Однофазные реле контроля напряжения, часть 1 - Новатэк PH-260t

Реле контроля напряжения — это устройство, контролирующее величину напряжения с целью защиты нагрузки при выходе этого напряжения за допустимые пределы.
Так уж получилось, что у меня на руках оказалась кучка различных однофазных реле контроля напряжения, а именно:
Новатэк PH-260t
Меандр УЗМ-50Ц
Меандр УЗМ-51М в четырёх (!) модификациях
Было-бы грех подробно о них не рассказать :)
Максимально кратко для тех, кто под кат не ходит — идеального устройства в продаже нет и вряд-ли оно когда нибудь появится…


Начну пожалуй с самого большого и многофункционального из них — реле напряжения от Новатек PH-260t (крайний левый)
Данное устройство мне подогнал на проверку коллега, ни производитель ни магазин мне его бесплатно не предоставляли.
Продаётся в невзрачной коробке из вторично переработанного картона.

Итак, PH-260t представляет собой пластиковую коробку модульного исполнения на DIN рейку шириной в 3 модуля (52мм)
На передней панели расположены:
— красный трёхразрядный индикатор многофункционального назначения
— 7 светодиодов, индицирующих режим работы устройства
— три кнопки управления
— потенциометр блокировки настроек

Сбоку нарисована схема подключения.

Все 3 клеммы подключения — снизу. Сами клеммы конструктивно напоминают таковые от бюджетной модульной автоматики, например TDM, IEK и т.п.
Прижимные скобы и винты – оцинкованная сталь, контактные площадки – никелированная медь. Провод сечением до 16кв.мм зажимается нормально. В клемму нейтрали 2 нет смысла зажимать провод сечением более 1,5кв.мм ибо ток там изначально минимальный.

Снизу пластиковая защёлка и четыре корпусных самореза.


Подробное описание настроек и режимов нет смысла сюда копировать — лучше прочитать их в руководстве по эксплуатации
novatek-electro.com/docs/ru/doc_rn260ru.pdf
Минимальный порог отключения регулируется в пределах 160В-220В
Максимальный порог отключения регулируется в пределах 230В-280В
Задержка включения регулируется в пределах от 1 секунды до 15 минут
Остальные параметры второстепенные.

Блокировка настроек выполнена оригинально — при помощи крутилки, которая обычно прикрыта пластроном или оперативной панелью щита + используется парольная защита. При необходимости, парольную защиту можно не использовать.

Пластик корпуса глянцевый, среднего качества, сверху и снизу имеет вентиляционные прорези для охлаждения. Пластик корпуса загорается и горит несколько секунд до потухания, следовательно можно назвать его не поддерживающим горение. Материал напоминает ПВХ.

Разбирается устройство легко и просто — корпус состоит из двух половинок, скреплённых саморезами.



Схема собрана на двух платах, соединённых между собой неразъёмным шлейфом.
Платы также крепятся к корпусу саморезами.
К монтажу серьёзных претензий нет




Дата производства — февраль 2019г

Силовое реле

Балластный конденсатор

Силовые провода к клеммам приварены

Спрятанный термодатчик



Традиционно, срисовал принципиальную электрическую схему реле напряжения :)


