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.

Электрическая принципиальная схема устройства автоматического отключения электробойлера

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 трансформатора ТМ1

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.

Похожие записи
Как сносить несущую стену в квартире для устройства проема

Как сносить несущую стену в квартире для устройства проема

17.04.2018

Ломать – не строить, эту поговорку знает каждый. Действительно, на первый взгляд, никаких сложностей не предвидится. Вам захотелось перепланировки, квартира собственная, а соседи немножко потерпят шум...

Ремонт микроволновки своими руками: когда стоит и можно ли, устройство печи, типичные случаи

Ремонт микроволновки своими руками: когда стоит и можно ли, устройство печи, типичные случаи

11.12.2017

Сервисное обслуживание бытовых СВЧ-печей (микроволновок) – яркий пример идеологии потребительского общества в действии: гарантийный срок назначается сравнительно долгий, но по его истечении ремонт зач...

Подключение светодиодной ленты через блок питания

Подключение светодиодной ленты через блок питания

27.12.2017

Очень часто можно увидеть, что фасады магазинов и лицевые стороны домов украшены яркими мигающими разноцветными огнями, которые выполняют рекламную или декоративную функцию. Разнообразия цветового офо...

Повышаем напряжение в электросети: практические советы

Повышаем напряжение в электросети: практические советы

17.12.2017

Низкое напряжение в сети – можно сказать, болезнь удаленных потребителей. Стиралка еле крутится, в квартире или в доме; совершенно исправный насос вдруг перестал качать воду на даче – причина чаще все...