась глажка, бойлер не успеет сильно остыть, и общий расход электроэнергии не увеличится.

Такая вот «коробочка» – устройство автоматического отключения бойлера – и описана далее в статье.

Принцип действия

Схема устройства приведена на рисунке. Его основа – измерительный трансформатор типа ТТН (трансформатор ток – напряжение) ТМ1. Первичная обмотка ТМ1 (W1) – виток или полтора эмалированной меди большого сечения – включена в разрыв фазного провода L. Ее индуктивность и активное сопротивление ничтожны и не оказывают никакого влияния на электроснабжение квартиры. Вторичная обмотка W2 – много витков тонкого провода. Те, кто знает электродинамику, сразу поймут, что при наличии ферромагнитного магнитопровода НАПРЯЖЕНИЕ U на вторичной обмотке будет прямо пропорционально ТОКУ I первичной, и по его величине можно судить о величине тока в измеряемой цепи.

Выпрямительный диод VD1 и накопительный конденсатор С1 совместно с ТМ1 составляют измерительный узел. Коэффициент преобразования выбран 1:1,5, т.е. при токе в измеряемой цепи 30 А напряжение на С1 составит 45 В. Такой, достаточно высокий, коэффициент преобразования выбран для устранения гистерезиса устройства по току. Если взять его, скажем, 5:1 (6 В на С1 при 30 А измеряемых), то при настройке устройства на 6 А обратное восстановление вторичной цепи происходит при 5,7 А. 0,3 А разницы при 220 В это 66 Вт, т.е. одна-две лампы освещения могут «сбить с толку» устройство.

Ограничительный резистор R1, регулировочный потенциометр R2, стабилитрон VD2, светодиод LED1, шунт утечки R3 и транзистор VT1 составляют узел управления и индикации срабатывания. Принцип его работы очевиден: R2 настраивают устройство на нужный ток. Когда напряжение на его движке превысит напряжение пробоя стабилитрона плюс 2 В (падение напряжения на светодиоде), VT1 открывается, замыкая на общий провод цепь управляющего электрода тиристора VS1, тот закрывается и размыкает цепь питания бойлера. LED1 при этом загорается за счет тока базы VT1, сигнализируя о срабатывании устройства.

Диодный мост VD2-VD6, делитель напряжения R5/R4 и тиристор VS1 составляют узел коммутации. Он собран по обычной схеме с шунтированием диагонали диодного моста. При этом через ТЭН бойлера и тиристор протекают синусоидальные однополярные импульсы тока с частотой 100 Гц. Через R5/R4 в начале каждого импульса (когда напряжение достигнет примерно 2 В) тиристор открывается и пропускает ток. При падении напряжения до примерно 0,5 В тиристор закрывается и «ждет» следующего импульса.

При срабатывании узла управления открывающие импульсы через открытый VT1 «уходят в землю», по окончании очередной полуволны 220 В 100 Гц тиристор закрывается, а следующая не пройдет через противоположно направленные плечи VD2-VD6. При использовании в качестве VS1 тиристоров производства 70-х из старого хлама мощность бойлера составляет 90% от номинальной, а с современными оптотиристорами – 97-98%.

Ограничительный резистор R6 и светодиод LED2 составляют узел индикации подключения бойлера. Свечение LED2 свидетельствует, что питание на бойлер подано через устройство.

Примечание: LED2 сигнализирует только о подаче напряжения. Нагрев бойлера включает/выключает, как и прежде, его термостат.

Двухполярный переключатель S1.1/S1.2 предназначен для включения бойлера напрямую при неисправности схемы. Надежность устройства весьма высока; схема построена так, что большинство из возможных неисправностей приводят не к отключению, а наоборот к постоянной подаче напряжения на бойлер, как будто «коробочки» вовсе нет, но предназначено устройство для того, чтобы избавить от хлопот, а не добавлять их. S1.1/S1.2 – со световой индикацией включения, чтобы видно было, запитан бойлер через «коробочку» или напрямую.

Пояснения к схеме

Устройство разрабатывалось исходя из принципа «дубовости»: поставил, подключил и забыл. Именно этим объясняется некоторая архаичность схемотехнических решений.

