Что такое стабилизатор напряжения?

В электрической сети существует множество потребителей электроэнергии. Напряжение питания большинства из них определяется несколькими трансформаторами, расположенными в электросети по ходу передачи электроэнергии от электростанции. Мощность этих трансформаторов, а также сопротивление соединительных электрических цепей в основном определяет величину напряжения на потребителях. Чем больше нагруженных разветвлений в электросети и удаление потребителя электроэнергии от последнего трансформатора, тем значительнее меняется напряжение на клеммах этого потребителя электроэнергии.

Назначение

По мере развития предприятий и увеличения числа жителей населённых пунктов потребление электроэнергии увеличивается. В определённое время мощностей трансформаторов оказывается недостаточно для обеспечения штатной работы некоторых видов электрооборудования. Это можно показать на примере распространённых электробытовых приборов. Например, утюги, масляные радиаторы и все нагревательные приборы, использующие ТЭН или другие конструкции нагревательных резисторов при уменьшении напряжения будут нагреваться до более низкой температуры.

Большинство холодильников, стиральных машин и прочих довольно-таки мощных электроприборов с электродвигателями при существенном уменьшении напряжения не обеспечат своего полноценного предназначения. И такие ситуации весьма распространены в жилых посёлках и дачных кооперативах при массовом поливе или обогреве жилья электричеством. Поэтому во многих ситуациях, как на производстве, так и в быту появляется потребность в таком устройстве, которое позволит нормально работать оборудованию при существующих изменениях питающего напряжения. Этими устройствами являются стабилизаторы напряжения.

Принцип работы

Эти устройства имеют применение ограниченное собственной конструкцией. В зависимости от неё каждый стабилизатор формирует стабильное выходное напряжение, которое зависит от мощности нагрузки и входного питающего напряжения. Существует множество различных схем стабилизаторов напряжения. В общем виде они разделяются по принципу работы на три типа:

  • параметрические;
  • компенсационные;
  • индукционные.

Параметрический стабилизатор может быть заменён эквивалентным переменным сопротивлением, которое соединено параллельно с нагрузкой. Компенсационный вариант представляет собой эквивалентное сопротивление, соединённое с нагрузкой последовательно. Индукционный содержит регулируемый источник ЭДС. Её параметры определяют сердечник и число витков трансформатора или дросселя.

В сети электроснабжения мощность каждого из потребителей электроэнергии существенно меньше мощности трансформатора, который обеспечивает питание всех потребителей. Увеличение силы тока потребляемого нагрузкой всегда приводит к уменьшению напряжения на ней. Если напряжение на первичной обмотке питающего трансформатора достаточно стабильно, а его вторичные фазные обмотки, питающие электрическую сеть, нагружены весьма неравномерно и в двух из них присутствует в основном повышенное напряжение из-за перегрузки третьей обмотки, возможно применение всех трёх типов стабилизаторов напряжения.

Для потребителей постоянно работающих при повышенном напряжении наилучшими решениями будут параметрический и компенсационный стабилизаторы, а для пониженного напряжения – индукционный. Переменное сопротивление в параметрическом и компенсационном вариантах может иметь различные технические решения. Выбор его в основном определяется скоростью изменения импеданса нагрузки. Чем медленнее изменяется его величина, тем более экономичным можно сделать переменное сопротивление за счёт его реактивной составляющей.

Исполнительные регуляторы

В наиболее быстродействующих параметрических и компенсационных стабилизаторах переменным сопротивлением является охлаждаемый транзистор. Его состояние определяется специальной схемой, которая отслеживает напряжение на нагрузке и соответствующим образом подстраивает транзистор так, чтобы компенсировать изменения напряжения изменением его сопротивления. Поскольку транзистор может обеспечить наиболее широкий диапазон величин сопротивления и является самым быстродействующим регулятором, такие стабилизаторы получаются наиболее качественными в отношении выходного напряжения.

Регулятор напряжения типа ТРН-1А

Если необходимо сделать стабилизатор напряжения для дома с настолько большим током нагрузки, который транзистор не сможет обеспечить из-за своих физических принципов работы, применяются иные более медленные переменные сопротивления. Наиболее быстродействующим из таких устройств является электромеханический регулятор. Он состоит из множества тонких плоских графитовых колец надетых на общий стержень. Крайние кольца соединены с клеммами, которые служат для подключения к электрической цепи. При сжатии колец их общее сопротивление уменьшается пропорционально силе сжатия. Источником этой силы может быть либо соленоид, либо электродвигатель со схемой управления. Пример такого регулятора показан на изображении слева.

