Стабилизаторы напряжения

Виды стабилизаторов напряжения

Стабилизатор электрического напряжения – это такое устройство, на выводе которого имеется возможность снимать электрическую энергию высокого качества (со стабильными параметрами по Uном. и fном.) при подачи на его ввод электрического тока  низкого качества (с не стабильными параметрами по Uном. и fном.).

Данные виды аппаратуры, в зависимости от того, с каким типом оборудования работают, выполняют различные функции:

• Предохраняют от перегрева электродвигатели, так как они теряют мощность и при падении частоты (завал частоты), и при устойчивом снижении величины Uном.
• Предохраняют полупроводниковые приборы, так они очень чувствительны даже к кратковременному повышению напряжения.
• Обеспечивают точность работы полупроводниковых приборов и компьютерной техники, так как при завале частоты их полупроводниковые элементы могут изменять свои характеристики.
• Служат дополнительным разделителем сети и тем самым предохраняют электроаппаратуру от коротких замыканий и грозовых перенапряжений во внешней распределительной сети.
• При работе с нагревательными устройствами обеспечивают заданное преобразование энергии с электрической в тепловую.

По выходным характеристикам стабилизаторы делятся на три большие группы:

• однофазные стабилизаторы;
• трехфазные стабилизаторы;
• стабилизаторы постоянного напряжения.

Стабилизирующие устройства в основном характеризуются той мощностью, которую они способны пропускать через себя, обеспечивая означенное качество электрического тока:

• в первую очередь, по напряжению;
• во вторую очередь, по частоте;
• в третью очередь, по быстродействию ответа на изменившиеся параметры входного электрического тока по Uном. и fном.

В зависимости от конкретного функционального назначения стабилизаторы выпускаются мощностью от сотен Вт до сотен КВт. От этого параметра зависят и физические параметры приборов:

• вес;
• габаритные размеры;
• дизайнерские решения;
• системы первичных и вторичных разъемов; и прочее.

Принцип работы

Физический смысл функционирования накопительного вида данных устройств заключается в накоплении электрической энергии с внешней сети и выдачей ее в сеть потребителя электрического тока со стабильными характеристиками.

В корректирующих устройствах подстройка параметров сети происходит за счет электромагнитных свойств материалов, из которых они сделаны и схемы соединения элементов конструкции устройства. Этого добиваются различными способами, поэтому промышленность выпускает стабилизаторы разных типов.

Корректирующие

 Ферромагнитные

Основой конструкции ферромагнитных электротехнических изделий служат два дросселя (катушки индуктивности) с сердечниками, один из которых имеет воздушный зазор, и конденсатор.

Особенностью насыщенного дросселя (ферромагнитный сердечник без зазора) является то, что его вольт-амперная характеристика (ВАХ) обеспечивает малую изменчивость выходных параметров Uном. и fном при значительных колебаниях силы тока, проходящего через катушку.

Способом подбора составляющих прибор элементов можно создать устройство, которое регулирует напряжение в больших приделах. Ферромагнитные приборы просты в производстве и потому они нашли большое распространение в быту.

Электромеханический стабилизатор напряжения

Это, по сути, трансформаторы с коэффициентом трансформации близким к «единице». Регулировка напряжения осуществляется за счет механического перемещения специального токосъемного узла по вторичной обмотке, согласованного с изменениями параметров тока на входных или выходных клеммах устройства.

Преимущества  этого типа изделий обеспечили им широкое применение и в быту и промышленности. Они выпускаются самых различных мощностей, как в трехфазном, так и однофазном исполнении.

Достоинства :

• не искажают синусоиду входного напряжения;
• просты в изготовлении и надежны в эксплуатации;
• способны удерживать заданные параметры выходного напряжения с высокой точностью

Нижеперечисленные недостатки значительно сужают сферы возможного применения этих электромеханических приборов:

• высокая вероятность оседание влаги на открытых токоведущих частях при падении температуры окружающей среды ниже точки росы;
• низкая скорость реагирования на изменения выходных параметров Uном. и fном. из-за механической инерционности токосъемного узла (графитовые ролики);
• сравнительно не большой и дискретный диапазон регулирования напряжения входного тока, который зависит от конструкционных особенностей аппаратов.

