Устройство защиты (реле контроля напряжения) Меандр УЗМ-51М (Россия)

Это продолжение предыдущего обзора о Российских приборах электроавтоматики, начатое тут

Немного теории…
Все мы являемся потребителями электрической энергии. Электричество нам поставляет единая энергетическая система через посредников (последний из них — сбытовая компания). Конечному потребителю приходит напряжение 220 вольт 50 герц одной или тремя фазами согласно ГОСТ 32144-2013. Там очень много параметров, определяющих качество электрической энергии, но наиболее важное из них — допустимое отклонение напряжения от номинального значения ±10% (198В — 242В).
В соответствии с ГОСТ 29322-2014, напряжение в сети должно быть 230В ±10%, поэтому и возникает неразбериха с требуемой величиной сетевого напряжения, т.к. оба норматива действующие.

и реалии…
Далеко не всем посчастливилось получать электричество соответствующего качества. Технических причин может быть множество: перегрузка ТП (трансформаторных подстанций), длинная линия несоответствующего сечения, сильный перекос нагрузки по фазам, плохие соединительные контакты и др.
Чувствительная бытовая техника не выдерживает таких издевательств и быстро выходит из строя. Опасным является как повышенное, так и пониженное напряжение (особенно для двигателей).
Конечный потребитель зачастую пытается исправить ситуацию при помощи стабилизатора напряжения, но это не панацея, да и поставить его не всегда возможно (например в квартире). Заставить поставщика (сбытовую компанию) исправить ситуацию сложно / долго / дорого.
Вот и начали разные фирмы выпускать недорогие бытовые защитные реле напряжения, которые предотвращают подачу ненормального напряжения потребителю. Идея такова — отключить электричество когда оно не в норме. Если проблемы возникают нечасто и ненадолго — этот способ эффективно и недорого решает их по принципу «лучше посижу без света».

УЗМ-51М как раз представляет собой защитное реле напряжения, которое отключает проходящее через него напряжение, пока оно не в норме.

Основные технические характеристики от производителя
Максимальный ток коммутации 63А/250В (14 кВт)
Двухпороговая защита от перенапряжения
Двухпороговая защита от снижения напряжения
Встроенная варисторная защита от импульсных скачков сетевого напряжения
Функция дистанционного управления (контактор)
Сохраняет работоспособность в широком диапазоне напряжения питания — 0...440В
Рекомендуемые пороги для УЗМ-51М (170… 265В)
Уровень ограничения напряжения при токе помехи 100А — не более 1,2кВ
Максимальная энергия поглощения (одиночный импульс 10/1000мкс) — 200Дж
Максимальный ток поглощения, одиночный импульс 8/20мкс / повторяющиеся импульсы 8/20мкс — 8000/6000А
Время срабатывания импульсной защиты — <25нс
Порог отключения нагрузки при повышении напряжения, Uверх — 240, 250, 255, 260, 265, 270, 275, 280, 285, 290В
Верхний порог ускоренного отключения нагрузки при повышении напряжения выше верхнего критического порога, Uверх.кр. 300 ± 15В
Порог отключения нагрузки при снижении напряжения, Uниз — 210, 190, 175, 160, 150, 140, 130, 120, 110, 100В
Порог ускоренного отключения нагрузки при снижении напряжения ниже нижнего критического порога, Uниз.кр 80 ± 10В
Гистерезис возврата верхнего и нижнего порога от установленного значения — 3%
Номинальное напряжение питания — 230В
Частота напряжения питания — 50Гц
Максимальное напряжение питания — 440В
Потребляемая мощность — 1,5Вт
Номинальный ток нагрузки, (при сечении подключённых проводников не менее 16мм², медь) — 63А
Номинальная мощность нагрузки (AC250В) — 14,5кВт
Максимальный ток нагрузки, (активная – АС1, 30мин) — 80А
Максимальная мощность нагрузки (АС 250В – АС1, 30мин) — 20,0кВт
Максимальный допустимый ток короткого замыкания — 4500А
Задержка включения /повторного включения, выбирается пользователем — 6мин/10с
Задержка ускоренного отключения по верхнему критическому порогу — 20мс
Задержка ускоренного отключения по нижнему критическому порогу — 100мс
Задержка отключения при повышении напряжения выше верхнего порога — 0,2с
Задержка отключения при снижении напряжения ниже нижнего порога — 10с
Сечение подключаемых проводников не менее — 0,5-25 (20-4 AWG)мм²
Диапазон рабочих температур -25…+55°С (УХЛ4)
Срок службы, не менее 10лет

Продаётся реле напряжения в фирменной коробочке

Внутри прибор и инструкция на русском языке


Маркировка выполнена лазером, довольный енот присутствует :)

Конструкция реле очень удачная, устанавливать и подключать его удобно. Ширина 35мм (2 стандартных модуля).

