Красноярские эксперты назвали основные причины поломок сложной электронной техники

Электроэнергия производится, продается и покупается, т.е. является товаром, и, как к любому другому товару, к его качеству предъявляются определенные требования. Но простой житель Красноярска даже не знает, что в его розетках.
При повышенном напряжении блоки питания бытовой техники, особенно импортной, если не сгорают сразу, то на годы уменьшают свой ресурс. Повышение напряжения всего лишь до 250В сокращает срок службы бытовой техники примерно на 50%. Значительное превышение номинального уровня входного напряжения приводит к немедленному выходу техники из строя и часто к возгоранию. Наиболее чувствительной к напряжению является электроника и все электроприборы с электронным управлением.Помимо этого, повышенное напряжение влечёт непроизводительный расход электроэнергии.
Изоляция большинства проводников и приборов способна выдержать напряжение до 1000 вольт. Поэтому умеренное повышение напряжения вряд ли приведёт к немедленному пробою изоляции. Повреждающее действие повышенного напряжения состоит в том, что оно по закону Ома вызывает пропорциональный рост тока в проводниках и, следовательно, их усиленный нагрев. Постоянный нагрев ведёт к ускоренному старению изоляции, постепенному снижению её механической и электрической прочности и, наконец, к повреждению.
Аномально высокие токи влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов в сетевых фильтрах, а также оказывают шоковые нагрузки на силовые ключи импульсных источников питания, в результате чего они перегреваются и преждевременно выходят из строя.
Очень чувствительны к высокому напряжению трансформаторы и аналогичные по принципу действия устройства: излучатели микроволновых печей, индукционные варочные панели и котлы индукционного нагрева. Дело в том, что магнитный поток, который может пропустить сердечник трансформатора, ограничен. В этом состоит явление насыщения трансформатора: магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой предельной величины, в дальнейшем практически не изменяется, несмотря на увеличение тока в обмотке, а значение магнитной проницаемости при этом резко падает. Сердечник насыщен когда все домены уже повёрнуты против поля.
Магнитная система выходит из равновесия. Энергия, подводимая к первичной обмотке, не может быть передана во вторичную из-за снижения магнитной проницаемости. Избыток энергии выделяется в виде тепла и магнитного потока рассеяния.
Пока магнитная система трансформатора не насыщена ток в первичной обмотке возрастает пропорционально напряжению питания. Поскольку ток первичной обмотки обратно пропорционален магнитной проницаемости, при достижении насыщения и резком снижении магнитной проницаемости происходит столь же быстрый и значительный рост тока в первичной обмотке трансформатора. Выход трансформатора в режим насыщения может привести к повреждению первичной обмотки из-за резкого скачка тока в ней.
Насыщение сердечника неизбежно ведёт к его разогреву, вплоть до его физического разрушения. Нагревается не только сам трансформатор: возрастающая индукция магнитного потока рассеяния вызывает увеличение вихревых токов , нагревающих расположенные поблизости радиодетали, металлические элементы конструкции и токоведущие части. Мощные магнитные поля в сердечнике в совокупности с низкой магнитной проницаемостью в режиме насыщения являются источником помех и наводок на управляющие цепи.
Переход трансформаторов в такой режим вовсе не является чем-то экзотическим. Стремясь снизить стоимость, также вес и размеры устройств, производители идут на уменьшение размеров трансформаторов, изначально ограничивая максимальный магнитный поток и заставляя устройства работать на грани насыщения.
2. Пониженное напряжение в сети.
Вы должны знать, что опасно не только избыточное повышение напряжения, но и его значительное снижение. Многие электрические устройства очень плохо переносят понижение питающего напряжения. Первые в группе риска – электродвигатели. Каким бы ни странным это ни казалось на первый взгляд, обмотки электродвигателей холодильников, насосов, компрессоров перегорают чаще всего именно из-за понижения (а не повышения) напряжения сети. Эксплуатация при пониженном напряжении в несколько раз сокращает срок службы таких электроприборов: так, холодильник уже после 3-5 лет работы в подобных условиях может потребовать замены компрессора и электродвигателя.
Это происходит из-за повышения тока в обмотке двигателя при снижении питающего напряжения. Вы можете возразить: согласно закону Ома сила тока пропорциональна напряжению, то есть если уменьшить напряжение, сила тока тоже должна уменьшиться. В чем здесь подвох? А в том, что сопротивление индуктивных элементов электродвигателя переменному току не является постоянной величиной. При пропускании переменного тока через обмотку двигателя в ней возникает электродвижущая сила, действующая против приложенного напряжения и оказывающая дополнительное сопротивление току.
