Мы в СтабЭксперт.ру прекрасно понимаем, как тяжелы проблемы выбора стабилизатора или любого другого оборудования, поэтому составили подробную статью, но очень простым языком.
Зачем этот прибор? Стабилизаторы напряжения служат для поддержания номинальных параметров электропитания в сети конечного пользователя. Необходимость их применения продиктована нестабильностью работы внешних электросетей, выраженной отклонениями, либо резкими изменениями (скачками) величины питающего напряжения.
Типы современных стабилизаторов
Существуют различные типы стабилизаторов, отличающихся устройством и принципом действия, с которыми желательно ознакомиться, прежде чем приступать к выбору прибора. К основным разновидностям стабилизаторов, представленным на рынке в настоящее время, относятся следующие типы:
- электромеханические и электродинамические устройства с использованием сервопривода;
- релейные;
- электронные (тиристорные и симисторные);
- гибридные;
- инверторные.
Принцип работы стабилизаторов. В основу принципа работы первых трёх типов положен метод изменения коэффициента трансформации автотрансформатора.
Примечание. Автотрансформатор представляет собой вид трансформатора, в котором имеется только одна обмотка, различное число витков которой служат в качестве первичной и вторичной обмоток.
Плюсы и минусы разных типов стабилизаторов
Устройства с сервоприводом
В данном виде стабилизаторов, включающих в себя электромеханические и электродинамические приборы, реализовано плавное регулирование напряжения, которое осуществляется следующим образом. Часть витков обмотки автотрансформатора, намотанной на тороидальный сердечник, зачищается от изоляции с торцевой или боковой стороны сердечника, в зависимости от конструкции. На этом участке по обмотке перемещается токосъёмный контакт, через который осуществляется подключение первичной обмотки к сети питания.
Электродинамическая серия от итальянского бренда
Стабилизаторы с сервоприводом принято разделять на устройства электромеханического и электродинамического типа. Критерием разделения служит конструкция токосъёмного контакта. Стабилизаторы со скользящими контактами щёточного типа принято называть электромеханическими. К электродинамическому типу относят устройства, в которых при перемещении контакта происходит не скольжение, а качение, то есть, подвижный контакт представляет собой графитовый вращающийся ролик, который при движении сервопривода катится по обмотке. Очевидно, что никакой принципиальной разницы между электромеханическими и электродинамическими стабилизаторами не существует, поэтому данное разделение, честно говоря, выглядит не совсем оправданным.
Как работают? Нагрузка стабилизатора подключена к вторичной обмотке, имеющей фиксированное количество витков. Таким образом, при перемещении токосъёмного контакта изменяется количество витков первичной обмотки, то есть, происходит плавное изменение коэффициента трансформации. Управление движением контакта осуществляется специальным серверным электродвигателем, имеющим малую частоту вращения или оснащённым понижающим редуктором. В свою очередь, электродвигатель управляется электронным блоком, осуществляющим контроль выходного напряжения. При превышении напряжением установленной нормы, электронный контроллер формирует команду на вращение серводвигателя в направлении, соответствующем увеличению коэффициента трансформации, что приводит к нормализации вторичного напряжения. При понижении напряжения на нагрузке происходит обратный процесс. То есть, система регулирования всегда стремится к равновесному состоянию, при котором напряжение на нагрузке имеет номинальное значение.
Безусловным преимуществом электромеханических и электродинамических стабилизаторов является высокая точность стабилизации, достигающая 2 – 3 %. По этому параметру устройства с сервоприводом опережают релейные и электронные приборы.
Диапазон допустимого изменения значений питающего напряжения ограничивается за счёт того, что для токосъёма доступен только наружный слой обмотки автотрансформатора, что позволяет изменять коэффициент трансформации в ограниченных пределах. Высокая точность стабилизации, обусловлена способностью приборов с сервоприводом, плавно регулировать напряжение на выходе. Однако это свойство имеет и обратную сторону. Перемещение токосъёмного контакта происходит достаточно медленно, вследствие чего скорость реагирования электромеханических и электродинамических стабилизаторов на резкие скачки входного напряжения весьма значительно уступает аналогичным характеристикам приборов другого типа.
Среди других недостатков электромеханических и электродинамических стабилизаторов следует упомянуть:
- наличие движущихся частей, которое при прочих равных условиях снижает надёжность устройства;
- постоянно движущийся по обмотке токосъёмный контакт подвержен механическому износу и обгоранию вследствие искрения, что к тому же исключает использование стабилизаторов с сервоприводом во взрывоопасных помещениях;
- работающий сервопривод издаёт некоторый шум, что в зависимости от места установки прибора может вызывать ощущение дискомфорта.
Справедливости ради стоит добавить, что роликовый контакт электродинамических устройств существенно более устойчив к износу, чем скользящий контакт щёточного типа, поэтому, если выбор пал на стабилизатор с сервоприводом, предпочтение стоит отдать электродинамическому.
