Стабилизаторы напряжения

Содержание:

  1. Введение

Повышенное либо пониженное напряжение сети — одна из самых распространенных причин выхода из строя электроприборов. При повышенном напряжении быстро выходят из строя нагревательные элементы котлов и электроплит в блоках питания может выйти из строя диодный мост или фильтрующий конденсатор, а при пониженном нестабильно работает электроника иными словами отклонение величины напряжения в сети в ту или иную сторону пагубно влияет практически на все, без исключения, электрооборудование.

Решением этой проблемы является установка на весь дом или для конкретного прибора стабилизатора напряжения.

Для чего нужны стабилизаторы напряжения?

Стабилизатор напряжения — это устройство, имеющее вход и выход, предназначенное для поддержания выходного напряжения в заданных пределах, при существенном изменении величины входного напряжения.

Иными словами стабилизатор нужен для того, чтобы подключенная к нему нагрузка питалась от стабильного напряжения величина которого будет неизменно находится в пределах стандартных номинальных значений (220 Вольт — для однофазной сети и 380 Вольт — для трехфазной).

В отличие от реле напряжения, которые просто отключают сеть при выходе значения напряжения за допустимые пределы, стабилизаторы выравнивают величину напряжения в сети обеспечивая тем самым бесперебойность ее работы.

синусоида со стабилизатором напряжения

 

Нормы кратковременного максимального отклонения от номинального напряжения в электросети лежат в пределах ±10% (согласно ГОСТ 29322-2014). Это значит, что допустимое напряжение в 1ф розетке находится в диапазоне от 207 до 253 Вольта. Однако даже 250 вольт могут быть губительны для некоторой техники, а в частном секторе, в посёлках и деревнях оно бывает часто и ниже 200 вольт, особенно в домах находящихся в конце линий электропередач (ЛЭП).

низкое напряжение в розетке

Давайте разберемся, что мы называем пониженным или повышенным напряжением — это напряжение отличное от номинального (220/380 Вольт) в течении длительного промежутка времени. Такое случается при чрезмерной нагрузке на слабый трансформатор ЛЭП с малой пропускной способностью.

Также встречается при переключениях или частичном выводе из работы высоковольтных линий, так как оставшиеся линии не справляются с возросшей нагрузкой в должной мере. Величина отклонения обычно зависит от нагрузки в сети. Возможно вы замечали, что ночью, когда все спят, напряжение повышается, как и днём, когда все находятся на работе и дома не включено мощных электроприемников. Вечером же по приходу с работы включают обогреватели или кондиционеры, электроплиты, нагрузка повышается, а напряжение понижается. Пример суточного изменения потребления мощности в 62 квартирном доме с газовыми плитами вы видите ниже.

график суточных нагрузок в многоквартирном доме

Напряжение может отличаться от нормального и при перекосе фаз, который происходит в случае несимметричной нагрузки по фазам в результате заниженного сечения нулевого проводника, плохого контакта нуля или его полного отгорания на вводе объекта или в распределительном щите, как могут отличаться напряжения на фазах при этом вы видите ниже. (Подробнее читайте статью: «Обрыв нуля в трехфазной сети — причины и последствия«)

перекос фаз

Отдельное внимание следует уделить импульсным перенапряжениям (скачкам в сети). В народе импульсные перенапряжения называют всплески или скачки напряжения. Они происходят в результате аварийных ситуаций на ЛЭП, при коммутации мощных электроприборов и установок, грозовых разрядов в линии электропередач и других случаях.

Отличительная черта скачков или импульсных перенапряжений заключается в том, что это происходит быстро, за доли секунды, тогда как повышенное или пониженное напряжение может наблюдаться как минутами, так и месяцами. При этом величины импульсного перенапряжения обычно достигает единиц и десятков киловольт.

синусоида при импульсе напряжения

В результате такого всплеска часто выходит из строя входной каскад импульсного блока питания, которые применяются во всей современной электронике, а в некоторых случаях – перенапряжение поступает и на питаемую плату с последующим выходом и её элементов.

