Разновидности стабилизаторов напряжения — подробный обзор типов.
Нормы качества сетевого напряжения
Все бытовые устройства в наших домах производятся с характеристиками, соответствующими стандартам электропитания. Естественно, эти стандарты могут различаться в зависимости от страны. Например, в США напряжение в розетках составляет 110 вольт, а не 220 вольт, как у нас. Если интересует «типы стабилизаторов напряжения», это связано с важной задачей обеспечения стабильности электропитания в разных условиях.
- Российский ГОСТ 13109-97 регламентирует бытовое электропитание по таким параметрам:
- уровень входного напряжения — 220В ± 5% с предельным отклонением ± 10%
- частота — 50 ± 0,2 Гц с предельным отклонением ± 0,4 Гц
- коэффициент несинусоидальности — до 8% с предельным отклонением до 12%.
Конечно, в зависимости от страны, стандарты могут отличаться. Например, в США в розетках не 220 вольт, а 110. Но производимая в каждой конкретной стране техника должна соответствовать принятым в ней стандартам.
И она соответствует. Но есть другая проблема. Далеко не всегда параметры сети находятся в полном соответствии с заданным стандартом.
Вот возьмём нашу прекрасную страну. Какие объективные причины препятствуют соблюдению ГОСТа в области электропитания?
Прежде всего, это техническое несовершенство отечественных электросетей, старые трансформаторные подстанции, рост нагрузки на электросети со стороны населения отдельных коттеджных поселков, дачных районов. Да, в отдельно взятой Москве вполне благополучная обстановка с соблюдением ГОСТа 13109-97. Но давайте отъедем дальше. Даже совсем недалеко, за МКАД, в какой-нибудь поселок Раменского района (наша комапания «Стабы.ру» часто там устанавливает стабилизаторы).
Что мы там увидим? Что у многих жителей стоят стабилизаторы напряжения. Причем не на отопительные котлы, для которых стабилизатор является обязательным атрибутом даже в крупных городах. Установлены стабилизаторы на весь дом. Совсем не от хорошей жизни. Просто интенсивная застройка Подмосковья увеличивает нагрузку на местные электросети.
Где-то успевают менять трансформаторы, а где-то они стоят еще с прошлого века. В этом случае напряжение просаживается и ни о каком соблюдении стандарта уже речь не идёт.
И низкое и высокое напряжение негативно влияет на работу электроприборов (стиральные машины, компьютеры, холодильники, микроволновые печи, насосы, электрокотлы, системы охраны и т.п.).
Избавиться от возможных финансовых потерь из-за поломки электрооборудования, можно с помощью включения стабилизаторов напряжения. Они подключаются последовательно между токоприемником, бытовым прибором и электросетью.
Требования к регулируемым стабилизаторам определяются тем же ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
Какие бывают стабилизаторы напряжения?
Стабилизаторы напряжения (СН) по принципу действия делят на: ступенчатые, феррорезонансные, электромеханические, гибридные, стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора, системы с двойным преобразованием энергии и высокочастотные транзисторные регуляторы. Причем системы с двойным преобразованием энергии и высокочастотные транзисторные регуляторы не доступны пока пользователям и пока находятся в стадии разработки, а стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора ограничены по диапазону регулировки и имеют значительный коэффициент несинусоидальности, что не делает их конкурентоспособными другим типам стабилизаторов напряжения.
Релейные стабилизаторы
Релейный тип стабилизаторов напряжения можно назвать самым распространенным в России благодаря низкой стоимости. Релейные СН относятся к классу автотрансформаторных устройств со ступенчатым регулированием напряжения путем переключения отводов (обмоток) силового автотрансформатора с помощью электромеханических силовых реле. То есть повышение/понижение напряжения на выходе СН идет параллельно его повышению/понижению на входе стабилизатора.
