Качество электропитания жилого и коммерческого сектора в России по целому ряду причин в большинстве своем оставляет желать лучшего. По российскому стандарту бытового электропитания (ГОСТ 13109-97) действующее значение напряжения в сети 220 В ± 5% (предельно ± 10%), частота 50 ± 0,2 Гц (предельно ± 0,4 Гц), коэффициент несинусоидальности - нормально до 8 % и предельно - до 12%. Требования к качеству электропитания сложного современного дорогостоящего оборудования в промышленности, медицине, информационных технологиях и других областях науки и техники подчас еще жестче.
Такое порой катастрофическое несоответствие питания в наших сетях и требований оборудования приводит к серьезным последствиям: выходу из строя дорогой техники, потере важной информации, остановке производства или бизнеса в целом, параличу систем жизнеобеспечения зданий (что в зимний период приводит к наиболее существенным последствиям), возгораниям или даже к трагическим событиям. Конечно, в связи с этим борьба с проблемами электроснабжения становится особенно актуальной.
Одним из средств этой борьбы являются стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы напряжения позволяют решать только определенный ряд задач по устранению проблем электропитания, поскольку весь диапазон существующих проблем значительно шире возможностей стабилизаторов. Но для значительного большинства приборов качество электропитания, даваемое стабилизатором, является достаточным, в этой связи попытка решать проблему на другом уровне в такой ситуации является излишней.
Итак, рассмотрим существующие типы стабилизаторов, их конструкцию, устройство и принцип действия и, исходя из конструктивных особенностей, возможности различных типов стабилизаторов. В настоящее время серийно выпускаются следующие четыре типа стабилизаторов:
•    Феррорезонансный
•    Электромеханический
•    Ступенчатого регулирования
•    Двойного преобразования

И еще один перспективный тип, находящийся на стадии разработок:
•    Высокочастотного (ВЧ) транзисторного регулирования

Феррорезонансный стабилизатор
Великолепное изобретение Джозефа Солы – феррорезонансный трансформатор – было изначально предназначено для работы в качестве стабилизатора напряжения. Первый патент (1938 года) на это устройство так и назывался: "трансформатор постоянного напряжения". Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, состоящий из индуктивной обмотки и конденсатора, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку. Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.
Любое магнитное устройство представляет собой прибор с нелинейной характеристикой. Если магнитный поток меньше некоторой граничной величины, то магнитное сопротивление прибора пропорционально магнитному потоку. Если же магнитный поток превышает предельное значение, то магнитное сопротивление прибора скачкообразно возрастает (говорят, что наступает насыщение). В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи . Все помнят, конечно, советские стабилизаторы напряжения, использовавшиеся для питания телевизоров в сельской местности, а зачастую и в городах. Они построены на основе феррорезонансного трансформатора. Эти стабилизаторы имели (и имеют до сих пор) отличный диапазон входных напряжений (от примерно 130 В при неполной нагрузке). Имеют они и множество недостатков. Главные из них – это огромные гармонические искажения выходного напряжения и неблагоприятный тепловой режим при отсутствии нагрузки.
Современные феррорезонансные трансформаторы устроены несколько сложнее, чем изобретенный в 1938 году. Они имеют нейтрализующую обмотку, специально предназначенную для уменьшения гармонических искажений выходного напряжения. Нейтрализующая обмотка устроена так, что в ней генерируются гармоники, находящиеся в противофазе к гармоникам в основной выходной обмотке. Правильный подбор числа витков и магнитных сопротивлений позволяет за счет последовательного соединения нейтрализующей и основной выходной обмоток полностью компенсировать гармонические искажения. Более того, даже если напряжение на входе имеет сильные гармонические искажения, то применение феррорезонансного трансформатора позволяет почти полностью уменьшить гармонические искажения выходного напряжения. Ток, потребляемый феррорезонансным трансформатором почти синусоидальный. Коэффициент гармонических искажений тока очень невелик.
Наиболее важно то, что коэффициент гармонических искажений остается небольшим независимо от того, какая нагрузка подключена к трансформатору: линейная или нелинейная. Таким свойством феррорезонансный трансформатор обязан слабой связи между входной и выходной магнитной цепями.
На рисунке 16 представлена основная для любого стабилизатора напряжения характеристика – зависимость выходного напряжения от напряжения на входе.
 
