Стабилизаторы переменного напряжения

Что такое стабилизатор переменного напряжения?

Стабилизатор переменного напряжения — это преобразовательное устройство, основное назначение которого — защита электроприборов (например, холодильника, телевизора, стиральной машины, системы общего пользования) от воздействия колебаний и скачков напряжения в электросети, которые могут привести к их поломка и выход из строя.

Первые стабилизаторы появились в середине прошлого века. Это были устройства электромагнитного типа, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции — возникновении электрического тока в замкнутой цепи автотрансформатора.

Они не отличались высокими значениями таких показателей эффективности, как точность стабилизации напряжения, быстрота реакции на изменение сети, КПД, перегрузочная способность. Кроме того, даже маломощные устройства в то время были громоздкими и тяжелыми.

Во многих современных автоматических регуляторах напряжения (АВР — Automatic Voltage Regulator) в качестве блока преобразования до сих пор используется автотрансформатор. В самых передовых инверторных блоках нового поколения используется технология двойного бестрансформаторного преобразования энергии.

В зависимости от типа сетевого напряжения, на которое рассчитаны стабилизаторы, различают однофазные, трехфазные и устройства с конфигурацией 3:1 («три в одном»). Первый используется только для стабилизации питания однофазных электроприборов.

Стабилизаторы трехфазные предназначены для работы в трехфазных сетях для питания оборудования напряжением 380 В, но при пофазном распределении нагрузки могут применяться и для питания однофазных электроприборов.

Отличительной особенностью устройств конфигурации 3:1 является возможность работы в цепях с разными типами напряжения: входное напряжение трехфазное, а выход стабилизатора однофазный. Их использование предпочтительно для подключения мощных однофазных нагрузок — это обеспечит равномерное распределение токов потребления по всем трем фазам, исключив возможность перекоса фаз.

По принципу построения защиты стабилизаторы напряжения переменного тока могут быть местного типа (для индивидуального подключения отдельных электроприборов) и основного типа, предназначенные для подключения всех существующих в помещении нагрузок.

К первым относятся, как правило, маломощные устройства для установки на месте электроприбора, подключение к вводной сети и нагрузка осуществляется с помощью штепсельных соединений (штекерных разъемов). В более мощных магистральных стабилизаторах (обычно это устройства мощностью более 4000 ВА) для подключения предусмотрена клеммная колодка.

Структура и особенности

Выпрямители – это электрические устройства, которые используются для получения переменного напряжения напрямую. Основными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия для протекания тока в цепи нагрузки в одном направлении, т е выпрямляют его. Постоянное напряжение формируется из переменного напряжения с наличием пульсаций.

Для сглаживания принимаемых импульсов выпрямленного напряжения после выхода выпрямителя подключается сглаживающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и резисторов. Для выравнивания и регулировки принимаемого тока и напряжения к выходу выравнивающего фильтра подключена схема стабилизатора. Такие устройства часто подключают к переменному току на входе в устройство.

Выпрямитель представляет собой электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток. Выпрямители основаны на полупроводниковых приборах с односторонней проводимостью — диодах и тиристорах.

Режимы работы и характеристики отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовываются с определенными условиями работы нагрузки потребителя. Поэтому основной задачей при проектировании выпрямительных блоков является расчет условий, позволяющих определить электрические характеристики и параметры элементов стабилизатора и других деталей в зависимости от режима работы потребителя.

Затем нужно рассчитать эти позиции и выбрать из каталога в торговой сети.

Виды стабилизаторов

В простейшем варианте используется ограничитель тока из резистора, установленного последовательно со схемой светодиода. Стандартные блоки подключаются к источникам 5В (12В). Увеличивая напряжение, можно повысить точность, но это снизит КПД.

 

Максимальные значения электрических параметров источника должны быть на 10 % больше рабочих значений светодиода. Падение напряжения указано в сопроводительной документации. Для расчета сопротивления (R) используйте следующую формулу:

• Up — напряжение на блоке питания;
• Uc — падение светодиода;
• Iпот — ток потребления.

