АВТОМАТИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

С явлениями нестабильности электроснабжения, выражающимися в перерывах питания и отклонениях показателей качества электроэнергии от нормальных величин, сталкивался каждый из нас.

Одним из способов защиты от этих факторов – применение местных стабилизирующих устройств. В этой статье мы попытаемся разобраться, для чего нужен стабилизатор напряжения, что это такое , виды и типы стабилизаторов.

Нормализация параметров электроснабжения – обязательное условие для промышленного электронного оборудования, чувствительного к изменению параметров электропитания.

В цепях бытовых электропотребителей, стабилизация показателей качества электроэнергии обеспечивает защиту электроприборов, установленных в доме или квартире, ламп освещения, котлов отопления продлевая срок их службы. Эту функцию выполняют стабилизаторы напряжения.

Существуют модели, с различными схемотехническими решениями:

• электромеханические;
• релейные;
• электронные;
• инверторные.

В основе конструкций первых трёх типов – автотрансформатор с изменяемым числом витков первичной обмотки. Суть процесса стабилизации сводится к следующему: при увеличении или уменьшении величины входного напряжения, изменяется коэффициент трансформации путём переключения витков первичной обмотки, чем обеспечивается номинальный уровень электропитания на выходе.

В приборах электромеханического типа, изменение числа витков осуществляется за счет скользящего контакта, перемещающегося по оголённой части регулировочной обмотки. Регулирование напряжения при этом происходит с шагом в один виток. Такое регулирование можно назвать плавным.

Регулировочная обмотка стабилизирующих устройств релейного типа разделена на секции, каждая из которых имеет выводы (или отпайки). Процесс регулирования носит ступенчатый характер, так как увеличение или уменьшение количества витков происходит дискретно, целыми секциями.

Регулировочной (или вольтодобавочной) обмоткой называется та часть первичной обмотки автотрансформатора, в пределах которой происходит регулирование.

То есть, в электромеханических стабилизаторах это наружный слой обмотки без изоляционного слоя, по которому движется скользящий контакт. В устройствах релейного типа, это – часть обмотки, ограниченная крайними выводами, к которым подключены реле.

Кроме способа регулировки стабилизирующие устройства различаются по количеству фаз. В зависимости от того, для каких сетей они предназначены, стабилизаторы бывают:

• однофазные;
• трёхфазные.

Большая часть трёхфазных стабилизаторов представляют три однофазных регулятора, объединённых в одном корпусе.

Существуют нюансы при стабилизации параметров электропитания в трёхфазных системах. На некоторых объектах электроснабжения отсутствуют трёхфазные потребители электрической энергии.

В таких случаях, распределение по фазам отдельных однофазных ветвей схемы производится с учетом обеспечения симметричности нагрузки, то есть, равенства электрической мощности, подключенной к каждой из трёх фаз.

На таких объектах допустима замена стабилизатора напряжения трёхфазного на три однофазных, которые могут располагаться в разных местах, что иногда бывает очень удобно.

Например, если в трёхэтажном здании нагрузка по фазам распределена поэтажно, то однофазные стабилизаторы можно смонтировать в силовых или осветительных щитах на каждом этаже.

В случае использования на объекте трёхфазных электродвигателей или трансформаторов, применение описанной раздельной пофазной стабилизации нежелательно. Связано это с тем, что трёхфазные стабилизирующие устройства оборудованы системами контроля симметричности фаз, отключающими нагрузку при больших перекосах напряжения в разных фазах.

Если при этом применяются не связанные между собой стабилизаторы напряжения однофазные, то электрические двигатели будут продолжать работать в неполнофазном режиме, что как известно, приводит к их повреждению.

ЭЛЕКТРОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

Электронными принято называть такие приборы стабилизации, в электрической схеме которых, функции переключения отпаек регулировочной обмотки автотрансформатора выполняют не контакты электромагнитных реле, а электронные ключи, построенные на симисторах или тиристорах.