Электронные

В электронных стабилизаторах регулировка напряжения осуществляется через электронные ключи, которые переключают соответствующие клеммы на обмотках трансформатора в ответ на изменения входных и выходных характеристик электрического тока.

Ключи в настоящее время бывают двух типов:

• релейные;
• полупроводниковые (симисторные).

Неоспоримым достоинством электронных приборов является их исключительное быстродействие, поэтому они применяются для защиты дорогого оборудования от последствий переходных процессов при замыканиях и грозовых перенапряжениях во внешней питающей сети.

Особым типом электронных стабилизаторов являются приборы, в которых используется полупроводниковая схема широтно-импульсной модуляции. В данном случае регулировка осуществляется:

• или за счет изменения сопротивления регулирующего транзистора;
• или за счет высокочастотного включения-выключения (порядка несколько десятков килогерц) регулирующего элемента схемы (IGBT-транзистора).

Накопительные

Стабилизатор со схемой «двигатель-генератор»

Данные устройства, выравнивающие электрические параметры сети, состоят из двигателя, который подключен к внешней сети, и генератора электрического тока, который выдает ток для запитки оборудования.

Система обладает способностью накапливать значительную кинетическую энергию за счет массы вращающихся роторов двигателя и генератора и маховика, механически связанного с ними. Поэтому кратковременные колебания параметров внешней сети не влияют на параметры сети, питающей конкретное оборудование.

Промышленностью выпускаются достаточно мощные стабилизаторы такого типа и только трехфазные. Они используются для электроснабжения особо важных и стратегических объектов.

Феррорезонансный стабилизатор напряжения

Феррорезонансный стабилизатор обеспечивает параметры выходного электрического тока за счет электромагнитных свойств колебательно-резонансного контура «емкость-индуктивность», в котором происходит колебательный процесс накопленной с внешней сети энергии с определенной частотой.

Поэтому феррорезонансный стабилизатор способен обеспечивать постоянство выходного напряжения с точностью менее 1%, если потребляемая мощность питаемого оборудования будет ниже рабочей номинальной мощности самого прибора.

Достоинства бытовых феррорезонансных стабилизаторов предопределяют их применение для питания дорогостоящего оборудования, которое весьма требовательно к качеству потребляемого электрического тока:

• обеспечение выходного напряжения с точностью до 1% от номинального;
• низкая чувствительность к изменениям Uном. и fном во внешней сети;
• отсутствие подвижных узлов в схеме обеспечивает долговечность прибора;
• отсутствие высших гармоник в синусоиде выходного электрического тока;
• не чувствительность к изменениям частоты тока во внешней сети, так как колебательно-резонансный контур «емкость-индуктивность» имеет собственную частоту.

Инверторный стабилизатор напряжения двойного преобразования и источники бесперебойного питания (ИБП)

В схеме инверторного стабилизатора происходит превращение переменного электрического тока с накоплением электроэнергии в его емкостях и с последующей ее генерацией в виде переменного тока с заданными стабильными и устойчивыми параметрами.

ИБП работают по тому же физическому принципу, только электроэнергию в них накапливается в аккумуляторных батареях. Эта особенность позволяет питать оборудование от ИБПП некоторое время при пропадании внешнего электроснабжения.

Длительность питания от ИБПП без внешней подпитки зависит:

• от электрической емкости аккумуляторных батарей;
• от величины нагрузки на его выходных разъемах.

Использование инверторной схемы позволяет создавать такие стабилизаторы, которые способны обеспечивать высокотехнологичную и вычислительную технику электрическим током самого высокого качества.

К тому же незаменимым достоинством инверторной схемы является то, что она обеспечивает надежную дополнительную защиту оборудования от влияния высших гармоник, которые генерируются во внешней сети при грозовых перенапряжениях и коротких замыканиях на линии.