Стабилизаторы релейного типа
Этот вид регуляторов также основан на изменении коэффициента трансформации автотрансформатора. Однако в данном случае это происходит ступенчато. Регулировочная часть первичной обмотки имеет ряд выводов (отпаек), расположенных через определённое количество витков. Каждая из отпаек может подключаться к электросети нормально разомкнутыми контактами соответствующего электромагнитного реле.
Примечание. Нормально разомкнутыми называются контакты реле, находящиеся в разомкнутом состоянии при обесточенной катушке.
Релейная серия Lux АСН от бренда «Ресанта»
Как работают? Управление электромагнитными реле осуществляет контроллер, отслеживающий уровень напряжения на нагрузке и в случае его отклонения подающий напряжение на катушку реле, коммутирующего требуемую отпайку. Разумеется, в любой момент времени включенным может быть только одно реле. Ну а поскольку регулировка носит ступенчатый характер, контроллер всегда включает то реле, отпайка которого обеспечивает наиболее близкое к номиналу значение вторичного напряжения.
Стабилизаторы релейного типа уверенно превосходят электромеханические по такому показателю, как скорость реакции на резкие изменения величины питающего напряжения. Время переключения электромагнитных реле обычно не превышает 10 миллисекунд.
Однако наличие определённого количества фиксированных отпаек обмотки автотрансформатора снижает точность регулирования напряжения. Улучшить этот показатель в рамках данной конструкции можно путём увеличения количества отпаек и уменьшением числа витков между ними. Но проблема заключается в том, что с увеличением количества отводов обмотки значительно усложняется и становится громоздкой схема автотрансформатора, а если учесть, что к каждой отпайке должно подключаться индивидуальное реле, то становится понятно, что данный путь приведёт к существенному удорожанию изделия и загромождению внутреннего пространства корпуса.
К сказанному следует добавить следующее. Контакты электромагнитного реле, безусловно, более надёжны, чем токосъёмный контакт устройств с сервоприводом, тем не менее, они являются движущимися механическими частями, которым свойственны износ и обгорание.
Электронные стабилизаторы
Данный класс устройств аналогичен релейным стабилизаторам, только коммутацию отпаек осуществляют не механические контакты электромагнитных реле, а электронные ключи – тиристоры. Как и в релейных стабилизаторах, в электронных устройствах к каждой отпайке обмотки присоединён свой электронный ключ, и так же как в случае с реле, одновременно в открытом состоянии не может находиться более, чем один ключ. При использовании обычных тиристоров, имеющих одностороннюю проводимость, каждый ключ должен представлять собой два тиристора, включенных встречно – параллельно. Применение в конструкции симметричных тиристоров (симисторов) позволяет использовать в каждом ключе только один прибор. Открывание тиристора происходит при подаче электрического импульса на управляющий электрод.
Электронная серия Lider W от одноименного производителя
Электронные стабилизаторы имеют неоспоримое преимущество перед рассмотренными ранее приборами, выраженное в полном отсутствии каких либо механических контактов и движущихся частей.
Электронные симисторные стабилизаторы серии Энергия PREMIUM, читайте полный обзор.
Кроме этого, электронные устройства обладают самой быстрой реакцией на изменение напряжения, обусловленной высокой скоростью переключения электронных ключей. С другой стороны, тиристорные и симисторные стабилизаторы обладают всеми недостатками, присущими приборам, использующим ступенчатое регулирование. Возможность увеличения точности стабилизации этих устройств ограничивается техническими трудностями, связанными с увеличением числа отводов обмотки и количества электронных ключей.
Но, эти минусы ничто, в сравнении с надежностью и скоростью срабатывания. А по сочетанию цена-надежность, тиристорно-симисторное семейство вообще лидеры из всех.
Гибридные устройства
Идея создания таких стабилизаторов заключается в том, чтобы придать изделию лучшие черты, присущие приборам различного типа. Так, распространённые в настоящее время гибридные устройства совмещают в себе принципы сервоприводных и релейных стабилизаторов. В диапазоне входного напряжения, доступного для сервоприводного устройства, стабилизация осуществляется с высокой точностью, свойственной приборам этого типа.
Модели Энергия Hybrid, читайте обзор на серию
В случаях, когда питающее напряжение выходит за рамки, доступные электромеханическому регулированию, в работу вступает релейный регулятор, который добавляет или исключает из вторичной обмотки группу витков, дополнительно изменяя таким способом коэффициент трансформации.
В результате, такие устройства обладают высокой точностью стабилизации, свойственной приборам, использующим сервопривод, и при этом способны работать в расширенном диапазоне питающего напряжения, что присуще релейным стабилизаторам.
