Що таке стабілізатор напруги?

В електричної мережі існує безліч споживачів електроенергії. Напруга живлення більшості з них визначається декількома трансформаторами, розташованими в електромережі по ходу передачі електроенергії від електростанції. Потужність цих трансформаторів, а також опір сполучних електричних ланцюгів в основному визначає величину напруги на споживачах. Чим більше навантажених розгалужень в електромережі і видалення споживача електроенергії від останнього трансформатора, то більша змінюється напруга на клемах цього споживача електроенергії.

призначення

У міру розвитку підприємств і збільшення числа жителів населених пунктів споживання електроенергії збільшується. У певний час потужностей трансформаторів виявляється недостатньо для забезпечення штатної роботи деяких видів електрообладнання. Це можна показати на прикладі поширених електропобутових приладів. Наприклад, праски, масляні радіатори і все нагрівальні прилади, що використовують ТЕН або інші конструкції нагрівальних резисторів при зменшенні напруги будуть нагріватися до більш низької температури.

Більшість холодильників, пральних машин та інших досить-таки потужних електроприладів з електродвигунами при істотному зменшенні напруги не забезпечать свого повноцінного призначення. І такі ситуації дуже поширені в житлових селищах і дачних кооперативах при масовому поливі або обігріві житла електрикою. Тому в багатьох ситуаціях, як на виробництві, так і в побуті з`являється потреба в такому пристрої, який дозволить нормально працювати обладнанню при існуючих зміни напруги живлення. Цими пристроями є стабілізатори напруги.

Принцип роботи

Ці пристрої мають застосування обмежене власної конструкцією. Залежно від неї кожен стабілізатор формує стабільну вихідну напругу, яка залежить від потужності навантаження і вхідного напруги живлення. Існує безліч різних схем стабілізаторів напруги. У загальному вигляді вони поділяються за принципом роботи на три типи:

• параметричні;
• компенсаційні;
• індукційні.

Параметричний стабілізатор може бути замінений еквівалентним змінним опором, яке з`єднане паралельно з навантаженням. Компенсаційний варіант являє собою еквівалентний опір, поєднаний з навантаженням послідовно. Індукційний містить регульований джерело ЕРС. Її параметри визначають сердечник і число витків трансформатора або дроселя.

У мережі електропостачання потужність кожного з споживачів електроенергії суттєво менше потужності трансформатора, який забезпечує живлення всіх споживачів. Збільшення сили струму споживаного навантаженням завжди призводить до зменшення напруги на ній. Якщо напруга на первинній обмотці живильного трансформатора досить стабільно, а його вторинні фазні обмотки, що живлять електричну мережу, навантажені вельми нерівномірно і в двох з них присутня в основному підвищена напруга через перевантаження третьої обмотки, можливе застосування всіх трьох типів стабілізаторів напруги.

Для споживачів постійно працюють при підвищеній напрузі найкращими рішеннями будуть параметричний і компенсаційний стабілізатори, а для зниженого напруги - індукційний. Змінний опір в параметричному і компенсаційному варіантах може мати різні технічні рішення. Вибір його в основному визначається швидкістю зміни імпедансу навантаження. Чим повільніше змінюється його величина, тим більш економічним можна зробити змінний опір за рахунок його реактивної складової.

виконавчі регулятори

У найбільш швидкодіючих параметричних і компенсаційних стабілізаторах змінним опором є охолоджуваний транзистор. Його стан визначається спеціальною схемою, яка відстежує напругу на навантаженні і відповідним чином підлаштовує транзистор так, щоб компенсувати зміни напруги зміною його опору. Оскільки транзистор може забезпечити найбільш широкий діапазон величин опору і є самим швидкодіючим регулятором, такі стабілізатори виходять найбільш якісними щодо вихідної напруги.

Якщо необхідно зробити стабілізатор напруги для будинку з настільки великим струмом навантаження, який транзистор не зможе забезпечити через свої фізичні принципів роботи, застосовуються інші більш повільні змінні опору. Найбільш швидкодіючим з таких пристроїв є електромеханічний регулятор. Він складається з безлічі тонких плоских графітових кілець одягнутих на загальний стрижень. Крайні кільця з`єднані з клемами, які служать для підключення до електричного кола. При стисненні кілець їх загальний опір зменшується пропорційно силі стиснення. Джерелом цієї сили може бути або соленоїд, або електродвигун зі схемою управління. Приклад такого регулятора показаний на зображенні зліва.