Как выбрать стабилизатор напряжения

Любые технические устройства создаются с конкретными параметрами для эффективного выполнения определенных функций. Поэтому при выборе стабилизатора необходимо определиться со следующими исходными данными:

• Потребляемой мощностью присоединяемого к прибору оборудования. Электротехнические устройства с наибольшей эффективностью и долговечностью работают с нагрузкой от 75% до 100% указанной в паспорте номинальной мощности.
  При постоянных перегрузках увеличивается нагрев прибора, что значительно уменьшает срок его эксплуатации.
• Если к стабилизатору подключен электродвигатель, то нужно учитывать тот факт, что при запуске электродвигатель потребляет электроэнергии в 3 – 4 раза больше, чем в номинальном режиме.
• С архитектурой оборудования, которое запитано от выравнивающего Uном. и fном. аппарата, чтобы выбрать конкретное устройство с необходимым количеством присоединений.
• С заявленными требованиями оборудования к качеству питающего его электрического тока.
• С заявленной системой предохранения аппаратуры от перегрузки, короткого замыкания, и импульсных всплесков перенапряжения.
• Параметры окружающей среды, в которой предполагается эксплуатация стабилизатора.

В технических паспортах, что прилагаются к электротехническим устройствам, в обязательном порядке указывается следующая информация:

• рабочая номинальная мощность изделия;
• количество фаз на входных и выходных клеммах;
• КПД прибора;
• системы защиты питаемого оборудования и непосредственно прибора от перегрузки, коротких замыканий и входного перенапряжения;
• пределы Uном. и fном. на вводе указываются конкретными цифрами;
• частота электрического тока во внешней сети;
• выходное напряжение с допустимым отклонением от Uном. в процентном выражении ;
• тип устройства;
• параметры окружающей среды, в которой допустима работа конкретного прибора;
• габариты устройства, его вес, количество и типы разъемов.

Дополнительной информацией считаются сведения:

• об индикации на панели управления прибора;
• о наличии вольтметров;
• о параметрах предохранителя и автоматического выключателя.

Сравнивая исходные данные со сведениями, полученными с технического паспорта прибора, можно с большой степенью достоверности определиться с выбором конкретного стабилизатора для питания бытового оборудования.

ИБП и стабилизатор напряжения для компьютера

ИБП, производимые американскими, русскими, европейскими и японскими фирмами относятся к однофазным стабилизаторам напряжения инверторного типа со встроенными свинцово-кислотными аккумуляторами.

Производятся приборы в основном с рабочей мощностью от 0.415 до 9.0 КВт, и в меньших количествах более мощные. Уже 5-киловаттные ИБПП пригодны для питания электрическим током высокого качества целой группы компьютеров, сетевого оборудования и серверов, поэтому они имеют 8 и больше однофазных разъемов с заземлением.

«Бесперебойники» большой рабочей мощности всегда обладают высокими техническими свойствами.

В частности:

• Они выравнивают входное напряжение до номинальных 220 В с точностью в +5% в довольно широких приделах: от 160 до 300 В.
• Обеспечивают разверстку выходного напряжения близкую до синусоидальной формы.
• Их аккумуляторные батареи обеспечивают питание при полной нагрузке при исчезновении напряжения в сети до 10 минут, а при половинной – до 25 минут.
• Поддерживается функция автоматического подключения сервера после исчезновения питания во внешней сети.

Гарантийное обслуживание таких приборов обеспечивается в течение 2 лет с момента их покупки, но не более 36 месяцев от даты изготовления.

Дизайн все ИБПП американских и европейских фирм демонстрирует исключительно функциональность электротехнических изделий. Это их стиль. Оформление ИБПП японских производителей более разнообразно и разнообразно.

Стабилизаторы для питания бытовых электроинструментов и техники

Быт современных людей наполняют довольно длинные перечни и электроинструментов (дрели, шуруповерты, электрические краскопульты, фены и прочее) и бытовой техники (холодильники, кондиционеры, телевизоры, нагреватели и очистители воздуха и т.д.).

Во всех них используются электрические двигатели или нагревательные элементы, которые значительно теряют в мощности при понижении питающего напряжения, что грозит им выходом со строя.

Еще хуже влияет на бытовую технику и электроинструменты перенапряжение (даже импульсное и кратковременное). Названные электроприборы от критического повышения напряжения свыше 230В могут просто перегореть.

