Почему газовому котлу нужен чистый синус

Сеть для котла — не только источник энергии

Кажется, что котлу от розетки нужны только ватты: плата, вентилятор дымоудаления и циркуляционный насос. Комплект резервного питания под котёл считают на полосу 300–600 Вт, и в неё укладывается почти любой настенный аппарат.

Но плата берёт из сети не только питание. Сетевое напряжение работает для неё опорным сигналом сразу в двух местах.

• Контроль пламени. Через факел пропускают слабый переменный ток: ионизированный горячий газ ток проводит, холодный воздух — нет. Измеряются единицы микроампер, и напряжение здесь не питание, а измерительный сигнал.
• Синхронизация по нулю. Плата ловит момент перехода напряжения через нулевую отметку и отсчитывает от него управление симистором насоса или вентилятора и собственные выдержки времени.

Что такое модифицированная синусоида

Инвертор с чистым синусом строит на выходе то же, что приходит из сети: плавную синусоиду 50 Гц. Делает он это высокочастотной модуляцией и выходным LC-фильтром, который сглаживает импульсы в дугу, — на фильтр уходит железо и медь, поэтому такой инвертор тяжелее и дороже.

Инвертор с модифицированной синусоидой ничего не сглаживает. Выходной мост переключается между тремя уровнями — плюс, ноль, минус — и рисует ступенчатую фигуру: полка, пауза около нуля, полка обратной полярности, снова пауза. Ни фильтра, ни высокочастотных ключей ему не нужно.

Ширину полки выбирают не наугад: при 120 градусах из спектра исчезает третья гармоника, самая крупная из лишних. Почему так выходит, видно из расчёта спектра ниже.

В паспортах форма называется по-разному, и часть названий подобрана так, чтобы читаться как достоинство.

• modified sine wave, квазисинус, step wave — модифицированная синусоида
• «улучшенная синусоида», «синусоида с коррекцией» — те же ступени, названные мягче
• меандр, прямоугольник — крайний случай, когда паузы около нуля нет вовсе

Две формы в цифрах

Действующее значение

230 В у обеих формТо, что показывает вольтметр. Номинал 230 В задан ГОСТ 29322-2014

Амплитуда сетевого синуса

325 ВЭто 230, умноженное на корень из двух. До неё заряжается конденсатор в блоке питания платы

Амплитуда ступеньки

около 282 ВПри полке 120° и том же действующем значении. На 43 В ниже сетевой — на столько же просядет питание платы после выпрямителя

Коэффициент амплитуды

1,41 против 1,22Отношение амплитуды к действующему значению

Пауза около нуля

3,3 мс в каждом полупериодеПолка занимает 6,7 мс из десяти, в оставшиеся 3,3 мс напряжения нет. Там плата и ищет переход через ноль

Коэффициент искажений

до 3 % против 31 %Для ступеньки — расчёт по спектру идеальной формы шириной 120°. У прямоугольника без паузы выходит 48 %

Предел для бытовой сети

8 %Норма для сети 0,38 кВ по ГОСТ 32144-2013. Ступенчатый инвертор превышает её примерно вчетверо

Откуда берётся треть искажений

Цифру 31 % не нужно принимать на веру, она считается на бумаге.

Ступенчатая форма раскладывается в ряд Фурье: амплитуда n-й гармоники (n нечётное) равна U(n) = (4 · U) / (n · π) · sin(n · θ / 2), где θ — ширина полки, U — уровень напряжения на ней. При θ = 120° множитель sin(n · 60°) обнуляет каждую третью гармонику: третьей, девятой, пятнадцатой в спектре нет. Остаются пятая, седьмая, одиннадцатая — с амплитудами, убывающими как 1/n.

Действующее значение всей фигуры равно амплитуде, умноженной на корень из θ/180°, то есть 0,816 амплитуды. Отсюда 282 В амплитуды при 230 В действующего.

Коэффициент искажений по определению — отношение действующего значения всех гармоник, кроме первой, к действующему значению первой. Подставив числа, получаем 0,311, то есть 31 %. Тот же расчёт для прямоугольника даёт 48 %, а в исправной бытовой сети искажения — единицы процентов при норме 8 % по ГОСТ 32144-2013.

