Принцип роботи стабілізатора напруги

Стабілізатори або, як їх ще називають, нормалізатори напруги – спеціальні пристрої, які забезпечують стабільну напругу для конкретного споживача або цілого об'єкта (будинок, квартира, офісний центр, виробничий цех тощо).

До вибору пристрою необхідно ретельно підходити, щоб отримати необхідний ефект від роботи стабілізуючого приладу. Так, для різних ситуацій застосовуються стабілізатори з різними принципами дії, в переважній кількості ситуацій допустима похибка при коригуванні, рідше, потрібне плавне регулювання та підтримання напруги з високою точністю з іншими функціями (фільтрація мережевих перешкод, блискавкозахист тощо). Ця стаття спрямована на підтримку клієнтів та відвідувачів сайту з метою дати професійне роз'яснення про принцип роботи стабілізаторів напруги, їх переваги та недоліки на конкретних прикладах.

1. Електронний принцип роботи

До цієї категорії належать пристрої симістрного і тиристорного типу. Система регулювання повністю автоматизована і не вимагає додаткових коригуючих налаштувань користувача. На території України ці типи широко поширені завдяки наявності більше 10 заводів з виробництва стабілізаторів, наш асортимент представлений серіями. Breeze, Normic, Shteel, Calmer, Flagman для однофазних та трифазних мереж. Також електронні нормалізатори постачає в Україну низку європейських виробників, таких як ORTEA пропонує однофазні GEMINI та трифазні AQUARIUS.

Алгоритм роботи цих пристроїв полягає у вимірі напруги на вході стабілізатора, обробці інформації мікропроцесором, який у свою чергу керує електронними ключами (симісторами, тиристорами). При зміні вхідної напруги один ступінь закривається, інший відкривається, тим самим регулюючи кількість витків трансформатора, що впливають на корекцію напруги. Чим більше ступенів у стабілізатора, тим менша похибка. Переважна більшість бюджетних нормалізаторів має від 8 до 12 щаблів, які похибка коливається від 6 до 4%, пристрої вищого класу містять від 16 до 36 щаблів, у разі похибка знижується з 3 до 1%.

У 2012 році вперше на території країн СНД запущено виробництво стабілізаторів з електронним принципом роботи на базі 48 ступенів регулювання з точністю вихідної напруги 1,0 – 0,6%.

Переваги:

• висока швидкість регулювання: 20 мс;
• компактні розміри та вага;
• низький рівень шуму;
• оптимальне співвідношення ціни та якості;
• тривалий ресурс експлуатації – 10-20 років;

Недоліки:

• дискретне (ступінчасте) регулювання;
• невисока перевантажувальна здатність до 150%.

2. Електродинамічний (сервопривідний) принцип роботи

До цієї категорії належать пристрої на основі електродвигунів. Як і електронні збори, електродинамічні пристрої мають повністю автоматизований процес корекції напруги. Українських заводів із випуску даного обладнання не існує через велику кількість пропозицій китайських стабілізаторів низької якості (характеристики цих пристроїв не розглядаються).Однак практично всі європейські виробники також пропонують безліч моделей електродинамічних нормалізаторів високої якості. Італійські виробники ORTEA і IREM, а також турецький завод NTT Stabilizer пропонують моделі на напругу 220В (серії Vega, Antares, DVS11 до 135кВА), 380В (серії DVS33, Orion-Y, Orion-Plus, Sirius до 6000кВА) і навіть 6 та 11кВ (серії Sirius MV6 і Sirius MV11 до 6000кВА).

Принцип дії даних пристроїв ґрунтується на електродвигуні, що контролюється мікропроцесором. При зміні вхідної напруги контролер подає сигнал двигуну, який переміщує графітовий ролик по обмотках трансформатора, тим самим додаючи або знижуючи вихідну напругу до номінальної. Залежно від потужності стабілізатора можуть застосовуватися різні системи регулювання, наприклад, італійський виробник ORTEA запатентував унікальну розробку із застосуванням колоноподібних мідних стрижнів якими переміщається електродвигунів з графітовим роликом високої якості. Вимірювання зміни напруги відбувається 2000 разів на секунду! Як правило, похибка електродинамічних стабілізаторів не перевищує 0,5 – 1%.