І транзистор, і вугільний регулятор розсіюють значну тепло, яке є компромісом між швидкодією і економічністю. Більш економічним і повільним виходить регулятор з використанням магнітного підсилювача. Він змінює свій імпеданс відповідно току підмагнічування. Унаслідок незначної величини опору проводів такий регулятор майже не розсіює тепла і виходить найбільш економічним, хоча і повільним. Приклад однієї з багатьох конструкцій магнітного підсилювача показаний на зображеннях далі.

Найкращий, хоча і найбільш дорогий стабілізатор виходить при використанні магнітного підсилювача разом з транзистором або вугільним регулятором. В такому стабілізаторі магнітний підсилювач працює в тривалому режимі і розсіює мало тепла. Інший регулятор (транзисторний тип більш швидкодіючий) функціонує короткочасно протягом інерції магнітного підсилювача. Необхідність поєднання таких регуляторів цілком обгрунтована. Наприклад, включення потужної грубки - кам`янки, яка підключена тільки до однієї фазі може викликати стрибок напруги на малопотужних навантаженнях, підключеним до однієї або двох інших фаз.

Якщо цим навантаженням є лампи розжарювання, а момент включення грубки збігся зі збільшенням амплітуди напруги живлення, їх спіралі можуть перегоріти. Транзисторний регулятор, безсумнівно, встигне підлаштуватися під наростаюче напруження і не дозволить йому досягти небезпечної для навантаження величини. Якщо підвищена напруга небезпечно для електроустаткування як, наприклад, щодо згаданих ламп розжарювання, знижена напруга не дозволяє деяким електроприладів забезпечити нормальну роботу.

індукційні стабілізатори

Параметричні та компенсаційні стабілізатори не здатні сформувати вихідну напругу на навантаженні вищу, ніж вхідна напруга. З таким завданням може впоратися тільки індукційний. Назва «індукційний» не є широко поширеним. Воно застосоване, оскільки дає визначення групи технічних рішень по стабілізації змінної напруги використовують явище електромагнітної індукції. Найбільш надійним і давно використовуваним типом є ферорезонансні стабілізатори, показані на зображеннях далі.

Вони містять трансформатор з магнітопроводом спеціальної конструкції. Частина муздрамтеатру на якій розташована вторинна обмотка насичується. З цієї причини напруга на ній і на підключеної до її клем навантаженні мало залежить від напруги електромережі, що змінюється в деякому діапазоні. Але такий принцип формування вихідної напруги не забезпечує його синусоїдальної форми. У міру наближення до стану насичення муздрамтеатр втрачає свої трансформують властивості. Це призводить до передчасного зменшення напруги на вторинній обмотці, що і є причиною спотворень.

Але крім досить товстого обмотувального дроту, муздрамтеатру і конденсатора який необхідний для збільшення ефективності стабілізатора він не містить інших деталей. Тому в ньому нема чому ламатися. Ферорезонансний стабілізатор може прийти в непридатність тільки через неякісну міжвиткової ізоляції або механічного пошкодження. Його властивості за винятком магнитострикционного ефекту (дзижчить звук, що йде від муздрамтеатру, що деформується впливом електромагнітного поля) роблять його оптимальним для використання в побуті як найбільш довговічний варіант пристрою.

Однак головним недоліком ферорезонансним стабілізаторів є вага і габарити. З цієї причини виготовляються моделі в діапазоні вихідних потужностей 100 - 8000 Вт. До появи технічних рішень з використанням напівпровідникових приладів ферорезонансні стабілізатори були найбільш широко використовуваними. Інші індукційні стабілізатори по суті своїй аналогічні лабораторному автотрансформатора (ЛАТР).

Він має ручний регулятор, який переміщує одну з вихідних клем по витків. Як видно зі схеми зліва, вихідна напруга на клемах а й б може бути як менше вхідної напруги U1 електромережі, так і більше нього при зближенні клеми а з точкою с. В існуючих стабілізаторах типу ЛАТР переміщення клеми відбувається автоматично під контролем схеми управління. Ця схема виконана із застосуванням напівпровідникових приладів і мікросхем. Для переміщення клеми застосовується кілька рішень. У деяких моделях стабілізаторів застосовується електромотор.

Це морально застарілий спосіб і вельми інертний. До того ж для нього необхідний ковзний контакт, який може іскрити і підгорати при переміщенні. З метою усунення перерахованих недоліків застосовуються більш дорогі, але зате більш швидкодіючі конструкції крокової дії. У них застосовується автотрансформатор з кількома відгалуженнями обмотки. Вихідні клеми підключаються до тієї клеми, яка в даний момент часу забезпечує найближче значення напруги до заданому напрузі.

