Феррорезонансный стабилизатор напряжения: достоинства и недостатки

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения – принцип работы

Стабилизатор, у которого на зажимах нелинейного дросселя получают стабилизированное напряжение, является простейшим ферромагнитным стабилизатором. Его основной недостаток — низкий коэффициент мощности. Кроме того, при больших токах в цепи габариты линейного дросселя очень большие.

Для уменьшения веса и габаритов ферромагнитные стабилизаторы напряжения изготовляют с объединенной магнитной системой, а для повышения коэффициента мощности включают конденсатор по схеме резонанса токов. Такой стабилизатор называется феррорезонансным .

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения конструктивно похожи на обычные трансформаторы (рис. 1, а). Первичная обмотка w1 на которую подается входное напряжение Uвх, располагается на участке 2 магнитопровода, имеющем большое поперечное сечение для того, чтобы эта часть магнитопровода находилась в ненасыщенном состоянии. Напряжение Uвх создает магнитный поток Ф2.

Рис. 1. Схемы феррорезонансного стабилизатора напряжения: а — принципиальная; б — замещения

Вторичная обмотка w2, на зажимах которой индуцируется выходное напряжение Uвых и к которой присоединяется нагрузка, расположена на участке 3 магнитопровода, имеющем меньшее сечение и находящемся в насыщенном состоянии. Поэтому при отклонениях напряжения Uвх и магнитного потока Ф2 значение магнитного потока Ф3 на участке 3 почти не изменяется, не изменяется э. д. с. вторичной обмотки и Uвых. При увеличении потока Ф2 та его часть, которая не может проходить по участку 3, замыкается через магнитный шунт 1 (Ф1).

Магнитный поток Ф2 при синусоидальном напряжении Uвх синусоидален. Когда мгновенное значение потока Ф2 приближается к амплитудному, участок 3 переходит в режим насыщения, поток Ф3 перестает увеличиваться и появляется поток Ф1. Таким образом, поток через магнитный шунт 1 замыкается только в те моменты времени, когда поток Ф2 по значению близок к амплитудному. Это делает поток Ф3 несинусоидальным, напряжение Uвых становится также несинусоидальным, в нем ярко выражена третья гармоническая составляющая.

В схеме замещения (рис. 1, б) параллельно включенные индуктивность L2 нелинейного элемента (вторичной обмотки) и емкость С образуют феррорезонансный контур, имеющий характеристики, представленные на рис 2. Как видно из схемы замещения, токи в ветвях пропорциональны напряжению Uвх. Кривые 3 (ветвь L2) и 1 (ветвь С) расположены в разных квадрантах, так как токи в индуктивности и емкости противоположны по фазе. Характеристику 2 резонансного контура строят, алгебраически суммируя токи в L2 и С при одних и тех же значениях напряжения Uвых.

Как видно из характеристики резонансного контура, применение конденсатора дает возможность получать стабильное напряжение при малых токах намагничивания, т. е. при меньших напряжениях Uвх.

Кроме того, при наличии конденсатора стабилизатор работает с высоким коэффициентом мощности. Что касается коэффициента стабилизации, то он зависит от угла наклона горизонтальной части кривой 2 к оси абсцисс. Так как этот участок имеет значительный угол наклона, то получить большой коэффициент стабилизации без дополнительных устройств невозможно.

Рис. 2. Характеристики нелинейного элемента феррорезонансного стабилизатора напряжения

Таким дополнительным устройством является компенсирующая обмотка wк (рис. 3), располагаемая вместе с первичной обмоткой на ненасыщенном участке 1 магнитопровода. С увеличением Uвх и Ф увеличивается э. д. с. компенсирующей обмотки. Ее включают последовательно с вторичной обмоткой, но так, чтобы э. д. с. компенсирующей обмотки была противоположна по фазе э. д. с. вторичной обмотки. Если Uвх увеличивается, то незначительно увеличивается э. д. с. вторичной обмотки. Напряжение Uвых, которое определяется разностью э. д. с. вторичной и компенсирующей обмоток, поддерживается постоянным за счет возрастания э. д. с. компенсирующей обмотки.

Рис. 3. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой

Обмотка w3 предназначена для повышения напряжения на конденсаторе, что увеличивает емкостную составляющую тока, коэффициент стабилизации и коэффициент мощности.

Недостатками феррорезонансных стабилизаторов напряжения являются несинусоидальность выходного напряжения и зависимость его от частоты.