ВАЖНО ЗНАТЬ! Стабилизаторы напряжения не могут обеспечить надежную защиту от импульсных перенапряжений, более того сами стабилизаторы при этом могут выйти из строя. Для защиты от импульсных перенапряжений следует применять УЗИПы.

  1. Виды стабилизаторов напряжения и их устройство

Стабилизаторы напряжения бывают как однофазными (220В), так и трёхфазными (380В), далее мы сделаем акцент на однофазных приборах, но все нижесказанное абсолютно справедливо и для трёхфазных.

Стабилизаторы напряжения бывают разных видов, большинство из них построено на базе автотрансформатора. Если говорить простым языком, то от обычного трансформатора автотрансформатор отличается тем, что у него только 1 обмотка.

К условно первичной стороне подключается источник питания, при этом одна из точек подключения к источнику питания не является концом вторичной обмотки, что указано на схеме ниже. Нагрузка подключается также между концом обмотки и отводам от неё. Подключившись к определенному из витков, мы можем получить как пониженное, так и повышенное напряжение относительно источника питания.

устройство автотрансформатора

Итак, различают 5 основных видов стабилизаторов напряжения:

  • Релейные;
  • Электронные;
  • Электромеханические;
  • Феррорезонансные;
  • Инверторные или стабилизаторы напряжения двойного преобразования.

Деление при этом происходит по принципу действия исполнительных регулирующих органов. Автотрансформаторы лежат в основе первых трёх видов стабилизаторов.

Прежде чем перейти к обзору стабилизаторов поговорим о других функциях, которые они выполняют, кроме основного назначения – поддерживать стабильные 220В. Анализ рынка показал, что независимо от принципа действия и исполнительных элементов современные стабилизаторы напряжения имеют ряд защит:

  • От импульсных перенапряжений, однако это лишь дополнительная защита. Как уже говорилось выше, для надёжной защиты от импульсных перенапряжений используют специальные устройства — УЗИП.
  • От перегрузки.
  • От перегрева.
  • От короткого замыкания.
  • Отключение при критическом повышении/понижении напряжения, что случается при отгорании нуля.
  • Фильтрация помех.

Учтите, что функционал может отличаться в зависимости от модели и производителя, наличие данных функций необходимо уточнять в паспорте устройства.

Стоит отметить, что диапазон регулировки напрямую связан с типом используемого автотрансформатора, а не с принципом действия прибора. Обычно он находится в пределах 130-270 вольт, в продвинутых моделях может расширятся — 100-295 вольт.

Большинство стабилизаторов могут работать в режиме байпас (транзит, обход) при нормальном напряжении в сети. Что снижает потери (у любого аппарата есть определенный КПД) и повышает срок службы устройства.

режимы работы стабилизаторов напряжения

2.1 Релейные стабилизаторы

Пожалуй, самым дешевым и распространенными в быту являются релейные стабилизаторы напряжения. Такое название они получили из-за того, что отводы обмоток автотрансформатора переключаются с помощью обычных электромагнитных реле.

В настоящее время аналоговые схемы или схемы на дискретных логических элементах почти не используются в цепях измерения и контроля бытовых стабилизаторов напряжения. В них используются микроконтроллеры, например, семейства PIC12 и других.

Структурную схему такого стабилизатора вы видите ниже.

структурная схема релейного стабилизатора напряжения

Принцип действия заключается в следующем: плата управления анализирует уровень напряжения в сети и переключает реле подключая нужную часть обмотки для повышения или понижения напряжения соответственно.

Внутреннее устройство такого стабилизатора вы видите ниже.

устройство релейного стабилизатора напряжения

Недостатки релейного стабилизатора:

  1. Быстродействие ниже чем у электронных (реакция на изменение напряжения);
  2. Срок службы меньше аналогово из-за механического износа контактов, который происходит в первую очередь из-за образования дуг в момент включения/выключения реле.
  3. Мало ступеней регулировки (обычно от 4 до 6), значит выходное напряжение всё же будет отклоняться от номинальных 220В.
  4. В момент переключения реле издают щелчки, и создают помехи в сети.

Преимущества релейного стабилизатора:

  1. Стоимость.
  2. Высокий КПД.
  3. Ремонтопригодность.

