Любая электрическая цепь описывается законом Ома: ток I (ампер) равен напряжению U (вольт), делённому на сопротивление R (ом), то есть I = U / R. Отсюда же U = I · R и R = U / I. Мощность постоянного тока P (ватт) равна произведению напряжения на ток: P = U · I. Подставив закон Ома, получают две полезные формы: P = I² · R (потери в проводе) и P = U² / R. Эти три формулы — основа всех расчётов проводки, нагрева и выбора предохранителей.
Переменный ток меняет направление с частотой 50 Гц (в РФ и СНГ). Приборы показывают действующее (среднеквадратичное) значение, которое в 1.41 раза меньше амплитудного. В цепях переменного тока различают три мощности: активную P = U · I · cos φ (ватты, реально совершает работу и выделяет тепло), полную S = U · I (вольт-амперы, её несёт сеть) и реактивную Q = U · I · sin φ (вольт-амперы реактивные, «гуляет» между источником и катушками/конденсаторами).
Коэффициент мощности cos φ показывает, какая доля полной мощности превращается в полезную. У ламп накаливания и нагревателей cos φ = 1. У асинхронных электродвигателей cos φ = 0.7–0.85 (на холостом ходу ещё ниже). Генератор, трансформатор и провода должны рассчитываться на полную мощность S, а не на активную P, поэтому при выборе источника питания мощность нагрузки в ваттах делят на cos φ.
| Величина
Формула
Единица |
| ---
---
--- |
| Закон Ома
I = U / R
А |
| Мощность (пост. ток)
P = U · I = I² · R
Вт |
| Полная мощность
S = U · I
В·А |
| Активная мощность
P = U · I · cos φ
Вт |
| Реактивная мощность
Q = U · I · sin φ
вар |
Пример: двигатель 2.2 кВт с cos φ = 0.8 потребляет от сети полную мощность S = 2200 / 0.8 = 2750 В·А, а ток при 220 В составит около 12.5 А — именно на него и подбирают автомат и сечение провода.
Сечение провода выбирают так, чтобы длительный рабочий ток не перегревал изоляцию. Допустимый ток зависит от материала жилы, способа прокладки (открыто или в трубе/стене), числа жил в кабеле и температуры окружающей среды. При закрытой прокладке теплоотвод хуже, поэтому допустимый ток ниже, чем при открытой. Таблица ниже даёт консервативные общепринятые значения (по духу ПУЭ, табл. 1.3.4–1.3.6) для медных проводов с резиновой или ПВХ-изоляцией при температуре воздуха 25 °C.
| Сечение, мм²
Открытая прокладка, А
В трубе или стене, А |
| ---
---
--- |
| 1.5
19
15 |
| 2.5
27
21 |
| 4
38
27 |
| 6
46
34 |
| 10
70
50 |
| 16
85
70 |
| 25
115
90 |
| 35
135
100 |
| 50
175
135 |
| 70
215
165 |
| 95
260
200 |
Правила выбора. Рабочий ток нагрузки должен быть не более 80 % от табличного значения — запас на нагрев и неточность. Номинал автоматического выключателя подбирают так, чтобы он был не больше допустимого тока провода: автомат защищает провод, а не прибор. Для освещения типично 1.5 мм² (до 10 А), для розеточных групп — 2.5 мм² (16 А), для электроплиты и проточного водонагревателя — 6 мм² (32 А), для ввода в дом — 10–16 мм². При групповой прокладке нескольких кабелей в одном жгуте или при высокой температуре допустимый ток дополнительно снижают на 10–20 %. Для сетей 12/24 В ток при той же мощности в 10–20 раз больше, поэтому сечение берут не по мощности, а именно по току и падению напряжения.
Алюминий имеет удельное сопротивление примерно в 1.6 раза выше, чем медь, и хуже переносит многократные изгибы, поэтому при том же токе алюминиевый провод берут на ступень толще. Допустимые токи для алюминиевых жил (открытая и закрытая прокладка) приведены ниже.
| Сечение, мм²
Открытая прокладка, А
В трубе или стене, А |
| ---
---
--- |
| 2.5
21
16 |
| 4
29
22 |
| 6
37
28 |
| 10
50
38 |
| 16
70
55 |
| 25
90
70 |
| 35
105
85 |
| 50
135
105 |
| 70
165
130 |
| 95
200
155 |
Правило пересчёта «медь → алюминий»: алюминиевый провод должен иметь сечение в 1.6 раза больше медного для того же тока, то есть практически это означает переход на одну стандартную ступень ряда (например, 2.5 мм² меди соответствует 4 мм² алюминия, 4 мм² меди — 6 мм² алюминия). Минимально допустимое сечение алюминия для стационарной проводки — 2.5 мм²; на вводы в дома и стояки применяют 6–16 мм².