Пример:

• Вверх = 5 В;
• Uк = 2,5 В;
• Iпот = 0,25 А;
• R = (5-2,5)/0,3 ≈ 8,33 Ом;
• ближайший номинал 8,45 Ом;
• мощность сопротивления = 0,3*0,3*8,45 ≈ 0,75 Вт.

К вашему сведению. Последняя строка в расчете четко показывает потери энергии. Нагревательный резистор повысит температуру окружающей среды.

Усовершенствованные схемы состоят из следующих компонентов:

• трансформатор изменяет амплитуду сигнала по мере необходимости;
• для выпрямления используется обычный мост из диодов;
• конденсаторы сглаживают пульсации;
• резисторы ограничивают выходной ток.

Транзисторный стабилизатор напряжения и тока экономичен. Электрическое сопротивление во входной цепи задается как датчик. Этот компонент дополняет стабилитрон. Изменение напряжения на эмиттере позволяет регулировать выходные параметры автоматически без контроля и вмешательства со стороны пользователя.

Вместо стабилитрона аналогичные функции может выполнять эмиттерное соединение биполярного транзистора с соответствующим включением в электрическую цепь.

Полевой транзистор используется для соединения цепочек из нескольких светодиодов, других мощных нагрузок

Вместо набора из нескольких радиодеталей удобнее использовать специализированные микросхемы. Такие изделия обеспечивают высокую точность поддержания рабочих параметров выходного сигнала. Как и в примере со стабилитроном, в конкретной цепи установлен резистор для быстрого обнаружения изменения тока.

Отдельно следует отметить импульсные схемы стабилизаторов. Такие изделия изготавливаются на основе быстродействующих электронных ключей. Главной особенностью является возможность работы при относительно высоких выходных напряжениях.

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель представляет собой цепь. Он включает в себя вторичную обмотку трансформатора, элемент выпрямителя, электрический фильтр и нагрузку. В этом случае можно добиться увеличения напряжения.

Выпрямленное напряжение представляет собой сумму напряжений постоянного и переменного тока. Переменный компонент — это нежелательный компонент, который каким-то образом уменьшен. Но так как используются полуволны переменного тока, то по другому и быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• повысить эффективность электрического фильтра;
• улучшение параметров выпрямленного переменного напряжения.

Простейший однополупериодный выпрямитель. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой цепи наибольший. Но если выпрямить трехфазное напряжение одним диодом в каждой фазе, а также таким же фильтром, то получится в три раза меньше пульсаций. Однако двухполупериодные выпрямители имеют наилучшие характеристики.

Есть два способа использования обеих полуволн с переменным напряжением:

• по перекидной схеме;
• по схеме с центром обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. Мостовая схема использует меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосту необходимо четыре диода.

В схеме средней точки требуется в два раза больше витков вторичной обмотки средней точки, что является недостатком. Еще одним недостатком такой компоновки является необходимость симметричности частей обмотки относительно центральной точки.

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но в этой схеме нужно всего два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде есть напряжение. Его значение практически не меняется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая полупроводниковым диодом, увеличивается по мере увеличения силы выпрямленного тока.

Это очень заметно при больших токах, поэтому полупроводниковые диоды ставят на радиаторы охлаждения и при необходимости продувают.

В случае выпрямителей большого тока два диода в цепи средней точки будут более экономичными и компактными по сравнению с четырьмя диодами на выпрямительном мосту. Схемы выпрямителей в свое время появились не на пустом месте.

Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называют в совокупности с именами их первооткрывателей. Мостовая схема называется «полным мостом Греца». Схема с центральной точкой — «выпрямитель Миткевича».

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямителя. Другими словами, трансформатор отделяет сеть нагрузки от сети электропитания. Возможны всевозможные варианты соединения обмоток этого трансформатора, выбор зависит от типа выпрямительной схемы устройства. На выходное напряжение трансформатора U2 влияет напряжение на выходе выпрямительного моста Un.