Тем не менее быстродействие распространенных моделей релейных стабилизаторов составляет порядка 100-200 миллисекунд и более, реже — до 35 мс,чего достаточно в большинстве случаев для питания бытовой техники.

Но стоит учесть, из-за недостаточного быстродействия не может обеспечить качественную защиту от резкого повышения напряжения.

В зависимости от модели шаг регулирования может быть разным, чем больше шагов регулирования, тем больше точность и стабильность поддержания уровня напряжения на выходе.

2.2 Электронные (симисторные и тиристорные) стабилизаторы.

Принимая во внимание недостатки релейных стабилизаторов, их можно избежать – заменив электромагнитные реле на полупроводниковые ключи. Вторым по популярности видом стабилизаторов являются электронные. В качестве коммутационных элементов в них используются симисторы или тиристоры.

Такие стабилизаторы напряжения обладают большим быстродействием(10-20 миллисекунд, в редких случаях больше) и сроком службы.

Однако симисторы могут выйти из строя и значительно раньше, чем реле. Например, если произойдет сильный всплеск напряжения любой полупроводниковый ключ может пробить накоротко. Если при этом не пострадали другие элементы схемы, то достаточно замены ключей, в противном случае диагностика и ремонт значительно усложняются.

Пример блочной схемы электронного стабилизатора приведен ниже.

структурная схема электронного (тиристорного) стабилизатора

Из схемы видно, что и у релейного и у электронного стабилизатора регулировка происходит ступенчато с количеством шагов равным количеству отводов обмотки.

Преимущества электронных стабилизаторов:

  1. Бесшумность.
  2. Быстродействие.
  3. Долговечность.
  4. Много ступеней регулировки — от 9 до 16, в редких случаях может бытьи 36. За счет этого достигается большая точность регулировки

Недостатки электронных стабилизаторов:

  1. Полупроводниковые ключи, в отличие от электромагнитных реле греются, что снижает КПД.
  2. Стоимость больше чем у релейных.
  3. При переключении создают помехи в сети.

2.3 Электромеханические стабилизаторы

Если предыдущие два типа в сущности представляли вариации одного решения, то в случае электромеханического стабилизатора напряжения принцип регулировки существенно отличается. Такие стабилизаторы часто называют сервоприводными.

Основной особенностью является плавная регулировка выходного напряжения. Она обеспечивается с помощью скользящего по виткам автотрансформатора графитового электрода, подобно щётке в электродвигателе.Им управляет сервопривод.

Если говорить простым языком, то сервоприводом называется устройство на основе электродвигателя предназначенное для управления и позиционирования рабочего органа. Ниже изображен внешний вид внутренностей электромеханического стабилизатора.

Устройство электромеханического стабилизатора

Такой же принцип работы и у лабораторных автотрансформаторов, один из них вы видите на фотографии ниже.

лабораторный автотрансформатор (латор)

Из этого следует, что понятия количества ступеней нет, как и точности регулировки как таковой, а скорость реакции на изменение питающего напряжения ограничена только параметрами сервопривода. Здесь она измеряется не в миллисекундах, а в вольтах на секунду(В/с)— что отражает угол, на который повернется траверса, на которой закреплен графитовый электрод за определенный отрезок времени.

Скорость реакции обычно лежит в пределах 8-15 вольт за секунду.

Сервоприводные стабилизаторы хорошо подходят там, где наблюдаются периодические сезонные или суточные изменения напряжения, но из-за невысокого быстродействия они не спасут технику от резкого повышения на пару десятков вольт.

Преимущества сервоприводных стабилизаторов:

  1. Плавная бесступенчатая регулировка.
  2. Не создают помехи в сети

Недостатки сервоприводных стабилизаторов:

  1. Шумят во время перемещения щетки по обмотке, что может быть неприемлемо при использовании в небольшом замкнутом помещении.
  2. При загрязнении быстро выходят из строя.
  3. Быстродействие.
  4. Обмотки загрязняются от графитовой пыли, которая образуется со временем от износа щетки. Это нарушает работоспособность.