Такая проблема в районах, в которые поставляется электроэнергия низкого качества, решается установкой надежного стабилизатора напряжения достаточной рабочей мощности.

Коэффициент пиковой нагрузки бытового потребителя электроэнергии составляет 55%.

Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что для обеспечения надежной работы бытовой техники и электроприборов желательно оборудовать домашние хозяйства стабилизаторами рабочей мощностью от 2 до 12 КВт. Разумеется, в каждом конкретном случае с выбором стабилизатора напряжения необходимо определяться индивидуально.

Надежное электроснабжение в быту

Целый ряд компаний выпускают специальные релейные автоматические стабилизаторы напряжения различной рабочей мощности  (до 20 КВт включительно) с отличными техническими характеристиками, назначением которых является регулировка напряжения для бытового оборудования квартир и частных домов.

Например, однофазный прибор этой фирмы марки Stabilia 5000 весом в 9.300 кг обладает кпд 98% при максимальной мощности в 5000 ВА. Он снабжен функционалом Байпас, который позволяет подключать качественное входное питание помимо своей системы стабилизации напряжения.

Общие технические параметры этого типа изделий:

• Пределы регулируемого напряжения – 140 – 270В;
• Напряжение в 220В на выходных клеммах поддерживается с точностью в 8%;
• Процесс регулировки осуществляется за менее чем 20 мс;
• Практически все напольные аппараты релейного типа имеют:
• релейную защиту от перегревов и перегрузок на автоматическом выключателе, который расположен на корпусе устройства;
• естественным воздушным охлаждением;
• блокираторы от непреднамеренного подключения функционала байпас;
• индикацию входного и выходного напряжений;
• отдельную индикацию повышенного и пониженного напряжения;
• индикацию подключения задержки;
• одну линию с винтовыми зажимами, к которой осуществляется подключение бытовая хозяйственная сеть;
• ручками для переноса;
• противоскользящими ножками.

Пользуются спросом однофазные стабилизаторы релейного типа отечественных компаний. Они бывают с рабочей мощностью от 5 КВт до 22 КВт включительно.

Примерные рабочие характеристики напольных релейных изделий максимальной пропускаемой через устройство мощностью 10 КВт с кпд 97%:

• поддерживаемое выходное напряжение 220 В с точностью ±8%;
• Iвх. номинальный – 50А;
• имеется 4 ступени регулирования на выходной обмотке;
• напряжение регулируется в пределах от 140В до 260В.

Все напольные стабилизаторы с релейной регуляцией напряжения модели весом до 30 кг оснащаются противоскользящими ножками, а весом свыше 30 кг – колесиками, и специальными ручками для транспортировки прибора.

Электрическая схема имеет защиту:

• по верхнему пределу входного напряжения – 270В;
• по нижнему пределу входного напряжения – 140В;
• защиту от перегрева в 75⁰С и выше, и токовой перегрузки;
• автоматический выключатель, встроенный в корпус прибора, защищает устройство от токов короткого замыкания.

Практически все релейные приборы регулировки Uном. имеют схожие электрические и технические характеристики, которые взаимосвязаны в отношении 1 КВт рабочей мощности стабилизатора на 2 кг его массы. Если это соотношение ниже 1КВт/2кг, то данный прибор будет более надежен в работе, нежели тот прибор, в котором соотношение его мощности к его весу выше 0.5.

Неисправности и ремонт

Стабилизаторы электрического напряжения всех типов можно отнести в разряд довольно устойчивого к поломкам оборудования. Именно поэтому производители обеспечивают им гарантийный сервис в течении 2-х, 3-х и даже 4-х лет.

Если же им обеспечивать соответствующее техническое обслуживание, то они могут безотказно служить и более длительный срок.