Стабилизаторы инверторного типа
Данные устройства называют также стабилизаторами двойного преобразования. Суть преобразований сводится к следующему. Входное сетевое напряжение сначала выпрямляется, после чего поступает на вход инвертора, где вновь преобразуется в переменное, имеющее синусоидальную форму.
Модель Штиль R 1000i малой мощности
Главной частью устройства является инвертор, осуществляющий преобразование с помощью мощных IGBT – транзисторов, управляемых микропроцессорным блоком. Именно этот блок ответственен за синусоидальность выходного напряжения.
Отступление. Зачем обращать внимание на синусоидальность?
Попытаемся разобраться, почему так важна именно синусоидальная форма питающего напряжения. Дело в том, что переменное напряжение, представляющее собой периодическую функцию времени, как любая периодическая функция, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлена как сумма синусоидальных гармонических составляющих, имеющих частоту, кратную частоте исходной функции. И только правильная синусоида не имеет таких составляющих, называемых в электротехнике гармониками.
Из сказанного следует то, что любое, даже самое малое отклонение напряжения, имеющего промышленную частоту 50 Герц от синусоидальной формы, приводит к появлению дополнительных сигналов, имеющих частоту 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и так далее. Указанные высокочастотные составляющие оказывают неблагоприятное воздействие на различные приёмники электроэнергии, являясь источниками паразитного излучения электромагнитных волн. По этой причине, наличие в питающем напряжении высокочастотных составляющих строго регламентируется ГОСТ путём установления норм коэффициента несинусоидальности, коэффициента n – й гармонической составляющей, коэффициентов обратной и нулевой последовательностей.
Сетевое напряжение изначально приобретает синусоидальную форму при его выработке на электростанциях ввиду базовых свойств электрических генераторов. Разумеется, любой генератор, представляющий собой физический объект, отличается от математической модели. Поэтому незначительные отклонения от синусоиды появляются уже на стадии производства электроэнергии. Далее свою лепту в ухудшение формы кривой напряжения могут вносить потребители, эксплуатирующие оборудование, создающее высокочастотные помехи, распространяющиеся по сети. Поэтому получаемое нами из сети напряжение изначально может быть в той или иной степени несинусоидальным.
Рассмотренные ранее стабилизаторы, работающие по принципу изменения коэффициента трансформации, не внося собственных искажений в форму кривой напряжения, всё же не могут исправить исходную несинусоидальность, трансформируя её и передавая нагрузке. В этом смысле инверторные преобразователи отличаются тем, что они сами формируют синусоиду. Устройства данного типа находятся на стадии совершенствования, поэтому форма выдаваемого ими напряжения постоянно приближается к идеальной синусоиде с каждой новой разработкой.
По всем остальным техническим характеристикам инверторные стабилизаторы превосходят устройства другого типа, имея более высокую точность стабилизации, значительно более широкий диапазон входного напряжения. Инверторы более компактны и легки, в первую очередь по причине того, что не имеют трансформатора.
Читайте по теме: обзор инверторных стабилизаторов.
Финальные советы
Если дочитав до данного отрезка статьи, вы не определились с выбором, то вот вам параметры от стабэксерт.ру, которые следует учитывать при выборе конкретного стабилизатора.
Мощность устройства
На это следует обратить внимание в первую очередь, вне зависимости от типа выбираемого прибора. Для определения требуемой мощности стабилизатора необходимо просуммировать электрическую нагрузку всех электроприборов, напряжение на которых предполагается стабилизировать. Значение мощности обычно указывается в паспорте электроприбора, и как правило, на прикреплённом к нему шильдике (табличке). Мощность лампы освещения указывается на её цоколе. Лучше, если мощность стабилизатора будет превышать установленную мощность электроприборов процентов на 20 – 30. Это убережет устройство от перегрузок и продлит срок его эксплуатации.
При оценке мощности следует учесть одно обстоятельство. Существует понятие полной, активной и реактивной мощности. В первую очередь нас интересует активная составляющая, измеряемая в ваттах, значение которой чаще всего и указывается на электроприборе. Однако некоторые производители стабилизаторов могут указывать полную мощность своих изделий, которая измеряется в вольт-амперах (В·А). Чтобы опять не вдаваться в теорию, для получения значения активной мощности, в этом случае можно умножить величину полной мощности на 0,9. Основная часть нагрузки бытовых потребителей носит активный характер. Реактивной составляющей обладают электрические двигатели и люминесцентное освещение.
Полезное: для вычисления мощности используйте наш калькулятор.
Тип стабилизатора
Этот выбор основывается на оценке основных характеристик рассматриваемых типов устройств и особенностях местной системы электроснабжения. Сравнивая параметры стабилизаторов различных типов, можно заметить, что выигрывая в одном качестве, прибор часто уступает в иных качествах стабилизаторам другого типа. В этом случае решающим фактором при выборе должен служить анализ параметров электроснабжения.
