Часом доводиться користуватися пристроями для автономного або резервного живлення. Це можуть бути автономні інверторні бензогенератори, автомобільні інвертори, джерела безперебійного живлення в режимі роботи від батарей. Загалом, усі ті пристрої, у складі яких присутній інвертор. І все б нічого, але не всі подібні пристрої видають на виході синусоїдальну змінну напругу, на яку, власне, і розраховане все електрообладнання. Тобто змінна-то вона у всіх, а ось форма цієї напруги може бути далеко не синусоїдальною.
Якою буває синусоїда
У характеристиках пристрою, в рядку «Форма вихідної напруги» пишуть «Ступенева апроксимація синусоїди» або «Модифікована синусоїда», або «Квазісинусоїда» чи якось іще.
Це означає, що там зовсім не синусоїда, а різнополярні прямокутні імпульси, які йдуть з певною паузою. Нижче на осцилограмах показано синусоїдальну форму напруги в побутовій електромережі (зліва) та осцилограми так званої «квазісинусоїди», зняті з різних пристроїв.
Форма напруги: а) у побутовій електромережі; б) на виході ДБЖ Back-UPS CS 500; в) на виході інвертора 12/220 Mean Well
Неважко помітити, що амплітуди імпульсів на осцилограмах з квазісинусоїдою відрізняються і становлять у першому випадку 350-360 В, у другому — 290-300 В. Але їхня ширина підібрана таким чином, що середньоквадратичне значення одержуваної змінної напруги відповідає 225-230 В.
Здавалося б, немає проблем. Частота напруги 50 Гц, середньоквадратичне значення відповідає 230 В. Але це тільки на перший погляд. У сигналі, який відрізняється від синусоїди, присутні гармоніки, тобто одержувані різнополярні імпульси складаються не тільки з сигналу частотою 50 Гц, а й із сигналів більш високих частот, кратних основній частоті 50 Гц (150, 250, 350 і т. д.). Не будемо заглиблюватися в теорію, а просто скажемо, що при живленні обладнання подібною «квазісинусоїдою» на нього подається напруга не тільки частотою 50 Гц, а й частотою 150 Гц, 250 і далі по наростаючій. При цьому амплітуди цих напруг хоч і зменшуються зі зростанням частоти, але все ж можуть мати досить високий рівень. Рівень цих гармонік залежить від ширини імпульсу, його амплітуди і швидкості наростання.
Спектрограми гармонік напруги з виходу ДБЖ Back-UPS CS 500 (ліворуч) та інвертора 12/220 Mean Well (праворуч) за навантаження 25 Вт
Далі ми детально розглянемо різне електрообладнання і спробуємо визначити, наскільки для нього критична форма живильної напруги.
Нагрівальне електрообладнання
Устаткування, яке являє собою активне навантаження і не має в складі будь-яких регулювальних електронних пристроїв (димерів), конденсаторів, індуктивностей, абсолютно не сприйнятливе до форми живильної напруги. Наприклад, лампи розжарювання, праски, паяльники та інші нагрівальні прилади. Але, на жаль, таке обладнання завжди в меншості.
Люмінесцентні, світлодіодні лампи та світильники
У конструкції таких ламп завжди присутній пристрій (драйвер), що перетворює напругу 220-230 В на необхідну для живлення світловипромінювальних компонентів. Звісно, пересічний користувач не знає принципу роботи драйвера конкретної лампи або світильника і не може припустити, як вони поводитимуться при живленні не синусоїдальною напругою, адже вони не розраховані на такі умови.
Проведемо експеримент, для статистики візьмемо кілька ламп і світильників різних моделей і порівняємо їхню споживану потужність та інші параметри в разі під’єднання до звичайної розетки і до пристрою з «прямокутною апроксимацією синусоїди». Таким пристроєм буде джерело безперебійного живлення фірми APC з повною потужністю 500 В*А.
За результатами тестів помітно, що електричні характеристики ламп змінюються під час живлення квазісинусом. У більшості випадків змінюються вони в гірший бік — збільшується струм споживання і зменшується коефіцієнт потужності. Критичний випадок, якщо у світлодіодній лампі як струмообмежувальний елемент встановлено конденсатор. При живленні такої лампи квазісинусом зі значним рівнем гармонік споживана потужність може збільшуватися в рази, отже, і струм через світлодіоди зростає. Це можна спостерігати і візуально за зміною яскравості світіння. Звичайно, лампа в такому режимі прослужить недовго. Що цікаво, під час під’єднання такої лампи до автомобільного інвертора (12/230 В) подібного збільшення потужності не спостерігалося. Це пов’язано з тим, що використовуваний для тестів інвертор видавав різнополярні імпульси з меншим рівнем гармонік, ніж джерело безперебійного живлення (рис. 2).