При снижении напряжения питания в электродвигателе происходят следующие взаимосвязанные процессы:
1. Понижение напряжения уменьшает электромагнитный момент двигателя. Электромагнитный момент (а, следовательно, и крутящий момент) находятся в квадратичной зависимости от напряжения. Если напряжение понизилось на 10%, электромагнитный момент окажется ниже первоначального на 19% ((0,9U)2=0.81U2). При уменьшении напряжения на 30% момент снизится вдвое.
2. При неизменной нагрузке и снижающемся крутящем моменте скорость вращения двигателя снижается. Как только реальная мощность двигателя окажется недостаточной, чтобы выполнять работу, обусловленную нагрузкой на валу, скорость вращения начнёт снижаться. При значительном снижении напряжения двигатель может совсем остановиться. Снижение частоты вращения означает увеличение скольжения электродвигателя. Обмоткой статора электродвигателя создаётся вращающееся магнитное поле. Под скольжением понимается относительная разность между скоростью вращения электромагнитного поля статора и частотой вращения ротора.
3. Увеличение скольжения увеличивает ЭДС и ток в обмотке ротора. Наводимая в обмотке ротора электродвижущая сила пропорциональна скольжению и достигает максимума в момент пуска.
4 .С появлением тока в обмотке ротора появится и магнитодвижущая сила обмотки ротора. Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила ротора будет действовать против магнитодвижущей силы обмотки статора – той самой, которая создаёт дополнительное реактивное сопротивление переменному току.
5. Электромагнитное поле ротора наводит в статоре электродвижущую силу, компенсирующую действие ЭДС самоиндукции статора. Результирующее сопротивление обмотки статора уменьшается, а ток увеличивается в полном соответствии с законом Ома.
6. Тепловыделение проводника пропорционально квадрату силы тока. Вследствие повышения тока происходит разогрев обмоток. Длительное протекание токов перегрузки может вызвать их сильный нагрев, повреждение изоляции и выход машины из строя. Та же участь может постигнуть и проводку в вашем доме, став причиной пожара.
Таким образом, когда начинает падать напряжение, в первую очередь падает крутящий момент, а вслед за ним – частота вращения. Снижение оборотов двигателя означает увеличение скольжения, которое ведёт к росту тока. При повышенном токе квадратично увеличивает нагрев обмоток; вследствие длительного «недонапряжения» двигатель сгорает.
Если учитывать, что большинство двигателей не загружены на 100%, то незначительное снижение напряжения не вызовет каких-либо критических последствий. Если же отклонение напряжения измеряется десятками процентов от номинала, то это представляет реальную угрозу. Наиболее чувствительны к понижению напряжения устройства, стартующие под нагрузкой, например, холодильники и кондиционеры (их компрессор находится под нагрузкой рабочего хладагента). При просадке напряжения двигатель не может раскрутиться, гудит и перегревается. Если тепловая защита не отработает своевременно, то судьба электродвигателя будет решена в течение нескольких минут.
Некоторые устройства хоть и не выходят из строя из-за снижения напряжения, но при таком электропитании фактически не способны выполнять свою функцию. К ним, в частности, относятся микроволновки, мощность которых катастрофически падает с уменьшением напряжения, и обычные лампочки накаливания – отдаваемый ими световой поток будет снижаться практически по параболе.
Электронные устройства, оборудованные импульсными блоками питания, выпрямляющими и понижающими сетевое напряжение, как правило, работают при снижении напряжения совершенно нормально.
3. Неустойчивость напряжения.
От нестабильного напряжения страдает все что двигается или нагревается: лампы накаливания, обогреватели, кухонные плиты, утюги, СВЧ-печи, электрокотлы, холодильники, стиральные машины, насосы и электродвигатели, и т.д. При плавающем напряжении эти устройства не могут прийти в состояние электрической, механической и тепловой стабильности. Физическая картина характеризуется повторными колебательными переходными процессами от исходных к установившимся. Вследствие этого возрастают механические и тепловые нагрузки на детали, снижается их ресурс, выделяется паразитная реактивная энергия.
4. Внезапные перепады напряжения высокой амплитуды.
Внезапные высокоамплитудные скачки напряжения – это самое опасное событие в электросети, при котором поражается всё бытовое электрооборудование и резко увеличивается опасность возникновения пожара. В абсолютном большинстве случаев отказ бытовой техники обусловлен именно перенапряжением в сети. Перенапряжение — это повышение напряжения в какой-либо части установки или линии электропередачи до значений, представляющих опасность для изоляции установки.
Перенапряжение может быть связано с естественными атмосферными явлениями (грозовые разряды), или вызываться событиями внутри электросети, такими как дуговые коммутационные разряды, отключение мощных потребителей и т.д.