Промышленность выпускает феррорезонансные стабилизаторы напряжения мощностью от 100 Вт до 8 кВт, с коэффициентом стабилизации 20—30. Кроме того, выпускают феррорезонансные стабилизаторы без магнитного шунта. Магнитный поток Ф3 в них замыкается по воздуху, т. е. является потоком рассеяния. Это позволяет уменьшить вес стабилизатора, однако сужает рабочую область до 10% от номинального значения Uвх при коэффициенте стабилизации kc, равном пяти.

Типы стабилизаторов напряжения, их достоинства и недостатки

По принципу действия стабилизаторы напряжения, представленные на российском рынке, можно объединить в три основные группы:

1) Феррорезонансные стабилизаторы
2) Ступенчатые корректоры напряжения (электронные стабилизаторы)
3) Электромеханические стабилизаторы

1. Феррорезонансные стабилизаторы представляют собой один из ранних типов стабилизаторов напряжения, достаточно редко применяемых в настоящее время в силу присущих им недостатков. В продажу феррорезонансные стабилизаторы поступают под наименованием СТС.

Этот тип стабилизаторов напряжения обладает следующими достоинствами:
– высокое быстродействие;
– стабилизация напряжения без разрыва фазы;
– относительно высокий уровень надежности и достаточно простая схема работы;
– довольно высокая точность стабилизации (3%).

К недостаткам относят:
– высокий уровень шумов;
– малый диапазон входного напряжения – 176-256 В;
– искажения синусоидальности напряжения и помехи (в дополнение к стабилизатору при подключении цифровой аппаратуры требуется устанавливать фильтр помех);
– крупные габариты и большая масса;
– лимиты по нагрузке (не допускается работа стабилизатора на холостом ходу, при нагрузках, не превышающих 20%, или, наоборот, при перегрузке мощности);
– ограничения по потерям (cos(F)) нагрузки.
– мощность от 200 ВА до 100 кВА.

2. Ступенчатые стабилизаторы, которые чаще именуют корректорами напряжения – это наиболее распространенный и сравнительно недорогой тип стабилизаторов. В основу схемы устройства положена коммутация отводов автотрансформатора с различным коэффициентом трансформации с помощью силовых ключей.

По типу используемых силовых ключей стабилизаторы данного типа подразделяются на две группы – полупроводниковые (симисторы и тиристоры) и релейные. Использование полупроводниковых силовых ключей имеет такие преимущества, как бесшумная работа и более высокое быстродействие схем регулирования напряжения. К положительной стороне применения релейных ключей можно отнести высокую помехоустойчивость, в особенности к импульсным перенапряжениям. Кроме того, производители современных реле закладывают в переключатели достаточный рабочий ресурс (до 6 млн переключения), гарантируя тем самым многолетнюю безаварийную работу стабилизатора.

Исходя из принципа управления силовыми ключами, среди стабилизаторов на полупроводниковых ключах можно выделить два поколения.

У стабилизаторов напряжения 1-го поколения при переключении обмоток разрыв фазы в процессе регулирования не превышает 12 мс (симистор закрыт только в нуле тока, поэтому, во избежание короткого замыкания, в обмотках трансформатора заложена задержка на включение следующей ступени).

В схемах второго поколения применяется схема переключения при нулевом токе, а разрыв фазы не превышает 1 мс.

Достоинства:
– небольшие габариты и малый вес;
– относительная дешевизна;
– незначительные помехи и искажения синусоиды напряжения;
– широкий диапазон входных напряжений.

Недостатки:
– прерывание напряжения в процессе регулирования не позволяет применять устройства этого типа для высокоиндуктивных или высокоемкостных нагрузок (лампы дневного света, оборудование соляриев, контроллеры газовых котлов и т.п.);
– ступенчатое изменение выходного напряжения у стабилизаторов с невысокой точностью стабилизации, хотя, у некоторых серий электронных стабилизаторов (например, LIDER SQ-D) данный недостаток устранен на 100%.
– мощности – от 50 ВА до 150 кВА.

3. Электромеханические стабилизаторы. В основе принципа работы данного типа стабилизатора лежит регулируемый автотрансформатор, включенный в первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, в то время как в разрыв фазы сети включена вторичная обмотка. Такая схема дает возможность регулировать напряжение плавно – без прерывания фазы и искажения синусоиды.

Стабилизаторы этого типа достаточно компактны и применимы для любого типа нагрузки. Используются на промышленных объектах, в медучреждениях, банках, жилых домах. Некоторые модели можно использовать в условиях стабильно низкого напряжения (100-130В вместо 220В), при котором другие типы стабилизаторов не работают.

К достоинствам электромеханических стабилизаторов относятся:
– отсутствие коммутирующих рабочий ток электронных ключей;
– высокая точность напряжения на выходе – 220 ± 1%;
– плавное регулирование;
– отсутствие помех и искажения напряжения по форме сигнала;
– способность переносить кратковременные перегрузки, превышающие нагрузочную способность в 10 раз;
– широкий диапазон коррекции;
– возможность организации систем мощностью от 4 кВА до 2 МВА;
– высокий кпд – 98-99%.