Переваги:

• плавне регулювання;
• висока точність стабілізації – 0,5%;
• висока швидкодія – 8-16мс/В;
• низький рівень шуму;
• висока здатність навантаження - 500-1000%;
• блискавкозахист, EMI-фільтр, захисне виконання IP54
• стабільна робота при температурі від -25 ... 50 С;
• Тривалий ресурс експлуатації – 20-30 років.

Недоліки:

3. Релейний принцип роботи

Стабілізатори релейного типу відносяться до повністю автоматичних і не вимагають додаткового втручання у процес регулювання.В Україні існують кілька заводів, які тривалий час випускають пристрої, що належать до цієї категорії (серії Гібрид-Н, Струм). За принципом дії релейні нормалізатори дуже схожі з електронними, відмінність полягає лише в тому, що в місце симисторів та тиристорів застосовуються силові реле, які комутують обмотки трансформатора.

Переваги:

• висока швидкодія – 20-40мс;
• компактні розміри та вага;
• низька вартість.

Недоліки:

• відсутність моделей середньої та великої потужності;
• похибка може досягати 220±7,5%;
• дискретне регулювання напруги;
• шум при роботі (клацання);
• низька перевантажувальна здатність - 120-150%;
• короткий термін експлуатації – 2-5 років.

4. Ферорезонасний принцип роботи

Ферорезонансні нормалізатори, як і інші сучасні типи, мають автоматичний процес регулювання напруги. В основі принципу дії лежить явище магнітного насичення сердечників трансформатора чи дроселів.

Сучасні пристрої ферорезонансного типу мають вражаючі характеристики і дуже тривалий термін служби, проте вартість пристроїв досить висока. В даний час є можливість придбати стабілізатори серії SOLA-HD виробництва компанії EMERSON (США). Це обладнання виправдано застосовувати з технологічними установками високої вартості.

Переваги:

• висока швидкодія – 20-40мс;
• висока точність стабілізації – 1%;
• тривалий термін експлуатації – 40-50 років;
• вбудовані фільтри перешкод;
• форма вихідної напруги – синусоїда;
• висока здатність навантаження - 200-300%.

Недоліки:

• високий рівень шуму (гул);
• висока вартість;
• відносно великі розміри та вага.

5. Тип регулювання залежно від принципу роботи

Тип стабілізатора

Принцип регулювання

Як працює електричний стабілізатор?

Електричні стабілізатори напруги, незважаючи на постійні перепади напруги в електромережі, використовуються не часто. Зазвичай їх застосовують у промисловій сфері та для побутових газових котлів. І це незважаючи на те, що щороку безліч українських сімей зазнають витрат через обладнання, що вийшло з ладу через мережеві коливання. Цю проблему можна і треба вирішувати.

Навіщо потрібний стабілізатор

У будинку кожного мешканця нашої країни є безліч електроприладів, що працюють в однофазній мережі 220В. Зважаючи на різноманітні обставини, як залежать від постачальника електроенергії, так і випадкові, напруга в розетці може стрибати в широкому діапазоні, часом досягаючи небезпечних значень. Якщо пощастить - обладнання під час сплеску просто вимкнеться, інакше спрацює вбудований захист або просто згорить.

Стабілізатор – це електроприлад, який коригує нестабільну напругу, видаючи на виході безпечний сигнал. Принцип роботи цього пристрою дуже важливий, тому що від реалізованої схеми залежать основні техніко-експлуатаційні характеристики. Тому розглянемо, як працює стабілізатор та які різновиди конструкцій актуальні на ринку України.

Види стабілізаторів напруги

Стабільний вихідний сигнал - це результат, який і розрахований стабілізатор. А ось способи досягнення цього результату можуть бути різні.