Особенности алюминия. Он быстро окисляется на воздухе, а оксидная плёнка плохо проводит ток и вызывает нагрев в местах контакта, поэтому алюминиевые жилы нельзя напрямую скручивать с медными (гальваническая пара разъедает контакт) — используют клеммники со смазкой или переходные гильзы. Алюминий ломкий, его нельзя перегибать многократно. В современных сельских линиях для воздушных вводов широко применяют самонесущий изолированный провод СИП с алюминиевыми жилами. При сомнении в качестве старой алюминиевой проводки её безопаснее заменить на медь того же или большего сечения.
На низковольтных линиях (12/24/48 В) главная проблема — не нагрев провода, а падение напряжения на нём: при том же токе доля потерь обратно пропорциональна напряжению. Для постоянного тока и однофазного переменного падение напряжения в вольтах вычисляют по формуле ΔU = 2 · I · L · ρ / S, где I — ток (А), L — длина линии в одну сторону (м), ρ — удельное сопротивление меди 0.0175 Ом·мм²/м (алюминий 0.028), S — сечение (мм²). Множитель 2 учитывает прямой и обратный провод. В процентах: ΔU% = ΔU / U · 100 %.
Для автономных систем допустимым считают падение не более 3–5 %. Таблица ниже даёт минимальное сечение медного провода для 12 В при падении 5 % (0.6 В) в зависимости от тока и длины линии в одну сторону.
| Ток, А
5 м
10 м
15 м
20 м |
| ---
---
---
---
--- |
| 5
1.5
6 |
| 10
10
16 |
| 20
16
25
25 |
| 30
10
25
35
35 |
Пересчёт на другие напряжения. Поскольку допустимое падение в вольтах пропорционально напряжению, для 24 В при том же сечении можно удвоить длину (или уменьшить сечение вдвое при той же длине), для 48 В — увеличить длину вчетверо. Практический вывод: мощные потребители (инвертор, насос, электроинструмент) подключают к аккумулятору максимально коротким и толстым проводом, а длинные магистрали прокладывают на повышенном напряжении. Напряжение замеряют на клеммах самого потребителя под нагрузкой — если оно проседает более чем на 5 %, сечение увеличивают. Для освещения на 12 В потери лучше удерживать в пределах 3 %, иначе лампы в конце линии заметно тускнеют.
Бытовая однофазная сеть 220 В состоит из фазного проводника L, нулевого рабочего N и защитного PE. Напряжение между L и N равно 220 В (фазное). Трёхфазная сеть 380 В имеет три фазных проводника L1, L2, L3 и нейтраль N: между любыми двумя фазами напряжение линейное 380 В, между фазой и нулём — фазное 220 В. Связь линейного и фазного напряжения: Uлин = 1.73 · Uфаз (то есть 380 ≈ 1.73 · 220).
Трёхфазные приёмники (электродвигатели, мощные нагреватели) соединяют звездой или треугольником. При соединении звездой концы всех трёх обмоток соединяют в общую точку (нейтраль), а начала подключают к фазам: Uлин = 1.73 · Uфаз, а линейный ток равен фазному, Iлин = Iфаз. При соединении треугольником обмотки образуют замкнутый контур: Uлин = Uфаз, а линейный ток в 1.73 раза больше фазного, Iлин = 1.73 · Iфаз.
Мощность симметричной трёхфазной нагрузки вычисляют по формуле P = 1.73 · Uлин · Iлин · cos φ. Отсюда ток трёхфазного двигателя при 380 В оценивают как I ≈ P / (1.73 · 380 · cos φ), или грубо I ≈ 2 · P (А) на каждый киловатт мощности.
| Соединение
Линейное напряжение
Линейный ток |
| ---
---
--- |
| Звезда
1.73 · Uфаз
равен фазному |
| Треугольник
равно фазному
1.73 · Iфаз |
Однофазных потребителей подключают между фазой и нулём, распределяя нагрузку по фазам равномерно, чтобы не было перекоса. Нейтраль нельзя разрывать и ставить в неё предохранители: при обрыве нуля в трёхфазной сети напряжения фаз перекашиваются и однофазные приборы сгорают. При перекосе фаз (разная нагрузка) по нейтрали течёт уравнительный ток.
