Устройства стабилизации напряжения электропитания

Что такое стабилизатор напряжения и для чего он нужен

Что такое стабилизатор напряжения, для чего он нужен и где применяется. Принцип работы стабилизаторов напряжения релейного, сервоприводного и инверторного типа.

Стабилизатор сетевого напряжения 220В — это устройство, которое выравнивает напряжение из питающей сети, до определенного значения, и отдаёт потребителям стабильные 220 вольт, независимо от скачков и просадок на линии. Установка такого прибора обеспечит защиту электрических приборов от ненормальных режимов работы, таких как перепады напряжения в сети и высокий или низкий его уровень. В этой статье мы рассмотрим устройство и принцип работы стабилизаторов напряжения, а также разновидности данных устройств и область их применения. Содержание:

• Определение
• Классификация
• Принцип действия
• Релейные
• Сервоприводные
• Инверторные

Определение

Стабилизатор напряжения (СН) — это устройство, предназначенное для преобразования входного нестабильного напряжения из электросети: заниженного, завышенного или с периодическими скачками, в стабильное по величине на выходе устройства и подключенных к нему электроприборах.

Перефразируем для чайников: стабилизатор делает так, чтобы для подключенных к нему приборов напряжение всегда было одинаковым и близким к 220В независимо от того, каким оно поступает на его вход: 180, 190, 240, 250 Вольт или вообще плавает.

Отметим, что 220В или 240В это стандартная величина для РФ, Беларуси, Украины и так далее. Но в некоторых странах ближнего и дальнего зарубежья оно может быть другим, например 110В. Соответственно «наши» стабилизаторы там работать не будут.

Стабилизаторы бывают разных видов: как для работы в цепях постоянного тока (линейные и импульсные, параллельного и последовательного типов), так и для работы в цепях переменного тока. Последние часто называют «стабилизаторы сетевого напряжения» или просто «стабилизаторы 220В». Если говорить простым языком, то такие стабилизаторы подключают к электросети, а уже к нему подключают потребители.

В быту СН используют для защиты как отдельных приборов, например, для холодильника или компьютера, так и для защиты всего дома, в этом случае мощный стабилизатор устанавливается на ввод.

Классификация

Конструкция стабилизаторов зависит от физических принципов, на которых они работают. В связи с этим они подразделяются на:

• электромеханические;
• феррорезонансные;
• инверторные;
• полупроводниковые;
• релейные.

По количеству фаз могут быть однофазными и трехфазными. Большой диапазон мощностей позволяет выпускать стабилизаторы как для дома, так и для небольших бытовых приборов:

• для телевизора;
• для газового котла;
• для холодильника.

Так и для для крупных объектов:

• промышленных агрегатов (например, трехфазные промышленные стабилизаторы Сатурн);
• цехов, зданий.

Стабилизаторы достаточно энергоэффективны. Потребление электроэнергии составляет от 2 до 5%. Некоторые стабилизирующие устройства могут иметь дополнительные защиты:

• от перенапряжений;
• от перегрузок;
• от коротких замыканий;
• от перепадов частоты.

Принцип действия

Стабилизаторы напряжения бывают разных типов, каждый из которых отличается принципом регулирования. Эти отличия мы рассмотрим далее. Если обобщить принцип работы и структуру всех типов, то стабилизатор сетевого напряжения состоит из 2 основных частей:

1. Система управления — отслеживает уровень входного напряжения и даёт команду силовой части увеличить или уменьшить его, чтобы на выходе получились стабильные 220В в пределах установленной погрешности (точности регулирования). Эта погрешность лежит в пределах 5-10% и у каждого прибора отличается.
2. Силовая часть — в сервоприводных (или сервомоторных), релейных и электронных (симисторных) — это автотрансформатор, с помощью которого входное напряжение повышается или понижается до нормального уровня, а в инверторных стабилизаторах, или как их еще называют «с двойным преобразованием» — используется инвертор. Это устройство, которое состоит из генератора (ШИМ-контроллер), трансформатора и силовых ключей (транзисторов), которые пропускают или отключают ток через первичную обмотку трансформатора, формируя выходное напряжение нужной формы, частоты и, что самое главное — величины.

Если напряжение на входе в норме, то у некоторых моделей стабилизаторов есть функция «байпас» или «транзит», когда входное напряжение просто подаётся на выход до тех пор, пока не выйдет из заданного диапазона. Например, от 215 до 225 вольт будет включен «байпас», а при больших колебаниях, допустим, при просадке до 205-210В — система управления переключит цепь на силовую часть и начнет регулировку, повысит напряжение и на выходе будут уже стабильные 220В с заданной погрешностью.