Ниже представлена структурная схема симисторного стабилизатора напряжения, в котором переключение секций обмоток осуществляется ключами на симисторах.

На схеме изображён электронный стабилизатор напряжения, имеющий семь ступеней регулирования, то есть, регулировочная обмотка имеет семь выводов, к каждому из которых подключен симисторный ключ. Симистор, или симметричный тиристор представляет собой электронный полупроводниковый прибор, обладающий управляемой проводимостью в двух направлениях.

Открытие ключа происходи при подаче отпирающего потенциала на управляющий электрод. Иногда вместо симисторных ключей применяются ключи на тиристорах.

Поскольку тиристор обладает односторонней проводимостью, для использования в цепях переменного тока в тиристорных стабилизаторах напряжения используется аналог симистора, составленный из двух тиристоров, включенных встречно – параллельно. Каждый тиристор такого ключа пропускает одну полуволну тока в течение периода.

Управление электронными ключами производится микроконтроллером, постоянно отслеживающим уровень параметров питания на входе и на выходе стабилизирующего устройства. Алгоритм управления исключает одновременное открытие более одного ключа.

Электронный стабилизатор работает аналогично релейному, различие в уровне управляющих импульсов. В релейных устройствах, импульс соответствует потенциалу срабатывания реле, в электронных – величине отпирающего потенциала симисторного или тиристорного ключа.

Другая важная характеристика – диапазон изменения входного напряжения – зависит от общего объёма обмотки регулирования. Чем он больше, тем более значительные отклонения сетевого напряжения стабилизатор может скомпенсировать. Но для обеспечения высокой точности регулирования, обмотка должна быть разделена на достаточно мелкие секции, что при большом её объёме заставляет применять большой количество отпаек отпаек, которое вызывает увеличение количества ключей, веса и громоздкости конструкции.

При разработке стабилизаторов приходится искать компромиссное решение, обеспечивающее важнейшие технические характеристики на достаточном уровне.

Стабилизаторы электронного типа превосходят релейные по скорости переключения. Отсутствие контактов механического типа, работа которых сопровождается искрением, позволяет использовать электронные приборы в условиях повышенной взрывоопасности, что неприемлемо для устройств релейного типа.

ИНВЕРТОРНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Развитие инверторной технологии привело к созданию стабилизирующих устройств принципиально нового вида. Инверторные стабилизаторы являются приборами двойного преобразования.

Принцип работы.

Сетевое напряжение, поступающее на вход стабилизатора, проходит через фильтр, задерживающий высокочастотные помехи и поступает на выпрямитель. Для сглаживания пульсаций, после выпрямителя устанавливается конденсатор большой ёмкости, который одновременно является накопителем энергии.

После этого выпрямленный сигнал поступает на инвертор, являющийся основной частью схемы. После инвертирования постоянного сигнала генерируется переменное синусоидальное напряжение заданной амплитуды.

Основными элементами инвертора являются IGBT – транзисторы, работа которых управляется микропроцессорным контроллером.

Стабилизатор инверторного типа не производит регулирования выходного сигнала в зависимости от уровня входного, он просто создает выходной сигнал требуемого вида и амплитуды.

Инверторные приборы превосходят стабилизаторы другого вида по всем основным техническим характеристикам:

• точности стабилизации, обычно не превышающей 1%;
• диапазону изменения напряжения на входе;
• скорости реагирования на изменение параметров сетевого питания.

Иногда приходится сталкиваться с вопросами такого свойства: сетевой фильтр или стабилизатор напряжения, что лучше? Теперь, ознакомившись с принципами работы и параметрами основных типов стабилизаторов, каждому станет ясно, что такая постановка вопроса совершенно неправомерна.

Сетевой фильтр – это обычно набор нескольких пассивных элементов (конденсаторов и дросселей), служащих для защиты от высокочастотных помех, поступающих из сети.

То есть, сетевой фильтр не производит процесс стабилизации и не защищает оборудование от опасных скачков сетевого напряжения.