Недостатки:
– ограничение по скорости регулирования (20-150 Всек), низкое быстродействие в случаях резких перепадов входящего напряжения;
– наличие механических подвижных частей обусловливающих необходимость регулярного обслуживания;
– пожароопасность;
– большие габариты и вес.

Принципы действия феррорезонансного стабилизатора напряжения

Феррорезонансный стабилизатор напряжения нашел широкое распространение в различных сферах промышленности и в быту. Такие феррорезонансные стабилизаторы напряжения дают возможность выровнять переменное напряжение. Также такие устройства имеют и недостатки, которые необходимо рассмотреть.

В настоящее время существует стандарт, по которому напряжение на выходе должно находиться в интервале 0,9-1,05 от номинального значения. Эта норма была определена давно и все устройства должны ей соответствовать. Напряжение сети на выходе должно равняться 197-230 В. Перед приобретением следует ознакомиться с однофазными моделями.

Феррорезонансные стабилизаторы

Такие устройства не оснащаются вольтметром, поэтому будет трудно понять, какая величина напряжения сети получается на выходе. Самому не получится отрегулировать напряжение. Если для вас это не критично, то такой вид стабилизатора хорошо подходит для вас. Феррорезонансные устройства могут частично искажать величину показаний, погрешность может доходить до 12%.

Если вы долгое время применяете такой прибор, то нужно знать, что он способен испускать магнитное поле, влияющее на функционирование бытовых приборов. Эти стабилизаторы настраивают в заводских условиях, поэтому после его монтажа нужно просто подключить в работу.

Влияние стабилизатора на технику

  1. Магнитофоны. Мощность на выходе таких устройств может сильно уменьшиться. Значительно ухудшается стирание записи.
  2. Радиоприемники. Такая аппаратура может снижать чувствительность, и выход мощности заметно снижается.
  3. Телевизоры. Если подсоединить прибор к телевизору, то можно увидеть заметное снижение качества изображения. Также некоторые цвета отображаются неверно.

Феррорезонансные стабилизаторы могут обладать негативными факторами. Если у вас затруднения с выбором подобной аппаратуры, то следует ознакомиться с правилами подбора.

Бытовые электрические устройства постепенно становятся более качественными. Поэтому изготовители приборов такого вида тоже стараются сделать качественными свои изделия. Они делают лучше электрическую схему, позволяющую выдержать повышенные нагрузки.

Читайте также:  Разновидности и критерии выбора светодиодных светильников для натяжных потолков

Теперь это устройство может обеспечивать точную настройку напряжения сети. Процесс коррекции и выравнивания напряжения осуществляется трансформатором. При надобности он способен уменьшать или увеличивать длину вторичной обмотки.

Режимы эксплуатации

Эти режимы чаще всего зависят от различных факторов. На режим влияет мощность и вид прибора. Мощность устройства может быть различной и подбирать ее нужно, учитывая вид подключаемых устройств, которые планируется подсоединять для работы. Режимы работы выпрямляющего прибора зависят от следующих видов нагрузки:

Чисто активная нагрузка существует очень редко. Она требуется только в цепях без ограничения переменного значения прибора. Если вам нужно применить емкостную нагрузку, то нужно знать, что она служит только для стабилизаторов, имеющих малую мощность. Реакция определяется емкостью сопротивления, намного меньшего, чем нагрузка.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Первичная обмотка, на которую приходит напряжение входа, находится на участке 2 магнитопровода. Он имеет значительное поперечное сечение, чтобы сердечник был в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение образует магнитный поток Ф2.

На зажимах вторичной обмотки создается напряжение выхода. К ней подключается нагрузка, находящаяся на 3 участке сердечника, и имеет малое сечение, и насыщенное состояние. при отклонениях напряжения сети и магнитного потока, величина его почти не меняется, а также не изменится ЭДС. При повышении магнитного потока некоторая часть его будет замыкаться по магнитному шунту.

Поток Ф2 становится синусоидальным. Если поток Ф2 подходит к амплитудной величине, то третий участок переходит в насыщение, а магнитный поток перестает повышаться, и возникает поток Ф1. В результате поток по магнитному шунту будет замыкаться только тогда, когда магнитный поток №2 по величине сравнивается с амплитудным. Это создает поток Ф3 несинусоидальным, а напряжение становится тоже не синусоидальным.