Значна частина електричних стабілізаторів регулює вихідну напругу за рахунок зміни коефіцієнта трансформації силового трансформатора.Принцип роботи таких пристроїв полягає в тому, щоб підлаштувати коефіцієнт трансформації так, щоб значення, що надійшло, збільшити або зменшити в залежності від того, чи спостерігається на вході сплеск або просідання. За способом зміни коефіцієнта трансформації стабілізатори діляться на пристрої зі східчастим та безступінчастим принципом регулювання:

Електричні стабілізатори зі ступінчастим регулюванням

В даному випадку обмотка силового автотрансформатора розділена на щаблі, кожна з яких відповідає тому чи іншому коефіцієнту трансформації. Залежно від вхідної напруги автоматика комутує за допомогою ключа той ступінь, з якого знімається найближче до 220В значення.

За своєю конструкцією ступінчасті стабілізатори поділяються на релейні та електронні (також їх називають симісторні або тиристорні). Назва, в принципі, говорить сама за себе: у першому випадку комутація здійснюється за допомогою електромагнітних реле, а в другому – за рахунок напівпровідникових ключів (симетричних тиристорів – симісторів). Перевага релейного підходу полягає в дуже демократичній ціні, оскільки один симистор може коштувати як збирання електромагнітних реле. Напівпровідникові ключі відрізняються неймовірною надійністю, безшумною комутацією, а також миттєвою швидкодією. Електронний варіант є найпопулярнішим на ринку України завдяки своїй збалансованості – це типовий представник середнього цінового сегменту, що підходить для більшості завдань. Існують також і флагмани, в яких реалізована електронна схема стабілізації з великою кількістю щаблів (36 і навіть 48), що дозволяє досягти практично ідеальної точності стабілізації.

Тепер, коли ми знаємо, як працює релейний стабілізатор напруги та її напівпровідниковий аналог, перейдемо до ще однієї цікавої групи.

Електричні стабілізатори з безступінчастим регулюванням

Якщо наявність кроку регулювання приладів ступінчастого типу Вам не підходить, слід звернути увагу на безступінчасті стабілізатори напруги. Вищезгадані приклади є бюджетний і середній ціновий сегмент, а у випадку з безступінчатим регулюванням стабілізатори можуть бути або бюджетними, або флагманськими.

Бюджетний сегмент представлений електромеханічними (сервопривідними) стабілізаторами. Вони є ЛАТР з додаванням автоматики. Тут обертання струмознімальної щітки додає сервомотор. При фіксації мережних коливань сервомотор переміщає струмознімач на той виток обмотки трансформатора, з якого знімається 220В. Такий спосіб стабілізації вважається досить точним і плавним, проте він застарів і його характеристики для багатьох завдань не підходять через повільність. Зважаючи на простоту конструкції та доступну елементну базу (силова схема представлена ​​лише трансформатором) сервопривідні стабілізатори напруги відносяться до бюджетного цінового сегменту і є “плавним” конкурентом релейних аналогів.

Розглядаючи пристрої з безступінчастою стабілізацією не можна не згадати найсучасніші рішення, що реалізують принцип подвійного перетворення на кшталт ДБЖ класу on-line. Взагалі навіть некоректно говорити, що такі стабілізатори здійснюють якесь регулювання. Фактично пристрій даного типу з вхідної напруги отримує сигнал DC (постійний струм), який використовується для генерації напруги AC (змінний струм).Іншими словами, коливання на вході не мають жодного впливу на вихід, тому що вихідна напруга - це окремо згенерований сигнал, що не має жодного відношення до вхідного. Такий підхід позбавлений всіх недоліків, властивих розглянутим раніше типам, чи це недостатньо швидке спрацьовування чи наявність кроку регулювання. Електричні стабілізатори з подвійним перетворенням завжди видають чисту за формою та стабільну напругу незалежно від того, що відбувається на вході. Це флагманські рішення, які в побуті зазвичай не використовуються через високу ціну. Та й така висока точність підтримки вихідної напруги не потрібна для переважної більшості побутової техніки та електроніки.