Плавная и самая точная регулировка выходного напряжения у инверторных СН, на втором месте — сервоприводные, а у релейных и электронных регулировка происходит ступенчато, и точность зависит от количества ступеней. Как упоминалось выше, лежит в пределах 10%, чаще около 5%.

Кроме упомянутых выше двух частей в стабилизаторе напряжения 220В есть и блок защиты, а также источник вторичного электропитания для цепей системы управления, тех же защит и других функциональных элементов. Общее устройство наглядно демонстрирует картинка ниже:

В то же время схема работы в простейшей форме выглядит так:

Вкратце рассмотрим, как работают стабилизаторы напряжения основных типов.

Релейные СН обычно регулируют электроэнергию в пределах ± 15% с точностью на выходе от ± 5% до ± 10%.

Преимущества релейных стабилизаторов:

• дешевизна;
• компактность.

• медленная реакция на колебания напряжения;
• небольшой срок службы;
• низкая надежность;
• при переключениях возможны кратковременное отключение питания приборов;
• неспособны выдерживать перенапряжения;
• шум, щелчки при переключениях.

В сервоприводном СН один конец первичной обмотки трансформатора подключен к жесткому ответвлению автотрансформатора, а второй конец первичной обмотки подключен к подвижному контакту (графитовой щетке), который передвигается серводвигателем. Один вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к входному источнику питания, а второй вывод подключен к выходу стабилизатора напряжения.

Плата управления сравнивает входное и опорное напряжение. При любых отклонениях от заданных вступает в работу сервопривод. Он перемещает щетку по ответвлениям автотрансформатора. Серводвигатель будет продолжать работать, пока разность между опорным и выходным напряжением станет равным нулю. Весь этот процесс, от поступления электроэнергии плохого качества до выхода стабилизированного тока, проходит за десятки миллисекунд и ограничен скоростью перемещения щетки сервоприводом.

Сервоприводные стабилизаторы сетевого напряжения производят в различном исполнении.

1. Однофазные. Состоят из одного автотрансформатора и одного сервопривода.
2. Трехфазные. Подразделяются на два типа. Сбалансированные – имеют три трансформатора и один сервопривод и одну цепь управления. Регулирование осуществляется на всех трех фазах одновременно. Используются для защиты трехфазных электрических аппаратов, станков, приборов. Несимметричные – имеют три автотрансформатора, три серводвигателя и три цепи управления. То есть стабилизация происходит в каждой фазе, независимо друг от друга. Область применения: защита электрооборудования зданий, цехов, промышленных объектов.

Достоинства сервоприводных стабилизирующих устройств:

• быстродействие;
• высокая точность стабилизации;
• высокая надежность;
• стойкость к перенапряжениям;

• нуждаются в периодическом обслуживании;
• требуют минимальных навыков настройки устройства.

конденсатора. После этого выпрямленный ток поступает на инвертор, где опять преобразуется в переменный и подаётся в нагрузку. При этом выходное напряжение стабильно как по величине, так и по частоте.

В следующем ролике вы узнаете о принципе работы одного из вариантов реализации преобразователя напряжения из 12В постоянного тока, в 220В переменного тока. Который от инверторного стабилизатора напряжения отличается в первую очередь входным напряжением, в остальном принцип работы во многом похож и видео позволит понять как работает этот тип устройств:

• быстродействие (самое высокое из перечисленных);
• большой диапазон регулируемого напряжения (от 115 до 300В);
• высокий коэффициент полезного действия (более 90%);
• бесшумная работа;
• малые габариты;
• плавное регулирование.

• уменьшение диапазона регулирования при увеличении нагрузки;
• высокая стоимость.

Вот мы и рассмотрели, как работает стабилизатор напряжения, для чего он нужен и где применяется. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Источник



Какие бывают типы стабилизаторов напряжения?

На производстве и в быту широко применяется электрическая энергия. Переменным током питают системы освещение, приводы механизмов электрических приборов, его подают на сетевой разъем электронных устройств. Сбытовые организации не всегда обеспечивают надлежащее качество электрических сетей, что проявляется, в частности, в колебаниях сетевого напряжения. Это неприятное явление характерно для:

• дачных поселков и небольших населенных пунктов;
• сетей автономных электростанций, не входящих в единую энергосистему.

Колебания отрицательно влияют на качество функционирования техники, снижают ее надежность. Застраховать себя от этого явления можно применением стабилизатора, который включают между сетью и нагрузкой, рисунок 1.