Наличие конденсатора дает возможность прибору работать с повышенным коэффициентом мощности. А коэффициент стабилизации зависит от наклона горизонтальной кривой 2 к абсциссе. Этот участок обладает большим наклоном, поэтому получить большую стабилизацию без вспомогательных приборов не получится. Прямая передача тока дает возможность добиться повышенного усиления.

Достоинства

  • Невосприимчивость перегрузок.
  • Широкий интервал эксплуатационных величин.
  • Повышенная скорость регулировки.
  • Ток в форме синуса.
  • Повышенная точность выравнивания.

Недостатки

  • От величины нагрузки зависит качество работы.
  • Образование наружных электромагнитных помех.
  • При малой нагрузке плохая работа.
  • Плохие параметры веса и габаритов.
  • Повышенная шумность работы.

Современные устройства не обладают такими недостатками, но их стоимость часто больше источника бесперебойного питания. Также такие устройства не оснащены вольтметром. Отрегулировать прибор нет возможности.

Советы по выбору

Бытовая техника постоянно модернизируется и совершенствуется. Поэтому изготовители феррорезонансных стабилизаторов напряжения стремятся к модернизации. Они повышают качество схемы, позволяющей справиться с большими перегрузками. Инновационные приборы такого вида отличаются повышенным быстродействием, точностью регулировки и длительным сроком работы.

Режимы определяются мощностью устройств и их типом. К устройствам с реактивной нагрузкой можно отнести те, которые имеют электрический двигатель – кондиционеры, нагреватели, вентиляторы.

Если нужно купить феррорезонансный прибор, то нужно учесть место его подключения. Это выполняется обычно на входе в помещение, или в непосредственной близости с бытовым устройством. Если планируется производить установку для всех устройств, то лучше подобрать систему стабилизации по необходимой мощности и подключить стабилизатор сразу за прибором учета энергии.

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения

С таким оборудованием, как стабилизатор напряжения сталкивался в своей жизни практически каждый человек. Данный прибор используется в том случае, когда необходимо выравнять величину напряжения питания до стандартного значения.

Существует несколько разновидностей подобного стабилизирующего оборудования. В настоящее время востребованы корректирующие стабилизаторы следующих видов:

В сегодняшней публикации мы более подробно остановимся на стабилизаторах феррорезонансного типа.

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения

Свою популярность данные приборы получили в эпоху СССР. В то время они были востребованы для подключения телевизоров. Сейчас в продаже имеются более совершенные модели, которые не теряют своей актуальности.

Ознакомиться с ассортиментом и купить подходящий стабилизатор напряжения вы можете на сайте компании “Новые энергетические технологии” – newet.ru.

Как старые, так и новые модели в первую очередь могут похвастаться своей высокой точностью – их погрешность не превышает 3%. А срок бесперебойной службы может превышать несколько десятилетий.

В связи с этим, данные стабилизаторы напряжения находят свое применение, как в промышленной сфере, так и в быту.

Сферы использования феррорезонансных стабилизаторов:

1. Для запитки аппаратуры прецизионного типа, для которой недопустимы перерывы в поступлении электропитания и губительны скачки напряжения (техника связи, медицинское оборудование и тп.).

2. В случае, когда имеет место плохая сеть с помехами, к примеру, аппаратура электротранспорта. Только с помощью этого стабилизатора можно качественно отфильтровать сетевые искажения связанные с работой электросварочного оборудования.

3. В тех местах, где в сети возникают частые короткие замыкания.

Принцип работы

Основу феррорезонансного стабилизатора составляет пара дросселей, на один из них приходит напряжение, а с помощью другого происходит формирование эталонного значения.

Также значимой составляющей являются конденсаторы, которые тоже принимают участие в преобразовании напряжения. Следует учитывать тот факт, что на устройство не должны попадать прямые солнечные лучи, иначе срок его службы значительно сократиться.

Система охлаждения установленная в стабилизаторе пассивная и представлена небольшими радиаторами и корпусов. Но этого вполне достаточно, чтобы прибор не перегревался во время работы.

Интервал стабилизации может быть самым различным, чем он выше, тем дороже будет стоимость стабилизатора. Но стоит учитывать тот факт, что чем меньше нагрузка, тем больше становится интервал стабилизации. В паспорте он указан для пиковой нагрузки.

Существуют модели одно-, двух- и трехфазные, с гальванической развязкой или без таковой. Стабилизаторы могут функционировать при различном входном и выходном напряжении, с частотой 50, 60 или 400 Гц.

Мощность может варьироваться в диапазоне от нескольких ватт, до нескольких десятков киловатт. Могут быть выполнены в виде напольного, настенного или настольного агрегата.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

1. Является стабилизатором мгновенно действия. Другие типы стабилизаторов сначала измеряют напряжение, затем усредняют его и только потом корректируют тем или иным способом. В результате чего возникают подвисания. Другое дело феррорезонансный контур. Он настроен на требуемое напряжение и выдает его в сеть мгновенно. Потребитель не чувствует колебания происходящие во входной сети.

