Стабилизаторы напряжения

 Все, что выше или ниже допустимого диапазона, обычно плохо влияет на оборудование и удобство его использования.  Для устранения подобных проблем были изобретены стабилизаторы напряжения.

В общем, регулятор напряжения - это устройство, на вход которого поступает напряжение в широком диапазоне значений, а на выходе снимается стабильное напряжение, соответствующее ГОСТу.

Сетевые фильтры

Немного теории - с питанием от сети могут возникнуть следующие проблемы:

• Напряжение слишком низкое или слишком высокое (длительное время)
• Полный сбой питания (более 10 мс)
• Падение напряжения (не более 16 мс)
• Перенапряжение (от 4 до 16 мс)
• Импульсный шум высокого напряжения (менее 1 мс)
• Пики напряжения (менее 4 мс)
• Колебание частоты (случайное)
• Высокочастотный шум (прерывистый)
• Гармонические искажения (длинные)

В случае 3-фазных сетей, помимо вышеперечисленного, вы можете добавить:

• Значительная асимметрия напряжения между фазами
• Нарушение последовательности фаз
• Фазовая адгезия
• Одна или две фазы отсутствуют
• Обрыв нейтрального провода

Таким образом, стабилизаторы напряжения в большинстве случаев защищают только от слишком низкого или перенапряжения.

В случае перегрузки или значительного падения или превышения допустимых значений входного напряжения они просто отключают нагрузку от сети.

Какие бывают стабилизаторы напряжения?

Так как единого стандарта, описывающего виды стабилизаторов, нет, я использую популярное сейчас разделение продукции, продаваемой на рынке.

Стабилизаторы делятся на:

• электромеханический
• электронный

К электромеханическим стабилизаторам относятся ступенчатые релейные стабилизаторы с использованием силовых электромагнитных реле и электродинамические стабилизаторы (с сервоприводом), в которых используются электродвигатели с подвижными контактами.

К электронным стабилизаторам относятся тиристорные ступенчатые (семиэтажные) стабилизаторы, а также инверторные стабилизаторы (двойное преобразование).

То есть в электромеханических стабилизаторах устройства управления построены на электромеханических реле или на электродвигателях с подвижными контактами, в электронных стабилизаторах выравнивание напряжений осуществляется с помощью тиристоров (семь резисторов) или силовых транзисторов, что существенно влияет на ресурс и возможности управления.

Теперь я расскажу вам о работе, а также о плюсах и минусах каждого вида.

Релейный стабилизатор напряжения

Схема релейного регулятора напряжения

Ступенчатые релейно-коммутирующие стабилизаторы имеют обмотку автотрансформатора (АТ) с несколькими отводами.  Каждой ветви обмотки соответствует свой коэффициент трансформации.  Электронная схема блока управления (БУ), анализируя состояние сети, переключает силовые реле (R), подключенные к различным участкам обмотки автотрансформатора, обеспечивая стабильное выходное напряжение.

Преимущества этого типа стабилизатора:

относительно недорогое решение - нет дорогих и сложных в изготовлении элементов;

широкий диапазон рабочих напряжений - нижняя граница входного напряжения обычно 140В, но есть модели на 125, 110 и даже 90В.  верхний предел обычно составляет 270-280 В. При меньшем или большем входном напряжении стабилизатор просто отключит нагрузку от сети;

высокий КПД - потери только на трансформаторе (КПД> 95%) и немного на панели управления и нагреве реле;

высокий КПД - одно из главных достоинств этого типа.  При резком изменении входного напряжения стабилизатор не проходит по очереди все реле, а сразу переключается на необходимое.  Время отклика обычно составляет 20 мс;

правильную синусоиду на выходе сравнивают с инверторными стабилизаторами, которые вносят существенные искажения синусоиды выходного напряжения - потребительским устройствам это не нравится.

Неудобства:

• защищает только от низкого или высокого напряжения;
• постепенное регулирование выходного напряжения - здесь нет пути такой технологии.  Обычно разница напряжений между выводами составляет 4-10%;
• низкий ресурс импульсных силовых реле - основная проблема стабилизаторов этого типа.  Реле не любят перегрузок и быстро выходят из строя при частом переключении;
• максимальная мощность обычно до 12 кВА
• шум при переключении реле - да, щелчки слышны очень хорошо, к тому же, как каждый представитель трансформатора, автотрансформатор гудит.
• низкая устойчивость к загрязненной среде и влаге - автотрансформатор требует охлаждения при высоких нагрузках - поэтому каждый стабилизатор имеет много дефлекторов.
• В то-же время есть модели с принудительной вентиляцией, которые, как пылесос, засасывают в корпус пучок пыли, который проходит через силовые реле (особенно в мощных моделях), что быстро их отключает.

Перейдем ко второму типу стабилизаторов.