Заземление — это намеренное соединение корпусов и металлических частей с землёй, чтобы при пробое изоляции опасное напряжение не оказалось на корпусе. Системы заземления различают по способу заземления нейтрали источника и защитных проводников.
Система TN-C-S (наиболее распространена в РФ): от трансформатора до ввода идёт совмещённый проводник PEN (ноль и земля вместе), затем на вводной главной заземляющей шине (ГЗШ) его разделяют на рабочий N и защитный PE, после чего они больше не соединяются. Система TN-S: PE и N разделены на всём протяжении (самая безопасная, используется в новых зданиях). Система TT: нейтраль источника заземлена, а у потребителя собственный независимый заземлитель; при этом обязательно применение УЗО, так как ток замыкания на землю мал и автомат может не сработать. Система IT: нейтраль изолирована от земли или соединена через большое сопротивление; первое замыкание на корпус безопасно, поэтому IT применяют в больницах и передвижных генераторах.
Нормы сопротивления заземляющего устройства (ПУЭ): для электроустановок до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью — не более 4 Ом при мощности источника от 100 кВА и не более 10 Ом при меньшей. Повторное заземление PE/PEN на вводах — не более 30 Ом при линейном 380 В и не более 60 Ом при 220 В. Для системы TT сопротивление заземлителя потребителя выбирают из условия R ≤ 50 В / Iсраб(УЗО): при УЗО 30 мА это до 1667 Ом, но на практике делают не более 30 Ом.
Контур заземления: 3–4 вертикальных электрода (стальной пруток диаметром не менее 16 мм или уголок 50×50×5 мм) длиной 2.5–3 м забивают в грунт с шагом не менее длины электрода и соединяют сваркой стальной полосой 40×4 мм, проложенной на глубине 0.5–0.7 м. Сопротивление контура замеряют специальным прибором. Заземляющий проводник от ГЗШ к контуру — медь от 10 мм².
Автоматический выключатель защищает от перегрузки и короткого замыкания. По характеристике мгновенного срабатывания различают кривые: B (срабатывание при 3–5 номинальных токов) — для освещения и розеток с обычной нагрузкой; C (5–10 токов) — универсальная, для бытовой сети и двигателей с лёгким пуском; D (10–20 токов) — для мощных двигателей и трансформаторов с большим пусковым током. Номинал автомата выбирают по току нагрузки, но он не должен превышать допустимый ток защищаемого провода. Для розеточных групп ставят 16 А на провод 2.5 мм², для освещения — 10 А на 1.5 мм², на ввод в дом — 25–40 А.
УЗО (устройство защитного отключения) срабатывает при утечке тока на землю (через человека или повреждённую изоляцию) и отключает сеть за 20–40 мс. По номинальному отключающему дифференциальному току различают: 10 мА — для влажных помещений (ванная, баня); 30 мА — для розеток и защиты человека (безопасный предел); 100–300 мА — противопожарное, ставится на вводе. По типу: AC реагирует только на переменный ток утечки, A — на переменный и пульсирующий постоянный (необходим для стиральных машин, инверторов, импульсных блоков питания), B — дополнительно на постоянный.
Правила. Номинал УЗО берут не меньше номинала стоящего выше автомата. УЗО без встроенной защиты от сверхтока обязательно защищают последовательным автоматом. Для селективности вводное УЗО (100–300 мА) должно иметь уставку и выдержку выше, чем групповые (30 мА), чтобы при утечке отключалась только повреждённая группа. УЗО ставят на группы, где возможен контакт человека с токоведущими частями через корпус; на освещение в сухих помещениях его обычно не ставят. В системе TT УЗО — единственная действенная защита от поражения током и обязательна на вводе.
Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором можно использовать как генератор, раскручивая его внешним двигателем (бензиновым, тракторным, ветряком, гидротурбиной) и подключив к обмоткам конденсаторы. Остаточная намагниченность ротора создаёт слабое напряжение, которое через конденсаторы усиливает магнитный поток — возникает самовозбуждение, и генератор выдаёт напряжение, близкое к номинальному.