Основа конструкции релейного устройства – наличие особой вольтодобавочной катушки, которая несколько сходна в работе с трансформатором. Однако при этом принцип ее работы связан не с трансформированием, а просто с добавлением недостающего вольтажа. От данной катушки идут выходы, которые при помощи наличия реле поочередно подсоединяются к выходу устройства. При этом тип подключения полностью зависит от вольтажа, а управляет всем данным механизмом особая плата управления. Она и катушка составляют основные части стабилизационного устройства релейного типа. Все остальные комплектующие относятся к информационным и вспомогательным обслуживающим деталям.
Принцип работы релейного стабилизатора
В зависимости от того, какова мощность устройства, реле могут быть размещены как на корпусе, так и на плате. В процессе деятельности плата проводит анализ напряжения на входе, а также проверяет его на выходе. Проанализировав данный показатель, плата управления подает команду на включение того или иного реле, что позволяет добавить или снизить напряжение. Реле включаются ступенчато. При этом скорость их подключения очень высокая (вплоть до 5 — 7 мсек). Всего ступеней в устройстве может быть от четырех и до девяти. Чем меньше ступеней в устройстве, тем выше погрешность работы устройства. В среднем все же погрешность не слишком высока, так что стабилизаторы обеспечивают высокое качество стабилизации.
Рабочий диапазон напряжений
В среднем стабилизаторы релейного типа работают в очень широком диапазоне, но при разных его показателях будет разная погрешность работы. По вполне понятным причинам, чем ниже отклонение напряжения в сети от нормы в 220 Вольт, тем четче будет работать стабилизатор, хотя и при критических отклонениях стабилизатор не оставит вашу технику без защиты, продолжая в меру своих возможностей регулировать входное напряжение. Просто при этом, скорее всего, добиться показателя в 220 Вольт будет сложнее, так как в данном случае (при более широком диапазоне регулирования) погрешность стабилизационного устройства будет выше. Именно поэтому, если у вас дома или в офисе перепады напряжения имеют большое отклонение от нормы, лучше отдать преимущество автоматическому стабилизатору, а в остальных случаях прекрасно справится с возложенными на него обязанностями и релейное устройство.
Рассмотрим схему переключения обмоток ступенчатого СН на примере одного из классических релейных стабилизаторов.
Схема переключения отводов силового трансформатора релейного стабилизатора
Точность выходного напряжения составляет 220В±8%, т.е. 203-237В (согласно ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения» продаваемое в России бытовое электрооборудование должно работать при напряжении 220В±10%). Например, если входное напряжение составляет 190В, то на выходе регулируемый СН будет выдавать 228В, при повышении входного напряжения на 5В — на выходе будет 233В (идет параллельно с входным), однако при дальнейшем повышении U входного до 200В, произойдет переключение обмотки стабилизатора и на выходе будет уже 218В. При падении напряжения на входе принцип действия аналогичен, но стоит отметить, что, например, при повышении входного напряжения до 210В, на выходе будет 230В, а при понижении Uвходного до 210В — на выходе из стабилизатора будет 210В. Такова особенность данного типа СН.
Из вышесказанного можно также сделать вывод, что релейный стабилизатор не может постоянно на выходе показывать напряжение ровно 220В!
Если СН постоянно показывает на дисплее выходное напряжение «220», то стоит задуматься — а действительно ли оно 220В или просто светодиоды у дисплея выложены в форме цифры «220» и он в принципе не может показывать другое число…
Стоит отметить, что точность стабилизации напряжения на выходе зависит от количества ступеней (ключей) автотрансформатора — чем больше обмоток у вольтодобавочного трансформатора, тем точнее напряжение на выходе, но тем и выше цена регулятора.
Одним из главных достоинств релейного СН является высокая скорость регулировки напряжения в сети 220 вольт — производители заявляют о времени стабилизации от 20 мс, однако в реальной эксплуатации это время составляет порядка 0,1-0,15 секунды и как правило не зависит от величины скачка напряжения (при точности стабилизации 8% скорость составляет более 250В/сек, при точности стабилизации в 5% — около 180 В/сек).