2. Может сглаживать кратковременные всплески и провалы напряжения. Это возможно благодаря тому, что резонансном контуре накапливается энергия. За счет этого данное оборудование можно отнести к почти идеальному фильтру.

3. Ему не страшны перегрузки. Он не выйдет из строя даже в том случае, если в сети возникнет кратковременное замыкание, так как входные дроссели ограничивают ток.

4. Надежность. Обеспечивается отсутствием электроники. Феррорезонансный стабилизатор способен выдержать даже двойное напряжение. Он будет продолжать работать до тех пор, пока у него не сгорит предохранитель. За счет этого он гарантированно проработает не один десяток лет.

5. Большой диапазон рабочей среды. Он прекрасно функционирует в значительном температурном диапазоне, в среде с высокой влажностью и низким атмосферным давлением, во взрывоопасных условиях.

6. Точность стабилизационных параметров. В наиболее точных приборах этот параметр составляет 1-2% и при этом он никогда не превышает значения в 3%. На заказ вам могут изготовить оборудование с любой точность (даже с погрешностью всего в доли %).

Недостатки:

1. Высокая стоимость, которая обусловлена трудоемкостью и материалоемкостью.

2. Имеет достаточно большой вес.

3. Издает характерное гудение.

4. Может в некоторой степени искажать синусоиду, но не больше, чем на 8%.

Несмотря на имеющиеся недостатки, феррорезонансные стабилизаторы напряжения не теряют своей актуальности и спрос на них с каждым годом только растет.

Если сравнивать цену и качество (особенно, его долгий срок эксплуатации), то его по праву можно отнести к лидерам в своем сегменте.

Виды и схемы стабилизаторов напряжения

В настоящее время возрастает спрос на стабилизаторы напряжения. Это связано как с активным использованием этих электроприборов во всех сферах жизнедеятельности современного человека, так и с периодически возникающими в сетях проблемами с качеством электроэнергии.

Специализированные магазины и интернет-сайты предлагают большой выбор стабилизаторов отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющих практически любые запросы покупателей. Однако следует понимать, что каждый стабилизатор, несмотря на его мощность и стоимость, построен по типовой схеме (топологии), в основе которой – определённый физический принцип стабилизации электрической энергии. Всего таких топологий пять:

  • феррорезонансная;
  • электромеханическая;
  • релейная;
  • полупроводниковая;
  • инверторная.

Практически все виды стабилизаторов напряжения имеют свои преимущества и недостатки, которые в основном обусловлены схемой их построения. Основные параметры устройств каждого типа требуют пристального изучения, так как именно от их значений зависит эффективность работы выбранной модели стабилизатора с различной современной аппаратурой.

Феррорезонансные стабилизаторы

Это первые стабилизаторы, получившие широкое распространение в нашей стране. Начало их массового использования в 50-60-х годах ХХ века связано с появлением ламповых телевизоров и прочей бытовой техники, требующей защиты от сетевых колебаний.

Устройство и принцип работы. Стабилизаторы такого типа отличаются от большинства более современных моделей простотой электронной схемы и отсутствием автотрансформатора. Они понижают или повышают значение напряжения за счёт эффекта феррорезонанса – электромагнитного взаимодействия между двумя дросселями один из которых имеет ненасыщенный сердечник (входной), а второй насыщенный (выходной).

Преимущества. Феррорезонансные стабилизаторы не имеют склонных к поломкам подвижных компонентов, что обеспечивает их надёжность и большой ресурс безотказной работы – некоторые изделия советского производства до сих пор находятся в обиходе и исправно выполняют свою работу. Другие преимущества данной топологии:

  • надёжность и большой ресурс безотказной работы благодаря отсутствию склонных к поломкам подвижных компонентов;
  • высокая точность выходного напряжения за счёт плавного, безразрывного регулирования сетевого сигнала;
  • устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды;
  • быстродействие.

Недостатки. Отвечающее современному уровню комфорта бытовое использование феррорезонансных стабилизаторов осложняется рядом свойственных им недостатков:

  • шумность работы – гул от встроенных трансформаторов ощущается даже через стену;
  • повышенное тепловыделение;
  • большой вес и крупные габариты;
  • малый диапазон регулируемого входного напряжения – более узкий, чем предельные значения отклонений, встречающихся в отечественных сетях;
  • невысокий КПД вследствие значительных потерь энергии на нагрев;
  • неспособность работать при перегрузках и на холостом ходу;
  • искажения синусоиды.
Читайте также:  Особенности выбора и установки розеток в ванной комнате

Стоить отметить, что все указанные недостатки характерны в первую очередь для классических феррорезонансных стабилизаторов первых поколений, в устройствах нового образца они максимально снижены или полностью исключены. Существенный минус современных моделей этой топологии – это их высокая цена, превышающая не только стоимость изделий других типов, но и on-line ИБП соответствующей мощности.