Техническое обслуживание

Обслуживание приборов стабилизации напряжения можно производить своими руками, не обладая даже минимальной специальной подготовкой, следующим образом:

• Произвести отключение устройства от внешней и внутренней сетей.
• Снять крышку с прибора.
• Очистить с помощью ручного пылесоса или крупно ворсистой щетки рабочую схему и подвижные части стабилизатора от пыли.
• Электромеханические устройства требуют смазки не реже одного раза в год специальным электротехническим жиром, который можно приобрести в магазинах.
• Графитовый токосъемник нужно менять на новый не реже одного раза в два года. При интенсивной регулировке входного напряжения – чаще.
• Для релейных приборов необходимость замены регулирующих реле оценивается по степени интенсивности их работы. Это можно определить по подгоранию поверхности контактов.
• Закрыть крышку устройства.

Именно пыль, особенно в сочетании с влагой, служит основной причиной:

• замыканий в схеме электронного устройства;
• перекрытия изоляционных материалов при всплесках напряжения в результате переходных процессов при коммутации;
• залипания подвижных частей реле;
• появления искрения на токосъемных частях электромеханических стабилизаторов.

Замена релейных и транзисторных ключей

Если продлить срок службы реле можно тщательной очисткой его от нагара, то транзисторный ключ при выходе со строя подлежит безусловной замене.

В случае необходимости замены ключей в электронных стабилизаторах запасные части лучше всего приобретать у официального производителя конкретного прибора. Ключи одной модели устройства могут существенно отличаться по своим физическим параметрам от ключей другой модели.

Очистка контактов реле производится в следующей последовательности:

• Снимается крышка конкретного реле.
• Реле освобождается от прижимающей пружины.
• Оба контакта очищаются от нагара «нулевкой» (тип наждачной бумаги) до появления серебристого блеска металла.
• Производится дополнительная очистка контактов с помощью или высокооктанового бензина или 70% технического спирта.
• Ставится на место прижимающая пружина.
• Крышка очищенного реле закрывается.

Своими руками можно производить разве что замену аккумуляторных батарей, которые исчерпают свой технический ресурс, а он бывает довольно длительным, если батареи редко полностью разряжались.

Замена второстепенных элементов стабилизирующих приборов

К второстепенным элементам устройства можно отнести:

• автоматический выключатель;
• индикаторные светодиоды;
• индикаторное табло;
• клеммы, разъемы, розетки, заземляющие проводники;
• вентилятор принудительного воздушного охлаждения.

Все эти элементы устройства играют значительную роль в повышении эффективной эксплуатации стабилизатора, но их замена при выходе со строя не требует глубоких электротехнических знаний и навыков пайки полупроводниковых элементов, так как они не включены в основную электронную схему прибора.

Промышленные 3-х фазные стабилизаторы напряжения

Крупные стабилизаторные установки применяются на объектах с промышленным потреблением электроэнергии для предотвращения возникновения ситуаций, несущих угрозы:

• здоровью и жизни людей;
• негативных экологических последствий природной экосистеме;
• больших финансовых потерь,
• которые могут быть вызваны нестабильностью параметров электрического тока. Во многих отраслях постоянно применяется оборудование, которое очень чувствительно к колебаниям частоты и напряжения в питающей их сети:
• государственные объекты управления, воинских частей и военной промышленности, телекоммуникаций, больницы, поликлиники, лаборатории;
• объекты бизнеса (комбинаты, заводы, фабрики, фермы разведения животных, птиц, рыбы, офисы);
• объекты водо-, газо- и теплоснабжения, канализационные коммуникации и очистные сооружения;
• банки;
• объекты химической и электроэнергетической промышленности.

На таких производствах к стандартам допустимых колебаний напряжений предъявляются на много более жесткие требования, чем к бытовым стандартам. Например, при работе, а тем более при запуске, оборудования большой потребляемой мощности (в сотни КВт и даже в несколько МВт) на значительных участках линий электропередач обязательно происходит «просадка» напряжения.

Таким образом, создаются своеобразные промышленные трехфазные источники бесперебойного питания.

Это сложное оборудование, поэтому существуют электротехнические фирмы, которые специализируется именно на производстве промышленных 3-х фазных стабилизаторов. Диапазон мощностей электронных устройств, выпускаемых такими компаниями, необычайно широк:

• от 2 КВт весом в 100 кг до 250 КВт весом в 980 кг с одними характеристиками; и
• от 60 КВт весом в 650 кг до 5000 КВт весом в 4000 кг с несколько отличными характеристиками.