Як працює стабілізатор напруги?

Відповідь на питання, як працює стабілізатор напруги, допоможе вам підібрати захисний пристрій для будинку, квартири, дачі чи комерційного об'єкту. Розбираємо принцип роботи найпопулярніших типів обладнання, їх переваги та особливості.

Принцип дії стабілізаторів напруги різних видів

Існує безліч конструкцій, включаючи інноваційні інверторні моделі та відносно екзотичні прилади з підмагнічуванням трансформатора. Але ми розповімо про найпоширеніші види техніки, які можна придбати за вигідною ціною вже сьогодні.

Електронний

Такий стабілізатор належить до класу нового устаткування. Він побудований на базі автотрансформатора з первинною та вторинною обмоткою. Для зниження або підвищення напруги достатньо підключати контакти до різних витків. За це завдання відповідають напівпровідникові ключі, які швидко вибирають оптимальні точки з'єднання. Вони отримують команди від плати управління з процесором, який покладено контроль вхідного вольтажу.

По конструкції розрізняють тиристорні та симісторні стабілізатори. Перші дорожчі, але надійніші і компактніші. Другі залишаються популярними за рахунок доступної ціни. Усі пристрої електронного типу працюють дуже швидко, забезпечують високу точність нормалізації напруги та витримують сотні тисяч циклів комутації.

Електродинамічний

Принцип роботи стабілізатора напруги такого типу - плавне регулювання вольтажу. Це стає можливим завдяки унікальній конструкції. У ній використовується графітовий ролик, що плавно ковзає по обмотках трансформатора. Високоточний електродвигун дозволяє переміщати його на частини міліметра, компенсуючи найменші коливання вхідної напруги.

Такий стабілізатор дає малу похибку і добре справляється з великими навантаженнями. Однак слід пам'ятати, що він займає багато місця в приміщенні і повільно реагує на різкі стрибки напруги в мережі.

Релейний

За конструкцією дуже схожий на електронний тип. Він також працює в автоматичному режимі, поступово перемикаючи різні витки обмоток. Проте виконавчим механізмом у ньому служать не напівпровідникові ключі, а електромагнітні реле.

Релейний стабілізатор коштує дешевше за електронний і пропонує схожі характеристики. Серед його особливостей варто назвати збільшену похибку вихідної напруги та гучне клацання приводів під час активної роботи.

Ферорезонансний

Основа такого пристрою - трансформатор з магнітним насиченням сердечників. Між двома його контурами встановлюється слабкий зв'язок, що забезпечує взаємозалежність характеристик електроенергії. Якщо напруга змінюється на вхідній лінії, вихідна підлаштовується автоматично.

Наразі ферорезонансні стабілізатори переважно використовуються на виробництві. У промисловості високо цінують їх переваги - плавне регулювання вольтажу в широкому діапазоні, великий термін служби і малу похибку напруги. Однофазні моделі для будинків і квартир зустрічаються рідше - вони досить громіздкі та галасливі.

Дискретний та плавний принцип роботи стабілізаторів

Все захисне обладнання можна розділити на великі групи. У дискретних стабілізаторах використовується ступінчасте регулювання. До цієї категорії належать розглянуті вище електронні та релейні моделі. Вони мають фіксовані коефіцієнти трансформації, тобто співвідношення вхідної та вихідної напруги. Чим більше таких щаблів, тим вища підсумкова точність.

Стабілізатори з плавним регулюванням — електродинамічні та ферорезонансні. Вони можуть перетворювати напругу з будь-яким співвідношенням у межах фіксованого діапазону. Такі моделі коштують дорожче, але за рівних умов мають кращу точність. Це дозволяє продовжити термін служби чутливих приладів, знизивши витрати на ремонт. Крім того, плавне регулювання мінімізує навантаження на електропроводку, забезпечуючи необхідний рівень безпеки.