Трансформатор способен одновременно гальванически развязать частоту f1 от питающей сети U1, I1 и цепь нагрузки от Un, In. Теперь можно проектировать и производить высоковольтные преобразователи, работающие на высокой частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого используются бестрансформаторные схемы выпрямления, где блок вентилей подключается непосредственно к первичному источнику питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию выпрямительного блока, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке чаще всего используются элементы в виде диодов. На выходе вентильного блока снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от количества фаз питающей сети и схемы выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с требованиями нагрузки. В схеме блока фильтров используется уравнительный дроссель или резистор, включенные последовательно, и конденсаторы, включенные параллельно выходу мощности.

Однако чаще всего фильтры выполняются по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости использовать дроссели и резисторы. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, что облегчает условия работы фильтра.

В связи с увеличением энергопотребления домохозяйств часто требуется модернизация трансформаторных подстанций. В противном случае качество электропитания заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора напряжения или выпрямителя.

Выпрямитель — полупроводниковый, механический, электровакуумный прибор. Большинство этих устройств создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• небольшие пульсации напряжения, неразрешимая форма выходного тока;
• высокая эффективность во всей зоне управления;
• эффективное воздушное охлаждение;
• герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения в агрессивные среды;
• современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера на различных расстояниях;
• возможность установки автоматического режима работы;
• модульная конструкция мощных выпрямителей позволяет работать при неисправности на одном силовом модуле;
• оптимальные весогабаритные параметры;
• возможность использования в качестве устройства для выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные к продаже выпрямители тока просты в обслуживании и имеют высокий уровень обслуживания. Для них характерен высокий энергетический фактор, то есть малая потребляемая реактивная мощность (за исключением тиристорных моделей).

Регуляторы напряжения — это уникальный метод автоматической настройки параметров сети на подключенных терминалах с заданными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их работы.

Например, стабилизаторы параметрического типа основаны на использовании свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, дросселей насыщения и нелинейных конденсаторов.

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет влияния колебаний выходного напряжения через цепь обратной связи регулирующего элемента. Как правило, это замкнутые системы автоматического управления, поэтому их иногда называют регуляторами напряжения. Ток проходит через регулятор импульсами или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

• многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку подачи;
• возможность мониторинга сети с помощью встроенных вольтметров;
• наличие дополнительной защиты от коротких замыканий в подключаемой сети и перенапряжения извне;
• пусть владелец будет в курсе того, что происходит с электросетью.

В качестве другого примера схемы выпрямителя переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения представлена ​​на рисунке

двухтактная схема выпрямителя переменного напряжения двухтактная схема выпрямителя переменного напряжения

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, показанного на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосту имеется только вторичная обмотка, поэтому k = 1

В при этом число импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсация в этой цепи равна p= k · q = 1 · 2 = 2. Согласно этой формуле полное наименование устройства, приведенного на рис. 5 представляет собой двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в этом случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя, вдвое превышает частоту сети. Однако применение этого типа выпрямителя несколько отличается. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как падение напряжения в ней происходит только на одном диоде.

В некоторых случаях это настолько важно, что увеличением стоимости трансформатора можно пренебречь. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше использовать схему, показанную на рисунке 5, так как на диоды действует одиночное обратное напряжение (в схеме двухфазного одностороннего выпрямителя оно удваивается, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для цепей с относительно небольшим потреблением тока. При необходимости получения значительных величин постоянного тока лучше использовать выпрямитель трехфазного тока. Основное его преимущество — меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к выравнивающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Значение в этом случае будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но получается однонаправленный электрический ток, как при положительном полупериоде напряжения, так и при отрицательном его значении.

В этом случае при переходе напряжения через ноль нагрузку необходимо отключить от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу с помощью механических контактов.