О достоинствах релейных стабилизаторов
- К достоинствам релейного типа стабилизаторов относятся:
- малые габариты, так как в вольтодобавочном трансформаторе циркулируют только компенсирующие мощности нагрузки;
- широкий диапазон регулировки входного напряжения (нередко нижний уровень начинается с напряжения 100 вольт, а верхний заканчивается на 280 вольтах);
- допускаемая длительная перегрузка в 110% от номинальной и перегрузочная способность до двукратной в течение 4 секунд, так как реле непосредственно цепь нагрузки не коммутирует и работает в более благоприятном режиме — с меньшими токами;
- не искажает форму синусоиды тока на выходе, низкая чувствительность к частоте и искажениям входного напряжения;
- широкий температурный режим эксплуатации (как правило, -20…+40 градусов Цельсия), ограниченный температурной характеристикой применяемых реле;
- низкая стоимость по сравнению с другими типами СН;
- практически бесшумная работа при изменении напряжения в сети (периодический шум от щелчков релейных ключей ниже, чем от постоянного перемещения щетки сервоприводной модели);
- долговечность работы зависит в большинстве случаев только от качества переключающих реле и может доходить до 10 лет (в большей степени это касается релейных моделей российского производства).
О недостатках релейных стабилизаторов
Главным же недостатком релейного (как и электронного) СН можно назвать как раз ступенчатый способ стабилизации.
Если использовать данный стабилизатор, например, на всю квартиру или коттедж, то, при точности выходного напряжения (U) более 2%, в светильниках с лампами накаливания (к которым относятся и галогенные лампы) будет заметно резкое изменение накала лампы (освещенности) при переключениях обмоток СН (то есть при отработке просадок и всплесков напряжения).
К недостаткам же стоит отнести и то, что чем более точен стабилизатор на выходе, тем меньше скорость стабилизации напряжения, так как чем точнее стабилизатор, тем больше в нем обмоток трансформатора, следовательно большее количество ступеней (реле) нужно будет переключить прежде, чем всплеск напряжения будет отработан.
Релейный стабилизатор напряжения рекомендуется выбирать с запасом по мощности 20-30%, особенно это актуально для дешевых марок, у которых номинальная мощность часто бывает завышена.
Большинство продаваемых в России СН релейного типа производятся в Китае, хотя некоторые и утверждают, что их стабилизаторы произведены в Европе или Прибалтике. Но при этом продавцы не могут ответить на вопрос, почему такие «европейские» стабилизаторы стоят дешевле, чем произведенные на крупных китайских предприятиях.
Феррорезонансные стабилизаторы
В СССР первые феррорезонансные модели появились в 60-х годах. Это был первый тип советских стабилизаторов напряжения. Необходимость в его появлениии была связана с началом массового производства различной бытовой техники и обеспечении её качественного электропитания. Основными элементами феррорезонансных стабилизаторов являлись: трансформатор, конденсатор, входной и фильтрующий дроссель. Мощность таких устройств была невелика(обычно 200-300 ватт), т.к. основными потребителями были маломощные телевизоры, магнитофоны и радиоаппаратура.
Используют феррорезонансные стабилизаторы в своей работе эффект феррорезонанса напряжения, возникающего в контуре трансформатор-конденсатор. Феррорезонансные устройства довольно быстро реагируют на кратковременные изменения U, имеют высокую надежность, работают устойчиво в широком диапазоне входных напряжений и не требуют особого контроля. Особенность вольтамперной характеристики насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов обеспечивалась стабилизация U при изменении входного U в достаточно широких пределах, но незначительное изменение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики устройств.
Но их недостаток — зависимость их выходного напряжения от колебания частоты питающей электрической сети, также из-за большой шумности при работе, искажении формы входного U и его зависимости от частоты тока, недопустимости эксплуатации при больших перегрузках и в режимах «холостого хода» применяются довольно ограниченно.
На рынке сейчас можно найти малочисленные модели феррорезонансных стабилизаторов напряжения марки KONZEPT (Германия) и SOLA (Австралия). Стоимость таких устройств впечатляет. Например, стоимость немецкого стабилизатора Konzept на 3 кВт составляет аж 200 тысяч рублей (5 тысяч евро), а диапазон входного напряжения довольно узок — 161-253 вольт.
