Что такое стабилизатор напряжения и как он работает?

Что такое стабилизатор напряжения и зачем он нам нужен? Работа стабилизатора, типы и области применения

Введение в стабилизатор:

Внедрение технологии микропроцессорных микросхем и силовых электронных устройств в конструкцию интеллектуальных стабилизаторов переменного напряжения (или автоматические регуляторы напряжения (АРН)) позволили обеспечить качественное, стабильное электроснабжение в случае значительных и длительных отклонений сетевого напряжения.

В отличие от традиционных стабилизаторов напряжения релейного типа, современные инновационные стабилизаторы используют высокопроизводительные цифровые схемы управления и полупроводниковые схемы управления, которые устраняют необходимость в регулировке потенциометром и позволяют пользователю устанавливать требования к напряжению с помощью клавиатура с возможностью запуска и остановки выхода.

Это также привело к тому, что время срабатывания или чувствительность стабилизаторов стали очень низкими, обычно менее нескольких миллисекунд, кроме того, это можно настроить с помощью переменной настройки. В настоящее время стабилизаторы стали оптимизированным решением для питания многих электронных устройств, чувствительных к колебаниям напряжения, и они нашли работу со многими устройствами, такими как станки с ЧПУ, кондиционеры, телевизоры, медицинское оборудование, компьютеры, телекоммуникационное оборудование и так далее.

Что такое стабилизатор напряжения?

Это электроприбор, предназначенный для подачи постоянного напряжения. к нагрузке на своих выходных клеммах независимо от изменений входного или входящего напряжения питания. Он защищает оборудование или машину от перенапряжения, пониженного напряжения и других скачков напряжения.

Его также называют автоматический регулятор напряжения (АРН). . Стабилизаторы напряжения предпочтительны для дорогостоящего и ценного электрооборудования, чтобы защитить его от вредных колебаний низкого/высокого напряжения. Некоторым из этого оборудования являются кондиционеры, офсетные печатные машины, лабораторное оборудование, промышленные машины и медицинское оборудование.

Стабилизаторы напряжения регулируют колебания входного напряжения до того, как оно будет подано на нагрузку (или оборудование, чувствительное к колебаниям напряжения). Выходное напряжение стабилизатора будет оставаться в пределах 220В или 230В при однофазном питании и 380В или 400В при трехфазном питании, в заданном диапазоне колебаний входного напряжения. Это регулирование выполняется операциями понижения и повышения, выполняемыми внутренней схемой.

Сегодня на рынке доступно огромное количество автоматических регуляторов напряжения. Это могут быть однофазные или трехфазные агрегаты в зависимости от типа применения и требуемой мощности (кВА). Трехфазные стабилизаторы выпускаются в двух версиях:модели со сбалансированной нагрузкой и модели с несимметричной нагрузкой.

Они доступны либо в виде отдельных блоков для бытовой техники, либо в виде большого стабилизатора для всей бытовой техники в определенном месте, например во всем доме. Кроме того, это могут быть блоки стабилизаторов как аналогового, так и цифрового типа.

К распространенным типам стабилизаторов напряжения относятся стабилизаторы с ручным управлением или переключаемые стабилизаторы, автоматические стабилизаторы релейного типа, полупроводниковые или статические стабилизаторы и стабилизаторы с сервоприводом. В дополнение к функции стабилизации, большинство стабилизаторов имеют дополнительные функции, такие как отсечка низкого напряжения на входе/выходе, отсечка высокого напряжения на входе/выходе, отсечка при перегрузке, запуск и остановка выхода, ручной/автоматический запуск, отображение отключения напряжения, переключение при нулевом напряжении. и т. д.

Зачем нужны стабилизаторы напряжения?

Как правило, каждое электрооборудование или устройство рассчитано на широкий диапазон входного напряжения. В зависимости от чувствительности рабочий диапазон оборудования ограничен определенными значениями, например, одно оборудование может выдерживать ± 10 процентов от номинального напряжения, а другое ± 5 процентов или меньше.

Колебания напряжения (повышение или понижение величины номинального напряжения) довольно распространены во многих областях, особенно на оконечных линиях. Наиболее распространенными причинами скачков напряжения являются освещение, неисправности электрооборудования, неисправная проводка и периодическое отключение устройства. Эти колебания создают проблемы с электрическим оборудованием или приборами.