К примеру, вместо ТМ1, который нужно мотать, можно было бы применить компактный датчик тока на магниточувствительных электронных компонентах. Но такой датчик пропускает дальше в схему кратковременные выбросы напряжения – импульсные помехи (ИП). ИП – основной источник неисправностей электроники, подключаемой непосредственно к сети, а источников их в современной квартире более чем достаточно. ТТН же в сочетании с накопительным конденсатором подавляет ИП полностью без дополнительных фильтров.

Номинал R1 может быть от 1 до 5,6 кОм. Его уменьшение увеличивает предельное значение тока срабатывания; увеличение – уменьшает его. VD1 – на напряжение 4,7-5,6 В. Этого вполне достаточно, чтобы устранить гистерезис по току срабатывания. LED1 и LED2 – повышенной яркости; их свечение хорошо видно уже при токе в 2 мА.

Транзистор VT1 должен быть достаточной мощности, т.к. его ток базы может превышать 10 мА. Рассеиваемая мощность – не менее 5 Вт; максимально допустимое коллекторное напряжение – от 50 В. В оригинальной конструкции использован старый советский КТ815Г; подойдут любые его аналоги или более мощные.

Мост VD2-VD6 и тиристор VS1 – на ток не менее 20 А. Ток потребления бытовых бойлеров не превышает 10 А; двойной «военный» запас по току вместо полуторного промышленного или 30% бытового делает мост и тиристор практически вечными. VS1 должен быть установлен на радиаторе площадью 30-50 кв. см.

S1.1/S1.2 – на ток 10 А со встроенной световой индикацией, как указано выше. Можно взять и помощнее, но давать для S1.1/S1.2 большой запас по току особого смысла нет: включается он в исключительных случаях и часто не переключается.

ТТН

Магнитная индукция в магнитопроводе ТМ1 составляет доли тесла (Тл), поэтому наматывать его можно хоть на железе из консервной банки или на Ш-образном феррите. Трансформаторная сталь все же предпочтительнее: индукция насыщения феррита намного меньше, и при резких сильных скачках напряжения в сети ИП могут проникать в схему. Площадь сечения – от 1 кв. см. Больше – не страшно, но возрастут массогабариты устройства.

В оригинале ТМ1 намотан на каркасе сгоревшего трансформатора «базарного» китайского сетевого адаптера питания. Радиолюбители знают, что перематывать «китайца» бесполезно: высококоэрцитивный ферромагнитный сплав, из пластин которого набран сердечник, чувствителен к нагреву, при перегорании ухудшает свои свойства и перемотанный очень быстро опять сгорает. Но в качестве ТТН такой трансформатор работает без заметного нагрева при максимальном токе в первичной обмотке.

Конструкция и данные ТМ1 показаны на рисунке. Первичная обмотка W1 – виток или полтора из сложенных вместе 10-12 медных эмалированных проводов диаметром 1,0-0,8 мм по меди, или обрезок медной эмалированной шины соответствующего сечения. Плотность тока j в W1 желательно выдерживать до 4 А/кв.мм во избежание магнитного насыщения сердечника от ИП. Коэффициент преобразования до некоторой степени зависит от магнитных свойств материала сердечника и площади его поперечного сечения, поэтому при изготовлении ТМ1 на случайном магнитопроводе количество витков вторичной обмотки W2 придется подобрать.

Подбор W2

Подбор делаем исходя из соотношения 1 А – 1 В переменного напряжения; тогда после выпрямления на С1 получим как раз 40-45 В. Мотаем W2, допустим, 200 витков, для скорости работы. Ищем дома достаточно мощный потребитель. Допустим, есть электрочайник на 1300 Вт. При 220 В в сети его ток потребления 1300/220 = 6 А по закону Ома.