Ёмкость конденсаторов. Для холостого хода (треугольник, 380 В) требуется примерно 20–30 мкФ на 1 кВт мощности двигателя; для работы под номинальной нагрузкой ёмкость увеличивают в 1.5–2 раза, добавляя рабочие конденсаторы параллельно возбуждающим. Оценочные формулы: C (мкФ) ≈ 4800 · Iн / U при соединении треугольником и C ≈ 2800 · Iн / U при звезде, где Iн — номинальный ток двигателя (А), U — линейное напряжение (В). Точную ёмкость подбирают по факту: добиваются нужного напряжения при заданных оборотах.
Требования к конденсаторам: только неполярные — бумажно-масляные (МБГО, МБГЧ) или металлоплёночные (К75, К78), рабочее напряжение не ниже 630 В (для сети 380 В), лучше 1000 В. Электролитические (полярные) конденсаторы недопустимы — пробьются. Схема: обмотки двигателя соединяют звездой или треугольником, к каждой паре фаз подключают группу конденсаторов.
Особенности. Частота и напряжение сильно зависят от оборотов, поэтому нужен контроль частоты вращения; при перегрузке или падении оборотов возбуждение срывается и напряжение исчезает. Двигатель выбирают с запасом — полезная мощность генератора примерно 70–80 % от паспортной мощности двигателя. Выходное напряжение нестабилизировано и опасно для жизни — работают при соблюдении всех мер электробезопасности, а к чувствительной технике подключаются только через стабилизатор.
Аккумуляторная батарея — накопитель энергии автономной системы. Свинцово-кислотные батареи делятся на стартерные, AGM и гелевые (GEL). Стартерные отдают большой ток, но не терпят глубокого разряда — допустимая глубина разряда (DOD) всего 20–30 %, иначе быстро теряют ёмкость. AGM и гелевые допускают DOD 50–80 % и рассчитаны на циклический режим. Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) имеют номинальное напряжение ячейки 3.2 В (сборка 4S = 12.8 В), допускают DOD 80–100 % и 2000–5000 циклов, но требуют защиты от перезаряда и низких температур.
Соединение батарей. При последовательном соединении напряжение складывается, а ёмкость остаётся прежней (две 12 В 100 Ач дают 24 В 100 Ач). При параллельном — ёмкость складывается, напряжение прежнее (две 12 В 100 Ач дают 12 В 200 Ач). Параллелят только одинаковые по типу, ёмкости и возрасту батареи, иначе токи перетекания разрядят их.
Солнечные панели. Панель на 12 В имеет напряжение холостого хода около 22 В и рабочее около 18 В, поэтому подключается к аккумулятору только через контроллер заряда. Контроллеры бывают PWM (простые, дешевле, теряют часть мощности) и MPPT (дороже, выжимают на 20–30 % больше энергии). Для 24 В системы две панели соединяют последовательно, для 48 В — четыре. Мощность панелей считают по суточному потреблению и количеству солнечных часов. Контроллер заряда обязателен для защиты от перезаряда, а для свинца — ещё и от глубокого разряда (отключение нагрузки при просадке). Всю цепь защищают предохранителем и толстым коротким проводом от панели и от батареи, соблюдая полярность.
Трансформатор преобразует напряжение переменного тока, не меняя частоту. Коэффициент трансформации k равен отношению напряжений и обратному отношению токов: k = U1 / U2 = N1 / N2 = I2 / I1, где N — число витков обмоток. Понижающий трансформатор (U1 > U2) имеет k > 1; при этом ток во вторичной обмотке во столько же раз больше первичного.
Мощность. Трансформатор характеризуется полной мощностью S (вольт-амперы), а не активной: S = U2 · I2. Для питания выпрямителей с конденсаторным фильтром (блоки питания) мощность трансформатора берут с запасом 1.3–1.5 от мощности нагрузки, так как импульсный ток заряда конденсатора греет обмотку сильнее, чем гладкий ток. Для чисто активной нагрузки (лампы, нагреватели) запас можно взять 1.1–1.2.