Продолжительное перенапряжение

• Необратимое повреждение оборудования
• Повреждение изоляции обмоток
• Нежелательное прерывание загрузки
• Увеличение потерь в кабелях и сопутствующем оборудовании.
• Уменьшение срока службы прибора.

Продолжительное время работы под напряжением

• Неисправность оборудования
• Большие периоды работы (как в случае резистивных нагревателей)
• Снижена производительность оборудования.
• Пропускание больших токов, что в дальнейшем приводит к перегреву.
• Ошибки вычислений
• Снижена скорость моторов.

Таким образом, стабильность и точность напряжения определяют правильную работу оборудования. Таким образом, стабилизаторы напряжения гарантируют, что колебания напряжения на входящем источнике питания не повлияют на нагрузку или электроприбор.

Как работает стабилизатор напряжения?

Основной принцип стабилизатора напряжения для выполнения операций понижения и повышения

В стабилизаторе напряжения коррекция напряжения при повышенном и пониженном напряжении выполняется с помощью двух основных операций, а именно повышает и понижает. . Эти операции могут выполняться вручную с помощью переключателей или автоматически с помощью электронных схем. В условиях пониженного напряжения операция повышения напряжения увеличивает напряжение до номинального уровня, а операция понижения снижает уровень напряжения в условиях повышенного напряжения.

Концепция стабилизации заключается в добавлении или уменьшении напряжения в сети и от нее. Для выполнения такой задачи в стабилизаторе используется трансформатор, который по разным схемам соединен с коммутационными реле. В некоторых стабилизаторах используется трансформатор с ответвлениями на обмотке для обеспечения различных корректировок напряжения, в то время как в сервостабилизаторах используется автотрансформатор для обеспечения широкого диапазона коррекции.

Чтобы понять эту концепцию, давайте рассмотрим простой понижающий трансформатор номиналом 230/12В, и его связь с этими операциями приведена ниже.

На рисунке выше показана повышающая конфигурация, в которой полярность вторичной обмотки ориентирована таким образом, что ее напряжение непосредственно добавляется к первичному напряжению. Следовательно, в случае пониженного напряжения трансформатор (будь то РПН или автотрансформатор) переключается с помощью реле или полупроводниковых переключателей, так что к входному напряжению добавляются дополнительные вольты.

На приведенном выше рисунке трансформатор подключен по схеме компенсации, при этом полярность вторичной обмотки ориентирована таким образом, что ее напряжение вычитается из первичного напряжения. Схема переключения переключает соединение с нагрузкой на эту конфигурацию в условиях перенапряжения.

На рисунке выше показан двухступенчатый стабилизатор напряжения, в котором используются два реле для обеспечения постоянной подачи переменного тока на нагрузку во время перенапряжения и в условиях пониженного напряжения. Переключая реле, можно выполнять операции понижения и повышения напряжения для двух определенных колебаний напряжения (например, одно пониженное напряжение, скажем, 195 В, а другое — перенапряжение, скажем, 245 В).

В случае отводов стабилизаторов трансформаторного типа разные отводы переключаются в зависимости от требуемой величины повышающего или понижающего напряжения. Но в случае стабилизаторов автотрансформаторного типа двигатели (серводвигатель) используются вместе со скользящим контактом для получения повышающего или понижающего напряжения от автотрансформатора, поскольку он содержит только одну обмотку.

Типы стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения стали неотъемлемой частью многих электроприборов в быту, промышленности и коммерческих системах. Ранее управляемые вручную или переключаемые стабилизаторы напряжения использовались для повышения или понижения входящего напряжения, чтобы обеспечить выходное напряжение в желаемом диапазоне. Такие стабилизаторы строятся с электромеханическими реле в качестве коммутационных устройств.

Позже дополнительные электронные схемы автоматизировали процесс стабилизации и породили автоматические регуляторы напряжения РПН. Другим популярным типом стабилизатора напряжения является сервостабилизатор, в котором коррекция напряжения осуществляется непрерывно без какого-либо переключения. Давайте обсудим три основных типа стабилизаторов напряжения.

Стабилизаторы напряжения релейного типа

В стабилизаторах напряжения этого типа регулировка напряжения осуществляется путем переключения реле таким образом, чтобы один из отводов трансформатора подключался к нагрузке (как описано выше). выше) независимо от того, предназначено ли оно для работы в режиме форсирования или торможения. На рисунке ниже показана внутренняя схема стабилизатора релейного типа.