Рисунок 1. Схема включения стабилизатора

Типы стабилизаторов напряжения по принципу работы

Стабилизацию можно выполняться различными способами. Принципы стабилизации, использованные разработчиком, определяют типы стабилизаторов напряжения.

Релейные

Релейные стабилизаторы, часто называемые ступенчатыми, представляют собой силовой трансформатор с несколькими выходами вторичной обмотки, один из которых принимается за общий. Датчик отслеживает состояние сети, при выходе за пределы разрешенных допусков осуществляет автоматическую регулировку выходного напряжения с помощью переключения реле. При срабатывании отдельных силовых реле происходит переключение обмоток с подключением нагрузки на тот вывод, напряжение на котором минимально отличается от заданного.

Конструктивная простота релейных стабилизаторов, неплохая точность регулирования, невысокая стоимость, высокая надежность обеспечивают им высокую популярность.

Недостатки:

• ступенчатый характер регулирования;
• заметные искажения формы синусоиды тока нагрузки при высоком входном напряжении из-за магнитного насыщения сердечника;
• относительно слабая нагрузочная способность рабочих контактов реле;
• высокий уровень акустического шума.

Электромеханические (сервоприводные)

Электромеханические или сервоприводные стабилизаторы устраняют один из основных недостатков стабилизаторов с механическими реле: обеспечение только ступенчатой регулировки выходного напряжения. Принцип их действия основан на изменении коэффициента трансформации. Оно реализовано с помощью щетки, соединенной с электродом выходных клемм. Щетку перемещает по вторичной обмотке тороидального трансформатора вспомогательный электродвигатель, рисунок 2.

Рисунок 2. Конструктивные особенности сервоприводного регулятора

Для электромеханических стабилизаторов характерны большой диапазон регулировки, небольшие габариты, малая стоимость.

Основные недостатки: низкое быстродействие, хорошо слышимый ночью шум работающего электродвигателя.

Инверторные (бесступенчатые, бестрансформаторные, IGBT, ШИМ)

Инверторные стабилизаторы реализуют двухступенчатую схему получения выходного напряжения. Сначала переменный входной ток преобразуют в постоянный, а затем из него вновь генерируют переменное напряжение. Автоматическое регулирование происходит на этапе формирования постоянного тока, здесь же реализованы функции ступени стабилизации.

Существует несколько вариантов каскадного преобразования, каждому из которых соответствует подкласс инверторных стабилизаторов. Наибольшее распространение получили ШИМ-устройства и стабилизаторы на IGBT-транзисторах.

Сильные стороны этого оборудования:

• высокая скорость реакции на изменения входного напряжения, точность регулировки выходного;
• хорошие массогабаритные характеристики (отсутствует силовой трансформатор);
• простотой получения КПД выше 50 %;
• возможность плавной регулировки выходного напряжения в сочетании с широкими пределами изменения выходного электрического тока, а также работы на холостом ходе;
• эффективное подавление скачков напряжения и импульсных помех.

При применении надлежащей элементной базы инверторная техника нормально функционирует при отрицательных температурах.

Главный недостаток: плохая перегрузочная способность, в т.ч. кратковременная (не более 25 – 50% на протяжении 1 – 2 с). Последнее заставляет тщательно контролировать выходную мощность устройства при работе на реактивную нагрузку (электродвигатели различного назначения, вентиляторы и т.д.). Кроме того, следует принимать во внимание сложность электрической схемы, что увеличивает риски отказа, и высокую стоимость из-за необходимости применения силовой полупроводниковой элементной базы.

Феррорезонансные

Феррорезонансный стабилизатор — это устройство трансформаторного типа. Его характерная особенность — применение обмоток трансформатора, одетых на магнитопроводы разного поперечного сечения. Параллельно вторичной обмотке L2 подключен дополнительный конденсатор С, рисунок 3. Его емкость подобрана так, чтобы за счет резонанса обеспечивать постоянное насыщение магнитопровода вторичной обмотки. Отсюда большие изменения входного напряжения не приводят к колебаниям выходного.

Рисунок 3. Схема феррорезонансного стабилизатора

Стабилизатор имеет высокую скорость отработки скачков, обладает повышенной надежностью за счет отсутствия схем переключения, обеспечивает неплохую точность стабилизации.

Отсутствие механически подвижных компонентов позволяет эксплуатировать феррорезонансные стабилизаторы при небольших отрицательных температурах.