Описание основных элементов схемы.
DA1 с обвязкой – дифференциальный усилитель цепи контроля тока со сдвигом уровня на +2,5В. Высокий коэффициент усиления (К=220) позволяет использовать низкоомный шунт, снизив потери мощности на нём. Но это одновременно снижает точность измерения тока и мощности.
DA2 – интегральный стабилизатор напряжения +5В для питания контроллера.
K1 – однополюсное силовое электромагнитное поляризованное бистабильное реле с двумя катушками управления. Именно оно коммутирует проходящее силовое питание.
FUSE — печатный предохранитель. Сработает, когда внутри реле напряжения всё выгорит и по плате монтаж дугой перекроет.
R14 – токоограничивающий резистор, который совмещает в себе функцию предохранителя. Именно на нём выделяются импульсные грозовые и коммутационные перенапряжения для защиты схемы самого реле напряжения.
С2 – балластный конденсатор цепи питания. Стоит в цепи параметрического стабилизатора напряжения. Очень важный и ответственный элемент, от которого сильно зависит надёжность работы устройства.
VD4 и VD5 – стабилитроны цепи питания реле напряжения. Ограничивают напряжение на уровне 22В
С4 и С5 – накопительные конденсаторы импульсного управления силовым реле.
R7, R1, R6 – резистивный делитель напряжения цепи контроля сетевого напряжения с подтяжкой на уровень +2,5В.
Сборка VD1 необходима для защиты входа контроллера от пробоя при возникновении перенапряжения в сети.
R29 используется в качестве аналогового переключателя блокировки настроек прибора.
VT1 и VT2 с обвязкой – ключи управления работой силового реле. Подают короткие импульсы на включающую и отключающую катушки реле.
VD2 и VD3 необходимы для гашения ЭДС самоиндукции катушек реле
Шунт 0,12мОм в виде медного шлейфа от силового реле до клеммы подключения. Является токоизмерительным датчиком низкой точности (медь однако…).
R20 – датчик температуры шунта в виде малогабаритного терморезистора. Позволяет защитить реле напряжения от перегрева.
VT3 – VT5 с обвязкой — переключаемая трёхступенчатая нагрузка термодатчика. Решение спорное и неоднозначное. Единственное разумное объяснение его наличию – производитель ставит разные датчики температуры (2,2кОм, 10кОм или 100кОм — что есть в наличии) и под них программирует включение конкретной нагрузки. В моём устройстве подключается нагрузка 10кОм.

На отдельной плате управления и индикации расположены:
DD1 — управляющий микроконтроллер AVR архитектуры
H1 – трёхсимвольный семисегментный индикатор с общим катодом для отображения параметров сети и настроек реле
S1 – S3 – кнопки управления и программирования
VD2 – VD14 – дискретные светодиоды, отображающие режимы работы реле
XP2 – SPI порт программирования контроллера

Немного теории про коммутацию тока
Процессы коммутации в цепи активной и реактивной нагрузки очень сильно различаются.
На активной (резистивной) нагрузке всё очень просто – замыкание и размыкание контактов допустимо в любой момент времени. При замыкании контактов импульсных токовых перегрузок не возникает. При размыкании контактов возникает дуга, которая самостоятельно гаснет при переходе сетевого напряжения через нулевое значение. Дуга гаснет при напряжении между контактами менее 30В без использования дугогасителей на токах до сотни ампер.
На реактивной нагрузке всё усложняется. Если составляющая в основном емкостная, замыкать контакты желательно в момент перехода сетевого напряжения через ноль для уменьшения импульсного тока заряда конденсатора. Отключать нагрузку можно в любой момент времени – дуга всё равно быстро погаснет.
Если реактивная нагрузка имеет в основном индуктивную составляющую, то всё становится совсем печально. Замыкать контакт можно в любой момент времени, а вот размыкание оказывается тяжёлым в любой момент времени – дуга поддерживается за счёт ЭДС самоиндукции нагрузки независимо он сетевой синусоиды. Для эффективного гашения дуги в данном случае приходится применять специальные меры – увеличивать контактный зазор, ставить дугогасительные камеры, шунтировать контакты RC цепочками, дополнительно нагружать индуктивную нагрузку активной составляющей (снижая добротность), компенсировать индуктивность нагрузки дополнительными емкостями (повышая COS) и т.п.
Контакты реле в данном устройстве имеют малый контактный зазор и не имеют дугогасителей, поэтому коммутация реактивной нагрузки ограничена значением 1,4 кВт при COS=0,4.
Фактически, это означает, что если у Вас на вводе стоит стабилизатор напряжения мощностью 5кВт и более, данное реле напряжения следует устанавливать уже после него, чтобы не поджарить контакты реле при отключении мощного трансформатора стабилизатора напряжения (его мощность обычно 1/3 – 1/2 от полной мощности стабилизатора). Для квартир это не очень актуально, а вот для частных домов такую особенность следует учитывать.

