Схемы и принципы работы различных типов стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения используются для защиты электроприборов от скачков и просадок в сети. Они бывают разных типов и обладают разными техническими характеристиками, которые влияют на точность и быстродействие стабилизации напряжения.

Виды стабилизаторов

На электротехническом рынке представлены следующие виды стабилизаторов:

Релейные (трансформаторные)
Электромеханические (трансформаторные)
Тиристорные/симисторные (электронные, трансформаторные)
Инверторные (бестрансформаторные)

Эти устройства можно разделить на два типа: трансформаторные и бестрансформаторные.

Трансформаторные стабилизаторы

Трансформаторные стабилизаторы используют автотрансформатор для изменения напряжения. Их принцип действия основан на переключении токосъемного элемента между разными обмотками трансформатора.

Релейные стабилизаторы

Схема работы: В состав релейных стабилизаторов входят:
Трансформатор
Блок силовых реле
Сетевые фильтры
Плата управления
Блок индикации
Сигнал из сети сначала проходит через фильтры помех и поступает на плату управления, где измеряется напряжение. Если его величина отклоняется от номинала (220 В или 230 В), плата активирует нужное реле, подключая соответствующую секцию трансформатора. Это обеспечивает нужное выходное напряжение.
Преимущества:
Простой принцип действия.
Высокая перегрузочная способность, справляется с пусковыми токами.
Широкий диапазон температур эксплуатации.
Низкая стоимость.
Недостатки:
Ступенчатая регулировка, что снижает точность и быстродействие.
Ограниченный срок службы реле.
Шум при переключении реле.

Электромеханические стабилизаторы

Схема работы: Электромеханический стабилизатор включает:
Автотрансформатор
Плату управления
Сервопривод с роликом или стержнем
Сетевые фильтры
Блок индикации
Сначала входное напряжение проходит через фильтры и измеряется платой управления. Если сигнал не соответствует номиналу, плата управления активирует сервопривод. Токосъемный элемент (ролик или стержень) перемещается по обмотке трансформатора, изменяя выходное напряжение в сторону увеличения или уменьшения.
Преимущества:
Плавная регулировка напряжения.
Точность стабилизации выше, чем у релейных стабилизаторов.
Недостатки:
Зависимость от механического износа сервопривода.
Ограничение по скорости срабатывания из-за движения токосъемного ролика.
Шум, который создается при перемещении ролика.

Бестрансформаторные стабилизаторы (инверторные)

Инверторные стабилизаторы представляют собой более современное решение. Вместо автотрансформатора и реле или сервопривода они используют выпрямитель и инвертор для преобразования напряжения.

Схема работы: Входное переменное напряжение сначала проходит через выпрямитель, где преобразуется в постоянное. Затем оно снова преобразуется в переменное, но уже с нужным значением и частотой через инвертор. Это позволяет выдать чистое синусоидальное напряжение с высокой точностью, независимо от искажений или скачков на входе.
Преимущества:
Бесступенчатая регулировка напряжения.
Высокая точность и чистота выходного сигнала.
Полная бесшумность.
Высокая скорость срабатывания и стабильность при любых скачках и просадках.
Недостатки:
Высокая стоимость по сравнению с трансформаторными стабилизаторами.
Возможное усложнение схемы, требующее качественных комплектующих.

Сравнение стабилизаторов

Релейные

Преимущества: Низкая стоимость, простота конструкции

Недостатки: Ступенчатая регулировка, ограниченный срок службы

Электромеханические

Преимущества: Плавная регулировка, более высокая точность

Недостатки: Механический износ, шум

Тиристорные/симисторные

Преимущества: Высокая точность, долговечность

Недостатки: Более высокая стоимость

Инверторные

Преимущества: Бесступенчатая регулировка, бесшумность, высокая точность

Недостатки: Высокая стоимость

Выбор стабилизатора зависит от условий эксплуатации и уровня требуемой защиты оборудования.

Плата управления также контролирует возможные аварийные ситуации в электросети и при необходимости отключает устройство, например, при коротком замыкании или перегрузке на выходе. Схема работы приборов приведена ниже.