Підключення виконується або контактами реле, або напівпровідниковими ключами. Схеми таких стабілізаторів показані на зображеннях далі.

Основним недоліком індукційних стабілізаторів з комутацією вихідної напруги є їх мала перевантажувальна здатність. Щоб наочно продемонструвати значення цього недоліку для користувача можна розглянути такий приклад. Найбільш схильна до змін напруга в електромережах селищ і дач. Для обігріву будинків при поїздках на вихідні найбільш часто застосовуються електричні обігрівачі. Навесні і восени коли починається або закінчується дачний сезон або централізоване опалення в селищах в приватних будинках (якщо воно є) відключено, періодично на повну потужність включаються електрообігрівачі.

Напруга при цьому може впасти до 140 - 150 Вольт. Для холодильника, який постійно підключений до електромережі це вельми некорисно, оскільки істотно скорочується термін служби компресора і до того ж не забезпечується його нормальна робота. Тому багато домовласників підключають свій холодильник через стабілізатор напруги. Але при пуску компресора, який час від часу відбувається в будь-якому холодильнику, короткочасне значення потужності, споживаної від мережі, в 2-3 рази перевищує номінальну потужність движка компресора.

При зменшенні напруги його стабілізація під навантаженням забезпечується збільшенням сили струму. А в міру збільшення сили струму напруга на вході стабілізатора зменшується ще більше. Тому при істотному зменшенні напруги струм, споживаний від мережі індукційним стабілізатором з перемиканням вихідних клем, може досягати величин спрацьовування автоматичних вимикачів. При кожному пуску холодильника при максимально зниженій напрузі буде або спрацьовувати автомат на щитку в будинку, або струмовий захист. І виходить така ситуація що і стабілізатор в наявності, і холодильник не працює.

Подолати розглянуту проблему може інша конструкція пристрою. Це також індукційний стабілізатор, але з інвертором, що формує вихідний змінну напругу з постійної напруги. У такому варіанті використовується проміжне випрямлення електричного струму для харчування інвертора. При цьому можна використовувати конденсатори великої ємності, які мають невеликі габарити і призначені для використання при постійній напрузі.

Енергія, накопичена в цих конденсаторах, істотно зменшує навантаження на електричну мережу при короткочасних перевантаженнях. А інвертор, який може працювати на частотах в декілька десятків кілогерц може забезпечити якісне вихідна напруга при невеликих розмірах і масі всього пристрою. Використання інверторів це саме передове рішення в конструкції стабілізаторів. Незважаючи на її складність і порівняно високу ціну пристрою з інверторами виправдовують їх якістю електроживлення.

Якщо в електромережі напруга нестабільно і очевидна необхідність стабілізації напруги треба оптимально вибрати його. При цьому слід правильно визначити потужність споживачів електроенергії. Від цього буде залежати ціна стабілізатора. У зимовий час приватний будинок середніх розмірів потребує електричної потужності в межах 6-10 кВт. Причому основна частина цієї потужності буде спожита електрообігрівачами. Чи потрібно стабільну напругу для них це питання спірне. Більшість з обігрівальних електроприладів і при 150 Вольтах дають багато тепла.

Електричні котли, що мають електронне управління забезпечені вбудованими стабілізаторами напруги. Тому сама схема управління котлом не повинна бути схильна до змін напруги в електромережі, якщо це якісна модель котла або бойлера. При зниженій напрузі нагрів буде більш тривалим. Якщо ця обставина не критично, за загальний стабілізатор для всього будинку немає сенсу переплачувати. Сучасні електронні побутові електроприлади забезпечені імпульсними джерелами електроживлення. Вони забезпечують безперебійну роботу цих пристроїв навіть при значних перепадах напруги. Те ж саме відноситься і до енергозберігаючих ламп.

Найбільш вимогливі до стабільності напруги побутові електроприлади з двигунами. Кавомолки, водяні насоси, холодильники, пральні машини і більшість інших пристроїв з колекторними і асинхронними двигунами істотно сповільнюються при зменшенні напруги і не створюють необхідних обертів для забезпечення того чи іншого процесу. Для перерахованих пристроїв стабілізатор є об`єктивною необхідністю.

Тому рекомендується правильно організувати використання цих пристроїв так, щоб працював тільки один електроприлад, підключений до стабілізатора. Це дасть можливість заощадити гроші і займане місце. Чим менше потужність, тим компактніше пристрій.