Он имеет электронную схему и набор реле помимо трансформатора (который может быть тороидальным или трансформатором с железным сердечником с ответвлениями на его вторичной обмотке). Электронная схема состоит из схемы выпрямителя, операционного усилителя, блока микроконтроллера и других крошечных компонентов.

Электронная схема сравнивает выходное напряжение с опорным значением, полученным от встроенного источника опорного напряжения. Всякий раз, когда напряжение поднимается или падает ниже опорного значения, схема управления переключает соответствующее реле, чтобы подключить желаемое ответвление к выходу.

Эти стабилизаторы обычно изменяют напряжение при колебаниях входного напряжения от ±15 до ±6 процентов с точностью выходного напряжения от ±5 до ±10 процентов. Этот тип стабилизаторов чаще всего используется для приборов низкого класса в жилых, коммерческих и промышленных целях, поскольку они имеют малый вес и низкую стоимость. Однако у них есть несколько ограничений, таких как медленная скорость коррекции напряжения, меньшая долговечность, меньшая надежность, прерывание пути питания во время регулирования и неспособность выдерживать скачки высокого напряжения.

Стабилизаторы напряжения с сервоуправлением

Они называются просто сервостабилизаторами (работают на сервомеханизме, который также известен как отрицательная обратная связь), и название предполагает, что он использует серводвигатель для обеспечения коррекции напряжения. Они в основном используются для обеспечения высокой точности выходного напряжения, обычно ±1 процент при изменении входного напряжения до ±50 процентов. На рисунке ниже показана внутренняя схема сервостабилизатора, которая включает в себя серводвигатель, автотрансформатор, понижающий повышающий трансформатор, драйвер двигателя и схему управления в качестве основных компонентов.

В этом стабилизаторе один конец первичной обмотки понижающего повышающего трансформатора подключен к фиксированному отводу автотрансформатора, а другой конец подключен к подвижному рычагу, управляемому сервоприводом. мотор. Вторичная обмотка повышающего трансформатора соединена последовательно с входным питанием, которое представляет собой не что иное, как выход стабилизатора.

Электронная схема управления определяет падение и повышение напряжения путем сравнения входного сигнала со встроенным источником опорного напряжения. Когда схема находит ошибку, она приводит в действие двигатель, который, в свою очередь, перемещает плечо автотрансформатора. Это может питать первичную обмотку понижающего повышающего трансформатора, так что напряжение на вторичной обмотке должно соответствовать желаемому выходному напряжению. В большинстве сервостабилизаторов используется встроенный микроконтроллер или процессор для схемы управления, обеспечивающей интеллектуальное управление.

Эти стабилизаторы могут быть однофазными, трехфазными симметричными или трехфазными несимметричными. В однофазном типе серводвигатель, соединенный с регулируемым трансформатором, обеспечивает коррекцию напряжения. В случае трехфазного симметричного типа серводвигатель соединен с тремя автотрансформаторами, так что стабилизированная выходная мощность обеспечивается во время колебаний путем регулировки выходной мощности трансформаторов. В сервостабилизаторах несимметричного типа три независимых серводвигателя соединены с тремя автотрансформаторами и имеют три отдельные цепи управления.

Существуют различные преимущества использования сервостабилизаторов по сравнению со стабилизаторами релейного типа. Некоторые из них - более высокая скорость коррекции, высокая точность стабилизированного выхода, способность выдерживать пусковые токи и высокая надежность. Однако они требуют периодического обслуживания из-за наличия двигателей.

Стабилизаторы напряжения

Как следует из названия, статический стабилизатор напряжения не имеет движущихся частей, как механизм серводвигателя в случае сервостабилизаторов. Он использует схему силового электронного преобразователя для регулирования напряжения, а не вариатор в случае обычных стабилизаторов. С помощью этих стабилизаторов можно добиться большей точности и превосходного регулирования напряжения по сравнению с сервостабилизаторами, и обычно регулирование составляет ±1 процент.

Он состоит из повышающего трансформатора, преобразователя мощности IGBT (или преобразователя переменного тока в переменный) и микроконтроллера, микропроцессора или контроллера на основе DSP. Преобразователь IGBT, управляемый микропроцессором, генерирует необходимое количество напряжения с помощью метода широтно-импульсной модуляции, и это напряжение подается на первичную обмотку понижающего повышающего трансформатора. Преобразователь IGBT вырабатывает напряжение таким образом, что оно может быть в фазе или на 180 градусов не в фазе входного линейного напряжения, чтобы выполнять сложение и вычитание напряжения во время колебаний.