Расчёт самодельного трансформатора. Сечение сердечника (магнитопровода) в см²: Sс = 1.2 · √P, где P — мощность в ваттах. Число витков на вольт: n = 50 / Sс для обычной трансформаторной стали (для хорошей стали 45/Sс, для плохой 60/Sс). Тогда первичная обмотка N1 = n · U1, вторичная N2 = n · U2 · 1.05 (запас 5 % компенсирует падение напряжения под нагрузкой). Ток обмотки I = P / U, сечение медного провода выбирают по плотности тока 2.5–3 А/мм². Диаметр провода по меди d (мм) = 1.13 · √(I / j).
Выбор готового трансформатора. По напряжению (вторичное под нагрузкой) и току: номинальный вторичный ток должен быть не меньше тока нагрузки, иначе трансформатор перегреется. Для трёхфазных потребителей применяют трёхфазные трансформаторы; мощность однофазных потребителей суммируют и распределяют по фазам. При выборе учитывают пусковые токи двигателей (до 5–7 номиналов), которые трансформатор должен выдерживать кратковременно без глубокой просадки напряжения.
Выбор провода. Для стационарной скрытой проводки применяют кабель ВВГ (медный, ПВХ-изоляция, плоский или круглый); для открытой по стенам — ВВГнг (негорючий). Для воздушного ввода в дом и между постройками — самонесущий изолированный провод СИП (алюминий). Для переносных приборов, удлинителей и временной полевой проводки — гибкий ПВС (многожильный, оболочка ПВХ) или ШВВП (лёгкий, только внутри помещений). Для внутреннего монтажа в щитах — однопроволочный ПВ1/ПВ3. Медный многожильный провод предпочтителен там, где есть вибрация и изгибы.
Соединения. Надёжность полевой проводки определяют контакты. Скрутку обязательно пропаивают или обжимают гильзой — голая скрутка окисляется, греется и является причиной пожаров. Современный способ — пружинные клеммы (типа Wago) или винтовые клеммники: они не требуют пайки, но для токов выше 10 А предпочтительны болтовые или опрессованные соединения. Колпачки СИЗ допустимы для освещения. Медь с алюминием соединяют только через переходные клеммники со смазкой, исключающей окисление. Каждое соединение располагают в распределительной коробке, а не замуровывают.
Изоляция. Места соединений изолируют ПВХ-изолентой внахлёст в 2–3 слоя, а лучше — термоусадочной трубкой, надёжно герметизирующей контакт. В сырых местах поверх изоленты наносят дополнительный слой или применяют герметичные клеммы. Провода к лампам и розеткам подключают так, чтобы фаза шла на центральный контакт, а не на цоколь. Открытую проводку по деревянным конструкциям прокладывают в гофре или на изоляторах с зазором, защищая от механических повреждений и грызунов. В земле используют только бронированный кабель или кабель в трубе, на глубине не менее 0.7 м.
Низковольтное освещение 12/24 В безопасно и применяется в банях, подвалах, гаражах и автономных системах. Источники света: галогенные лампы 12 В (10–50 Вт, дают много тепла), светодиодные (LED) ленты и лампы 12/24 В (5–15 Вт при яркости, сравнимой с лампой накаливания 60–100 Вт). Светодиоды — оптимальный выбор: высокий КПД, малый нагрев, срок службы. При выборе драйвера или блока питания учитывают, что светодиодные ленты требуют стабилизированного напряжения, а их суммарная мощность не должна превышать 80 % мощности блока.
Расчёт потребления. Ток в низковольтной сети равен I = P / U. На 12 В лампа 60 Вт потребляет 5 А, тогда как на 220 В — всего 0.27 А. Поэтому токи в низковольтном освещении велики, и сечение провода определяют именно по току и падению напряжения, а не по мощности. Для питания ламп от аккумулятора считают суммарную мощность: например, 10 светодиодных ламп по 10 Вт = 100 Вт, что при 12 В даёт ток около 8.3 А и требует провода сечением не менее 2.5 мм² при короткой линии.
Правила монтажа. Полярность для светодиодных лент обязательна — перепутанные провода их не зажгут. Ленты длиннее 5 м запитывают с двух концов или отдельными участками, иначе дальний конец тускнеет из-за падения напряжения в тонкой токопроводящей дорожке. Для 24 В систем ток вдвое меньше, чем для 12 В, что позволяет уменьшить сечение проводов при той же длине. Блок питания 220 → 12 В выбирают с запасом 20–30 % по мощности и размещают в сухом проветриваемом месте. Все низковольтные цепи защищают предохранителем соответствующего номинала у самого источника.
