Стабилизаторы напряжения: назначение, принцип работы, типы и применение

Что такое стабилизатор напряжения и зачем он нужен? Принцип работы, типы и применение

Введение в стабилизаторы:

Внедрение микропроцессорных технологий и силовой электроники в проектирование интеллектуальных стабилизаторов переменного напряжения (или автоматических регуляторов напряжения (AVR)) позволило производить высококачественную, стабильную электропитание при значительных и непрерывных отклонениях напряжения сети.

Как развитие по сравнению с обычными релейными стабилизаторами напряжения, современные инновационные стабилизаторы используют высокопроизводительные цифровые схемы управления и схемы управления на твердотельных элементах, которые устраняют регулировку потенциометров и позволяют пользователю устанавливать требования к напряжению через клавиатуру, с функцией пуска и остановки выхода.

Это также привело к тому, что время срабатывания или отзывчивость стабилизаторов стало очень малым, обычно менее нескольких миллисекунд, кроме того, это можно регулировать с переменными настройками. В наши дни стабилизаторы стали оптимизированным решением питания для многих электронных приборов, чувствительных к колебаниям напряжения, и они находят применение во многих устройствах, таких как станки с ЧПУ, кондиционеры, телевизоры, медицинское оборудование, компьютеры, телекоммуникационное оборудование и так далее.

Что такое стабилизатор напряжения?

Это электрическое устройство, предназначенное для подачи постоянного напряжения на нагрузку на его выходных клеммах независимо от изменений во входном или входящем напряжении питания. Он защищает оборудование или машину от перенапряжения, недостаточного напряжения и других скачков напряжения.

Он также называется автоматическим регулятором напряжения (AVR). Стабилизаторы напряжения предпочтительны для дорогого и ценного электрооборудования, чтобы защитить их от вредных колебаний низкого/высокого напряжения. К таким оборудованию относятся кондиционеры,.offset печатные машины, лабораторное оборудование, промышленные машины и медицинский аппарат.

Стабилизаторы напряжения регулируют колеблющееся входное напряжение до того, как оно может быть подано на нагрузку (или оборудование, чувствительное к вариациям напряжения). Выходное напряжение от стабилизатора останется в диапазоне 220В или 230В в случае однофазного питания и 380В или 400В в случае трехфазного питания, в заданном диапазоне колебаний входного напряжения. Эта регулировка осуществляется операциями понижения (buck) и повышения (boost), выполняемыми внутренней схемой.

Существует огромное множество автоматических регуляторов напряжения на сегодняшнем рынке. Они могут быть одно- или трехфазными блоками в зависимости от типа приложения и требуемой мощности (кВА). Трехфазные стабилизаторы выпускаются в двух версиях: как модели с балансированной нагрузкой и с небалансированной нагрузкой.

Они доступны либо как выделенные блоки для приборов, либо как большой блок стабилизатора для всех приборов в определенном месте, скажем, во всем доме. Кроме того, они могут быть либо аналоговыми, либо цифровыми типами блоков стабилизаторов.

Общие типы стабилизаторов напряжения включают ручные или переключаемые стабилизаторы, автоматические релейного типа стабилизаторы, твердотельные или статические стабилизаторы и сервоконтролируемые стабилизаторы. Помимо стабилизирующей функции, большинство стабилизаторов поставляются с дополнительными функциями, такими как отключение по низкому/высокому входному/выходному напряжению, отключение по перегрузке, функция пуска и остановки выхода, ручной/автозапуск, индикация отключения по напряжению, коммутация при нулевом напряжении и т.д.

Зачем нужны стабилизаторы напряжения?

Обычно каждое электрическое оборудование или устройство предназначено для широкого диапазона входного напряжения. В зависимости от чувствительности, рабочий диапазон оборудования ограничен конкретными значениями, например, некоторое оборудование может терпеть ±10% от номинального напряжения, в то время как другие ±5% или меньше.

Колебания напряжения (повышение или понижение величины номинального напряжения) довольно распространены во многих районах, особенно на конечных линиях. Наиболее частые причины колебаний напряжения — молнии, электрические неисправности, неисправная проводка и периодическое отключение устройства. Эти колебания создают проблемы для электрооборудования или приборов.

