Виды и принцип работы стабилизатора напряжения

Колебания напряжения отрицательно влияют практически на всю технику, уменьшая срок службы. Устранить данную проблему поможет стабилизатор, включенный между сетью и нагрузкой. Портал уЭлектрика рассмотрит виды стабилизаторов напряжения, их отличия, схемы, преимущества и недостатки, а также принцип работы стабилизатора напряжения.

Релейные стабилизаторы напряжения

Релейные стабилизаторы получили наиболее широкое распространение в бюджетной области  из-за оптимального соотношения характеристик и цены. Они имеют быстродействие от 0,2 до 0,5 с в зависимости от применяемых реле.

При переключении стабилизатора может наблюдаться небольшое мигание лампочек накаливания. Это связано с особенностью работы реле. Схема релейного стабилизатора представлена ниже.

В основе релейного стабилизатора напряжения лежит силовой трансформатор и электронный блок. Такая конструкция одинакова для разных мощностей.

Электронный блок релейного стабилизатора напряжения представляет собой микроконтроллер. В нем происходит анализ входного и выходного напряжения. На основе этих данных вырабатываются сигналы для управления силовыми реле стабилизатора.

При формировании управляющего напряжения микроконтроллер учитывает время срабатывания ключей и силовых реле. Это позволяет производить переключения практически без разрывов. В результате форма напряжения на выходе релейного стабилизатора повторяет форму на входе. То есть, переключение происходит при переходе синусоиды через ноль.

Прибор измеряет входное напряжение и, если оно отклоняется от нужных значений, срабатывает реле, переключающее нужное число обмоток для достижения необходимых параметров. Чем больше ступеней переключения, тем точнее соответствует выходное напряжение норме.

Ступенчатое переключение само по себе производит микро-скачки напряжения, но обычно они некритичны, если речь не идет о сложной технике с чувствительной электроникой. При использовании с осветительными приборами также возможно заметное мерцание ламп.

При каждом срабатывании реле создает небольшую искру, что приводит к постепенному подгоранию контакта. Это снижает срок службы стабилизатора. Чаще всего реле выходит из строя из-за нагара. Также релейные модели не могут похвастаться тихой работой – при переключении реле возникает звук, похожий на щелчок авторучки.

К плюсам таких моделей можно отнести их быстродействие, защищенность от перегрузок и короткого замыкания, возможность работы в неотапливаемых помещениях или при минусовой температуре. Также релейные стабилизаторы наиболее распространены и доступны по цене.

Читать также: Почему искрит розетка

Электромеханические стабилизаторы напряжения

Электромеханические стабилизаторы напряжения – стабилизаторы с сервоприводом. Принцип их действия следующий: плата управления анализирует входное напряжение, и в зависимости от ситуации передает сигнал на сервомотор, расположенный внутри тороидальной катушки. Этот мотор передвигает на необходимое количество витков токосъемную щетку.

Сервопривод обеспечивает более высокую точность стабилизации по сравнению с релейными приборами. Точность зависит от количества витков трансформатора. Шаг изменения таким образом будет равен количеству вольт на один виток.

Скорость движения щетки ограничена возможностями сервопривода. Из-за этого стабилизатор способен менять напряжение со скоростью 10-15 Вольт/сек. При скачках на 50-100 Вольт, приборы могут оказаться под опасным напряжением на несколько секунд. Поэтому такой тип стабилизатора рекомендован в сети, где напряжение стабильно занижено или завышено, и нет резких скачков.

У некоторых производителей  мотор сам питается от входного напряжения. Поэтому когда происходит сильная просадка напряжения ему просто не хватает питания и происходит «зависание» стабилизатора. Это большая проблема устройств с сервоприводом.

Стабилизаторы с сервоприводом работают точно и плавно, не создавая резких перепадов напряжения. Они оптимальны для любой бытовой техники и осветительных систем. Принцип работы стабилизатора напряжения 220В с сервоприводом обеспечивает комфортную подачу питания на приборы. Также к достоинствам можно отнести низкую стоимость, широкий диапазон мощности и входного напряжения, устойчивость к перегрузкам.

Из минусов стабилизаторов с сервоприводом можно отметить низкую скорость реагирования и необходимость периодической замены щеточного контакта. Их можно использовать не везде, так как прибор имеет достаточно высокую пожароопасность. Электромеханический стабилизатор не способен выполнять свои функции при низкой температуре воздуха (до -5°С). Он создает шум при работе: небольшой, но постоянный монотонный гул электродвигателя.