Электромеханический стабилизатор напряжения (электродинамический, с сервоприводом)

Электромеханический регулятор напряжения Подвижный контакт

Схема электромеханического стабилизатора напряжения

Во-первых, немного теории.  Электромеханический стабилизатор состоит из автотрансформатора (АТ), по которому перемещаются обмотки щеточным контактом электромеханического привода.  Электронная схема блока управления, анализируя состояние сети, перемещает подвижный контакт для создания необходимого коэффициента трансформации, обеспечивая тем самым стабильное выходное напряжение.

Преимущества:

• высокая точность управления (без ступенек);
• высокая грузоподъемность - второе главное преимущество, однофазные стабилизаторы этого типа могут быть до 30 кВА, трехфазные до 100 кВА и более;
• высокая перегрузка - в отличие от реле, которые могут быть сварены от перегрузки, или от симисторов, которые могут сгореть и отключить устройство, электромеханический стабилизатор продолжит работать при перегрузке, хотя он может быть нестабильным из-за повреждения контакта или меандрирующего трансформатора.
• правильная синусоида на выходе.

Неудобства:

• защищает только от низкого или высокого напряжения;
• низкий КПД - один из основных недостатков этого типа.  ~ 1 с при изменении входного напряжения на ± 10%.  В момент, когда релейный стабилизатор уже переключился на новую обмотку, в электромеханическом стабилизаторе двигатель с подвижным контактом начнет движение;
• ограниченный трудовой ресурс - второй серьезный недостаток, слишком много движущихся частей.  Износ подвижных частей со временем требует их замены (подвижный контакт потребует замены через 3-5 лет эксплуатации, электропривод - через 5-7 лет).  Некоторые производители включают в конструкцию стабилизатора два графитовых контакта.
• Увеличение площади контакта с обмоткой трансформатора увеличивает надежность устройства.
• хорошо и шумно - серводвигатель слышен при движении контакта при регулировке напряжения;
• низкая устойчивость к загрязненной среде - электродвигатель и контакт щетки являются отличными пылесосами, что не влияет на срок их службы;
• ограничение влажности окружающего воздуха - медь обмотки под подвижным контактом быстро окисляется при повышенной влажности, что приводит к нестабильной работе устройства;
• Для правильной работы устройства требуется ежегодное обслуживание.

Электронный стабилизатор напряжения (дискретный тиристор, симистор ступенчатый)

Электронный стабилизатор напряжения

Схема стабилизатора напряжения симистора

В нем практически все то же, что и в релейном стабилизаторе, за исключением того, что переключение выходов автотрансформатора осуществляется вместо реле силовыми полупроводниковыми приборами - симисторами. 

Симисторы являются разновидностью тиристоров и используются для коммутации в цепях переменного тока, потому что имеют двунаправленную проводимость.

Преимущества этого типа стабилизатора:

• практически все достоинства релейного стабилизатора, кроме невысокой стоимости;
• симисторы обладают ОЧЕНЬ большим коммутационным ресурсом (это основное преимущество) и при правильном обращении могут служить долго;
• вы слышите гудение трансформатора, но громких щелчков нет;
• более высокая устойчивость к загрязнениям - ведь реле нет и все относительно закрыто.

Неудобства:

• защищает только от низкого или высокого напряжения;
• решение недешевое - симисторы и нагреватели для них стоят больших денег;
• постепенная регулировка выходного напряжения - здесь как с реле;
• максимальная мощность не превышает 10 кВА, что меньше, чем у реле.

Инверторный стабилизатор напряжения (регулятор напряжения с двойным преобразованием)

Начнем с принципа работы.

Входное линейное напряжение подается на пассивный сетевой фильтр (SF).  Сглаживает пики сетевого напряжения и почти полностью устраняет высокочастотный шум.  Затем напряжение поступает на выпрямитель (В), который преобразует переменный ток в постоянный.  Кроме того, выпрямленное напряжение подается на инвертор (I) и конденсаторную батарею (K).  Конденсаторы необходимы для сглаживания моментов, связанных с кратковременными провалами или скачками напряжения на входе продукта.  Инвертор преобразует поступающую энергию в стабильное выходное напряжение с необходимой частотой.  К сожалению, инвертор не может выдавать выходное напряжение с идеальной синусоидой, из-за специфики технологии там будут возникать высокочастотные искажения.  Поэтому на выходе также установлен выходной фильтр (WF).  Вся эта экономия контролируется микропроцессорным контроллером (М).
По сути, инверторный стабилизатор напряжения - это технология бесперебойного питания (ИБП), но без батарей.

Преимущества этого типа стабилизатора:

• защищает практически от всех проблем с сетевым питанием, кроме перебоев в подаче электроэнергии;
• мгновенное регулирование напряжения с погрешностью не более 1%;
• очень широкий диапазон входного напряжения;
• намного легче и компактнее других стабилизаторов сопоставимой мощности, так как построен по периметру без трансформатора;
• имеет ОЧЕНЬ длительный срок службы, поэтому движущихся частей практически нет (чаще всего это охлаждающие вентиляторы, которые можно быстро заменить при необходимости);
• практически бесшумные (напомню охлаждающие вентиляторы, но обычно до 1кВА их не устанавливают);
• высокий КПД до 97%;
• высокая устойчивость к загрязнениям - нет рабочих контактов.