Проверку проводил по такой схеме

Минимальное рабочее напряжение, при котором устройство правильно отображало информацию — 100В
До напряжения 360В, измерение напряжения происходило корректно, далее индикатор занижал показания и при максимально — допустимом напряжении 450В, показывал напряжение 402В

Под напряжением 450В я оставил устройство в течение часа – оно снаружи слегка нагрелось, при этом попахивало перегретыми элементами, но из строя не вышло. Кроме того, подача напряжения 500В в течение 5 секунд реле также выдержало без последствий, что несказанно радует :)

Т.к. устройство не является измерительным прибором, точность отображения параметров сети не является его основной характеристикой. В заявленные проценты точность измерения укладывается.
Более важным показателем является момент включения реле, скорость отключения при перенапряжении и момент отключения реле. Именно это и было доолнительно проверено.
Момент включения реле. По идее, для снижения нагрузки на контакты реле, оно должно замыкаться при переходе сетевого напряжения через ноль. К сожалению, у реле PH-260t это получается мягко говоря не идеально.
Вот несколько осциллограмм, по которым видно моменты включения реле, а также дребезг контактов.


Реальная скорость отключения реле при перенапряжении 290В (амплитуда 410В) составила 0,4сек, что существенно больше заявленных 0,12сек.
Момент отключения реле также никак не синхронизирован с волной сетевого напряжения — проверял много раз.

Мало того, даже перенапряжение в 400В нисколько не ускоряет процесс отключения нагрузки :(

Зато пороговые уровни напряжения реле выдерживает нормально — включается и отключается в заданном диапазоне.

Плюсы:
1. Достаточный для бытового применения ток пропускания и коммутации при активной нагрузке.
2. Расширенная индикация и настройки.
3. Встроенная функция ограничения мощности, расширяющая возможности применения устройства.
4. Есть блокировка изменения настроек и парольная защита от шаловливых ручек.
5. Нормальное качество изготовления конструкции и внутреннего монтажа.
6. Увеличенный до 5 лет гарантийный срок эксплуатации.
7. Возможность работы в наружных не отапливаемых шкафах (-30 + 55)

Аппаратные минусы, недостатки и проблемы
1. Контроллер никак не контролирует выходное напряжение после реле, следовательно, никак не может зафиксировать и показать залипание или отгорание контактов реле. Это очень существенный недостаток!
2. Отсутствует индикация наличия выходного напряжения. Индикатор “Нагрузка” на самом приборе просто показывает состояние самого устройства, но никак не наличие выходного напряжения. Не смертельно, при необходимости, можно поставить внешний индикатор.
3. В качестве токоизмерительного шунта используется гибкий медный проводник, что приводит к заметной зависимости показаний тока и мощности от температуры прибора. Термокомпенсацию шунта производитель не реализовал (хотя и мог).
4. Балластный конденсатор забыли приклеить термоклеем к реле.
5. Силовые клеммы обозначены только цифрами 1-2-3 и без руководства по эксплуатации непонятно, как их подключать. Схема сбоку реле не поможет, т.к. после установки реле, она закрыта соседними модулями.
6. Длительная подача максимального – допустимого напряжения 450В приводит к сильному нагреву резистора R14 и стабилитронов VD4 и VD5. При этом потребляемая мощность превышает заявленные 3Вт и составляет 4,5Вт. Кроме того, балластный конденсатор X2 310VAC не рассчитан на длительную работу при таком высоком напряжении. Теоретически, это может снизить надёжность работы устройства.