Что происходит с платой котла

Плата страдает по трём независимым причинам, и все три включаются одновременно при переходе на батарею.

1. Питание платы. Конденсатор на входе блока питания заряжается до амплитуды: от сети это 325 В, от ступенчатого инвертора — около 282 В при одинаковом показании вольтметра. Просадку блок обычно переживает, но заряд идёт импульсами тока, а на вертикальном фронте импульс острее, чем на пологом синусе. Конденсатор греется и теряет ёмкость — плата начинает вести себя странно через сезон-другой.
2. Контроль пламени. Ток ионизации — единицы микроампер, и снимается он с того же переменного напряжения. Пламя проводит ток несимметрично, электроды разной площади, и плата измеряет постоянную составляющую этого тока. При паузе около нуля и вертикальных фронтах составляющая плавает. Со стороны это ошибка розжига при исправной горелке: котёл зажигается, работает несколько секунд и уходит в блокировку.
3. Синхронизация по нулю. Детектор перехода через ноль ловит не точку, а трёхмиллисекундную полку, а на крутых фронтах ловит ещё и наводки. Управление симистором сбивается, выдержки времени плывут, на модулируемой горелке это видно как рывки мощности.

Что происходит с циркуляционным насосом

Насос старого типа — асинхронный двигатель с постоянно включённым фазосдвигающим конденсатором. Обе части реагируют на форму хуже, чем плата.

Двигатель. Момент создаёт только первая гармоника. Энергия пятой, седьмой и остальных в момент не превращается — она уходит в нагрев обмотки и в гул на низкой ноте. Страдает и пуск: пусковой момент на ступеньке ниже, и насос, простоявший лето, может не стронуться с места.

Конденсатор. Его сопротивление обратно пропорционально частоте: X = 1 / (2 · π · f · C). Пятая гармоника проходит через конденсатор в пять раз легче первой, а её амплитуда ровно в пять раз меньше — токи выравниваются. Каждая оставшаяся в спектре гармоника даёт ток, сравнимый с током основной частоты; конденсатор греется, теряет ёмкость, и однажды двигатель перестаёт запускаться при целой обмотке.

Насос с электронным управлением класса A устроен иначе: внутри у него свой выпрямитель и свой инвертор. Ему безразличен момент, но небезразличны фронты: часть таких насосов на ступеньке не стартует, часть уходит в защиту. По паспорту это не предсказать.

Как разные нагрузки дома реагируют на форму напряжения

Фазозависимость — вторая половина проблемы

Часть котлов фазозависима: измерительная схема пламени привязана к нулю и работает корректно только при правильном подключении фазы и нуля. Поменяли местами — котёл не видит пламя и останавливается, хотя горелка горит.

От сети это лечится перестановкой двух проводов и находится индикаторной отвёрткой за минуту. Проблема появляется при переходе на резерв: у части инверторов выход не привязан к нулю сети, и на батарее фаза оказывается на том проводе, где плата ждёт ноль. Котёл, годами работавший от сети, встаёт при первом же отключении света — и виноватой назначают батарею.

Проверять надо в обоих режимах, индикаторной отвёрткой на клеммах котла. Если на батарее фаза уехала, вопрос решается схемой подключения и занимает при монтаже несколько минут — и не решается никогда, если о нём не знать.

Что покажут приборы на одном и том же напряжении

Как проверить форму напряжения за один вечер

1. Инструкция котла, раздел про электропитание

   Ищите требование к синусоидальной форме и схему подключения, где фаза и ноль подписаны раздельно. Прямой запрет на ступенчатую форму встречается открытым текстом.

2. Паспорт инвертора

   Чистый синус пишут крупно и ставят рядом коэффициент искажений, обычно меньше 3 %. Формулировка без единой цифры искажений — почти всегда ступенька.

3. Два мультиметра на выходе

   Обычный и с пометкой True RMS. От сети показания совпадут, от батареи разойдутся на двадцать вольт и больше. Самый дешёвый инструментальный способ, допуска не требует.

4. Частота

   На том же мультиметре: инвертор должен держать 50 Гц. Отклонение больше процента — повод для разговора с поставщиком.