Неудобства:

• Эти стабилизаторы - (стоимость) одни из дорогих, всех типов подобных устройств;
• по мере увеличения нагрузки стабилизатора диапазон ограничения входного напряжения уменьшается.  Например, при нагрузке менее 50% входной диапазон составляет 115 ... 300 В, а при нагрузке 50 ... 70% входной диапазон составляет 140 ... 300 В. При нагрузке больше чем 70% входной диапазон обычно составляет 160… 300 вольт;
• устройства с двойным преобразованием, промышленные преобразователи частоты и ИБП, он может создавать высокочастотный шум в сети и нагрузке, что может повлиять на чувствительное оборудование;
• максимальная мощность не более 20 кВА
• прочные модели при полной нагрузке могут сильно нагреваться - стоит позаботиться о рекуперации тепла.

Особенности:

Байпас - (англ. Bypass - обход) - это функция стабилизатора напряжения, которая позволяет переключать входное напряжение непосредственно на выход, минуя все функциональные блоки.

Стабилизатор можно переключать в режим байпаса автоматически или вручную. Автопереход в режим байпас при перегрузке выходных цепей или при возникновении внутренней неисправности.  Таким образом, нагрузка защищена не только от сбоев в питающей сети, но и от отказов самого устройства.  Возможность ручного переключения устройства в режим байпаса обеспечивается в случае его обслуживания без отключения нагрузки.

Включение режима байпаса вручную рекомендуется в следующих случаях:

• мощность нагрузки превышает мощность стабилизатора
• необходимость проведения работ, в результате которых происходит большое скопление строительной пыли (например, штукатурки, отделки).  Эта пыль может выключить устройство, если осядет на его внутренних частях.
• регулятора напряжения не хватило.
• Низкий уровень энергии в сети вызывает ее отключение, а это приводит к отсутствию электричества во всем помещении.  В такой ситуации напряжение подается напрямую через байпас до тех пор, пока его уровень в сети не нормализуется.
• необходимость профилактического обслуживания стабилизатора.
• потребители надолго покидают дом, где подключены электроприборы.  Байпас должен быть включен в обход стабилизатора, и тогда оборудование продолжит работать плавно и безопасно.
• при необходимости уменьшить износ стабилизатора.  При длительно стабильных показателях напряжения сети, соответствующих требованиям ГОСТа, использование данного устройства не имеет смысла.

Важно, что при переходе в режим байпаса вы должны понимать, что нагрузка будет запитываться напрямую от внешней сети без какой-либо стабилизации.  Это сделает подключенное оборудование восприимчивым к скачкам и скачкам входного напряжения.

Также важно, чтобы байпас в реле и электромеханических устройствах можно было выключать и включать только при выключенном устройстве.

Исполнение по типу сети

Стабилизаторы напряжения делятся на однофазные и трехфазные.

Однофазные - используются для поддержания стабильного напряжения в однофазной сети 230 В. Однофазные стабилизаторы малой мощности могут применяться для защиты от скачков напряжения в бытовой технике: телевизорах, холодильниках, аудиосистемах.  Однофазные стабилизаторы большой мощности используются для питания промышленных устройств, а также для подключения к электросети частных домов, дач, квартир и офисов.

Трехфазные стабилизаторы работают соответственно с трехфазным напряжением 380 В. Как правило, они рассчитаны на большие нагрузки (промышленное оборудование, офисы, квартиры, загородные дома).

Особенность трехфазных стабилизаторов

Трехфазные стабилизаторы могут иметь регулировку среднего фазного напряжения или независимую регулировку для каждой фазы.

Трехфазный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением средней фазы

Оборудование:

На каждой фазе стабилизатора есть вспомогательные трансформаторы (Т), каждый из которых подключен к своему регулятору напряжения (автотрансформаторы AT).  Блок управления (БУ) контролирует точность стабилизации средней фазы выходного напряжения во всех трех фазах и подает соответствующие команды на один исполнительный механизм (М), перемещающий подвижные контакты автотрансформаторов.  В схеме не используется нейтральный провод - поэтому данный стабилизатор может работать в трехфазных сетях, построенных по схеме треугольник (без нулевого провода).

Стабилизатор с такой схемой предназначен для питания симметричных трехфазных нагрузок.

Преимущества:

• дешевле, чем схема с фазовым управлением
• возможность работы по схеме "треугольник"

Неудобства:

• работать только со сбалансированными трехфазными нагрузками
• Трехфазный стабилизатор с независимым регулированием для каждой фазы

Оборудование:

На каждой фазе стабилизатора есть вспомогательные трансформаторы (Т), каждый из которых подключен к своему регулятору напряжения (автотрансформаторы AT).  Каждый регулятор напряжения имеет собственный блок управления и сервопривод для регулирования выходного напряжения.  Фактически это 3 независимых стабилизатора для каждой фазы.  Такие устройства идеально подходят для работы со всеми видами трехфазных нагрузок и допускают значительный дисбаланс нагрузки.

Преимущества:
возможность работать с непосильными нагрузками