Стабилизаторы напряжения. 3

Содержание:

Введение………………………………………………………………………………….…..2

1. Стабилизатор напряжения……………………………………………………………....5
1. Качественные показатели электросети…………………………………………......5
2. Диапазон изменения входного напряжения………………………………………..6
3. Тип стабилизатора напряжения (электронный и электромеханический)……......6
4. Количество фаз (однофазные и трехфазные стабилизаторы)…………………....10
5. Мощность стабилизатора напряжения………………………………………….....12
6. Точность стабилизации. Быстродействие…………………………………………13
7. Дополнительные опции……………………………………………………………..13

Заключение………………………………………………………………………………….14

Список литературы…………………………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Всё электрическое оборудование и приборы  рассчитаны на работу в сети, удовлетворяющей  требованиям определенного стандарта, вследствие чего любой производитель  проектирует оборудование, исходя из этих требований. Российский стандарт бытового электропитания следующий: действующее  значение напряжения 220 В ± 5% (предельно  ± 10%), частота 50 ± 0,2 Гц (предельно ± 0,4 Гц), коэффициент несинусоидальности - нормально до 8 % и предельно - до 12% (ГОСТ 13109-97).

Параметры электрической сети не являются стабильными  по целому ряду объективных и субъективных причин, а иногда проблемы с электропитанием  возникают непосредственно на вашем  участке электросети. Отклонения величины или формы подаваемого напряжения принято называть искажениями или  помехами. Эти искажения по-разному  влияют на работу электроприборов и  даже могут вывести оборудование из строя. Поскольку современное  электронное оборудование достаточно дорого (и наиболее подвержено губительному воздействию помех по входному напряжению), возникает необходимость защитить это оборудование от подобного рода воздействий.

Использование стабилизаторов напряжения позволит повысить вероятность  безотказной работы и создаст  условия для увеличения срока  эксплуатации сложного и дорогостоящего оборудования.

Обратите внимание! При решении вопроса об использовании, или не использовании стабилизаторов напряжения, необходимо учитывать, что нестабильное, завышенное или заниженное напряжение электросети и другие помехи, как правило, приводит к выходу из строя или ненормальной работе источника питания какого-либо устройства или прибора, что в свою очередь наносит максимальный ущерб устройству или аппарату в целом, где находится данный источник питания.

Необходимость использования  стабилизаторов напряжения или ИБП  также обусловлена некоторыми экономическими причинами:

• суммарные потери из-за утраты информации и понижения производительности в компьютерных системах банков, страховых компаниях, проектных и исследовательских фирмах из-за нестабильного электропитания могут многократно превышать стоимость используемого оборудования;
• к затратам на ремонт оборудования и аппаратуры добавляются иногда значительные финансовые потери вызванные простоем оборудования, невыполнением условий договоров и контрактов и т.п.;
• затраты на ремонт значительны для оборудования, аппаратуры и приборов, вышедших из строя по причине нестабильного напряжения в электросети;
• в ряде случаев потребитель несёт значительные финансовые затраты, так как оборудование и аппаратура не подлежит ремонту и соответственно дальнейшей эксплуатации;
• большую проблему может составить поиск соответствующего сервис центра для ремонта и настройки дорогостоящего оборудования и аппаратуры, а затраты на ремонт и настройку, как правило, значительны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор  напряжения — электрическое устройство, предназначенное для качественного энергообеспечения различного оборудования и его защиты от помех в электросети.

 

Все стабилизаторы напряжения можно подразделить на 2 большие  группы: параметрические и компенсационные. 
Параметрические стабилизаторы - это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов: насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов, карборундовых резисторов и др. К данному типу относятся: стабилизаторы с подмагничиванием трансформатора, магнитные стабилизаторы, высокочастотные стабилизаторы, системы с двойным преобразованием энергии.

Компенсационные стабилизаторы - это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия  изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Представляют собой  замкнутые системы автоматического  регулирования (из-за чего их иногда называют регуляторами напряжения), где ток  через регулирующий орган проходит непрерывно или импульсно. Для широкого применения наибольшее распространение  получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) стабилизаторы  напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).

Принцип работы стабилизатора  напряжения заключается в том, что  прибор получает питание от электросетей, анализирует данные входного напряжения и корректирует их на выходе.

Корректирование напряжения осуществляется следующим образом:

• если напряжение в сети не выходит за допустимые пределы (различаются для каждой модели прибора), стабилизатор выравнивает его до 220В;
• если происходит значительный скачок напряжения выше (ниже) допустимого предела, стабилизатор производит аварийное отключение оборудования.

Основные задачи использования

Стабилизаторы напряжения позволяют:

• обеспечить качественное электропитание оборудования;
• защитить электрические приборы от помех в электросетях, скачков напряжения;
• плавно отключить/включить электрооборудование при аварийных ситуациях на ЛЭП (Линия Электропередачи);
• увеличить срок эксплуатации приборов;
• снизить затраты на ремонт электрооборудования (зачастую причина поломок – скачки напряжения в электросетях);
• обеспечить реализацию современных энергосберегающих технологий.

Область применения

Стабилизаторы напряжения в  условиях нестабильных электросетей стали  необходимостью в частных домах, офисных и производственных зданиях, медицинских учреждениях. Основными  преимуществами использования стабилизаторов являются:

• качественная работа компьютерных систем и производственных мощностей;
• защита дорогостоящих электроприборов и систем безопасности в частных коттеджах.

Основные характеристики стабилизаторов напряжения:

• тип (электронный/электромеханический);
• количество фаз (однофазный/трехфазный);
• диапазон изменения входного напряжения;
• выходная мощность;
• быстродействие;
• точность стабилизации;
• параметры работы при перегрузках по мощности;
• условия эксплуатации, необходимость (отсутствие) технического обслуживания;
• срок эксплуатации;
• габариты.

 

Выбор стабилизатора напряжения:

Стабилизатор напряжения по всем основным характеристикам должен точно соответствовать особенностям электросетей учитывать имеющиеся  электроприборы и иметь запас  мощности для подключения новых.

 

1.1 Качественные показатели электросети

Необходимо оценить помехи, характерные для вашего участка  электросети:

• провалы или скачки напряжения;
• заниженное или завышенное напряжение;
• ЛЭП низкого качества с подключением значительного числа потребителей;
• подключение (существующее или планируемое) мощных потребителей электроэнергии.

Исходное состояние электросети  – один из наиболее важных факторов при выборе стабилизатора напряжения, при этом учитывается такая характеристика прибора, как диапазон изменения  входного напряжения.

1.2 Диапазон изменения входного напряжения

Техническая характеристика прибора должна показывать предельно допустимые изменения напряжения, при которых стабилизатор способен поддерживать работу приборов, сглаживая помехи. При выходе за допустимые пределы стабилизатор осуществляет аварийное отключение электроприборов.

Диапазон входного напряжения стабилизатора должен быть шире некондиционного (завышенного или заниженного) напряжения электросети, особое внимание уделяется  нижней границе предельного диапазона. Широкий диапазон изменения входного напряжения существенно влияет как  на габариты, так и на цену приобретаемого прибора, поэтому перед выбором  конкретной модели необходим анализ напряжения электросети в течение 2-х недель (минимум).

Анализ напряжения осуществляется самостоятельно при помощи вольтметра, подключенного к одной из розеток  в помещении. Показания (в различное  время суток) записываются ежедневно.

 

 

1.3 Тип стабилизатора напряжения (электронный или электромеханический)

Электромеханические стабилизаторы.

Электромеханические стабилизаторы  имеют подвижные части, поэтому  требуют регулярного сервисного обслуживания (чистка контактов осуществляется только специалистами). Подобная конструкция  также сокращает срок службы прибора. Открытый контакт делает оборудование пожароопасным и зависимым от влажности, запыленности помещения (установка  в производственных помещениях не допустима). Если сравнивать надежность защиты от резких скачков напряжения в сети, то здесь электромеханический стабилизатор также проигрывает электронному.

Преимущества  электромеханических стабилизаторов напряжения: 
1) Плавная отработка всплесков/просадок напряжения. 
2) Высокая точность стабилизации. 
3) Высокая скорость отработки возмущения, но только в случае применения соответствующих по техническим характеристикам регулируемого автотрансформатора и сервопривода. В качестве примера можем привести следующие цифры: на автотрансформаторах фирмы TTW (Германия) стабилизаторы могут отрабатывать просадки напряжения со скоростью до 150В/сек, а на типовых автотрансформаторах производства Китай только до 30В/сек по причине резкого роста механического износа щеток на большей скорости. 
4) Высокая перегрузочная способность, скажем – до 200% в течение четырех секунд и 100% в течение восьми секунд позволяет в ряде случаев выбирать стабилизатор напряжения по значению средней мощности защищаемого оборудования, что серьезно сокращает затраты, т.к. пиковая мощность (исходя из которой обычно и берут стабилизаторы) от средней частенько отличается в разы. Грубо говоря – экономия на установочной мощности. Это ценное свойство электромеханических стабилизаторов напряжения обусловлено тем, что из-за вольтодобавочного трансформатора, коммутационный элемент (щетка автотрансформатора) непосредственно в цепь нагрузки не включена и работает с меньшими токами, в благоприятном режиме. Кроме этого, между щеткой и обмотками автотрансформатора есть постоянный контакт, которому кратковременные пиковые токи вообще индифферентны, а скорость скольжения щетки (скажем в сравнении с коллекторным двигателем на 800 об/мин) обуславливает практически полное отсутствие коммутационных процессов. 
5) Габарит вольтодобавочного трансформатора, вследствие циркуляции в нем только компенсирующей мощности нагрузки, гораздо меньше. 
6) Форма напряжения не искажается за отсутствием искажающих элементов. 
7) Благодаря разумному габариту вольтодобавочного трансформатора можно реализовать широкий диапазон стабилизации. 
8) Стабилизатор напряжения успешно работает с нулевой нагрузкой. 
9) Точность стабилизации в основном диапазоне определяется следящей системой сервопривод-автотрансформатор – то есть постоянна. 
10) Фазы стабилизируются независимо, таким образом, их перекос не влияет на качество стабилизации, более того, стабилизатор устраняет перекос. 
11) При работе практически бесшумен, т.к. сервопривод не шумит. 
12) Зависимость от частоты сети достаточно мала. 
13) Стабилизатор напряжения весьма хорошо работает в тяжелых промышленных сетях, поскольку коммутационный элемент (щетка) к помехам и искажениям формы тока и напряжения совершенно индифферентна. 
 
К недостаткам относятся: 
1) Наличие постепенного механического износа сервопривода в течение до десятка лет, в зависимости от качества сервопривода и интенсивности перепадов напряжения. 
2) Необходимость обслуживания сервопривода раз в два-три года (в виде смазывания графитовой смазкой трущихся деталей). 
3) При больших отрицательных температурах для сервопривода требуется блок обогрева. 
4) Качественный автотрансформатор с сервоприводом имеют весомую цену. 
5) Стабилизаторы напряжения с автотрансформаторами производства Китай выбираются с запасом мощности не менее 30% по причине экономии производителем на сечении проводов. Коротко говоря, эти аппараты обычно рассчитаны на коэффициент загруженности 0,8 при напряжении 220В. Таким образом, 100% нагрузка, да еще при пониженном напряжении (т.е. большем токе) как минимум вызовет перегрузку по тепловому режиму и перегрев.

Электронные стабилизаторы

Современный стабилизатор напряжения работает по принципу переключения электронными ключами обмоток автотрансформатора под управлением процессора со специальной  программой.

Основная функция процессора - замер напряжения на входе и  выходе, анализ обстановки и включение  соответствующего симистора.

Однако это далеко не все  функции процессора. Кроме регулирования  напряжения процессор выполняет  еще ряд функций, касающихся работы стабилизатора.

 

 

 

Самая главная - запуск симисторов.

Для исключения искажений  синусоиды, симистор нужно включить ровно в нулевой точке синусоиды  напряжения. Для этого процессор  делает несколько десятков измерений  напряжения и в нужный момент подает на симистор мощный импульс, провоцируя его включение (отпирание).

Но перед тем как  сделать это, необходимо проверить, выключился ли предыдущий симистор, иначе  возникнет встречный ток (симисторы  достаточно сложные в управлении элементы и случаи неотключения могут  иметь место по многим причинам, например, при помехах).

Замерив микро токи, процессор  анализирует состояние электронных  ключей и только после этого выполняет  действия.

 

 

Нужно понимать, что все  это процессор делает менее чем  за 1 микросекунду, успевая произвести расчеты, пока синусоида напряжения находится в области нулевой  точки. Повтор же операций происходит при каждой полуфазе.

Высокая скорость, как процессора, так и симисторных ключей, позволила  создать мгновенно реагирующий  стабилизатор напряжения. Сегодня электронные  стабилизаторы обрабатывают скачки за 10 миллисекунд, то есть за одну полуфазу напряжения. Это позволяет надежно  защитить оборудование от аномалий электросети.

Кроме того скорость процессора дала возможность создать более  точные стабилизаторы с использованием двух каскадной системы регулирования. Двухкаскадные стабилизаторы обрабатывают напряжение в два этапа. К примеру, первый каскад может иметь всего 4 ступени. После грубой обработки  включается второй каскад, и напряжение доводится до идеального.

Использование двухкаскадной  схемы регулирования позволяет  снизить себестоимость изделий.

Судите сами, если симисторов всего 8 (4 в первом каскаде и 4 во втором) ступеней регулирования уже становится 16 - методом комбинации (4х4=16).

Теперь, если требуется произвести высокоточный стабилизатор, скажем ступеней на 36 или 64, симисторов потребуется  значительно меньше - 12 или 16 соответственно:

для 36 ступенчатого первый каскад - 6 симисторов, второй -6 симисторов 6х6=36;

для 64 ступенчатых первый каскад - 8 симисторов, второй - 8симисторов 8х8=64.

*практические примеры  реализации разновидностей представлены  на страницемодификации стабилизаторов напряжения

Примечательно, что оба  каскада используют один и тот  же трансформатор. Действительно, зачем  ставить второй, если все можно  сделать на одном.

Скорость такого стабилизатора  может быть немного снижена (время  реагирования 20 миллисекунд). Но для  бытовой техники такой порядок  цифр все равно не имеет значение. Регулировка происходит практически мгновенно.

Кроме переключения симисторов на процессор возложены еще и  дополнительные задачи: контроль за исправностью модулей, мониторинг и отображение  процессов, тестирование схем. 

 

Электронным стабилизаторам не требуется сервисное обслуживание (осуществляется только чистка вентиляторов каждые 5 лет). Срок службы электронных  стабилизаторов намного превышает  подобные показатели электромеханических  приборов.

Основные недостатки:

- более высокая цена, чем  у электромеханических стабилизаторов

Основные преимущества:

- высокое быстродействие 
- отсутствие шума при работе (кроме шума вентилятора, как у компьютера) 
- высокая надежность (используется только электроника) 
- широкий диапазон входных напряжений (от 100 до 300В) при сохранении мощности во всем  рабочем диапазоне входного напряжения 
- наличие перегрузочных способностей (допускаются 4-х кратные перегрузки в течение 10сек.), что   позволяет не предусматривать запас  мощности при покупке оборудования ( при наличие в нагрузке холодильников, насосов и другого оборудования, имеющего электродвигатели)

Электронные стабилизаторы  напряжения, исходя из принципа их работы, могут использоваться для комплексной  нагрузки (отдельный коттедж, цех, комплекс оборудования).

1.4 Количество фаз (однофазные и трехфазные стабилизаторы напряжения)

Однофазные стабилизаторы  напряжения 
Однофазный стабилизатор обеспечивает надежную защиту оборудования, обладающего чувствительностью к перепадам сети. Исходя из мощности устройства, его можно использовать не только для надежной работы отдельных приборов, но и обеспечить стабильным напряжением квартиры, загородные дома, объекты промышленности. 
 
Основные параметры 
В качестве основных характеристик однофазных стабилизаторов можно выделить: 
• качественную автоматическую регулировку выходного напряжения (при скачках в сети выходное напряжение меняется плавно, а не ступенчато); 
• высокие характеристики перегрузочной способности (стабилизатор способен выдерживать ток, по силе превосходящий номинал); 
• высокую точность;  
• автоматическое отключение при максимальном отклонении напряжении, после стабилизации которого, подключение производится автоматически; 
• защиту от скачков напряжения при возникновении коротких замыканий. 
 
Выбор параметров однофазного стабилизатора 
Стабилизаторы однофазного типа используются для обеспечения безопасности электроприборов жилых помещений и отдельных приборов на предприятиях, где не используются асинхронные двигатели. Как правило, в таких помещениях присутствуют люди, поэтому основной характеристикой однофазного стабилизатора является его полная бесшумность. 
Мощность стабилизаторов данного типа варьируется от 100 до 100 000 Вт, тогда как масса устройства может достигать 500 килограмм. В зависимости от модели устройства допускается эксплуатация при температуре от +5 до +40оС при влажности до 90%. Некоторые модели однофазных стабилизаторов могут использоваться даже в трехфазных сетях. 
Стабилизаторы классифицируются по типам в зависимости от принципа работы и бывают импульсными, автоматическими, релейными, электронными, компенсационными, регулируемыми, электромеханическими. У каждого типа есть свои недостатки и преимущества, поэтому при выборе рекомендуется проконсультироваться со специалистом.

 

Трехфазные стабилизаторы 
Трехфазные стабилизаторы служат для защиты оборудования от скачков в сети и обеспечения стабильного напряжения. Правильно подобранный стабилизатор обеспечивает работоспособность приборов, экономя потребление энергии. Именно поэтому их наличие является необходимым для любого предприятия или квартир, где есть оборудование, для работы которого необходимо напряжение 380 В. 
 
Основные параметры 
• регулировка по каждой фазе независимо друг от друга; 
• устойчивость к пусковым токам; 
• регулировка до среднефазного напряжения на выходе. 
 
Основные характеристики 
Трехфазные стабилизаторы обладают следующими характеристиками: 
• качественная автоматическая регулировка напряжения на выходе; 
• автоматическое отключение устройства при максимальных отклонениях напряжения сети, при восстановлении – автоматическое подключение; 
• устойчивость к перегрузке; 
• защита от скачков напряжения при возникновении коротких замыканий 
• независимость каждой фазы при отключении одной из них.

 

При однофазной сети (220В) возможно использование только однофазного стабилизатора напряжения, при эксплуатации в трехфазной сети (380В) трехфазного потребителя выбор стабилизатора также очевиден. При наличии однофазных потребителей в трехфазной сети возникает вопрос: купить трехфазный стабилизатор или несколько однофазных. Защита всех приборов осуществляется при подключении трехфазного стабилизатора: освещение, розеточная (силовая) группа, дополнительная розеточная группа разделяются, но зависят от работы одного прибора. При защите всего дома (офиса) вариант комбинации однофазных стабилизаторов имеет ряд преимуществ перед одним трехфазным стабилизатором: изолированная защита каждой фазы, точное распределение нагрузки, повышенные показатели надежности. К минусам можно отнести увеличение габаритов системы, меньший комфорт эксплуатации, повышенные финансовые затраты. Также возможен эконом-вариант – защита одной из фаз (выделение группы приборов, наиболее чувствительных к перепадам напряжения).

 

1.5 Мощность стабилизатора напряжения

Для выбора стабилизатора  по этому параметру вам необходимо рассчитать суммарную мощность потребителей, которые будут обслуживаться стабилизатором. При этом важно учитывать не номинальную мощность электроприбора, а его полную мощность. Этот показатель состоит из активной мощности (указывается в ваттах Вт) и реактивной мощности (указывается в вольт-амперах реактивных ВАР). Полная мощность (измеряется в вольт-амперах ВА) рассчитывается как отношение активной мощности к cos(Fi), который указывается в паспортных данных аппаратуры. Большинство электроприборов характеризуются наличием обеих составляющих нагрузки.

Активной нагрузке соответствует  преобразование всей потребляемой энергии  в тепло. Для обогревателей, электроплит, утюгов, ламп накаливания этот тип  нагрузки является основным, при этом мощность стабилизатора должна соответствовать  номинальной мощности прибора.

Реактивным типом нагрузки характеризуются приборы, в которых  используются электродвигатели, компрессоры, насосы. К таким потребителям энергии относятся холодильники, стиральные машины, пылесосы и т.д. Эти приборы характеризуются наличием такого параметра, как пусковые токи, которые превышают номинальную мощность прибора в 3-7 раз. Соответственно, мощность стабилизатора должна отвечать пиковым характеристикам мощности потребителя.

Стабилизатор напряжения должен иметь определенный резерв мощности, который позволит вам в будущем  установить новую технику. Стоит  также учесть, что оптимальными условиями эксплуатации для стабилизатора считаются те, при которых запас мощности прибора составляет 20-30 % от суммарной мощности всех потребителей. Предварительно рассчитать суммарную мощность потребителей энергии и выбрать необходимую модель стабилизатора вам поможет Калькулятор расчета мощности.

 

1.6. Точность стабилизации. Быстродействие

Необходимая точность стабилизации определяется исходя из технических  характеристик вашей аппаратуры. Сведения о точных параметрах электропитания вашей техники вы можете найти  в инструкции или у производителя. Стоит отметить, что рабочее напряжение для бытовой электросети контролируется ГОСТ РФ 13109-97 и составляет 220 ± 10%. Большинство  бытовых электроприборов (телевизоры, холодильники, аудиотехника, стиральные машины) рассчитаны на эксплуатацию в  пределах 220 ± 5-7% и большей точности стабилизации не требуют.

Осветительные приборы, медицинское  оборудование, ряд спортивных тренажеров, лабораторная аппаратура, некоторые  бытовые приборы требуют большей  степени точности (220 ± 3%).

Точность стабилизации существенно  влияет на стоимость стабилизатора напряжения.

Также при выборе модели стабилизатора стоит обратить внимание на такой показатель, как быстродействие. Этот показатель определяет время реагирования прибора на изменение входного напряжения, т.е. насколько быстро он может включить защиту вашей техники. Наиболее высокие  показатели быстродействия характерны для электронных стабилизаторов, низкие – для электромеханических.

1.7 Дополнительные опции

Многие модели стабилизаторов напряжения обладают дополнительными  опциями, необходимыми для конкретного  потребителя:

• самостоятельная настройка параметров работы стабилизатора;
• особая индикация работы стабилизатора (ЖК-дисплей, звуковое оповещение);
• управление работой стабилизатора через персональный компьютер (в т.ч. удаленное);
• режим самодиагностики стабилизатора;
• фильтры устранения импульсных помех;
• усиленная защита стабилизатора (от скачков напряжения, перегрузок по мощности, короткого замыкания, аварийно высокого напряжения на входе, от перегрева силовых узлов).

 

Заключение 

В заключении необходимо отметить, что проблемы с некачественным напряжением могут возникать и по совершенно неожиданным причинам, например, неправильное соединение различных типов проводки (алюминий-медь), некачественная электропроводка, плохое качество контактов и другое.

При неправильной электропроводке  внутри объекта (дома, офиса и т.д.) возникает взаимное влияние подключенных электроприборов различного класса друг на друга. Например, стабилизатор напряжения выдает заявленное стабилизированное  напряжение, а глубинный насос (кондиционер, станок, электросварка и т.д.) вызывают сильное возмущение стабилизированного напряжения, и чувствительные к питающему  напряжению электроприборы перестают  получать «чистое» питание. Для исключения таких случаев наши специалисты  проведут анализ ситуации и предложат  пути решения.

Так же следует понимать, что при наличии большого количества различных по своим характеристикам  электроприборов достаточно сложно определить, какой диапазон выходного  напряжения стабилизатора напряжения будет наиболее оптимальным. В данном случае подход к выбору стабилизатора  напряжения более сложен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983.
2. Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001.