5. Осциллограф, если он есть

   Единственный прямой способ увидеть форму. Подключаться к сети можно только через развязку или дифференциальный пробник: земля обычного щупа сидит на защитном проводнике, прямое подключение даёт короткое замыкание. Работа для человека с допуском.

6. Контрольное отключение на полчаса

   Котёл в рабочем режиме, насос крутится, горелка модулирует. Смотрим: зажигается ли котёл заново, не уходит ли в ошибку, насколько горячее корпус насоса. Полчаса дают ответ, которого не даст ни один паспорт.

Чистый синус и ступенька: где что выигрывает

Когда чистый синус не нужен вовсе

Есть четыре ситуации, в которых вся эта статья не про вас, и покупать инвертор с синусом смысла нет.

• Котёл энергонезависимый. Самотёчная система без насоса и без электронной платы работает при отключённом свете, резервное питание ей не нужно.
• Отключений практически нет. Два раза в год на сорок минут — неприятно, но система резервного питания под такой график не окупается ничем, кроме нервов. Честный ответ здесь — не покупать.
• Отключения регулярно длятся дольше суток. Батареей это не закрывается ни при какой форме напряжения: запас на двое суток стоит несопоставимо дорого. Нужен генератор или связка генератора с батареей.
• Резервируется только свет и розетки под зарядки. Если ни котла, ни насосов, ни холодильника в списке нет, ступенчатый инвертор справится и обойдётся дешевле. Такую задачу мы не берём.

Четыре заблуждения про форму напряжения

Эти четыре фразы мы слышим на замерах чаще остальных.

• «Вольтметр показывает 220 В, значит всё нормально». Обычный мультиметр пересчитывает средневыпрямленное значение по коэффициенту формы синусоиды и на ступеньке показывает около 209 В вместо 230 В. Форму вольтметром не увидеть в принципе.
• «Котёл же не компьютер, ему всё равно». Компьютеру как раз проще: его блок питания рассчитан на широкий диапазон входного напряжения. Котлу сложнее — он измеряет микроамперы через пламя, и измерение опирается на форму.
• «Год отработал без ошибок, значит всё в порядке». Вред от гармоник накапливается: сохнет входной конденсатор платы, греется обмотка насоса, стареет конденсатор двигателя. Симптом появляется через сезон-другой, и связать его с инвертором уже никто не сможет.
• «Чистый синус решит проблему просадок». Форма и величина — разные вещи. При хронических 180 В в сети нужен инвертор с двойным преобразованием или отдельный стабилизатор перед системой: инвертор, включающийся только при полном пропадании сети, просадку пропустит на котёл.

Где чаще всего ошибаются при подборе

Четыре ошибки, каждая из которых стоит дороже разницы в цене между ступенчатым инвертором и синусоидальным.

1. Считают потребление по шильдику котла. Там максимум, включая розжиг и полную скорость насоса. Замер токовыми клещами точнее любой таблицы.
2. Принимают вольт-амперы за ватты. Инвертор на 1000 В·А отдаёт в активную нагрузку заметно меньше 1000 Вт. Нагрузку считают в ваттах и инвертор выбирают по ваттам.
3. Не смотрят пиковую мощность. Асинхронный насос при пуске берёт в два-три раза больше номинала на доли секунды — это ориентир, точное значение зависит от насоса. Инвертор без запаса по пику уходит в защиту ровно тогда, когда котёл включает насос.
4. Проверяют систему летом. Тестовое отключение при выключенном отоплении не проверяет ничего. Настоящая проверка — в отопительный сезон, с розжигом горелки и работающим насосом.

Что делать дальше

Порядок короткий, и на первых трёх шагах приборы не нужны.

1. Открыть инструкцию котла на разделе про электропитание, найти требование к форме напряжения и признак фазозависимости.
2. Замерить реальное потребление котла с насосом в рабочем режиме, а не переписать цифру с шильдика.
3. Решить, сколько часов нужно продержаться и что ещё, кроме отопления, должно работать: свет, холодильник, скважина, интернет.
4. Проверить полярность на клеммах котла в двух режимах — от сети и от резерва.