Клеммы такие-же, как на бюджетных китайских автоматах

Крепление на ДИН рейку


Производитель зачем-то сделал корпус нежно-розового оттенка.
Для сравнения — рядом их-же измеритель ВАР нормального светло-серого цвета


Устройство само собой было разобрано, никаких пломб и наклеек не было. Помимо защёлок, корпус дополнительно склеили сварили ультразвутом, т.к. защёлки слабо держат

Качество корпуса удовлетворительное, пластик без наполнителя (не армированный, не термостойкий), литьё имеет небольшие дефекты.



Монтаж собран аккуратно, серьёзных претензий нет.
Контакты N входа и выхода наглухо соединены шиной внутри, т.е. можно не пропускать проходящий N через устройство, а подключить его отводом с любой стороны.

Схема реле


Варистор 680В (20мм) предназначен для защиты силовой цепи по входу — способен ограничить коммутационные импульсные перенапряжения небольшой мощности.
Варистор 620В (7мм) предназначен для собственной защиты схемы по питанию
R1 — ограничивает ток заряда конденсатора С1 и одновременно разделяет варисторы U1 и U2 разного номинала
VD1 — однополупериодный выпрямитель питания
На VT1 — VT2 KSP44 собран высоковольтный стабилизатор тока в каскодном включении. Величина тока задаётся номиналами VD2 и R7
VD4 ограничивает максимальное значение выходного напряжения этого узла
С1 — накопительный конденсатор, питающий схему после пропадания сетевого напряжения. Его энергия также используется для отключения поляризационного реле MP25-1
VD7 снижает напряжение на входе стабилизатора DA1 LP2950 до безопасного уровня 24В
Ключи VT3, VT4 коммутируют обмотки реле
PIC контроллер PIC12F683-I/SN
R18, R19 — подстроечные резисторы, имеющие 10 фиксированных положений. Ими задаются пороги срабатывания защиты.
HL1, HL2 отображают состояние работы устройства
HL3 отображает наличие напряжения на выходе

Коммутационное реле MP25-1 особенное:
1. Изготовлено в Китае неизвестной фирмой по заказу Меандра (Produced for MEANDER)
Силовые выводы реле сделаны специальной формы для удобного подключения корпусных зажимов модульного исполнения.
По характеристикам, очень напоминает JMX-94F2-A-Z-80-DC24V-D от Ningbo Forward Relay Corporation Ltd
2. Очень мощное, заявлен рабочий ток аж 80А при напряжении 250VAC. Размеру контактных пятаков могут позавидовать некоторые контакторы.

3. Коммутирует только один полюс (фазный), но для защиты техники от перенапряжения этого вполне достаточно.
4. Отсутствует дугогасительная камера (как и в подавляющем большинстве реле). Это означает, что нельзя им коммутировать высокоиндуктивную нагрузку большой мощности и размыкать ТКЗ (токи короткого замыкания).
5. Поляризованное, т.е. имеет 2 устойчивых состояния при отсутствии управляющего сигнала. Катушек управления в нём две — одна на включение, другая на отключение реле. Этот метод управления имеет как достоинства (экономичность, отсутствует потребление тока для его удержания в замкнутом состоянии) так и недостатки (хитрое импульсное управление повышенной мощности).

Прибор выпускается довольно давно и его схемотехника неоднократно менялась очевидно с целью повышения качества и надёжности работы.
3 года назад я уже приобретал УЗМ-51М и его схемотехника существенно отличается от текущей


Отличия старого УЗМ-51М
1. Система питания на базе балластного конденсатора вместо линейного токового драйвера. Схема показала свою ненадёжность — слишком много было жалоб на отказ прибора по этой причине. Производитель признал проблему и переделал систему питания.
2. Отсутствует защитный варистор в цепи собственного питания.
3. Ёмкость накопительного конденсатора меньше.
4. Отсутствуют RC фильтры в цепи управления реле. Реле постоянно «тикает» из-за мультиплексирования выходов контроллера.
5. Крутилки установки порогов немного другие и легко вынимаются руками

Обсуждение УЗМ-51М начиная с его самых первых версий велось тут

Тестирование УЗМ
Собрал схемку, по которой ранее тестировал ВАР

Проверил работоспособность реле в диапазоне питающего напряжения от 0В до 450В.
Дыма не было, что само по себе уже неплохо :)
Время включения составило 13 секунд вместо заявленных 10 секунд (не критично). При желании, время включения можно поменять на 6 минут — иногда это полезно для защиты старой холодильной и компрессорной техники.