Применение. Несмотря на серьезные сдвиги в разработке более производительных, мощных и надежных преобразователей напряжения, устаревшие феррорезонансные стабилизаторы все еще пользуются спросом при работе с неприхотливой техникой такого же старого поколения. Приборы этой группы – не самый удачный вариант для бытового пользования по причине высокого уровня шумов и громоздкости конструкции, однако вполне могут быть использованы в подсобных помещениях или на загородных усадьбах при плюсовых температурах.

Электромеханические стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Стабилизаторы данного типа появились практически одновременно с феррорезонансными, но имеют отличные от них конструкцию и принцип работы. Главные элементы любого устройства данной топологии – автотрансформатор и подвижный токосъёмный контакт, выполненный в виде ролика, ползунка или щетки. Указанный контакт перемещается по обмотке трансформатора, вследствие чего происходит плавное увеличение или уменьшение коэффициента трансформации и соответствующее изменение (коррекция) поступающего из сети напряжения. Первые электромеханические стабилизаторы имели ручную регулировку – специальный бегунок передвигался по катушке и отключал или подключал витки до количества, необходимого для достижения номинального значения выходного напряжения. В современных устройствах этот процесс автоматизирован: плата управления анализирует входной ток и в случае отклонения его параметров сигнализирует сервоприводу, перекатывающему коммутационный контакт на сегмент тороидальной обмотки автотрансформатора с напряжением, максимально приближенным к номинальному.

Рисунок 1 – Схема электромеханического стабилизатора напряжения

Преимущества. Основное достоинство электромеханического принципа стабилизации напряжения – непрерывное регулирование с высокой точностью и без искажения синусоидальной формы сигнала. Также ключевым преимуществом является самая низкая стоимость электромеханических стабилизаторов на отечественном рынке.

Недостатки. Эти устройства имеют и ряд существенных недостатков, делающих их не самым оптимальным решением для защиты многих видов нагрузки, а именно:

  • низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие – скорость реакции на изменение входного сигнала ограничивается временем, требуемым сервоприводу для срабатывания;
  • возникновение кратковременных скачков выходного напряжения при резких перепадах входного, что пагубно влияет на чувствительные электронные компоненты защищаемого оборудования и осложняет применение в сетях с сильными перепадами напряжения;
  • низкое качество фильтрации входных электромагнитных помех и трансляция возмущающего воздействия на выход устройства;
  • низкая надежность из-за механически движущихся деталей, что значительно сокращает срок эксплуатации устройства, из-за чего именно этот тип стабилизаторов чаще всего выходит из строя.

Дополнительные неудобства при эксплуатации электромеханических стабилизаторов в домашних условиях создают:

  • повышенный уровень шума и возможное искрение при работе – следствие движения сервопривода по виткам катушки;
  • громоздкая конструкция, большое количество механических узлов и деталей, и, соответственно, большой вес;
  • необходимость периодического обслуживания подверженного износу узла механического контакта, надёжность которого снижается пропорционально числу срабатываний.

Кроме того, приборы этой группы могут давать сбои при длительном использовании в условиях отрицательной температуры – такому оборудованию комфортнее в отапливаемых помещениях.

Применение. Перечисленные недостатки обуславливают ограниченную сферу применения электромеханических стабилизаторов – они все еще востребованы в сетях без молниеносных скачков напряжения. Разумеется, такие устройства не подходят для бытового использования в домашних условиях, но вполне удачно используются в качестве временной стабилизации напряжения в подсобном хозяйстве, гаражах, небольших мастерских – там, где снижение температуры незначительно. Хотя рассматриваемый тип преобразователей постепенно уходит в прошлое и уступает место более современным конструкциям на релейной и тиристорной основе.

Релейные стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Приборы этой топологии относятся к электронным устройствам, действие которых построено на базе дискретного (ступенчатого) принципа стабилизации электроэнергии. Он заключается в автоматическом переключении обмоток автотрансформатора и выбора той, напряжение на которой максимально близко к номинальному. Коммутация необходимых для повышения или снижения входного напряжения контуров происходит благодаря срабатыванию силовых электронных реле (отсюда и название данной разновидности стабилизаторов). Управление процессом осуществляет специальный блок. Он контролирует характеристики сетевого напряжения и при их отклонении от установленного значения включает в работу ту или иную ступень стабилизации (количество ступеней соответствует числу установленных реле).