Длительное перенапряжение приведет к

• Постоянному повреждению оборудования
• Повреждению изоляции обмоток
• Нежелательным перебоям в нагрузке
• Увеличению потерь в кабелях и связанном оборудовании
• Снижению ресурса прибора

Длительное пониженное напряжение приведет к

• Неисправностям оборудования
• Удлинению рабочих периодов (как в случае резистивных нагревателей)
• Снижению производительности оборудования
• Потреблению больших токов, что далее приводит к перегреву
• Вычислительным ошибкам
• Снижению скорости двигателей

Таким образом, стабильность и точность напряжения определяют правильную работу оборудования. Стабилизаторы напряжения поэтому гарантируют, что колебания напряжения во входящем питании не влияют на нагрузку или электроустройство.

Как работает стабилизатор напряжения?

Основной принцип стабилизатора напряжения для выполнения операций Buck и Boost

В стабилизаторе напряжения коррекция напряжения от условий перенапряжения и пониженного напряжения выполняется через две основные операции, а именно boost (повышение) и buck (понижение) операции. Эти операции могут выполняться вручную переключателями или автоматически через электронную схему. При условии пониженного напряжения операция boost повышает напряжение до номинального уровня, в то время как операция buck снижает уровень напряжения при условии перенапряжения.

Концепция стабилизации заключается в добавлении или вычитании напряжения к и от сетевого питания. Для выполнения такой задачи стабилизатор использует трансформатор, который подключен в различных конфигурациях с коммутирующими реле. Некоторые стабилизаторы используют трансформатор с отводами на обмотке для обеспечения разных коррекций напряжения, в то время как сервостабилизаторы используют автотрансформатор для широкого диапазона коррекции.

Для понимания этой концепции рассмотрим простой понижающий трансформатор номиналом 230/12В и его подключение с этими операциями, приведенные ниже.

На рисунке выше показана конфигурация повышения (boost), в которой полярность вторичной обмотки ориентирована так, что ее напряжение напрямую добавляется к первичному напряжению. Поэтому в случае условия пониженного напряжения трансформатор (будь то с переключением отводов или автотрансформатор) переключается реле или твердотельными ключами так, что дополнительные вольты добавляются к входному напряжению.

На рисунке выше трансформатор подключен в конфигурации понижения (buck), где полярность вторичной катушки ориентирована так, что ее напряжение вычитается из первичного напряжения. Коммутационная схема переключает подключение к нагрузке на эту конфигурацию при условии перенапряжения.

На рисунке выше показан двухстадийный стабилизатор напряжения, который использует два реле для обеспечения постоянного переменного тока нагрузке при условиях перенапряжения и пониженного напряжения. Переключая реле, можно выполнять операции buck и boost для двух конкретных колебаний напряжения (одно — пониженное напряжение, например, 195В, а другое — перенапряжение, скажем, 245В).

В случае стабилизаторов типа с трансформатором с отводами, разные отводы переключаются на основе требуемого количества напряжений boost или buck. Но в случае стабилизаторов типа автотрансформатор, моторы (сервопривод) используются вместе с скользящим контактом для получения напряжений boost или buck от автотрансформатора, так как он содержит только одну обмотку.

Типы стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения стали неотъемлемой частью многих электрических приборов дома, промышленности и коммерческих систем. Ранее использовались ручные или переключаемые стабилизаторы напряжения для повышения или понижения входящего напряжения, чтобы дать выходное напряжение в желаемом диапазоне. Такие стабилизаторы построены с электромеханическими реле как коммутирующими устройствами.

Позже дополнительная электронная схема автоматизировала процесс стабилизации и дала рождение автоматическим регуляторам напряжения с переключением отводов. Еще один популярный тип стабилизатора напряжения — сервостабилизатор, в котором коррекция напряжения осуществляется непрерывно без какого-либо переключения. Рассмотрим три основных типа стабилизаторов напряжения.

Релейного типа стабилизаторы напряжения

В этом типе стабилизаторов напряжения регулирование напряжения осуществляется путем переключения реле для подключения одного из нескольких отводов трансформатора к нагрузке (как обсуждалось выше) будь то для операции повышения или понижения. На рисунке ниже показана внутренняя схема релейного стабилизатора.