Напрошується висновок: підключення світлодіодних і люмінесцентних ламп до джерела з прямокутною апроксимацією синусоїди — це свого роду лотерея. Немає гарантії тривалої роботи ламп, і термін їхньої служби залежатиме від застосовуваного драйвера і конкретних параметрів квазісинуса.
Пристрої з трансформаторними джерелами живлення
Наступна група електрообладнання — пристрої, що мають у своєму складі трансформатори. Для проведення тестів було обрано два пристрої — вітчизняний трансформатор ТС-40-2 і мережевий трансформаторний адаптер із вихідною стабілізованою напругою. Результати тестів у таблиці.
Схема класичного трансформаторного джерела живлення
У тестуванні трансформаторних джерел живлення крім джерела безперебійного живлення використовували інверторний перетворювач, який теж має на виході квазісинусоїду, але їхні параметри трохи відрізняються, про що було сказано вище.
За результатами експериментів можна спостерігати, що трансформаторні джерела живлення при живленні їх квазісинусом поводяться цілком прийнятно і навіть добре. Перше, що можна відзначити, це зменшення струму холостого ходу. І, як виявилося, що більші рівні гармонік у живильній напрузі, то цей струм менший. Це пов’язано з тим, що трансформатор більшою мірою являє собою індуктивне навантаження, а реактивний опір індуктивності зі зростанням частоти зростає.
З негативних моментів можна виділити таке. Навіть якщо у джерела зі ступінчастою апроксимацією синусоїди середньоквадратична напруга становитиме 230 В, але амплітуда імпульсів буде завищеною, то і на виході випрямляча ми отримаємо завищену напругу. Це пов’язано з тим, що фільтрувальний конденсатор С (рис. 3) прагне зарядитися до амплітудного значення випрямленої напруги. Так, у зазначеній вище схемі під час зміни живильної синусоїдальної напруги на квазісинусоїду напруга на виході підвищувалася з 16 до 19 В, що, природно, підвищувало загальну споживану потужність. Даний ефект спостерігався при живленні цієї схеми від джерела безперебійного живлення, у якого при середньоквадратичному значенні напруги в 230 В амплітуда імпульсів досягає 350 В.
Однак при живленні цієї схеми від автомобільного інвертора з амплітудою імпульсів близько 300 В спостерігалося навіть деяке зменшення вихідної напруги. При цьому середньоквадратичне значення напруги інвертора також становило 230 В.
Резюмуючи, можна сказати, що, крім можливого підвищення напруги у вторинних колах трансформаторних джерел живлення, інших негативних наслідків для трансформаторів від квазісинусоїди не виявлено. Перевищення ж напруги може певною мірою збільшити нагрівання джерела живлення загалом, а буде це перевищення чи ні, залежить від моделі використовуваного ДБЖ або окремого інвертора.
Необхідно зазначити, що під час живлення трансформатора ступінчастою апроксимацією синусоїди прослуховується характерний «дзвінкий» гул від трансформатора. «Дзвінкість» звуку якраз і свідчить про те, що в живильній напрузі є складові з вищими частотами, ніж 50 Гц. Крім можливих неприємних слухових відчуттів для людини цей звук не несе жодних негативних наслідків для трансформатора.
У наступній частині статті буде розглянуто поведінку іншого електрообладнання при живленні його напругою з формою, відмінною від синусоїдальної.
Пристрої, що мають електродвигуни
Які пристрої з двигунами потенційно можуть підключатися до систем живлення з квазісинусом? Насамперед електроінструменти, допоміжне електрообладнання — дрилі, перфоратори, бетонозмішувачі, болгарки, шліфувальні машини, заглибні насоси та інше подібне. У таких пристроях застосовуються колекторні або асинхронні двигуни. У деяких електроінструментах є вбудований регулятор потужності. Навряд чи це обладнання буде живитися від джерела безперебійного живлення. Здебільшого для його автономного живлення буде використано бензогенератор або потужний інвертор 12/220 В, наприклад, у гаражі, в якому немає електромережі.
Порівняємо роботу електроінструменту від розетки і від інверторного бензогенератора з квазісинусом. Параметри знімалися під час роботи обладнання на холостому ходу, крім насоса. Додатково перевірялася робота під навантаженням з метою оцінити зміну потужності на валу.
За результатами цих тестів можна відзначити незадовільну роботу електроінструменту та обладнання, що має в складі регулятор потужності. Це пов’язано з тим, що більшість регуляторів потужності для змінної напруги побудовані на симісторах або тиристорах, такі регулятори часто називають диммерами. Так ось, димери можуть правильно працювати виключно з синусоїдальною напругою. Так вийшло не спеціально, просто, коли їх придумували, у вихідних даних технічного завдання було написано, що напруга буде синусоїдальною.