Они приводились в движение либо синхронным двигателем, либо довольно быстрым соленоидом. В обеих схемах контакты переключения напряжения двигаются синхронно с напряжением. В цепи с двигателем они вращаются и замыкаются в нужный момент.

Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении напоминает коллектор двигателя постоянного тока. Количество лопаток-контактов определяется количеством оборотов синхронного двигателя.

При переходе синусоиды выпрямленного напряжения через ноль обе щетки соприкасаются либо с началом, либо с концом ламели. Начало планки совпадает с кончиком стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелями совпадает с длительностью половины периода выпрямленного напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит скорректировать резкое изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только в качестве выпрямителя сетевого напряжения

Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с рисунком Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с рисунком.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо при извлечении сердечника, либо наоборот. Он может работать только при определенном минимальном напряжении, которого достаточно для смещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через нуль не будет обрабатываться корректно.

Но такой выпрямитель можно сделать совсем небольшим. Поэтому он широко использовался в свое время. Очевидно, что без изменения электрической схемы не может быть никакого выпрямления напряжения. А возможности механического контакта ограничены мощностью возникающей в момент разрыва электрической цепи искры. Он постепенно разрушает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая сила при его размыкании.

Читайте также: Электрическая цепь и ее составные части: определение и законы в физике, составление схем, формула

Назначение и функции стабилизаторов сетевого напряжения

Любое электрическое устройство, электробытовой прибор или промышленное оборудование рассчитано на подключение к сети переменного тока с стандартным (номинальном) значением напряжения. Работоспособность и безопасность работы устройства гарантируется производителем при условии его работы в указанном диапазоне рабочего напряжения.

Многим читателям наверняка приходилось сталкиваться с некачественным питанием: повышенным или пониженным значением сетевого напряжения, его нестабильностью, а также искаженной формой сигнала и наличием импульсных (коммутационных) и высокочастотных помех.

Это связано с недостаточным техническим состоянием сетей, их износом или несоответствием мощности устаревшего оборудования систем электроснабжения на сегодняшний день реальным объемам электропотребления. К сожалению, отклонения напряжения от нормы, нестабильность значения – явления нередкие не только в сельских или дачных, но и в городских электрических сетях.

Эксплуатация электробытовых приборов или промышленного электрооборудования в сетях с низким качеством электроэнергии может привести не только к поломкам с последующим дорогостоящим ремонтом, но и к полному выходу из строя.

Эффективным решением для организации качественного электроснабжения нагрузки в быту и на работе является использование стабилизаторов напряжения. Основное назначение этих устройств — корректировать и постоянно поддерживать необходимый уровень выходного напряжения, как при изменении значения в питающей сети, так и при изменении тока нагрузки.

Многие современные стабилизаторы напряжения переменного тока также имеют ряд дополнительных функций:

• коррекция формы выходного напряжения;
• защита от перегрева и короткого замыкания в цепи тока нагрузки;
• защитное отключение устройства при недопустимых значениях входного напряжения (необходимый порог верхнего и нижнего пределов может быть установлен пользователем самостоятельно);
• подавление ВЧ и импульсных помех выходным фильтром;
• возможность установки требуемых значений выходного напряжения, отличных от стандартных значений;
• возможность реализации контроля параметров и дистанционного управления стабилизатором.

Также следует отметить, что коррекция и стабилизация питания могут понадобиться не только в случаях серьезных отклонений напряжения от нормы или при недопустимых колебаниях значений. В соответствии с действующим в РФ ГОСТ 13109-97, определяющим качество электроэнергии, допустимые отклонения нормального напряжения в сети составляют ±10% от номинального значения. Таким образом, по этому стандарту нормальным считается фазное напряжение в диапазоне 198-242 В.

На самом деле это напряжение обеспечит нормальную работу большинства электроприборов. Однако для эксплуатации чувствительного к напряжению оборудования во избежание сбоев и ошибок в работе рекомендуется применение стабилизаторов.