Проверил нижний и верхний пороги срабатывания защиты. Максимальное отклонение не превысило 3В
Поведение реле при изменении сетевого напряжения

На видео не видно, что с приближением к порогу отключения, индикатор начинает очень быстро мигать.
После срабатывания защиты, устройство имеет небольшой гистерезис на уровень напряжения обратного включения.
Это предотвращает включение устройства, когда напряжение прыгает на пороговом уровне.
Полный алгоритм работы описан в паспорте устройства.

Производитель заявляет, что реле включается синхронно в момент перехода напряжения через ноль, чтобы уменьшить нагрузку на реле. В новом паспорте эту строчку почему-то убрали, но раньше она там точно была

Для проверки момента срабатывания реле, использовал двухканальный осциллограф DS203 с делителями 1:10, подключенный по этой схеме:

Включение

Реле действительно включается в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Смущает только выброс напряжения перед включением — возможно это отскок контактов реле после их первоначального смыкания. Включение всегда происходит с отрицательной полуволны.

Отключение


Тут всё интереснее.
Во первых, отключение происходит на обоих полуволнах, что довольно странно, ибо контроллер реально анализирует только одну полуволну сетевого напряжения. Видимо в алгоритм работы добавлена возможность отключения по смещению 10мс
Во вторых, отключение происходит на пике волны напряжения.
Т.к. повторяемость измерения была абсолютная, значит так сделано специально, но зачем? Коммутировать активную линейную нагрузку всяко лучше при переходе напряжения через ноль. Коммутация напряжения на пике эффективна только для чисто реактивных нагрузок (в быту их доля незначительна, исключения — мощный стабилизатор напряжения и трансформаторный сварочный аппарат). Для нелинейной нагрузки в виде импульсных БП оптимальный момент коммутации вообще находится на спаде полуволны (когда ток минимальный).
Короче, разгадать задумку производителя не удалось.

Традиционное описание мелких косяков от производителя:
1. Накопительная ёмкость C1 (330мкФ/35В) имеет небольшой запас по напряжению и правильнее было поставить конденсатор 330мкФ/50В размером 10х16 типа такого, тем более, место по высоте позволяет это сделать без переделки печатной платы.
2. Забыли поставить шунтирующий керамический конденсатор 1мкФ/50В на входе стабилизатора LP2950. Работает и без него, но лучше поставить в соответствии с типовой схемой включения.
3. Дополнительно изолировать варисторы хотя-бы термоусадкой.
4. Реле напряжения анализирует только положительную волну сетевого напряжения. Ничего сильно страшного в этом нет, но быстродействие защиты от перенапряжения, возникающего с отрицательной полуволны будет снижено. Возможно, в следующей модификации производитель догадается добавить один резистор в делитель напряжения для смещения уровня +2,5В на входе контроллера. При этом станет возможно анализировать обе полуволны входного напряжения.
5. Добавить индикацию неисправности работы коммутационного реле. Когда оно находится в некорректном состоянии, контроллер периодически пытается его переключить в нужное положение, но никак это не показывает. Вот и получается, что залипшее или подгоревшее реле останется незамеченным. Было-бы неплохо, если при подаче питания, контроллер анализировал корректное состояние его контактов и своевременно указывал проблему, вымаргивая код неисправности.
6. Улучшить качество литья корпуса и не делать его с розовым оттенком :)

В своём УЗМ добавил шунтирующую ёмкость перед стабилизатором

И дополнительно изолировал варисторы термоусадкой.

Дополнительная изоляция может хоть немного уменьшить разрушения


После проделанной работы, склеил корпус космофеном, выставил рекомендованные изготовителем пороги 175В — 265В и установил в щит


Вывод: реле достойно внимания и рекомендовано к применению.