На пике импульсного перенапряжения амплитудное напряжение в бытовой электросети может достигать нескольких тысяч вольт. И хотя длительность таких импульсных перенапряжений всего несколько миллисекунд, они могут привести к пробою изоляции и, следовательно, к повреждению электрических приборов, электропроводки и возникновению пожара.
Наибольшему риску при бросках напряжения подвержена электроника. Стремительный рост тока, имеющий место при разряде, прежде всего, повреждает или буквально выжигает слой полупроводника. Обычно при перенапряжении электронный блок управления выходит из строя чаще, чем, например, электродвигатель компрессора.
5. Высокочастотные помехи.
Высокочастотная помеха (или «радиопомеха») – сигнал с частотой от 0,1 до 30 МГц, не характеризующийся определённой амплитудой или длительностью, искажающий характеристики напряжения сети. Накладываясь на синусоиду сетевого напряжения, высокочастотные помехи негативно влияют на работу любого электрооборудования. Микросхемы современных электронных систем чрезвычайно чувствительны к воздействию высокочастотного перенапряжения. Особенно чувствительны мониторы, высококачественные аудиосистемы, телевизионные приемники.
Электросети промышленных районов и крупных городов подвержены высокой зашумлённости высокочастотными помехами различного происхождения. Их источниками являются различные электрические устройства: электрогенераторы, электросварочные аппараты, телевизионные и радиопередатчики, мобильные и радиотелефоны, промышленные ТВЧ-печи, высокочастотные сушильные установки, микроволновые печи, высокочастотные тактируемые системы (компьютеры), импульсные блоки питания и преобразователи напряжения, тиристорные системы, люминесцентные и ртутные лампы и т.п.
Высокочастотные шумы могут порождать переходные процессы с весьма интенсивными скачками напряжения. При высоких частотах относительно малые токи вызывают значительные перепады напряжения.
К чему это приведёт? Прежде всего, к сбоям в цифровых системах, ложным сигналам, ошибкам в работе, ненужному срабатыванию автоматических выключателей, повреждению полупроводников, скрытым повреждениям радиоэлементов. Кроме того, возможны отрицательные эффекты в распределительных сетях в виде перегрузки за счёт повышения действующего значения тока, перегрузки нейтрали, превышения допустимой нагрузки и преждевременного старения конденсаторов, генераторов, трансформаторов и электродвигателей. Искажение синусоидальной формы напряжения питания может негативно сказаться на «чувствительных» нагрузках.
Возможно возникновение резонанса в сети. Поскольку внутреннее сопротивление источника электроэнергии по своей природе является индуктивным, импеданс сети прямо пропорционален частоте, в то время как сопротивление конденсаторов переменному току снижается при росте частоты. Когда сопротивление конденсатора приближается к сопротивлению источника, в сети возникает резонанс. Резонансные токи циклически перетекают между источником и конденсатором и ограничиваются только активным сопротивлением цепи. Вследствие этого ток, проходящий через конденсаторы и содержащее их оборудование, увеличивается, что способно вывести их из строя. При некоторых условиях, сила тока высокой частоты в конденсаторе может даже превысить силу тока базовой частоты 50 Гц. Всё это ведёт к преждевременному старению оборудования и необходимости его досрочной замены.
У высокочастотных помех есть неприятная особенность, заключающаяся в очень большой «проникающей способности». Поэтому при, казалось бы, совсем небольшой «силе», высокочастотные шумы оказывают значительное «поражающее действие» на электроаппаратуру. Так, радиочастотные помехи частотой 150 кГц и больше беспрепятственно проникают через блок питания в устройство, даже если нет гальванической связи с источником.
Для фильтрации высокочастотных помех применяют узкополосные режекторные фильтры различной конструкции.
Для того, чтобы избежать пагубного воздействия описанных факторов, применяются стабилизаторы напряжения - устройства, устанавливаемые между источником электропитания и потребителем тока, и обеспечивающие на выходе стабильно высокое качество тока, независимо от качества питания самого прибора. Стабилизатор защитит от повышения или понижения напряжения, нестабильности напряжения и, отчасти, от высокоамплитудных всплесков напряжения (зависит от скорости прохождения импульса) . В конструкцию некоторых стабилизаторов интегрированы схемы защиты и от импульсных перенапряжений, и от высокочастотных помех в электросети. Таким образом, предлагается комплексное решение проблем некачественного электроснабжения. В зависимости от выходной мощности, стабилизаторы напряжения могут применяться для защиты и обеспечения качественным электропитанием, как отдельных бытовых приборов, так и целых городских квартир, загородных домов и дач.