2.4 Инверторные стабилизаторы

Самый дорогой и совершенный тип стабилизаторов инверторные, или как их еще называют «с двойным преобразованием». Это устройство представляет собой преобразователь напряжения на базе импульсного трансформатора. Здесь в отличии от предыдущих вариантов первичная и вторичная цепи гальванически развязаны, то есть не имеют электрического контакта.

Название «с двойным преобразованием» — связано со схемотехники и принципом работы. Сначала переменный ток из сети выпрямляется, затем подаётся на инвертор, и преобразовывается обратно в переменный синусоидальный ток.

структурная схема работы инверторного стабилизатора напряжения

  • Входной фильтр – это фильтр электромагнитных помех, он очищает питающее напряжение от искажений и не пропускает помехи, образующиеся в результате работы инвертора.
  • ККМ – корректор коэффициента мощности. Нужен для повышения COSФ при питании индуктивной или емкостной нагрузки. Его цель приблизить форму и фазу потребляемого тока к фазе питающего напряжения.Здесь же установлен и выпрямитель переменного тока.
  • ИНВ –инвертор, который состоит из полупроводниковых ключей, обычно это МДП или ИГБТ транзисторы, и импульсного трансформатора. На его вход поступает постоянное напряжение, ШИМ-контроллер управляет работой ключей включенных, чаще всего, по мостовой схеме, в плечах которого включена первичная обмотка трансформатора. ШИМ-контроллер в сочетании с другими схемотехническими решениями формирует синусоидальное напряжение частотой 50 Гц на выходе. Ко вторичной обмотке через фильтрующие и сглаживающие цепи подключается нагрузка.
  • ВИП – вторичный источник питания нужен для питания цепей управления – БМКУ, ШИМ-контроллера и прочего. В некоторых случаях такой стабилизатор может содержать и блок аккумуляторных батарей, для резервного питания в случае исчезновения напряжения.
  • БМКУ – блок который отслеживает величины напряжения и тока и корректирует работу инвертора. В нём содержатся датчики напряжения и тока и система обработки этих сигналов, например, микроконтроллер.

Инверторные стабилизаторы с двойным преобразованием обеспечивают высшую точность и плавность регулировки, однако из-за сложности их цена значительно выше релейных и симисторных аналогов. Такие устройства подходят там, где нужна высокая надежность и безотказность оборудования.Например, для питания средств производственной автоматизации или дорогих устройств.

Преимущества инверторных стабилизаторов:

  • Быстродействие;
  • Точность;
  • Бесшумность;
  • Синусоида на выходе без искажений.

Главный недостаток — высокая стоимость

2.5 Феррорезонансные стабилизаторы

Нельзя не сказать о феррорезонансных стабилизаторах. Они состоят из двух дросселей и конденсаторов. Принцип работы заключается на основе феррорезонанса, подробное его описание достаточно сложное, поэтому я его приводить не буду.

принципиальная схема феррорезонансного стабилизатора

Об этих приборах стоит знать лишь то, что в них нет движущихся или переключающих элементов, по своей сути это полностью пассивный прибор, который в большей степени фильтрует скачки напряжения и помехи, а не выравнивает его до номинальной величины. Такие приборы использовались раньше, во времена СССР для защиты телерадиоаппаратуры.

феррорезонансный стабилизатор, устройство, внешний вид

Преимущества феррорезонансных стабилизаторов:

  • большой срок службы;
  • невысокая стоимость;
  • быстродействие.

Недостатки феррорезонансных стабилизаторов:

  • шумят во время работы;
  • искаженная синусоида на выходе;
  • узкий диапазон стабилизации.
  1. Сравнение стабилизаторов напряжения

Подведем итоги и сравним основные параметры распространённых моделей современных стабилизаторов напряжения разных типов. Таблица ниже поможет сравнить стоимость приборов и сделать выбор. Преимущества и недостатки каждого из них мы описали выше.

сравнение различных стабилизаторов напряжения

  1. Как выбрать стабилизатор напряжения

Есть разные способы подбора стабилизатора напряжения, но мы предлагаем вам воспользоваться следующим алгоритмом.