У него есть электронная схема и набор реле بجانب трансформатора (который может бытьтороидальным или железяным сердечником с отводами на вторичной обмотке). Электронная схема состоит из выпрямительной схемы, операционного усилителя, микроконтроллера и других мелких компонентов.

Электронная схема сравнивает выходное напряжение с эталонным значением, предоставляемым встроенным эталонным источником напряжения. Всякий раз, когда напряжение поднимается или падает за эталонное значение, схема управления переключает соответствующее реле для подключения желаемого отвода к выходу.

Эти стабилизаторы обычно меняют напряжение для вариаций входного напряжения ±15% до ±6% с точностью выходного напряжения ±5% до ±10%. Этот тип стабилизаторов наиболее широко используется для приборов низкой мощности в жилых, коммерческих и промышленных приложениях, так как они легкие и дешевые. Однако они страдают несколькими ограничениями, такими как низкая скорость коррекции напряжения, меньшая долговечность, меньшая надежность, прерывание пути питания во время регулирования и неспособность выдерживать высокие скачки напряжения.

Сервоконтролируемые стабилизаторы напряжения

Эти называются просто сервостабилизаторы (работают на сервомеханизме, который также известен как отрицательная обратная связь), и название подразумевает, что он использует сервопривод для обеспечения коррекции напряжения. Они в основном используются для высокой точности стабилизированного выходного напряжения, обычно ±1% при изменении входного напряжения до ±50%. На рисунке ниже показана внутренняя схема сервостабилизатора, включающая сервопривод, автотрансформатор, buck-boost трансформатор, драйвер мотора и схему управления как основные компоненты.

В этом стабилизаторе один конец первичной обмотки buck-boost трансформатора подключен к фиксированному отводу автотрансформатора, в то время как другой конец подключен к движущемуся контакту, управляемому сервоприводом. Вторичная обмотка buck-boost трансформатора подключена последовательно с входящим питанием, что и есть выход стабилизатора.

Электронная схема управления обнаруживает просадку и повышение напряжения, сравнивая входное с встроенным эталонным источником напряжения. Когда схема находит ошибку, она управляет мотором, который в свою очередь двигает контакт на автотрансформаторе. Это может запитать первичную обмотку buck-boost трансформатора так, что напряжение на вторичной должно быть желаемым выходным напряжением. Большинство сервостабилизаторов используют встроенный микроконтроллер или процессор для схемы управления для достижения интеллектуального управления.

Эти стабилизаторы могут быть однофазными, трехфазными сбалансированными типами или трехфазными небалансированными блоками. В однофазном типе сервопривод, соединенный с переменным трансформатором, достигает коррекции напряжения. В случае трехфазного сбалансированного типа, сервопривод соединен с тремя автотрансформаторами так, что стабилизированный выход обеспечивается во время колебаний путем регулировки выхода трансформаторов. В небалансированном типе сервостабилизаторов три независимых сервопривода соединены с тремя автотрансформаторами и у них три отдельные схемы управления.

Существует несколько преимуществ использования сервостабилизаторов по сравнению с релейными стабилизаторами. 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 моторов.

Статические стабилизаторы напряжения

Как следует из названия, статический стабилизатор напряжения не имеет движущихся частей, как сервопривод в случае сервостабилизаторов. Он использует схему силового электронного преобразователя для достижения регулирования напряжения вместо вариатора в случае обычных стабилизаторов. Эти стабилизаторы позволяют достичь более высокой точности и отличного регулирования напряжения по сравнению с сервостабилизаторами, и обычно регулирование составляет ±1%.

Он по существу состоит из buck-boost трансформатора, IGBT силового преобразователя (или AC-AC преобразователя) и контроллера на базе микроконтроллера, микропроцессора или DSP. Микропроцессорно-управляемый IGBT преобразователь генерирует соответствующее количество напряжения методом широтно-импульсной модуляции, и это напряжение подается на первичную обмотку buck-boost трансформатора. IGBT преобразователь производит напряжение таким образом, что оно может быть в фазе или на 180 градусов вне фазы с входящим линейным напряжением, чтобы выполнять сложение и вычитание напряжений во время колебаний.