Рис. 16. Характеристика "вход-выход" для феррорезонансного трансформатора
Собственно на рисунке приведена половина симметричной характеристики: при повышении и понижении входного напряжения в окрестности средней точки феррорезонансный трансформатор ведет себя аналогично. При полной нагрузке феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения с погрешностью около 1% при изменении напряжения на входе на 15% относительно номинального. Наибольшие возможности феррорезонансный трансформатор предоставляет, если его нагрузка меньше номинальной. Так, при нагрузке около 50%, диапазон входных напряжений невероятно расширяется: более, чем до 50% от номинального входного напряжения. Особенностью входной характеристики трансформатора является то, что даже на режиме холостого хода (отсутствия нагрузки) резонансная цепь феррорезонансного трансформатора находится под напряжением и потребляет около 10% номинальной мощности трансформатора. Вообще в тепловом отношении режим холостого хода является наиболее напряженным для феррорезонансного трансформатора. Феррорезонансный трансформатор способен выдерживать любые перегрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается и трансформатор не перегревается. Даже при коротком замыкании выходной ток трансформатора ограничивается примерно 150-200% от номинального тока. Суммарная мощность, потребляемая трансформатором от сети во время короткого замыкания, не превышает 10% от номинальной. Недостатком феррорезонансного трансформатора является зависимость выходного напряжения от частоты электрической сети. При изменении частоты на 1% выходное напряжение изменяется примерно на 1-1.5%. Увеличение частоты приводит к увеличению напряжения.

Электромеханический (электродинамический) стабилизатор

Регулирование в электромеханическом стабилизаторе основано на принципе действия ЛАТРА  управляемого сервоприводом. ЛАТР (Лабораторный автотрансформатор регулируемый) – устройство, в самом простом исполнении представляющее из себя магнитопровод (сердечник) и намотанную на него одну обмотку, являющуюся одновременно первичной и вторичной обмоткой, а также токосъемный контакт, перемещаемый вдоль витков обмотки. Входное напряжение подается на начало и конец обмотки, а выходное напряжение снимается с конца обмотки и токосъемного контакта, который по выбору устанавливается на любую обмотку. Такой трансформатор способен менять свой коэффициент трансформации от 0 до 1, те умножать входное напряжение на произвольно выбранное число от 0 до 1. Важным преимуществом такой схемы по сравнению с обычным трансформатором является больший КПД, экономия на массе и размерах магнитопровода и обмоток, поскольку преобразование энергии происходит лишь частично, на разницу между входным и выходным напряжением – вольтодобавку.
В электромеханическом  стабилизаторе применяется ЛАТР более сложной конструкции с коэффициентом трансформации в среднем от 0,88 до 1,38 (данные получены исходя из того, что рабочий диапазон среднего стабилизатора 160-250 В.). В зависимости от модели и производителя значение коэффициента трансформации может меняться и напрямую определяет рабочий диапазон стабилизатора. Нижнее и верхнее рабочее напряжение равно  , где  - наименьший или наибольший коэффициент трансформации соответственно и  - номинальное напряжение сети 220 В. Перемещение токосъемного контакта осуществляется сервоприводом (электродвигателем с понижающим редуктором), управляемым электронным блоком управления. В зависимости от ситуации в сети блок управления корректирует положение токосъемного контакта, чтобы поддерживать выходное напряжение в заданном диапазоне 220 плюс-минус степень точности стабилизатора. Обычно это 1-2%. Меньше не делают, чтобы не заставлять постоянно дергаться всю систему на малейшие изменения напряжения в сети и увеличить, таким образом, ресурс.
Особенности конструкции определяют и основные преимущества и недостатки этого типа стабилизаторов.
К преимуществам относятся:
•    высокая точность,
•    хорошие показатели по несинусоидальным искажениям и КПД, ухудшение которых скорее проявляются лишь в предельных режимах,
•    устойчивость к перегрузкам, которые ограничиваются лишь температурным режимом обмоток и точки контакта токосъемника (опасность перегрева),
•    устойчивости к высоковольтным броскам напряжения и высокочастотным помехам (не способны повредить ничего в стабилизаторе помимо блока управления).