  1. Выберите нужный тип стабилизатора:
  • Если дома есть дорогостоящие приборы с электроникой — лучше приобрести электронный стабилизатор или инверторный из-за их высокого быстродействия. Здесь нужно уже выбирать исходя из доступных средств.
  • Если это дача в деревне или дом где нет сложных и дорогих электроприборов, и напряжение «плавает» в зависимости от времени суток или года – купите электромеханический (сервоприводный) или релейный стабилизатор напряжения.
  1. определитесь стабилизатор с каким типом установки вам нужен, настенный — предназначенный для крепления на стену или напольный — имеющий ножки для установки на горизонтальной поверхности, например на полке или полу.
  2. Рассчитайте необходимую мощность стабилизатора
  • Если вам нужно защитить какой-то отдельный прибор, то достаточно стабилизатора равного его мощности. Примерная мощность стабилизаторов для типовой бытовой техники приведена ниже. В общем случае стабилизатор выбирают так, чтобы его мощность превышала на 20-30% мощность подключаемой нагрузки.

мощность стабилизатора напряжения для защиты электроприборов

  • Для того чтобы правильно рассчитать стабилизатор на весь дома или квартиру часто советуют суммировать мощность всех электроприборов. На самом деле сделать это можно проще. Вы должны знать сколько выделено мощности на ваше жильё. Если вы не знаете – посмотрите на сколько ампер установлен вводной автомат.

Допустим, что у вас стоит однофазный вводной автомат на 25А. Чтобы узнать мощность – умножьте ток на напряжение в сети – 220В.

25*220=5500Вт=5.5 кВт

Рассчитав мощность следует добавить 20-30% запаса по мощности (защита от пусковых токов и перегрузок). В нашем случае сделаем запас 20% для этого полученную мощность умножим на 1,2:

5.5*1,2=6,6 кВт

После этого выбираем ближайшее большее стандартное значение мощности стабилизатора напряжения, в нашем случае необходимо будет приобрести стабилизатор 7-7,5кВт.

Если у вас трёхфазный ввод, и вы обнаружили автомат на 25А, например, то мощность считают по следующей формуле:

P=U*I*1.73=380*25*1.73=16435Вт = 16.44кВт

Далее, как и в предыдущем случае, добавляем запас мощности 20-30% и выбираем стабилизатор с ближайшим большим значением мощности.

Примечание: расчет мощности вы так же можете произвести с помощью нашего онлайн калькулятора расчета мощности сети.

  1. Схемы подключения стабилизаторов

В зависимости от конструкции и исполнения стабилизатора может отличаться и способ подключения. Общий принцип один – ко «входным» клеммам подключают источник питания, а к «выходным» — нагрузку.

Если стабилизатор маломощный, то к сети он подключается вилкой в розетку. На корпусе самого прибора есть розетка, в которой уже стабилизированное напряжение – к ней подключают защищаемый прибор.

подключение электроприбора к стабилизатору напряжения

В моделях большой мощности, которые устанавливают на всю квартиру или на дом, обычно есть и розетка для подключения и клеммная колодка с болтами и шпильками для подключения жил кабеля или другими видами клемм (винтовые, рычажные и пр.). При этом на клеммной колодке обычно находится контакт для заземляющего проводника, но не на всех моделях. Клеммы куда подключается фаза в однофазных моделях всегда 2 их подписывают как L1 и L2.Нулевых клеммы может быть, как 2, так и одна.

Ниже представлены два варианта клеммных колодок стабилизаторов:

клеммы подключения стабилизатора напряжения

Схема подключения стабилизатора к однофазному вводному щиту будет выглядеть так:

схема подключения однофазного стабилизатора в водном электрощите

Если у вас трёхфазный ввод, схема будет отличаться только количеством проводов, логика подключения остаётся неизменной. При этом как именно подключать зависит от самого стабилизаторы, многие модели имеют блочное исполнение и колодки для каждой из фаз разделены. Также можно использовать по одному однофазному стабилизатору на каждую из фаз.

Схема подключения трехфазного стабилизатора напряжения


Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросыПишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

↑ Наверх

5
https://elektroshkola.ru/apparaty-zashhity/stabilizatory-napryazheniya/

Оставьте комментарий:

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *