Реле, твердотільне реле (SSR) чи димер для бойлера від сонця: що вибрати

Щоб гріти бойлер від надлишку сонця, ТЕНом потрібно керувати: вмикати, вимикати, а в ідеалі віддавати рівно стільки потужності, скільки зараз зайвого. Для цього використовують чотири різні речі: звичайне реле, твердотільне реле (SSR) в режимі «увімк/вимк», SSR з пропуском періодів і фазовий регулятор (димер). Вони виглядають схоже, але поводяться по-різному: у шумі в мережі, в ресурсі, у нагріванні й у тому, як вони виходять з ладу. Розберемо кожен спосіб і те, що вибрати для бойлера.

Навіщо взагалі регулювати потужність

ТЕН бойлера має фіксовану потужність, наприклад 2 кВт. Надлишок сонця змінюється: зараз 800 Вт, за хвилину 1,5 кВт, потім хмара. Якщо ТЕН або вмикається повністю, або вимкнений, то в момент, коли надлишок менший за 2 кВт, недостачу бере батарея чи мережа. Якщо ТЕН вимкнений, надлишок лишається невикористаним. Плавне регулювання дозволяє віддати бойлеру саме 800 Вт, а не «все або нічого». Різницю в економіці показано в статті Як гріти бойлер від сонячних панелей, а скільки грошей це дає, у статті Скільки заощаджує бойлер від надлишку СЕС.

Чотири способи керувати ТЕНом

Спосіб	Що робить	Плюси	Мінуси
Електромеханічне реле або контактор	Вмикає ТЕН повністю або вимикає	Простий, дешевий, розмикає ланцюг фізично	Тільки 0/100%, клацання, обмежений ресурс комутацій
SSR, вмикання «в нулі», режим увімк/вимк	Теж 0/100%, але без контактів	Безшумний, без зносу контактів	Гріється, при відмові може лишитися замкненим
SSR з пропуском періодів (burst-fire)	Пропускає цілі періоди мережі, тому середня потужність плавна	Плавна потужність, мало шуму в мережі	Гріється, потрібен радіатор, потужність змінюється імпульсами
Фазовий регулятор (димер на симісторі чи тиристорі)	Відсікає частину кожної півхвилі	Дуже плавна потужність	Більше завад у мережі, вимагає уваги до ЕМС

Реле й контактор

Електромеханічне реле має контакти, які розмикаються фізично, тож коли воно вимкнене, струму немає. Це його головна перевага. Мінус: у реле є електричний ресурс. Для типового силового реле на 16 А виробники вказують близько 100 000 комутацій при активному навантаженні й близько 10 мільйонів механічних циклів (Finder, серія 62).

Проста ілюстрація. Якщо автоматика від надлишку вмикає й вимикає реле раз на дві хвилини протягом 10 сонячних годин, це 300 комутацій на добу, і ресурс у 100 000 циклів закінчується приблизно за рік. Це не обіцянка відмови, а привід не комутувати реле часто. Для бойлера, який вмикають раз-два на добу за графіком, ресурс не проблема.

SSR: що це і чим він гріється

Твердотільне реле не має рухомих контактів. Усередині тиристори чи симістор, тому SSR безшумний і комутує без зносу. Але напівпровідник не розриває ланцюг, а лише змінює свій опір, тож на ньому завжди падає напруга, і він нагрівається. За орієнтиром виробників (наприклад, Carlo Gavazzi), SSR виділяє близько 1,2 Вт на кожен ампер струму навантаження.

Для ТЕНів на 230 В:

ТЕН	Струм	Тепла на SSR (≈1,2 Вт/А)
1,5 кВт	≈6,5 А	≈8 Вт
2 кВт	≈8,7 А	≈10 Вт
3 кВт	13 А	≈16 Вт
6 кВт	≈26 А	≈31 Вт

Десять ват здається небагато, але без радіатора й вентиляції цього вистачає, щоб SSR перегрівся. Тому SSR без радіатора не ставлять: це прямо вимагають виробники. Радіатор, термопаста в правильній кількості й вільний обдув це обов'язкова частина схеми.

Чому SSR небезпечний, якщо його «просто поставити»

Симісторні й тиристорні SSR при відмові найчастіше лишаються замкненими, і ТЕН гріється без вимкнення. Саме тому в промислових схемах нагріву SSR для регулювання комбінують із послідовним контактором, який фізично розриває ланцюг при аварії (приклад схеми). Для бойлера це ще й термостат: його не можна обходити.

SSR зі вмиканням «в нулі» та «випадковим» вмиканням

Є два типи вмикання. SSR з вмиканням у нулі (zero-cross) вмикається лише в момент, коли напруга мережі проходить через нуль. Це знижує пусковий струм і завади, і виробники вважають такий тип правильним для резистивних навантажень, як ТЕН (celduc). SSR з вмиканням будь-коли (random) потрібен для фазового регулювання та індуктивних навантажень, але створює більше завад.

Пропуск періодів (burst-fire)

Burst-fire це керування з SSR, яке вмикає ТЕН на цілі періоди мережі, а потім пропускає кілька. Чим більше періодів «увімкнено» у вибраному вікні, тим більша середня потужність: 40% потужності це 40 увімкнених періодів зі 100. Оскільки комутація відбувається в нулі, цей спосіб створює значно менше кондуктивних завад, ніж фазове керування, і його часто вибирають, коли важлива електромагнітна сумісність (H&B Controls).

Фазове регулювання (димер)

Фазовий регулятор відсікає частину кожної півхвилі напруги: чим пізніше він відкривається, тим менша потужність. Це дає дуже плавне регулювання, і для резистивних навантажень, як ТЕН, воно підходить. Але різке відсікання створює гармоніки й високочастотні завади, тому виробники прямо кажуть, що такий спосіб «накладає більше електричних навантажень і потребує особливої уваги до ЕМС» (celduc). Це не означає, що димер не можна ставити. Це означає, що регулятор без фільтра може створювати завади, і це варто врахувати.

Для індуктивних навантажень (компресор теплового насоса, насоси) ні фазове керування, ні burst-fire не підходять: виробники SSR прямо вказують, що такі регулятори для індуктивних навантажень не призначені. Тому підігрів басейну тепловим насосом так не регулюють, а лише вмикають і вимикають, про що в статті Підігрів басейну від СЕС.

Мерехтіння світла

Будь-яке керування, яке швидко вмикає й вимикає ТЕН на 2 кВт, змінює струм у будинку на 9 ампер, а це змінює напругу на вводі: чим слабша мережа (довга лінія, тонкий кабель), тим помітніше. У результаті світло може ледь помітно мигати. Скільки це в вашому будинку, залежить від опору вашої мережі, і заздалегідь це не передбачити. Якщо після встановлення ви помічаєте мерехтіння, імовірні причини це опір лінії вводу й перерізи проводів. Ми цього не вимірювали, тож перевіряйте на своїй установці.

Що вибрати

Ситуація	Що підходить
Бойлер вмикається за графіком, рідко	Звичайне реле чи контактор
Потрібен нагрів «рівно стільки, скільки надлишку», ТЕН резистивний	SSR з пропуском періодів (burst-fire), радіатор, контактор для аварійного розмикання
Дуже плавне регулювання, є вміння справитися з ЕМС	Фазовий регулятор з фільтром
Тепловий насос, компресор	Лише вмикання й вимикання (з мінімальним часом між запусками), без регулювання
Прості автоматизації в Home Assistant	Реле з виміром потужності чи керований вузол: Бойлер у Home Assistant

Незалежно від способу: автомат на лінії й штатний термостат бойлера це справжній захист, а електроніка лише керує. Не обходьте термостат, не міняйте ТЕН на потужніший і не ставте SSR без радіатора. Монтаж виконує електрик.

Як це зроблено у вузлі Barnex

Вузол бойлера Barnex (1299 грн) керує ТЕНом через SSR із вмиканням у нулі й пропуском періодів, а також контактором. Що відомо з документації вузла:

Схема: фаза йде через автомат і штатний термостат бойлера (нормально замкнений), потім SSR на 40 А і ТЕН. Контактор у схемі розмикається фізично, коли команда зникає.
Керування: за замовчуванням вікно регулювання 1 секунда, крок 10 мс (половина періоду мережі). Потужність задається у відсотках. Координатор надсилає команду приблизно раз на 3 секунди; якщо команди зникли на 45 секунд, ТЕН вимикається й контактор розмикається.
Контактор при повній потужності. На 100% потужності контактор замикається приблизно через 2 секунди, а при зниженні розмикається, і керування знову бере SSR.
Датчик температури (NTC) на радіаторі SSR. За перегріву від 85 °C протягом 60 секунд потужність обмежується до 50%, а коли радіатор охолоне нижче 60 °C, обмеження знімається.
Аварії: обрив чи замикання датчика, перегрів, залипання SSR, помилка датчика бака.
Навантаження без плавного керування. Якщо до вузла підключено навантаження без плавного керування, воно вмикається повністю при потужності від 50% потрібної і вимикається нижче.
Відкритість: схеми й прошивка вузла відкриті. Але документація прямо каже: захисту прошивкою недостатньо, реальний захист це термостат бойлера й автомат, а SSR потрібен радіатор.

Чого вузол не робить: не має трифазної схеми (вузол комутує одну фазу), не захищає від мерехтіння світла (це властивість мережі) і не замінює електрика. Питання щодо вашої схеми можна надіслати на contact@barnex.io.

Чек-ліст перед вибором

Яка потужність і яка фазність ТЕНа? Яке навантаження допускає SSR (з запасом по струму)?
Чи є радіатор і вентиляція для SSR (≈1,2 Вт на ампер)?
Чи є послідовний контактор або інший спосіб фізично розімкнути ланцюг при залипанні SSR?
Чи залишився штатний термостат бойлера і автомат на лінії?
Чи не індуктивне навантаження (компресор, насос)?
Як часто автоматика перемикатиме реле, якщо воно електромеханічне?
Чи не мигає світло після запуску? Якщо так, перевірте ввід і провід.
Хто виконає монтаж: електрик, а не «за відео».

Часті питання

Що краще для бойлера від сонця: реле чи SSR? Якщо потрібне плавне регулювання, SSR з пропуском періодів. Якщо бойлер вмикається за графіком рідко, достатньо реле.
Скільки тепла дає SSR? Орієнтовно 1,2 Вт на ампер: для ТЕНа 2 кВт близько 10 Вт, тож потрібен радіатор.
Чому SSR небезпечний? Він частіше виходить з ладу замкненим, і ТЕН продовжує гріти. Тому потрібен контактор чи інший фізичний розрив і штатний термостат бойлера.
Чим burst-fire відрізняється від димера? Burst-fire пропускає цілі періоди й комутує в нулі, тому створює менше завад. Димер відсікає частину півхвилі: плавніший, але шумніший у мережі.
Чи можна димером регулювати тепловий насос? Ні, це індуктивне навантаження; виробники SSR не рекомендують ні фазового, ні burst-fire керування компресорами.
Скільки комутацій витримує реле? Для типового силового реле на 16 А виробник вказує близько 100 000 на активному навантаженні, тому часто комутувати його не варто.

Коротко

Реле це 0/100%, але фізично розриває ланцюг; ресурс обмежений кількістю комутацій.
SSR безшумний, але гріється (≈1,2 Вт/А), потребує радіатора й при відмові може лишитися замкненим.
Для резистивного ТЕНа плавне керування краще робити пропуском періодів у нулі: менше завад, ніж у димера.
Індуктивні навантаження (компресор, насос) не регулюють ні димером, ні burst-fire.
Справжній захист бойлера це термостат і автомат, а електроніка лише керує. У вузлі Barnex SSR працює з контактором, датчиком температури й сторожовим таймером. Barnex можна забронювати.