Ступенчатые стабилизаторы
Стабилизаторы со ступенчатым регулированием работают с использованием автоматической коммутации обмоток автотрансформатора посредством силовых реле, тиристоров или симисторов. Они дешевы, имеют высокое быстродействие при отсутствии синусоидальных искажений, работают на «холостом ходу» и отличаются значительным КПД. Поэтому несмотря на некоторые ограничения точности стабилизации из-за ступенчатого изменения напряжения на входе сегодня наиболее востребованы и применяются для стабилизации напряжения и защиты техники почти повсеместно (частные хозяйства, квартиры, офисы и т.д.).
Отсутствие механических деталей и механического износа позволяют продлить срок службы стабилизатора, что позволяет давать на изделия большую гарантию. Так, например, на марку Энерготех даётся гарантия 5 лет. В целом, плюсы и минусы релейных и электронных ступенчатых СН совпадают.
Точно так же точность стабилизации U на выходе зависит от количества обмоток трансформатора, но чем больше этих ступеней, тем ниже скорость отработки скачков напряжения. Именно поэтому в устройствах Volter повышенной точности (модификации ПТ с точностью стабилизации 220В+2В/-3В и ПТТ с точностью 220В+0,7В/-1,5В) для повышения скорости стабилизации используется двухкаскадная система регулирования: первый каскад стабилизации регулирует напряжение грубо, а далее, пройдя «первичную обработку», напряжение доводится до требуемой точности ключами второго каскада — это как два стабилизатора в одном, только ключи управляются одним процессором, что синхронизирует работу каскадов.
Основные недостатки электронных стабилизаторов — низкая перегрузочная способность (порядка 20-40% в течение нескольких секунд) и большая чувствительность к помехам сети. Из-за того, что в электронных стабилизаторах используются полупроводниковые элементы, усложняется конструкция и, как следствие, повышается цена такого регулятора.
Электромеханические стабилизаторы
По другому их еще называют сероприводные стабилизаторы (электромеханические следящие системы). Они используют автотрансформатор, включенный в первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, и следящий блок из электродвигателя и системы управлением электродвигателя.
Однофазные электромеханические стабилизаторы мощностью до 3000ВА (вольтампер) имеют, как правило, один автотрансформатор и один щеточный узел (двухщеточные СН не нашли широкого применения из-за более высокой цены), модели мощностью 5-10кВА обычно еще оснащаются и вольтодобавочным трансформатором. Мощные однофазные электромеханические СН могут быть с двумя или тремя трансформаторами.
Трехфазный стабилизатор напряжения конструктивно представляет собой три однофазных стабилизатора с общей защитной электроникой.
Самым главным преимуществом устройств электромеханического типа является плавность регулировки U и высокая точность стабилизации при относительно низкой стоимости. Эти СН имеют высокую точность регулировки при отсутствии помех, могут работать при больших перегрузках, недоступных другим СН, и имеют широкий диапазон возможной регулировки. К недостаткам электромеханических следящих систем относят ограниченный ресурс службы, довольно низкое быстродействие и ограниченность использования из-за открытого скользящего электрического контакта.
Примеры торговых марок электромеханических стабилизаторов: RUCELF (Китай), VoTo (Китай), Schuntermann (Германия), NiCOM (США), ORTEA (Италия). 
Инверторные стабилизаторы
Новый тип стабилизаторов напряжения, стремительно набирающий популярность в России. Основан на двойном преобразовании — из переменного в постоянное, а затем снова из постоянного в переменное напряжение.
Громоздкий трансформатор в данном типе не нужен, поэтому его массо-габаритные параметры лучше всех. Нет необходимости и в постоянном мониторинге входного напряжения. Каким бы оно не было, всё равно проходит через инвертор.
Большинство инверторных моделей могут работать от 90 вольт. Мощность при таком низком уровне напряжения снижается, но на выходе все равно почти идеальные 220 вольт. Средняя погрешность — 1%.
Основной производитель инверторных стабилизаторов — Штиль.