К недостаткам можно отнести:
•    низкое быстродействие (определяется качеством и конструкцией сервопривода), зависящее от величины отклонения напряжения – чем больше одномоментное отклонение напряжения, тем дольше сервопривод будет позиционировать положение токосъемного контакта, чтобы установить выходное напряжение к номинальному напряжению 220 В,
•    наличие механических узлов, предполагающих износ с течением времени, как следствие более низкая отказоустойчивость.
•    Совершенно неспособны устранять частые и быстрые изменения напряжения.

Стабилизаторы ступенчатого регулирования

Принципы преобразования напряжения в стабилизаторах ступенчатого регулирования по своей сути сходны со стабилизаторами электромеханического типа. В стабилизаторе ступенчатого регулирования  так же установлен ЛАТР с тем же в среднем коэффициентом трансформации от 0,88 до 1,38, но нет механического узла и токосъемного контакта. Вместо этого от обмоток ЛАТРа сделан фиксированный ряд отводов, каждому из которых соответствует свой коэффициент трансформации, на который умножается в свою очередь входное напряжение. Отводы подключены к узлу коммутации, основными элементами которого являются управляемые электронным блоком ключи, позволяющие замыкать/размыкать отводы. Электронный блок управления выбирает отвод (ступень), включение которого из имеющегося набора отводов обеспечит наиболее близкое значение выходного напряжения к номинальному напряжению 220В. Так, подбор электронным блоком управления нужных ступеней,  позволяет дискретно (ступенчато) скорректировать входное напряжение для приближения его к номинальному напряжению.  
Далее, конструкции такого типа для увеличения числа ступеней и как следствие точности, увеличения мощности усложняются, комбинированием отводов, разбивкой обмоток и иными вариациями, но сам принцип коммутации отводов остается неизменным.  
По технологическому исполнению ключей различают два выделяющихся подтипа стабилизаторов:
•    релейные
•    симисторные

По названию становится понятен механизм действия ключей:

 в релейных стабилизаторах основным коммутирующим элементом является реле – электромеханический выключатель, приводимый в действие силой магнитного поля установленной в реле управляющей обмотки, на которую подается управляющий сигнал.
В симисторных стабилизаторах основным коммутирующим элементом является симистор – полупроводниковый управляемый выключатель. В закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симистора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю. Запирание симистора возможно только при уменьшении тока нагрузки, как правило, это происходит при переходе синусоиды напряжения через ноль.
Характеристики релейных и симисторных стабилизаторов, несмотря на схожесть конструкции в целом, имеют существенные различия вследствие разной конструкции элементов коммутационного узла.
Преимуществами стабилизаторов ступенчатого регулирования, обусловленными их конструкцией являются:
•    Высокое быстродействие по отношению к электромеханическим стабилизаторам, практически не зависящее от величины одномоментного изменения напряжения в сети. При этом симисторные способны реагировать на изменение напряжения в сети быстрее за счет меньшего времени коммутации полупроводникового ключа по сравнению с релейным, но по ряду технических причин и ограничений время коммутации обоих конструкций сравнимо и теоретически может достигать полупериода синусоиды питающей сети, что составляет 20 мс.
•    Больший ресурс работы на отказ по сравнению с электромеханическими стабилизаторами из-за отсутствия механических частей в симисторных стабилизаторах и простейшего механического узла в релейных стабилизаторах соответственно. При этом у симисторных моделей этот показатель естественно выше.
•    Релейные стабилизаторы имеют хорошую устойчивость к высоковольтным броскам напряжения и высокочастотным помехам, поскольку  механический узел коммутации в реле неплохо выдерживает такие испытания (повредиться может только электронный блок управления).
Недостатки стабилизаторов ступенчатого регулирования это:
•    Низкая точность для моделей с небольшим числом ступеней.
•    Скачкообразное переключение напряжения при регулировании, при этом если симисторные стабилизаторы осуществляют переключение при переходе тока нагрузки через ноль и процесс коммутации происходит относительно мягко, то релейные модели осуществляют переключение в произвольный момент времени и существенно грубее.
•    Возникновение электрической дуги в релейных стабилизаторах: если в момент  коммутации при регулировании ток на нагрузке значительный, то возникает электрическая дуга, дающая в сеть целый спектр различных высокочастотных всплесков напряжения, что наиболее негативно отражается на электронных приборах. По этой причине многие производители уже сняли с производства релейные модели мощностью свыше 6 кВт, поскольку при возрастании токов этот эффект проявляется еще сильнее.
•    Плохая устойчивость симисторных стабилизаторов к высоковольтным броскам напряжения и высокочастотным помехам, которые помимо электронного блока управления легко могут повредить полупроводниковые ключи – симисторы и вывести стабилизатор из строя.
•    Теоретически стабилизаторы ступенчатого регулирования лучше устраняют частые и быстрые изменения напряжения по сравнению с электромеханическими, но на практике все зависит от модели и производителя и может быть так, что как лучше, так и хуже. В целом при борьбе с этим видом некачественного электроснабжения неэффективны.




 Стабилизаторы двойного преобразования

Создание стабилизаторов двойного преобразования стало возможным после развития технологий силовой электроники, совершенствования технологий IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) и MOSFET (metall-oxyde-semiconductor field effect transistor - МОП - Металл - Оксид – полупроводник) транзисторов и созданных на их основе инверторов. Особенность этих транзисторов, которая и открывает новые возможности, дает перспективы технологиям будущего – способность коммутировать большие токи (на настоящий момент до 2000 А) с очень высокой скоростью (свыше 100 кГц, т.е. больше 100 000 раз в секунду) с малыми потерями на самом ключе и с малыми затратами энергии на управление.
В нашем случае инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный ток с изменением величины напряжения или без. При значительных преобразованиях (изменениях) величины напряжения чаще используется высокочастотный трансформатор. Само название стабилизаторы двойного преобразования уже указывает на принцип действия таких устройств – энергия сети переменного тока  сначала преобразуется выпрямителем в постоянный ток и запасается в конденсаторах как в буфере, затем энергия постоянного тока преобразуется инвертором в энергию сети переменного тока с заданными параметрами напряжения и частоты и идеальной синусоидальной формой. При этом понятно, что если энергия, запасенная в буфере, не будет иссякать, например, при отключении/обесточивании питающей сети, то выходные напряжения и частота, определяемые только электронным блоком управления и возможным влиянием нагрузки, никаким образом не зависят от входного напряжения. То есть всевозможные всплески, броски напряжения, изменения частоты, частые и быстрые изменения напряжения не оказывают никакого влияния на выходное напряжение, которое в любом случае остается идеальным по форме, частоте и амплитуде.
Конечно, на практике не все так идеально, существуют явления, вызывающие высокочастотные помехи, подавлять которые предназначен ЕМС фильтр. Характер нагрузки также может «испортить» идеальность напряжения вследствие несовершенства коммутирующих ключей и остальных элементов системы. Броски напряжения и высокочастотные помехи тоже могут «проскочить» через стабилизатор на нагрузку, если пройдут через фильтры и буфер и окажут влияние на постоянный ток, из которого строится идеальная синусоида выходного напряжения.

Ваша корзина

Данные о корзине загружаются...

Каталог продукции

Производители

Заказать звонок