У роботі обладнання, що не має регулятора потужності, якихось значущих негативних змін не відзначалося. Під час роботи асинхронних двигунів від квазісинуса прослуховувався характерний «дзвінкий» шум сердечника й обмоток частотою вище 50 Гц. Перегріву також не спостерігалося. Під час роботи колекторних двигунів через їхній шум оцінити зміну звуку не було можливим.
Системи опалення
Часто виникає питання про можливість використання недорогих комп’ютерних джерел безперебійного живлення (ДБЖ) з квазісинусом для резервного живлення електричного обладнання в системах опалення — циркуляційних насосів, енергозалежних газових котлів. У газовому котлі із закритою камерою згоряння, крім циркуляційного насоса, встановлений вентилятор примусової тяги, або, як його ще називають, вентилятор відведення продуктів горіння. Проведемо кілька тестів у цьому напрямку.
Як з’ясувалося, квазісинус не чинить помітного негативного впливу на роботу циркуляційного насоса. Принаймні, нетривала робота від ДБЖ на час відключення основного електроживлення вже точно йому не зашкодить. Єдиний мінус — це неприємні звуки, які видає насос під час живлення квазісинусом.
Гірша справа з вентилятором примусової тяги. При живленні квазісинусом від ДБЖ вентилятор помітно знижував оберти і споживану потужність. Але ж у більшості настінних газових котлів встановлено саме такі вентилятори — асинхронні з однією обмоткою. Очевидно, що зниження продуктивності цього вентилятора негативно вплине на процес відведення продуктів горіння, а отже, на роботу котла загалом.
Крім того, в деяких котлах застосовується автоматичне регулювання обертів цього вентилятора з метою оптимізації продуктивності котла. Так ось, регулювання це також виконано за принципом димування. А димери «погано ставляться» до квазісинуса, отже, поведінка такого вентилятора може бути непередбачуваною.
Отже, якщо котел із закритою камерою і має вентилятор примусової тяги, то живлення його квазисинусом настійно не рекомендується.
В інших випадках все не так страшно, але, не знаючи конструкції того чи іншого котла, краще не ризикувати і не використовувати ДБЖ з квазісинусом для його живлення. Газовий котел — це серйозне обладнання, яке спочатку розраховане на живлення синусоїдальною напругою.
Пристрої з імпульсними джерелами живлення
Як уже було сказано, недорогі ДБЖ у більшості випадків видають ступінчасту апроксимацію синусоїди. І для тимчасового резервного живлення комп’ютерів це вважається нормою. Подивимося, як змінюються вхідні параметри імпульсного блока живлення комп’ютера під час переходу на живлення «апроксимацією синусоїди». Блоки живлення без коректора коефіцієнта потужності. Тестування проводилося в режимі бездіяльності системи і під час запуску стрес-тесту, щоб збільшити споживану потужність. Монітори також не були забуті. Результати нижче.
Що цікаво, у деяких пристроїв при живленні квазісинусом електричні параметри навіть поліпшувалися. Наприклад, у системному блоці № 1 споживана потужність не змінювалася, але значно збільшився коефіцієнт потужності, через що зменшився середній споживаний струм. У системного блока з БЖ від Zalman цей ефект теж є, але не такий виражений.
Однозначно можна зробити висновок про сумісність блоків живлення системників із квазісинусом.
Однак є одне жирне «АЛЕ» . Останнім часом дедалі більша кількість моделей БЖ оснащуються коректором коефіцієнта потужності (PFC). Ці пристрої покликані підтримувати коефіцієнт потужності якомога ближче до одиниці при живленні від мережі з синусоїдальною напругою, щоб не перевантажувати мережу великими піковими струмами. Тому за визначенням БЖ з PFC коректно працюють тільки із синусоїдальною напругою, але це не означає, що, якщо ДБЖ видає апроксимацію синуса, то будь-який БЖ з PFC працювати з ним не зможе. Насправді схемотехнічні рішення PFC можуть бути різні і деякі моделі можуть бути не сприйнятливі до квазісинуса — це справа випадку. Необхідно зазначити, що квазисинус далеко не основна ймовірна причина несумісності ДБЖ і PFC. Але це вже зовсім інша історія.
А що з моніторами? В одного з тестованих при живленні квазисинусом енергетичні параметри погіршилися, але незначно. Блок живлення ноутбука будь-яких проблем не показав. Тож ці пристрої можна живити квазисинусом.
Підбиваючи підсумки всієї публікації, можна сказати, що використання напруги квазісинусоїдальної форми для живлення різного електрообладнання — це лотерея, навіть для блоків живлення комп’ютерів. Адже будь-яке обладнання на напругу 220-230 В змінного струму розробляли з умовою, що форма цієї напруги буде синусоїдальною. Усілякі «апроксимації» — це всього лише припущення, які можливі з тим чи іншим ступенем ймовірності. Тому, якщо будується універсальна система резервного електроживлення, форма і параметри її напруги мають бути ідентичні параметрам промислової електромережі. Загалом, квазісинус — це погано.