Рисунок 2 – Схема релейного стабилизатора напряжения

Преимущества. Основное преимущество этих устройств перед электромеханическими аппаратами устаревших конструкций – повышенная скорость срабатывания (не более 10-20 мс). Кроме того, релейные стабилизаторы обладают простейшей структурой, в которой исключены сложные узлы и дорогостоящие компоненты, что упрощает их техническое обслуживание и ремонт. Ремонтные работы, как и сами приборы, отличаются низкой стоимостью. Релейные стабилизаторы не боятся перегрузок, чем и обусловлен их длительный срок эксплуатации. Также этот тип устройств выделяется сравнительно небольшими габаритами и малым весом. Они не требуют дополнительного охлаждения и отлично справляются со своими функциями в условиях отрицательных температур.

Недостатки. Главный недостаток релейных стабилизаторов напряжения – дискретное (неплавное) регулирование. Он обусловлен принципом работы и проявляется в виде мигания электрических ламп при переключении ступеней стабилизации. Cтупенчатая корректировка напряжения также:

  • снижает точность стабилизации (может достигать 10%), при этом рост быстродействия релейных устройств неминуемо повышает погрешность в их работе;
  • способствует трансляции искажений сетевой синусоиды на выход устройства.

Релейная топология сохраняет и ряд минусов присущих электромеханическим изделиям:

  • работа стабилизатора не бесшумна – срабатывание сопровождается звуковым эффектом подобным щелчку;
  • реле подвержены механическому износу, в меньшей степени чем элементы сервопривода, но тенденция к ухудшению качества работы с увеличением срока эксплуатации сохраняется.

Применение. Релейные стабилизаторы подходят для защиты маломощных приборов в сетях, характеризующихся небольшими колебаниями напряжения. Вышеперечисленные недостатки говорят о недостаточном соответствии приборов этой группы требованиям по защите современной электроники, чувствительной к малейшим отклонениям питающего напряжения.

Тиристорные стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Данные устройства можно рассматривать как результат развития и усовершенствования дискретного принципа стабилизации. Их конструкция и принцип работы схожи с аппаратами релейной топологии. Главное различие состоит в том, что переключение обмоток автотрансформатора выполняют не реле, а полупроводниковые силовые ключи – тиристоры, увеличивающие точность стабилизации и делающие работу устройства практически бесшумной.

Преимущества. Исполнительные блоки на базе полупроводниковых элементов не имеют механических деталей и обеспечивают минимальное время реакции на изменение входного напряжения (однако некоторая задержка всё-таки сохраняется). Кроме бесшумной работы, быстродействия и увеличенной (относительно релейных моделей) точности стабилизации тиристорные стабилизаторы обладают следующими преимуществами:

  • долговечность и надежность – полупроводниковые компоненты не подвержены механическому износу и имеют большой рабочий ресурс;
  • широкий диапазон сетевого напряжения – возможна работа с большинством предельных отклонений;
  • отсутствие генерации электромагнитных помех при работе;
  • устойчивость к низким и высоким температурам окружающей среды;
  • скромные габариты и небольшой вес;
  • высокий КПД – отсутствие обмоток, реле и движимых элементов снижает уровень собственного энергопотребления.

Недостатки. Применение тиристорных ключей не способно полностью исключить основной недостаток дискретного принципа работы – ступенчатые скачки напряжения. Они неминуемо возникают при переключении трансформаторных обмоток и снижают точность стабилизации, повышение которой, как и в релейных моделях, негативно влияет на быстродействие устройства. Даже самые современные стабилизаторы на полупроводниковых элементах не гарантируют безразрывное электропитание и сигнал идеальной синусоидальной формы. Определённые проблемы могут возникнуть, например, при работе с профессиональным аудио-видео оборудованием – помехи создаваемые при ступенчатом переключении отрицательно скажутся на качестве картинки и звука. Ещё один минус тиристорных стабилизаторов – чувствительность к перегрузкам, которые могут привести к выходу из строя электронных ключей и дорогостоящему ремонту.

Рисунок 3 – Схема электронного стабилизатора напряжения

Симисторные стабилизаторы

Поскольку симисторы являются одним из типов тиристоров, то и принцип работы стабилизаторов на их базе существенно не различаются. Разница заключается в том, что в отличие от тиристоров, симисторы способны пропускать ток в обоих направлениях, поэтому нет необходимости в параллельно-встречном подключении двух тиристоров. Также при подключении индуктивной нагрузки симисторы более уязвимы для скачков напряжения, нежели тиристоры, и требуют дополнительной защиты. Хотя этот недостаток компенсируется тем, что в симисторных устройствах применяется более простая электронная схема.