Кроме производства основных линеек электронных изделий фирмами производятся специальные модели, сделанные для конкретного заказчика с повышенной рабочей мощностью до 6000 КВА.

Основные технические параметры 3-фазных промышленных аппаратов:

• регулируемое входное напряжение, в % от Uном. – ±20%;
• напряжение выходное, подаваемое на оборудование, в % от Uном. – 0,5%;
• скорость регулировки напряжения, в мс/В – 12.

Промышленные стабилизаторы на специализированном заводе по заказу клиентов могут оснащаться, кроме стандартных защитных механизмов, дополнительными защитными устройствами.

Они могут отключать аппарат, например, в том случае, если на выходных клеммах величины напряжения ниже или выше означенных в паспорте приделов: 141 – 285В; 130 – 300В и т.п.

Текущее и сервисное обслуживание

Существуют компании по предоставлению услуг по сервисному обслуживанию оборудования стабилизирующего напряжение с определенной периодичностью от 1 раза в месяц и реже.

Они включает в себя следующие работы:

• внешний осмотр установки и всех подходящих и отходящих от нее фидеров и соединений;
• очистка от загрязнения и пыли всех поверхностей и вентиляционных решеток;
• осмотр контактов, плат, разъемов, теплоотвода и проводников на вопрос механических, тепловых (перегрева) и электрических повреждений;
• очистка контактов и рабочих плат;
• анализ аварий и поломок оборудования, если они были, и регулировка технических параметров стабилизатора;
• составление рекомендаций по дальнейшей эксплуатации установки.

Текущее обслуживание производится обученным постоянным персоналом промышленного объекта, приобретшего стабилизаторы большой мощности.

Специалисты должны знать как обращаться с устройствами, способными в своих рабочих элементах накоплять и сохранять электрическую энергию, представляющую опасность для жизни человека.

Производители стабилизаторов

Все фирмы, производящие и  продающие электротехнические изделия, выравнивающие потребительское напряжение и частоту, можно разделить на три группы:

1. специализирующиеся исключительно на их производстве;
2. компании, в которых стабилизаторы находятся в ряде наименований основной электротехнической продукции;
3. фирмы, для которых эти электроаппараты являются побочным продуктом.

Торговые марки APC и Ippon выпускают ИБПП практически всех рабочих мощностей, необходимых для оснащения солидных офисов с разветвленными сетями вычислительной техники.

Такие производители компьютерных аксессуаров и мониторов, как: Huter, Elitech, Defender выпускают ИБПП малых и средних рабочих мощностей настенного и напольного исполнения.

Их основными клиентами являются не офисы, а бытовые потребители, поэтому к техническим характеристикам продукции этих торговых марок предъявляются не такие строгие правила, как к продукции тех фирм, у которых ИБПП являются одними из главных товаров.

В частности:

• Выравнивание входного напряжения к 220В осуществляется в пределах 100 – 250В с точностью +5%.
• Допускается искажение синусоиды выходного электрического тока.
• При исчезновении питания во внешней сети батареи прибора обеспечивают работу в течение 5 – 15 минут.
• Отсутствует функция автоматического подключения потребителя к питания после его аварийного исчезновения.

Также целесообразно использовать ИБПП с невысокими техническими характеристиками для питания:

• охранных систем с низким уровнем потребления;
• аварийного освещения в системах защиты людей при возникновении пожара или других стихийных бедствий.

Известные компании Quattro Elementi и Resanta  выпускают ряд линеек релейных автоматических стабилизаторов различной рабочей мощности  (до 20 КВт включительно) с отличными техническими характеристиками, которые предназначены для обеспечения квартир и частных домов электрическим током со стабильными параметрами.

Также можно приобрести однофазные релейные стабилизаторы напольного и настенного исполнения затребованных рабочих мощностей от 0.400 КВт до 22 КВт следующих торговых марок:

• Elitec ;
• RUCELF;
• Sven;
• Suntek;
• Uniel;
• ORTEA.

Практически единственной фирмой, которая поставляет на рынок трехфазные промышленные стабилизаторы больших мощностей, является итальянская электротехническая компания  ORTEA.