Например, в районах, характеризующихся устойчивыми длительными отклонениями уровня питающего напряжения в ту или иную сторону, логично сделать выбор в пользу стабилизаторов с плавной системой регулирования, имеющим сервопривод, как обладающих наиболее высокой точностью стабилизации. В такой же ситуации, но с отклонениями питающего напряжения в очень большом диапазоне, спасти положение поможет стабилизатор гибридного типа. Если же электропитание сопровождается весьма частыми и резкими скачками уровня напряжения, более надёжную защиту обеспечат стабилизаторы релейного или электронного типа.
Что касается устройств инверторного типа, то по заявляемым производителями характеристикам они являются универсальными. Главным вопросом с технической точки зрения является то, насколько близка к синусоиде реальная кривая выдаваемого этими аппаратами напряжения. Претензия к этим приборам с экономической точки зрения состоит в том, что пока они являются самыми дорогими.
Про надежность
И ещё о вопросах надёжности. Говоря о том, что электронные устройства, лишённые механических контактов и движущихся частей обладают более высокой надёжностью, мы только излагаем общую теоретическую концепцию. На практике, надёжность электронных приборов зависит от того, насколько удачным является само схемное решение, где каждый используемый компонент должен работать в рамках допустимых параметров и иметь соответствующее качество изготовления. Особенно большим потоком отказов страдают новые устройства, не прошедшие апробацию длительной эксплуатацией. Поэтому не редки ситуации, когда старые добрые механические устройства оказываются надёжнее новых электронных систем. Безусловно, это не следует принимать, как обязательное правило, эти явления скорее относятся к болезням роста. Будущее, конечно же, за электронной и микропроцессорной техникой, функциональность и надёжность которой постоянно растёт.
По теме:Какие стабилизаторы напряжения самые надежные >>>
Выжимка. Самый сок статьи
Информация ниже, дана в «среднем», но каждая конкретная модель может выходить за рамки «среднего».
Релейные приборы: быстрее сервоприводных и шире по диапазону, но регулирование ступенчатое, т.е. на лампах накаливания могут быть видны переключения ступеней (в виде мерцания). Издают негромкие щелчки при переходе со ступени на ступень (<20-30 дБ).
- Надежные и простые устройством, самые недорогие.
- Применять лучше там, где частые скачки напряжения или диапазон отклонений достаточно широк.
- Срок службы: ~10 лет.
- Гарантия: обычно 1 год.
Примеры серий: Ресанта АСН, Ресанта СПН, Ресанта Lux АСН, Rucelf SRWII, Rucelf SRFII, Rucelf SRV, Энергия АРС, Энергия АСН, Энергия Voltron, IEK, Uniel, Эра, Полигон Каскад, Зорд и др.
Сервоприводные приборы: плавное регулирование, т.к. нет ступеней, немного медленнее релейных, но выше точность. Есть токосъемник и он подвержен износу, а также издает звук при передвижении (<20-30 дБ).
- В быту комфортнее релейных.
- Применять лучше там, где длительные просадки или превышения напряжения.
- Срок службы: ~10 лет.
- Гарантия: обычно 1 год.
Примеры серий: Ortea Vega, Ortea Antares, Ortea Orion, Rucelf SDW, Rucelf SDF, Sturm, Полигон Сатурн, Ресанта АСН ЭМ и др.
Гибридные приборы: большую часть времени работают в сервоприводном режиме, а релейный – вспомогательный для расширения диапазона. Если не можете определиться между первыми двумя, то этот вариант для вас.
- В быту комфортнее релейных.
- Применять лучше там, где длительные отклонения напряжения.
- Срок службы: ~10 лет.
- Гарантия: обычно 1 год.
Пример серии: Энергия Hybrid.
Электронные приборы: очень быстрые и бесшумные, высокоточные, способны терпеть большие перегрузки 150-180% от номинала. Дороже первых трех типов.
- Очень комфортны в быту.
- Подходят под любые сценарии применения, но мощность начинается, примерно, от 5 кВт.
- Срок службы ~10 лет.
- Гарантия: может доходить до 3-5 лет.
Примеры серий: Lider, Энергия Classic / Ultra, Энергия Premium, Ortea Gemini, Ortea Aquarius, Progress G, Progress SL, Progress SL-20, Progress T-20, Progress L, Progress T, Статус и др.
Инверторные приборы: очень точные и работают в широком диапазоне, выдают т.н. «чистый синус». Шум от работы 20-30 дБ. Наиболее дорогие и пока, небольшой выбор серий на рынке.
- Вполне комфортны в быту.
- Подходят под любые сценарии применения, мощность от небольших до, примерно, 30 кВт.
- Срок службы ~10 лет.
- Гарантия: обычно 1 год.
Пример серии: Штиль Инстаб.