В целом же симисторные стабилизаторы обладают теми же преимуществами, что и тиристорные:

  • низкий уровень шума при работе;
  • быстрое реагирование на сетевые изменения, скорость составляет 10-20 мс;
  • высокий уровень КПД, достигающий 98%, что выделяет их среди конкурентов более старых поколений;
  • устойчивость к перегрузкам – например, тиристорные стабилизаторы способны проработать до 12 часов при перегрузке в 20%;
  • долговечность прибора при работе на износ, но в то же время дорогостоящий ремонт в случае выхода из строя одного из компонентов;
  • способность выдерживать температурные перепады, но уязвимость для повышенных уровней влажности.

Также устройства не лишены некоторых недостатков:

  • низкая точность регулирования, обусловленная ступенчатой стабилизацией;
  • более габаритная конструкция, по сравнению с тиристорными стабилизаторами;
  • высокая стоимость в сравнении с релейными моделями.

Подводя итог по тиристорным и симисторным моделям следует уточнить, что по параметрам они не намного превосходят релейные стабилизаторы, хотя их стоимость выше и в случае возникновения неисправности замена электронных компонентов обойдется дороже. Тем не менее, такие приборы пользуются спросом и в домашних условиях, и на даче, поскольку неприхотливы к окружающей среде и в то же время не создают шума. Однако крайне не рекомендуется подключать высокоточное оборудование к тиристорным/симисторным стабилизаторам.

Инверторные стабилизаторы

Это наиболее «молодой» вид стабилизаторов – серийное производство начато в конце 2000-х годов. Инновационная конструкция и характеристики, недоступные для моделей других топологий, делают данные устройства прорывом в стабилизации электрической энергии.

Читайте также:  Что такое конечный выключатель — устройство и принцип работы

Устройство и принцип работы. Принцип действия данных устройств схож с on-line ИБП и построен на базе прогрессивной технологии двойного преобразования энергии. Сначала выпрямитель превращает входное переменное напряжение в постоянное, которое затем накапливается в промежуточных конденсаторах и подаётся на инвертор, осуществляющий обратное преобразование в переменное стабилизированное выходное напряжение. Инверторные стабилизаторы кардинально отличаются от релейных, тиристорных и электромеханических по внутреннему строению. В частности, в них отсутствует автотрансформатор и любые подвижные элементы, в том числе и реле. Соответственно, стабилизаторы двойного преобразования избавлены от недостатков, присущих трансформаторным моделям.

Преимущества. Алгоритм работы этой группы устройств исключает трансляцию любого внешнего возмущающего воздействия на выход, что обеспечивает полную защиту от большинства проблем электроснабжения и гарантирует питание нагрузки напряжением идеальной синусоидальной формы со значением максимально приближенным к номинальному (точность ±2%). Кроме того, инверторная топология устраняет все недостатки характерные другим принципам стабилизации электрической энергии и обеспечивает моделям, реализованным на её базе, уникальное быстродействие – стабилизатор реагирует на изменение входного сигнала мгновенно, без задержек во времени (0 мс)!

Другие важные преимущества инверторных стабилизаторов:

  • максимально широкие границы рабочего сетевого напряжения – от 90 до 310 В, при этом идеальная синусоидальная форма выходного сигнала сохраняется во всем указанном диапазоне;
  • непрерывное бесступенчатое регулирование напряжения – исключает ряд неприятных эффектов, связанных с переключением порогов стабилизации в электронных (релейных и полупроводниковых) моделях;
  • отсутствие автотрансформатора и подвижных механических контактов – повышает ресурс работы и снижает массу изделия;
  • наличие входного и выходного фильтров высоких частот – эффективно подавляют возникающие помехи (присутствуют не во всех моделях, характерны в частности для продукции ГК «Штиль» – ведущего производителя инверторных стабилизаторов).

Возникает закономерный вопрос – есть ли недостатки у инверторных устройств? Единственным и в то же время спорным недостатком является более высокая цена. Но учитывая технические требования современной бытовой техники и одновременно сохраняющуюся тенденцию перепадов сетевого напряжения, инверторные стабилизаторы сегодня являются самым экономически оправданным вариантом для постоянного пользования как в частных домах и загородных коттеджах, так и на промышленных объектах. Они гарантируют устойчивое, корректное функционирование дорогостоящей бытовой техники и чувствительных электронных устройств при любом качестве питающей электросети.

Рисунок 4 – Схема инверторного стабилизатора напряжения

Подробнее по этой теме читайте ниже:

Технические преимущества инверторных стабилизаторов «Штиль»


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.

Ссылка на основную публикацию