Главные недостатки:

• меньший коэффициент мощности;
• значительные нелинейные искажения выходного тока, которые могут привести к нарушениям функционирования ряда бытовых приборов, например, к искажениям изображения цветного телевизора и некачественному стиранию старых записей магнитофоном;
• нестабильность функционирования при вариациях частоты входного напряжения более чем на 0,5 Гц от номинального значения, что нередко встречается при питании населенного пункта от автономной электростанции.

Электронные (симисторные, тиристорные)

Так называемые электронные стабилизаторы структурно повторяют устройства на электромагнитных реле, но для ступенчатых переключений обмоток авторансформатора использованы полупроводниковые изделия. Возможно несколько разновидностей таких электронных схем, каждая из которых осуществляет автоматическое переключение коэффициента трансформации. Серийно выпускаются стабилизаторы, в которых функции ключевых элементов ступенчатого регулирования возложены на симисторы и тиристоры.

Тиристор — это полупроводниковая структура с тремя p-n-переходами, в которой выполнена глубокая положительная обратная связь. Ее наличие обеспечивает высокую скорость переключения при работе в ключевой режиме. Симистор образован двумя тиристорами с объединенными управляющими электродами, включенными встречно-параллельно, рисунок 4. За счет возможности пропускания тока этим компонентом в двух направлениях симисторные стабилизаторы демонстрируют повышенный КПД. Это выгодно отличает их от тиристорных стабилизаторов.

Рис. 4. Принципиальная схема простейшего варианта симисторного регулятора

Общие преимущества:

• повышенный коэффициент стабилизации;
• прекрасное подавление перепадов напряжения, импульсных помех;
• хорошие массогабаритные параметры;
• высокая надежность при реализации на качественной элементной базе.

Кроме того, по быстродействию электронные стабилизаторы заметно превосходят свои релейные электромеханические аналоги, т.е. хорошо отрабатывают скачки напряжения.

Недостатки:

• плохо адаптированы для работы с реактивной нагрузкой;
• высокая стоимость;
• сложность выполнения ремонта.

Виды стабилизаторов напряжения по классу напряжения

Промышленность выпускает широкую гамму стабилизаторов.

По диапазону выходных напряжений электронное оборудование для однофазных сетей рассчитано на 220 – 240 В (популярна также промежуточная градация 230 В), доступны феррорезонансные стабилизаторы на 110 – 120 В.

Бытовое оборудование для трехфазных электросетей обеспечивает выходное напряжение 380 – 415 В вне зависимости от применяемых схемных решений и отдаваемого тока нагрузки.

Техника промышленного назначения может иметь более высокое выходное напряжение: вплоть до 6 – 10 кВ.

Походы к выбору стабилизатора

Перечень параметров, по которым выбирают стабилизаторы, обязательно включает:

• мощность нагрузки или отдаваемый номинальный ток;
• выходное напряжение;
• тип сети (однофазная – трехфазная).

Большую помощь окажет информация о стабильности сети, уровне импульсных помех в ней.

При определении номинальной мощности суммируют мощности всех потребителей защищаемой сети. Для оценки мощности номинальной нагрузки токовую нагрузочную способность входного автомата умножают на 220 В.

При прочих равных условиях выбирают однофазные модели линейных стабилизаторов, учитывают, что модульные конструкции более удобны в обслуживании.

Учитывают эстетические параметры и количество выходных розеток, рисунок 5.

Рис.5. Вариант исполнения однофазного стабилизатора

Окончательный выбор целесообразно выполнять с учетом производителя и места изготовления. Для определения качества техники юго-восточного производства, выпускаемой без контроля со стороны ведущих западных компаний, имеет смысл изучить профильные форумы. Такой подход позволяет сделать адекватный вывод о качестве прибора.

Кроме технических параметров обязательно принимают во внимание доступность сервисного обслуживания.

Следует учесть, что в продаже имеется большой выбор 220-вольтовых однофазных и 380-вольтовых трехфазных устройств. Стабилизаторы с широким диапазоном регулировки и выходным напряжением других номиналов часто поставляются под заказ.

Заключение.

Промышленность выпускает широкую гамму бытовых стабилизаторов напряжения, что позволяет произвести выбор конкретной модели устройства с учетом конкретной области применения.

Массовый характер рынка стабилизаторов определяет большое количество работающих на нем производящих предприятий, предлагающих свою продукцию через партнерскую сеть. Поэтому перед покупкой следует выполнить тщательный многокритериальный отбор продукта.

Видео по в дополнение статьи

Источник