Если интересует дополнительная информация, читайте наш обзор по рынку инверторных стабилизаторов.
Гибридные стабилизаторы
Под гибридными стабилизаторами подразумеваются модели с комбинированным принципом переключения трансформаторной обмотки. На российском рынке можно встретить, например, релейно-электромеханические и релейно-симисторные модели. Остановимся подробнее на гибридных стабилизаторах, имеющих в своей конструкции релейные и симисторные ключи. Много подобных моделей представлено у российского производителя Вольт Инжиниринг. Они сконструированы по схеме шунтирования (создания резервного пути для входного напряжения) симисторами и резисторами контактной группы во время коммутации. Переключение трансформаторной обмотки выполняют симисторные ключи, а удержание — релейные. На время переключения нагрузка не отключается, а притягивается к электросети через шунтирующий резистор.
Часто при подробном изучении технических характеристик стабилизаторов Вольт Гибрид потребители делают заключение, что время их переключения составляет 100 мс. Это немало, т.к. другие электронные стабилизаторы обычно успевают переключиться за 20 мс. Но подобное заключение неверно. Гибрид НЕ переключается в течение 100 мс! Это время «принятия решения» при изменении входного напряжения. Существенное отличие.
Представим, что в электросети произошёл скачок напряжения или возникли какие-то помехи. В этом случае Гибрид в течение 100 мс будет непрерывно анализировать входное напряжение. Если напряжение не стабилизировалось, то произойдет шунтирование контактной группы. На время переключения реле (до 10 мс) вся нагрузка пройдёт через резистор. Заметим, что напряжение при этом не пропадает как у других ступенчатых стабилизаторов. После переключения релейных ключей вся нагрузка с резистора снимается и начинает снова идти через реле. Весь процесс переключения реле-симистор-реле занимает до 10 мс!
В случае, если бросок напряжения выше верхнего рабочего предела (310-325 В — для разных моделей) — стабилизатор отключается для обеспечения безопасности подключенного оборудования. Таким образом гибридные стабилизаторы имеют существенное преимущество перед другими релейными аналогами. При кратковременных скачках входного напряжения они не переключают постоянно реле «туда-сюда», не делают резких ненужных движений по его переключению. За счёт этого увеличивается надёжность всей схемы и ресурс реле (самой «слабой» части в релейных стабилизаторах).
Подробнее о процессе производства гибридных стабилизаторов Вольт Инжиниринг можно прочитать в статье.
Устаревшие типы стабилизаторы
В советское время выпускались и другие типы стабилизаторов, которые впоследствии видоизменились. СН, как правило, выпускались с линейным сопротивлением в виде выделенного ненасыщенного дросселя, а также с магнитным шунтом. Стабилизаторы с магнитным шунтом, например, отличались от регуляторов переменного напряжения сети с линейным дросселем тем, что в них в качестве линейного сопротивления используется индуктивность рассеяния магнитного потока на пути от первичной ко вторичной обмотке.
Эта индуктивность усиливается при помощи внешнего или внутреннего магнитного шунта, создающего благоприятные условия для замыкания через него магнитного потока рассеяния, минуя вторичную обмотку автотрансформатора. СН этого типа, так же как и устройства с линейным сопротивлением, имеют те же элементы схемы — нелинейное звено в виде параллельного феррорезонансного контура, компенсационную обмотку и фильтр высших гармонических составляющих.
- Читайте другие статьи по стабилизаторам напряжения:
- Как выбрать стабилизатор напряжения?
- Релейные стабилизаторы напряжения
- Тиристорные стабилизаторы напряжения
- Электромеханические стабилизаторы напряжения
- Инверторные стабилизаторы напряжения
- Гибридные стабилизаторы напряжения
Где находится стабилизатор напряжения?
Стабилизаторы напряжения обычно находятся внутри здания, например, в комнате или в электрощите. Они могут быть установлены в нескольких местах, в зависимости от ваших потребностей в электроэнергии и размера вашего здания. Важно убедиться, что стабилизатор находится в защищенном и сухом месте, чтобы он мог надежно выполнять свою функцию.