Так, например, для эксплуатации современных газовых котлов с электронным управлением точно не будет лишним установить стабилизатор сетевого напряжения. То же самое можно сказать и о чувствительных к электроэнергии приборах, произведенных в странах с более строгими стандартами качества электроэнергии.

Основные типы стабилизаторов переменного напряжения

В зависимости от принципа действия стабилизаторы бывают следующих видов:

• феррорезонансный;
• электромеханический (сервопривод);
• реле;
• электронные (полупроводниковые);
• инвертор.

Ниже приводится краткое изложение их основных отличий. Для получения более подробной информации рекомендуем ознакомиться со статьей об основных типах стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансные

Преобразование напряжения основано на явлении электромагнитного феррорезонанса — магнитного насыщения ферромагнитных сердечников дросселей. Благодаря своей статичной и простой конструкции эти устройства отличаются высокой скоростью безошибочной работы и долговечностью.

Небольшое их распространение в использовании в наше время обусловлено такими недостатками, как низкий КПД, видоизменение синусоиды на выходе, шумность в работе и достаточно узкий диапазон рабочих напряжений сети.

Электромеханические

Альтернативное название – сервоприводные, так как их устройство имеет сервопривод, обеспечивающий движение токосъемных щеток, снимающих вторичное напряжение с витков обмотки автотрансформатора. Наличие в стабилизаторах вращающихся и подвижных частей представляет определенную уязвимость их конструкции: эксплуатация связана с частым износом деталей, расходных материалов и необходимостью регулярного обслуживания.

Обладая хорошими техническими характеристиками и находясь в нижней ценовой категории, устройства востребованы как бюджетное решение для защиты не требовательного к мощности оборудования.

Релейные

По принципу преобразования напряжения их можно отнести к аналогам сервоприводных устройств. Разница между ними заключается в способе передачи вторичного напряжения от автотрансформатора. Коммутация осуществляется не токосъемными щетками с обмоток трансформатора, а силовыми реле, установленными на отводах обмотки.

Как и электромеханические, релейные блоки относятся к бюджетной категории стабилизаторов. Выигрывая в скорости и обладая большей износостойкостью, они уступают сервоприводам по точности и равномерности коррекции напряжения.

Электронные

Они отличаются от реле полным отсутствием механических частей. Коммутация выходного напряжения осуществляется полупроводниковыми ключами тока — тиристорами или симисторами. Главным преимуществом этих более совершенных устройств является высокая скорость. К сожалению, ступенчатая коррекция существенно снижает точность стабилизации напряжения.

Инверторные

На сегодняшний день этот тип стабилизатора по праву считается самым «продвинутым». Упрощенно, не вдаваясь в технические подробности, работу инверторного стабилизатора можно описать как выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное с последующим преобразованием стабилизированного переменного тока в синусоидальную выходную переменную.

Развитие технологий не обошло вниманием и производителей стабилизаторов напряжения. Несколько лет назад ведущие бренды начали выпускать новый тип устройств инверторного типа, использующих схему двойного преобразования напряжения.

Инверторные стабилизаторы, благодаря использованию микропроцессорной микросхемы и электронных ключей, превосходят ранние модели-трансформеры по техническим характеристикам, функциональности и экономичности.

Преимуществом стабилизаторов двойного преобразования, даже при использовании в сетях с низким качеством электроэнергии, является конечно неизменное качество выходного напряжения как по точности приближения к номиналу и стабильности, так и по быстродействию и сигналу форма (идеальная синусоида).

Инверторные стабилизаторы не будет преувеличением назвать универсальными источниками питания для любой, даже самой требовательной к качеству напряжения нагрузки.

Работа импульсного стабилизатора возможна при значительном коэффициенте преобразования. Это важнейшая характеристика устройств, имеющих сетевой трансформатор. Увеличение этого параметра позволяет добиться наименьших габаритов.

Для большинства устройств диапазон частот будет 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых устройств необходимо учитывать высокие гармоники токов. Верхний предел параметра ограничен определенными требованиями, предъявляемыми к радиочастотным устройствам.