Опасность тока определяется его величиной, путём и длительностью. Порог ощущения — около 1 мА, неотпускающий ток — 10–15 мА, фибрилляция сердца возможна уже при 50–100 мА (50 Гц) при прохождении через грудную клетку. Сопротивление тела человека от 1000 Ом (мокрая кожа) до 100 кОм, поэтому опасным считают напряжение выше 50 В переменного и 120 В постоянного тока, а в сырых помещениях — уже 12–25 В.
Первая помощь при поражении током. Прежде всего освободить пострадавшего от действия тока: отключить источник (рубильник, автомат, выдернуть вилку) либо отбросить провод сухой деревянной палкой или оттащить пострадавшего за сухую одежду, не касаясь его тела и металла голыми руками (надеть резиновые перчатки, встать на сухую доску). Затем оценить сознание и дыхание. При отсутствии дыхания немедленно начать искусственное дыхание и непрямой массаж сердца (30 надавливаний на 2 вдоха, частота 100–120 в минуту) и продолжать до прибытия помощи. Даже при хорошем самочувствии пострадавшего обязательно показать врачу — возможны отсроченные нарушения ритма сердца.
Шаговое напряжение возникает у оборванного провода, лежащего на земле: ток растекается по грунту, и между точками земли на расстоянии шага (0.8 м) возникает опасная разность потенциалов. Из опасной зоны выходят «гусиным шагом» — не отрывая ступней друг от друга и от земли, мелкими скользящими шагами, либо прыжками на одной ноге. Безопасное расстояние от места касания провода с землёй — не менее 8 м. К лежащему проводу нельзя приближаться и тем более трогать его. Оборванный провод ограждают и вызывают аварийную службу.
Мультиметр — основной инструмент поиска неисправностей. Перед измерениями обязательно обесточивают цепь, а при работе с ёмкостями — разряжают конденсаторы. Режимы: измерение напряжения (V переменное и постоянное), сопротивления (Ом), тока (А, через разрыв цепи) и прозвонка (звуковой сигнал при малом сопротивлении).
Обрыв проводника. Переводят мультиметр в режим прозвонки или измерения сопротивления и проверяют целостность каждого проводника от начала до конца. Исправный провод показывает сопротивление, близкое к нулю (доли ома для коротких линий); бесконечность (обрыв) означает повреждение жилы. Обрыв находят, прозванивая линию по частям и последовательно сужая участок, где сигнал пропадает.
Короткое замыкание. При КЗ между жилами или на корпус сопротивление между ними будет нулевым или аномально малым. Отключив нагрузку, меряют сопротивление между фазой и нулём, фазой и землёй: исправная изолированная цепь показывает мегаомы (для этого нужен мегаомметр, обычный мультиметр лишь подтверждает явное КЗ). Автомат, срабатывающий при включении, указывает на КЗ — ищут, отключая ветви по очереди.
Утечка. Утечку на землю находят, меряя ток в PE-проводнике или сопротивление изоляции между жилами и землёй при отключённом питании. Сниженное сопротивление изоляции (менее 0.5 МОм) говорит о сырости или повреждении изоляции. Практический приём: при срабатывающем УЗО поочерёдно отключают группы и приборы, пока срабатывание не прекратится, — так локализуют виновника. Ток измеряют только последовательно, включив прибор в разрыв цепи, — при параллельном подключении в режиме тока мультиметр выйдет из строя.
Резервное электроснабжение строят из трёх элементов: источника (генератор или аккумулятор с инвертором), коммутации (АВР или ручной переключатель) и защиты.
Бензогенератор выбирают по пиковой мощности: суммируют мощности всех одновременно включаемых приборов и берут генератор с запасом 20–30 %, а для нагрузки с электродвигателями (насосы, холодильники) — с учётом пусковых токов в 3–7 раз выше номинальных. Однофазные генераторы 220 В выпускают до 6–10 кВт, трёхфазные — для мощных потребителей. Важно: к генератору чувствительную электронику подключают через стабилизатор или используют инверторный генератор с чистым синусом.
АВР (автоматический ввод резерва) переключает нагрузку с основной сети на резерв при пропадании напряжения и обратно при его появлении. Для дома применяют реверсивный рубильник с механической блокировкой (простой и надёжный) или автоматический АВР на контакторах. Главное правило — исключить одновременную подачу сети и генератора (генератор и сеть не должны встретиться), иначе выйдет из строя генератор или произойдёт авария.