Всякий раз, когда микропроцессор обнаруживает просадку напряжения, он посылает PWM импульсы к IGBT преобразователю так, что он генерирует напряжение, равное отклонению от номинального значения. Этот выход в фазе с входящим питанием и подается на первичную обмотку buck-boost трансформатора. Поскольку вторичная подключена к входящей линии, индуцированное напряжение будет добавлено к входящему питанию, и это скорректированное напряжение подается на нагрузку.

Аналогично, повышение напряжения заставляет микропроцессорную схему посылать PWM импульсы так, что преобразователь выдаст отклоняющееся напряжение, которое находится на 180 градусов вне фазы с входящим напряжением. Это напряжение на вторичной обмотке buck-boost трансформатора вычитается из входного напряжения, так что выполняется операция buck.

Эти стабилизаторы очень популярны по сравнению с отводными и сервоконтролируемыми стабилизаторами благодаря широкому множеству преимуществ, таких как компактные размеры, очень высокая скорость коррекции, отличное регулирование напряжения, отсутствие обслуживания из-за отсутствия движущихся частей, высокая эффективность и высокая надежность.

Разница между стабилизатором напряжения и регулятором напряжения

Здесь поднимается важный, но запутывающий вопрос: в чем именно разница между стабилизатором и регулятором? Ну... Оба выполняют одно и то же действие — стабилизацию напряжения, но главная разница между стабилизатором напряжения и регулятором напряжения заключается в:

Стабилизатор напряжения: Это устройство или схема, предназначенная для подачи постоянного напряжения на выход без изменений во входном напряжении.

Регулятор напряжения: Это устройство или схема, предназначенная для подачи постоянного напряжения на выход без изменений в токе нагрузки.

Как выбрать правильный по размеру стабилизатор напряжения?

Прежде всего нужно учитывать несколько факторов перед покупкой стабилизатора напряжения для прибора. Эти факторы включают мощность, требуемую прибором, уровень колебаний напряжения, которые испытываются в районе установки, тип прибора, тип стабилизатора, рабочий диапазон стабилизатора (в каком диапазоне стабилизатор будет корректировать напряжения), отключение по перенапряжению/пониженному напряжению, тип схемы управления, тип монтажа и другие факторы. Здесь приведены основные шаги для рассмотрения перед покупкой стабилизатора для вашего применения.

• Проверьте номинальную мощность аппарата, который вы собираетесь использовать со стабилизатором, по данным на шильдике (здесь примеры: шильдик трансформатора, шильдик автомата, шильдик конденсатора и т.д.) или из руководства пользователя.
• Поскольку стабилизаторы номинально оцениваются в кВА (как и в случае трансформаторов, номинально оцениваемых в кВА вместо кВт), также можно рассчитать ваттаж, просто умножив напряжение прибора на максимальный номинальный ток.
• Рекомендуется добавить запас прочности к номиналу стабилизатора, обычно 20–25%. Это может быть полезно для будущих планов по добавлению дополнительных устройств к выходу стабилизатора.
• Если прибор номинально оценен в ваттах, учитывайте коэффициент мощности при расчете кВА номинала стабилизатора. Напротив, если стабилизаторы номинально оценены в кВт вместо кВА, умножьте коэффициент мощности на произведение напряжения и тока.

Ниже приведен живой и решенный пример того, как выбрать правильный по размеру стабилизатор напряжения для вашего электроустройства(ств)

Предположим, прибор (кондиционер или холодильник) номинально оценен как 1 кВА. Следовательно, безопасный запас 20% составляет 200 ватт. Сложив эти ватты с фактическим номиналом, мы получаем 1200 ВА ваттаж. Так что стабилизатор 1,2 кВА или 1200 ВА предпочтителен для прибора. Для домашних нужд предпочтительны стабилизаторы 200 ВА до 10 кВА. А для коммерческих и промышленных применений используются одно- и трехфазные стабилизаторы большой мощности.

Надеемся, что предоставленная информация информативна и полезна для читателя. Хотим, чтобы читатели выразили свои взгляды на эту тему и ответили на этот простой вопрос — какова цель функции связи RS232/RS485 в современных стабилизаторах напряжения, в разделе комментариев ниже.