И транзистор, и угольный регулятор рассеивают значительное тепло, которое является компромиссом между быстродействием и экономичностью. Более экономичным и медленным получается регулятор с использованием магнитного усилителя. Он изменяет свой импеданс соответственно току подмагничивания. По причине незначительной величины сопротивления проводов такой регулятор почти не рассеивает тепла и получается наиболее экономичным, хотя и медленным. Пример одной из многих конструкций магнитного усилителя показан на изображениях далее.

 Схема магнитного усилителя

Магнитный усилитель

Наилучший, хотя и наиболее дорогостоящий стабилизатор получается при использовании магнитного усилителя вместе с транзистором или угольным регулятором. В таком стабилизаторе магнитный усилитель работает в продолжительном режиме и рассеивает мало тепла. Другой регулятор (транзисторный тип более быстродействующий) функционирует кратковременно в течение инерции магнитного усилителя. Необходимость совмещения таких регуляторов вполне обоснованна. Например, включение мощной печки – каменки, которая подключена только к одной фазе может вызвать скачок напряжения на маломощных нагрузках, подключенным к одной или двум другим фазам.

Если этой нагрузкой являются лампы накаливания, а момент включения печки совпал с увеличением амплитуды напряжения питания, их спирали могут перегореть. Транзисторный регулятор, несомненно, успеет подстроиться под нарастающее напряжение и не позволит ему достичь опасной для нагрузки величины. Если повышенное напряжение опасно для электрооборудования как, например, в отношении упомянутых ламп накаливания, пониженное напряжение не позволяет некоторым электроприборам обеспечить нормальную работу.

Индукционные стабилизаторы

Параметрические и компенсационные стабилизаторы не способны сформировать выходное напряжение на нагрузке более высокое, чем входное напряжение. С такой задачей может справиться только индукционный. Название «индукционный» не является широко распространённым. Оно применено, поскольку даёт определение группе технических решений по стабилизации переменного напряжения использующих явление электромагнитной индукции. Наиболее надёжным и давно используемым типом являются феррорезонансные стабилизаторы, показанные на изображениях далее.

Стабилизатор напряжения

Они содержат трансформатор с магнитопроводом специальной конструкции. Часть магнитопровода на которой расположена вторичная обмотка насыщается. По этой причине напряжение на ней и на подключенной к её клеммам нагрузке мало зависит от напряжения электросети, изменяющегося в некотором диапазоне. Но такой принцип формирования выходного напряжения не обеспечивает его синусоидальной формы. По мере приближения к состоянию насыщения магнитопровод утрачивает свои трансформирующие свойства. Это приводит к преждевременному уменьшению напряжения на вторичной обмотке, что и является причиной искажений.

 Индукционные стабилизаторы  Индукционные стабилизаторы

Но кроме достаточно толстого обмоточного провода, магнитопровода и конденсатора который необходим для увеличения эффективности стабилизатора он не содержит иных деталей. Поэтому в нём нечему ломаться. Феррорезонансный стабилизатор может прийти в негодность только из-за некачественной межвитковой изоляции или механического повреждения. Его свойства за исключением магнитострикционного эффекта (жужжащий звук, идущий от магнитопровода, деформирующегося воздействием электромагнитного поля) делают его оптимальным для использования в быту как наиболее долговечный вариант устройства.

Феррорезонансный стабилизатор

Однако главным недостатком феррорезонансных стабилизаторов являются вес и габариты. По этой причине изготавливаются модели в диапазоне выходных мощностей 100 – 8000 Вт. До появления технических решений с использованием полупроводниковых приборов феррорезонансные стабилизаторы были наиболее широко используемыми. Другие индукционные стабилизаторы по сути своей аналогичны лабораторному автотрансформатору (ЛАТР).

Он имеет ручной регулятор, который перемещает одну из выходных клемм по виткам. Как видно из схемы слева, выходное напряжение на клеммах а и б может быть как меньше входного напряжения U1 электросети, так и больше него при сближении клеммы а с точкой с. В существующих стабилизаторах типа ЛАТР перемещение клеммы происходит автоматически под контролем схемы управления. Эта схема выполнена с применением полупроводниковых приборов и микросхем. Для перемещения клеммы применяется несколько решений. В некоторых моделях стабилизаторов применяется электромотор.

Это морально устаревший способ и весьма инертный. К тому же для него необходим скользящий контакт, который может искрить и подгорать при перемещении. С целью устранения перечисленных недостатков применяются более дорогие, но зато более быстродействующие конструкции шагового действия. В них применяется автотрансформатор с несколькими ответвлениями обмотки. Выходные клеммы подключаются к той клемме, которая в данный момент времени обеспечивает ближайшее значение напряжения к заданному напряжению.