Всякий раз, когда микропроцессор обнаруживает падение напряжения, он посылает импульсы ШИМ на IGBT-преобразователь таким образом, что он генерирует напряжение, равное величине отклонения от номинального значения. Этот выход находится в фазе с входным питанием и подается на первичную обмотку повышающего трансформатора. Поскольку вторичная обмотка подключена к входной линии, индуцированное напряжение будет добавлено к входному источнику питания, и это скорректированное напряжение подается на нагрузку.

Аналогично, повышение напряжения заставляет схему микропроцессора посылать импульсы ШИМ таким образом, что преобразователь выдает напряжение с отклоненной величиной, которое на 180 градусов не совпадает по фазе с входным напряжением. Это напряжение на вторичной обмотке понижающего повышающего трансформатора вычитается из входного напряжения, так что выполняется операция понижения.

Эти стабилизаторы очень популярны по сравнению со стабилизаторами с переключением ответвлений и стабилизаторами с сервоуправлением из-за множества преимуществ, таких как компактный размер, очень быстрая скорость коррекции, превосходное регулирование напряжения, отсутствие необходимости в техническом обслуживании. к отсутствию движущихся частей, высокой эффективности и высокой надежности.

Разница между стабилизатором напряжения и регулятором напряжения

Здесь возникает важный, но сбивающий с толку вопрос:в чем именно заключается различие(я) между Стабилизатором и Регулятором. ? Что ж... Оба выполняют одно и то же действие, то есть стабилизируют напряжение, но основное различие между стабилизатором напряжения и регулятором напряжения :

Стабилизатор напряжения: Это устройство или схема, предназначенная для подачи постоянного напряжения на выход без изменения входного напряжения.

Регулятор напряжения: Это устройство или схема, предназначенная для подачи постоянного напряжения на выход без изменения тока нагрузки.

Как правильно выбрать стабилизатор напряжения?

Прежде чем покупать стабилизатор напряжения для электроприбора, необходимо учесть несколько факторов. Эти факторы включают потребляемую электроприбором мощность, уровень колебаний напряжения в месте установки, тип электроприбора, тип стабилизатора, рабочий диапазон стабилизатора (на который стабилизатор подается правильное напряжение), отсечку по перенапряжению/понижению напряжения, тип схема управления, тип монтажа и другие факторы. Здесь мы дали основные шаги, которые следует учитывать перед покупкой стабилизатора для вашего приложения.

• Проверьте номинальную мощность устройства, которое вы собираетесь использовать со стабилизатором, изучив данные на паспортной табличке (вот примеры:паспортная табличка трансформатора, паспортная табличка MCB, паспортная табличка конденсатора и т. д.) или из руководства пользователя изделия.
• Поскольку стабилизаторы оцениваются в кВА (так же, как и в случае с трансформатором, рассчитанным в кВА, а не в кВт), также можно рассчитать мощность, просто умножив напряжение устройства на максимальный номинальный ток.
• Рекомендуется добавить запас прочности к рейтингу стабилизатора, обычно 20–25 процентов. Это может быть полезно для будущих планов по добавлению дополнительных устройств к выходу стабилизатора.
• Если мощность прибора указана в ваттах, учитывайте коэффициент мощности при расчете мощности стабилизатора в кВА. Наоборот, если номинал стабилизаторов указан в кВт, а не в кВА, умножьте коэффициент мощности на произведение напряжения и тока.

ниже приведен живой и решенный пример, который как выбрать стабилизатор напряжения подходящего размера для ваших электроприборов

Предположим, мощность прибора (кондиционера воздуха или холодильника) составляет 1 кВА. Таким образом, безопасный запас в 20 процентов составляет 200 Вт. Прибавив эти ватты к фактической мощности, мы получим мощность 1200 ВА. Поэтому для прибора предпочтительнее стабилизатор на 1,2 кВА или 1200 ВА. Для бытовых нужд предпочтительны стабилизаторы мощностью от 200 ВА до 10 кВА. А для коммерческого и промышленного применения используются одно- и трехфазные стабилизаторы с большим номиналом.

Надеемся, что предоставленная информация будет информативной и полезной для читателя. Мы хотим, чтобы читатели высказали свое мнение по этой теме и ответили на простой вопрос — для чего предназначена функция связи RS232/RS485 в современных стабилизаторах напряжения, в разделе комментариев ниже.