Включаем W1 ТМ1 в разрыв цепи питания чайника (только не забываем налить воду; чайник без воды нельзя включать и в качестве балласта), мультиметром в режиме измерения переменного напряжения меряем «переменку» на W2. Допустим, оказалось 1,7 В. При 30 А с такой обмоткой получим 30/6 = 5х1,7 = 8,5 В, а нам нужно 30 В. Нужное количество витков W2 будет 30/8,5 = 3,53х200 (исходное количество витков) = 706. Округляем до 700 или 750; отклонение напряжения на W2 на 20% на работу устройства существенного влияния не оказывает. Диаметр провода значения не имеет, лишь бы обмотка поместилась в окне каркаса.

Конструктивное исполнение

При работе устройства выделяется примерно 5 Вт тепла. Это немного, но в глухом корпусе при постоянном включении в сеть тепловой режим может оказаться тяжеловат, поэтому нужно предусмотреть вентиляционные отверстия. Корпус – любая подходящая диэлектрическая коробочка. Монтаж – на печатной плате.

Вход с выходом сети и отвод на бойлер подключаются через стандартные клеммники. Чтобы не перепутать провода, их желательно разнести подальше друг от друга и замаркировать. Движок R2 – под шлиц, т.к. регулировка (см. далее) осуществляется один раз при установке устройства. В корпусе – отверстие напротив движка R2, или его выводят на корпус, а после регулировки заклеивают скотчем. LED1, LED2 и S1.1/S1.2 выводятся на переднюю панель.

Монтаж и подключение

Устройство монтируется либо в квартирном электрощитке, либо на стене между счетчиком и главной распределительной коробкой. Включается в разрыв фазы, как указано. На вход заводятся провода от счетчика; на выход – вся остальная квартира, кроме бойлера. Бойлер подключается к отводу для него. Подключение, разумеется, производится при обесточенной квартире с соблюдением правил электробезопасности.

Подробнее о том, как устанавливать сам накопительный, а также проточный водонагреватель читайте по ссылке.

Настройка

Прежде всего определяем запас по току квартиры. Допустим, постоянные потребители – освещение, телевизор, компьютер и т.п. в сумме дали 700 Вт; это при 220 В будет 3,2 А. Автомат, допустим, на 16 А. Остается 12,8 А, это будет 12,8х220 = 2816 Вт; 2,8 кВт.

Потом ищем ближайшего МЕНЬШЕГО по мощности потребителя. Скажем, есть пылесос на 1400 Вт, то же электрочайник, утюг на 2,2 кВт и микроволновка на 2,8 квт. Выбираем утюг, чтобы в дальнейшем избежать непредвиденных отключений. Можно включить чайник с пылесосом, они в сумме дадут 2,7 кВт, но шумно будет.

Далее отключаем бойлер его штатным автоматом, ставим движок R2 в крайнее нижнее положение по схеме. Затем включаем утюг и плавно вращаем движок R2 до тех пор, пока красный светодиод не погаснет и не загорится желтый. Все, регулировка окончена, можно «врубать» бойлер и жить спокойно.

Индикация состояния и диагностика

При нормальной работе устройства должны светиться либо LED1 (желтый), либо LED2 (красный). Если не горят или горят оба сразу – устройство неисправно, нужно до ремонта или замены включить S1.1/S1.2. Для диагностики включаем в сеть то, на чем настраивали: желтый должен погаснуть, а красный засветиться. Однако возможно, что изменилось напряжение сети; в таком случае может понадобиться повторная регулировка.

А что еще через него можно включать?

Можно включать «омические» потребители: утюг, чайник, электрокамин. Микроволновку, холодильник, кондиционер, компьютер, телевизор и все, где кроме простой электроспирали есть хоть какая-то электроника, нельзя: при питании однополярными импульсами такие устройства либо вовсе не будут работать, либо быстро выйдут из строя. В бойлере электроники нет, там термостат на биметаллической пластине. Освещение тоже нельзя: практика показывает, что любые лампочки при питании однополярными импульсами быстро сгорают.

Итоговый нюанс

Первые эксплуатанты устройства, ознакомившись с его работой, решили переставить его на цепь питания розетки у гладильной доски, благо туда идет отдельная ветвь проводки. Т.е., они отдали приоритет бойлеру: при перегрузке по току отключается утюг. Но, конечно, приоритеты в своем жилье каждый определяет сам.