Подключение выполняется либо контактами реле, либо полупроводниковыми ключами. Схемы таких стабилизаторов показаны на изображениях далее.

Подключение контактами реле

 Подключение полупроводниковыми ключами

Основным недостатком индукционных стабилизаторов с коммутацией выходного напряжения является их малая перегрузочная способность. Чтобы наглядно продемонстрировать значение этого недостатка для пользователя можно рассмотреть такой пример. Наиболее подвержено изменениям напряжение в электросетях посёлков и дач. Для обогрева домов при поездках на выходные наиболее часто применяются электрические обогреватели. Весной и осенью когда начинается или заканчивается дачный сезон или централизованное отопление в посёлках в частных домах (если оно есть) отключено, периодически на полную мощность включаются электрообогреватели.

Напряжение при этом может упасть до 140 – 150 Вольт. Для холодильника, который постоянно подключен к электросети это весьма неполезно, поскольку существенно сокращается срок службы компрессора и к тому же не обеспечивается его нормальная работа. Поэтому многие домовладельцы подключают свой холодильник через стабилизатор напряжения. Но при пуске компрессора, который время от времени происходит в любом холодильнике, кратковременное значение мощности, потребляемой от сети, в 2-3 раза превышает номинальную мощность движка компрессора.

При уменьшении напряжения его стабилизация под нагрузкой обеспечивается увеличением силы тока. А по мере увеличения силы тока напряжение на входе стабилизатора уменьшается ещё больше. Поэтому при существенном уменьшении напряжения ток, потребляемый от сети индукционным стабилизатором с переключением выходных клемм, может достигать величин срабатывания автоматических выключателей. При каждом пуске холодильника при максимально пониженном напряжении будет либо срабатывать автомат на щитке в доме, либо токовая защита. И получается такая ситуация что и стабилизатор в наличии, и холодильник не работает.

Преодолеть рассмотренную проблему может иная конструкция устройства. Это также индукционный стабилизатор, но с инвертором, формирующим выходное переменное напряжение из постоянного напряжения. В таком варианте используется промежуточное выпрямление электрического тока для питания инвертора. При этом можно использовать конденсаторы большой ёмкости, имеющие небольшие габариты и предназначенные для использования при постоянном напряжении.

Энергия, накопленная в этих конденсаторах, существенно уменьшает нагрузку на электрическую сеть при кратковременных перегрузках. А инвертор, который может работать на частотах в несколько десятков килогерц может обеспечить качественное выходное напряжение при небольших размерах и массе всего устройства. Использование инверторов это самое передовое решение в конструкции стабилизаторов. Несмотря на её сложность и сравнительно высокую цену устройства с инверторами оправдывают их качеством электропитания.

Если в электросети напряжение нестабильно и очевидна необходимость стабилизации напряжения надо оптимально выбрать его. При этом следует правильно определить мощность потребителей электроэнергии. От этого будет зависеть цена стабилизатора. В зимнее время частный дом средних размеров нуждается в электрической мощности в пределах 6-10 кВт. Причём основная часть этой мощности будет потреблена электрообогревателями. Нужно ли стабильное напряжение для них это вопрос спорный. Большинство из обогревательных электроприборов и при 150 Вольтах дают много тепла.

Электрические котлы, имеющие электронное управление снабжены встроенными стабилизаторами напряжения. Поэтому сама схема управления котлом не должна быть подвержена изменениям напряжения в электросети, если это качественная модель котла или бойлера. При пониженном напряжении нагрев будет более длительным. Если это обстоятельство не критично, за общий стабилизатор для всего дома нет смысла переплачивать. Современные электронные бытовые электроприборы снабжены импульсными источниками электропитания. Они обеспечивают бесперебойную работу этих устройств даже при значительных перепадах напряжения. То же самое относится и к энергосберегающим лампам.

Наиболее требовательны к стабильности напряжения бытовые электроприборы с двигателями. Кофемолки, водяные насосы, холодильники, стиральные машины и большинство других устройств с коллекторными и асинхронными двигателями существенно замедляются при уменьшении напряжения и не создают необходимых оборотов для обеспечения того или иного процесса. Для перечисленных устройств стабилизатор является объективной необходимостью.

Поэтому рекомендуется правильно организовать использование этих устройств так, чтобы работал только один электроприбор, подключенный к стабилизатору. Это даст возможность сэкономить деньги и занимаемое место. Чем меньше мощность, тем компактнее устройство.

Электротехника Февраль 10, 2017 admin в 5:56
8 921 0
Добавить отзыв