Интересное: Почему пропала фаза

Тиристорные (симисторные) стабилизаторы напряжения

Принцип работы тиристорных стабилизаторов напряжения основывается на автоматическом переключении секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей – тиристоров. Чем-то этот тип похож на релейные стабилизаторы, но в отличие от них не имеют контактной группы, имеют намного больше ступеней стабилизации и большую точность.

На схеме видно, что отводы трансформатора переключаются симисторами, и выходное напряжение меняется практически мгновенно – не более 0,1 с.

Комфорт использования такого стабилизатора виден сразу – тишина в помещении гарантирована. Связано это с тем, что принцип работы стабилизатора напряжения 220В для дома заключается в работе ключей, а не громких реле или сервопривода.

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

Преимущества тиристорных (симисторных) стабилизаторов напряжения:

• 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 и электромеханические аналоги, т.е. хорошо отрабатывают скачки напряжения.

Недостатки тиристорных (симисторных) стабилизаторов напряжения:

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

Инверторные (бесступенчатые, бестрансформаторные, IGBT, ШИМ) стабилизаторы напряжения

Инверторные стабилизаторы реализуют двухступенчатую схему получения выходного напряжения. Сначала переменный входной ток преобразуется в постоянный, а затем из него вновь формируется переменное напряжение. В результате данный вид стабилизаторов становится устройством со звеном постоянного тока.

Сильные стороны стабилизатора со звеном постоянного тока:

• высокая скорость реакции на изменения входного напряжения;
• точность регулировки выходного напряжения;
• хорошие массогабаритные характеристики, так как отсутствует силовой трансформатор);
• высокий КПД;
• эффективное подавление скачков напряжения и импульсных помех.

При применении надлежащей элементной базы инверторная техника нормально функционирует при отрицательных температурах. Бестрансформаторные виды стабилизаторов напряжения для дома постепенно вытесняют другие типы, так как являются легкими и современными.

Главный недостаток инверторных стабилизаторов: плохая перегрузочная способность, в т.ч. кратковременная. Это заставляет тщательно контролировать выходную мощность устройства при работе на реактивную нагрузку (электродвигатели различного назначения, вентиляторы и т.д.). Кроме того, инверторные стабилизаторы характеризуются сложностью электрической схемы, что увеличивает риски отказа, и высокую стоимость из-за необходимости применения силовой полупроводниковой элементной базы.

Феррорезонансные стабилизаторы

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

Стабилизатор имеет высокую скорость отработки скачков. Он обладает повышенной надежностью за счет отсутствия схем переключения и обеспечивает неплохую точность стабилизации. Отсутствие механически подвижных компонентов позволяет эксплуатировать феррорезонансные стабилизаторы при отрицательных температурах.

Главные недостатки:

• большой вес по отношению к мощности;

• значительные нелинейные искажения выходного тока;

• нестабильность функционирования при отклонении частоты входного напряжения более чем на 0,5 Гц от номинального значения, что нередко встречается при питании от автономного генератора.

По способу установки

Все разновидности стабилизаторов напряжения имеют модели разных размеров, предназначенные для размещения на вертикальной или горизонтальной плоскости. По способу установки приборы можно условно разделить на три вида: настенные, напольные и настольные.

Настенные

Такой способ установки чаще всего используется в быту. Стабилизаторы с креплением на стену обычно имеют достаточную выходную мощность (2 кВА-10кВА) и компактные размеры, поэтому удобны для размещения в ограниченном пространстве. Для подвешивания используются специальные кронштейны на задней стенке корпуса. Форма устройства обычно плоская, а блок управления вынесен на лицевую панель для удобства в использовании.

Стабилизатор можно повесить на стену в жилом или специально предусмотренном помещении. Часто их устанавливают в непосредственной близости от защищаемого оборудования. Например, можно повесить стабилизатор на стену рядом с отопительным котлом или другой стационарной техникой. Однако прибор часто используется для защиты всего дома.

Напольные

Стабилизаторы с напольным корпусом имеют габариты и вес больше, чем у настенных версий. Их выходная мощность достигает 10-100 кВА. Устанавливать такие приборы можно на пол или на специальную подставку. Для монтажа напольного стабилизатора требуется много места. Поэтому чаще всего их размещают в отдельном подсобном помещении.

Конструкция напольного стабилизатора может представлять собой моноблок или металлический шкаф с системой из нескольких блоков. Моноблочные версии обычно оснащены колесиками для удобного перемещения. Использовать стабилизаторы с напольным типом установки можно в быту, офисах и на производстве.

Также может быть комбинированная система крепления, для среднегабаритных моделей. В таком случае корпус прибора оснащается кронштейнами или крепежной планкой для навешивания на стену и несколькими прорезиненными ножками для установки на пол.

Настольные

Настольные стабилизаторы − самый компактный вид стабилизаторов для бытового использования. Габариты таких приборов обычно не превышают размера микроволновой печи, а мощность составляет 350-9000 ВА. Это бюджетное решение для защиты домашней техники от резких колебаний, пониженного и повышенного уровня напряжения сети. Такие устройства не требуют много места, их удобно переносить и устанавливать. Настольные стабилизаторы часто используют для единственного потребителя, например, насоса, котла, холодильника, стиральной машинки или другой техники.

Тип охлаждения

Одним из значимых критериев для классификации стабилизаторов напряжения является способ охлаждения. Он зависит от выходной мощности устройства и может быть основан на использовании как кулеров, так и принципа конвекции.

Стабилизаторы с принудительным охлаждением

Незначительная часть бытовых стабилизаторов имеет принудительное охлаждение. Для снижения температуры силовой части прибора, которая нагревается при работе, используются малошумные вентиляторы с повышенной производительностью. Они включаются при нагреве автотрансформатора или электронных ключей примерно до температуры 40-45°С. Есть приборы у которых вентиляторы работают постоянно, но скорость вращения лопастей может изменяться в зависимости от текущей нагрузки. При установке стабилизатора в прохладном помещении и при небольшом количестве скачков напряжения вентилятор может почти не работать.

Стабилизаторы с естественным охлаждением

Естественная вентиляция осуществляется за счет перфорации на корпусе прибора, что обеспечивает отток нагретого и приток свежего воздуха. Такая конструкция не предусматривает наличие вентилятора, воздухообмен происходит плавно. Главный плюс здесь – уменьшение количества пыли, всасываемой внутрь устройства, отсутствие шума при работе.

Дополнительные функции стабилизаторов напряжения

Кроме основной функции стабилизаторов напряжения – стабилизации, есть также такой минимальный набор функций и параметров:

1. Анализ выходного напряжения. Стабилизатор может быть оснащен информационным (цифровым или стрелочным) табло, которое показывает входное и выходное напряжение.

2. У некоторых стабилизаторов есть функция «Bypass». Она позволяет выполнить коммутацию входного напряжения непосредственно на выход, минуя все элементы стабилизатора. Bypass дает возможность включать сеть в обход стабилизатора напряжения. Байпас, например, нужен, если напряжение опустилось ниже предела работы стабилизатора и он уже не справляется. Чтобы дом не был полностью обесточен в таком случае напряжение подается напрямую, через байпас.

3.Во многих моделях стабилизаторов напряжения используется кнопка задержки. Это сделано, для того, чтобы если пропадет напряжение в сети или временно выйдет за рамки рабочего диапазона, то до следующего включения стабилизатор отсчитает время задержки. Во многих приборах кнопка задержки позволяет выбрать из нескольких значений:6, 60, 90, 120, 180 секунд. В более современных моделях задержка показывается на табло во время включения стабилизатора в виде обратного отсчета.

Задержка включения нужна прежде всего для включения техники с асинхронным двигателем с пусковой обмоткой, временно подключаемой через реле. Встретить такой мотор можно, например, у компрессорного оборудования – холодильников, кондиционеров, морозильников и некоторых стиральных машин. Во время пуска асинхронного двигателя возникает большой ток, идущий через реле. Если выполнить несколько включений техники без задержки, то появляется риск оплавления и соединения контактов. В результате выйдет из строя не только реле, но и электродвигатель.

Видео про испытание стабилизатора

На видео из-за стробоскопического эффекта моргает табло стабилизатора (особенность видеосъемки)

Работа электромеханического стабилизатора

Для изменения входного напряжения используется автотрансформатор, которым можно менять напряжение в необходимых пределах. При этом на выходе стабилизатора напряжение не выходит за рабочий диапазон.

Заключение

В быту, на производстве и в социальной сфере требуются разные по техническим параметрам стабилизаторы. Устройства, помогающие решить проблему с некачественным напряжением, отличаются функциональными характеристиками, способами установки, параметрами сетевого электропитания. Они рассчитаны на подключение разных потребителей и условия работы. Портал уЭлектрика познакомил Вас с подробной классификацией стабилизаторов по основным критериям, что поможет сделать оптимальный выбор.