Программные косяки
1. Время отключения реле слишком велико — не всякое устройство безопасно выдержит подачу 400В в течение 0,4 секунд. Это серьёзная проблема.
2. Функция АПВ (автоматическое повторное включение) работает не корректно – нет перезапуска выдержки при выходе напряжения за допустимый диапазон. Т.е. любые скачки напряжения во время выдержки времени не перезапускают её. Это также довольно серьёзная проблема.
3. Момент включения и отключения реле не синхронизирован с волной сетевого напряжения. Размыкать контакт желательно на спаде полуволны.
4. Ввод команды при длительном удержании кнопки ОК никак не отображается на дисплее. Это просто неудобно — давишь на кнопку и гадаешь – прошло 3 секунды или ещё нет :)
5. Функция ограничения мощности работает только с целыми киловаттами. А если допустим мне нужно ограничение мощности 3,5кВт?
6. Минимальный измеряемый ток 0,5А, что не позволяет отслеживать работу маломощных потребителей. Ограничение задано программно.
7. Прибор не может корректно измерять сетевое напряжение более 350В, т.к. при этом сигнал с делителя напряжения выходит за допустимый диапазон 0-5В. Для производителя этот дефект исправляется элементарной заменой резистор R7 с 1МОм на 1,3МОм с соответствующей коррекцией программы.
8. Гистерезис переключения реле жёстко задан значением 5В, но для нижнего порога этого может оказаться недостаточно, если под нагрузкой напряжение сети просаживается более чем на 5В (что частенько происходит на дачных участках и на длинных линиях частного сектора). При этом, устройство при пониженном сетевом напряжении начинает периодически включаться – отключаться, что может быть опасно например для холодильника. Лучше бы гистерезис нижнего порога можно было в настройках корректировать от 5В до 15В.
9. Косяк с ложным включением реле при высоком входном напряжении

Особенности:
1. В устройстве отсутствует встроенная варисторная защита от импульсных сетевых перенапряжений. Но это скорее плюс, т.к. в целях безопасности, функцию УЗИП должно выполнять отдельное специализированное устройство.
2. На реле 12V подаётся повышенное управляющее напряжение 21V. Это очевидно сделано для ускорения времени переключения реле с учётом провала напряжения на накопительных конденсаторах во время действия импульса переключения.
3. Заявленная максимальная коммутируемая мощность всего 1,4кВт при COS=0,4, что запрещает установку мощного стабилизатора напряжения после данного реле напряжения.
4. Конструкция устройства не технологичная — очень много ручных ответственных операций при сборке.

Update
Решил провести дополнительные испытания устройства повышенным напряжением и как оказалось, не зря — проверял одно, а вылезло другое.
Итак, подал на него максимально-допустимое заявленное напряжение 450В. Спустя 30 минут, в комнате ощущается стойкий запах горелого пластика. Жду дальше, попутно лезу в меню и тут реле внезапно включается и на выход проходят все 450В 0_0.

Оказалось, что есть неприятный стабильный косяк программной части! При повышенном входном напряжении, реле принудительно включает выход если просто зайти в настройки и выйти из них. Т.е. достаточно просто 2 раза нажать c удержанием кнопку OK и реле сразу принудительно включается даже если на входе 450В :( Простыми словами: реле отключилось по верхнему пределу, Вы подходите, видите на индикаторе например 365В, лезете в меню чтобы что-то там глянуть или поправить и при выходе из меню включается реле и у Вас сгорает техника :(
Снизил напряжение на реле до реальных 380В и опять проверил — реле снова включилось.
Снизил до 350В — реле стало включаться кратковременно, что тоже неправильно. Граница оказалась на уровне около 360В.

Записал короткое видео производителю, как это происходит



Далее, я продолжил дальнейшие длительные испытания повышенным напряжением в течение 8 часов.
После испытания, устройство продолжало вонять палёным пластиком, но я уже принюхался и как-то не замечал этого.
В итоге, реле выжило. После разборки, проверил все перегруженные элементы R14 C2 VD4 VD5 — всё в норме. Печатная плате и корпус также оказались без видимых повреждений. За время тестирования, встроенная термозащита не срабатывала ибо грелась плата, а не силовой провод.

Вывод: несмотря на недостатки и недочёты, устройство оказалось интересное и полезное. Ну а для производителя есть ещё куча возможностей дорабатывать и улучшать своё творение :)
Продолжение следует…