Инверторы 12/24/48 В → 220 В бывают с чистой синусоидой (подходят для любых приборов, включая насосы, котлы, компрессоры) и с модифицированной (ступенчатой) синусоидой (дешевле, но двигатели гудят и греются, а некоторые блоки питания не запускаются). Мощность инвертора берут с запасом 30–50 % и кратным пиковым перегрузкам. Сечение проводов от аккумулятора до инвертора рассчитывают по току: при 1000 Вт от 12 В ток достигает 100 А, поэтому провода должны быть толстыми (16–35 мм²) и короткими. Аккумуляторная ёмкость определяет время автономии.
Трёхфазные асинхронные двигатели — основная силовая нагрузка в сельском хозяйстве (насосы, вентиляторы, станки, зернодробилки). Пусковой ток асинхронного двигателя в 5–7 раз превышает номинальный, что нужно учитывать при выборе защиты и сечения питающей линии. Однофазные двигатели (до ~2 кВт) запускаются через пусковой конденсатор или пусковую обмотку.
Способы пуска. Прямой пуск применяют для двигателей малой мощности, где сеть выдерживает бросок тока. Пуск переключением «звезда–треугольник» снижает пусковой ток в 3 раза (обмотки сначала соединяют звездой, затем переключают на треугольник), но и пусковой момент падает в 3 раза — годится для вентиляторов и насосов с лёгким пуском. Плавный пуск (устройства плавного пуска или частотные преобразователи) ограничивает ток и разгоняет двигатель постепенно; частотник дополнительно регулирует обороты.
Защита двигателя. От короткого замыкания — автоматический выключатель с характеристикой D (срабатывание 10–20 номиналов) или предохранители. От перегрузки — тепловое реле, настроенное на номинальный ток двигателя, либо автомат с тепловым расцепителем. От обрыва фазы (работа на двух фазах перегревает и сжигает двигатель) — специальные реле контроля фаз. От снижения напряжения — минимальное реле. Двигатель с мокрой или повреждённой изоляцией обмоток не включают: сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса должно быть не менее 0.5 МОм (меряют мегаомметром).
Подбор аппаратуры. Контактор (магнитный пускатель) выбирают по номинальному току двигателя и напряжению катушки; тепловое реле подбирают в паре с контактором. Сечение питающего кабеля — по номинальному току с запасом, автомат не должен превышать допустимый ток кабеля. Заземление корпуса двигателя обязательно.
Проектирование автономного электроснабжения начинают с подсчёта суточного потребления. Для каждого потребителя записывают мощность (Вт) и время работы в сутки (ч), перемножают и суммируют: Wсут = Σ(P · t), результат в ватт-часах (Вт·ч). Например, освещение 100 Вт × 5 ч = 500 Вт·ч, холодильник 150 Вт × 8 ч = 1200 Вт·ч, насос 750 Вт × 0.5 ч = 375 Вт·ч — итого около 2075 Вт·ч в сутки. К результату добавляют 20–30 % на потери в инверторе и проводах.
Ёмкость аккумуляторной батареи. Требуемую ёмкость вычисляют по формуле C (А·ч) = Wсут · D / (U · DOD), где D — запас автономии в сутках (обычно 1–3 пасмурных дня), U — напряжение системы (12/24/48 В), DOD — допустимая глубина разряда (для свинца 0.5, для LiFePO4 0.8). Для примера выше при 24 В, 2 сутках и свинцовой батарее: C = 2075 · 2 / (24 · 0.5) ≈ 346 А·ч, то есть берут батарею 24 В 400 Ач (или две 12 В 200 Ач последовательно).
Мощность солнечных панелей. Требуемую мощность панелей вычисляют как P (Вт) = Wсут / (tсолн · η), где tсолн — число пиковых солнечных часов в сутки (для средней полосы летом 4–5 ч, зимой 1–2 ч), η — общий КПД системы с учётом контроллера, проводов и батареи (принимают 0.6–0.7). Для 2075 Вт·ч и 4 солнечных часов: P = 2075 / (4 · 0.65) ≈ 800 Вт, то есть около 4 панелей по 200 Вт. При 48 В система работает с меньшими токами и потерями, чем при 12 В, поэтому мощные системы строят на 48 В. Генератор в составе системы покрывает пики и длительные пасмурные периоды, заряжая батарею через зарядное устройство.