Электромеханические модели имеют следующие преимущества и недостатки.

Преимущества:

Высокая перегрузочная способность: наличие трансформатора позволяет подключать нагрузку с высокими пусковыми токами, которые могут в 2-3 раза превышать номинальную мощность стабилизатора.
Точность стабилизации: каждый шаг стабилизации соответствует одному витку вторичной обмотки, что обеспечивает более точное выходное напряжение по сравнению с релейными моделями.
Плавная регулировка: токосъемный элемент перемещается по обмоткам трансформатора без разрывов, обеспечивая непрерывное питание подключенных приборов.

Недостатки:

Низкая скорость реакции: при значительных скачках напряжения стабилизатор медленно регулирует выходной сигнал, поскольку сервоприводу требуется время для перемещения токосъемного элемента до нужного положения.
Ограниченный срок службы: частые колебания напряжения приводят к частым перемещениям сервопривода, что ускоряет износ этого узла.
Шум при работе: сервопривод издает характерное жужжание, которое может быть неприятным для пользователей, поэтому такие стабилизаторы чаще размещают в нежилых помещениях.
Требуется обслуживание: механические элементы нуждаются в регулярном обслуживании, включая очистку от пыли и замену токосъемных узлов.

Электронные стабилизаторы, включая тиристорные и симисторные модели, состоят из автотрансформатора, блока полупроводниковых ключей, панели управления, сетевых фильтров и блока индикации. Входное напряжение сначала фильтруется от высокочастотных помех, затем измеряется платой управления, которая при отклонении подает команду нужному полупроводниковому ключу. Этот ключ соединяется с сегментом обмотки трансформатора, обеспечивая нужное напряжение на выходе. Принцип действия напоминает релейные модели, но благодаря электронным ключам механические переключения исключаются. Плата управления также контролирует параметры выходного сигнала и при чрезмерных отклонениях напряжения автоматически отключает прибор.

Преимущества электронных стабилизаторов:

Бесшумная работа: отсутствие механических элементов делает работу устройства практически бесшумной.
Быстрая реакция: электронные стабилизаторы быстро реагируют на перепады напряжения, время реакции составляет около 10 мс.
Высокая перегрузочная способность: автотрансформатор позволяет выдерживать высокие пусковые токи.
Длительный срок службы: без механических компонентов срок службы электронных стабилизаторов превышает срок службы релейных и электромеханических моделей.

Недостатки электронных стабилизаторов:

Ступенчатая регулировка: ступенчатая коррекция ухудшает точность и качество выходного напряжения.
Высокая стоимость: такие модели дороже релейных и электромеханических при одинаковой мощности.
Несинусоидальная форма сигнала: некоторые модели не обеспечивают чисто синусоидальное напряжение, что неприемлемо для оборудования с асинхронными двигателями и другими чувствительными приборами.

Инверторные стабилизаторы включают выпрямитель, конденсатор, инвертор, панель управления, сетевые фильтры и систему индикации. Переменное напряжение из сети фильтруется от высокочастотных помех, затем выпрямляется и накапливается конденсатором, который поддерживает постоянный запас энергии для непрерывной стабилизации. Далее инвертор преобразует постоянное напряжение обратно в переменное, что позволяет получать на выходе стабильное заданное напряжение. Такая схема обеспечивает постоянную и высокоточную стабилизацию.

Плата управления защищает устройство от аварийных ситуаций, включая короткие замыкания, перегрузки, перегрев, чрезмерные отклонения напряжения и внутренние сбои.

Преимущества инверторных стабилизаторов:

Мгновенная реакция: стабилизаторы реагируют на изменения напряжения в сети практически моментально.
Широкий диапазон стабилизации: напряжение стабилизируется в диапазоне 90–310 В.
Качественный сигнал: выходное напряжение отличается высокой точностью (отклонение не превышает 2%) и идеально синусоидальной формой, что сохраняется независимо от входных колебаний.
Бесперебойная работа: при кратковременных обрывах сети (до 200 мс) устройство продолжает подачу напряжения на подключенные приборы.
Отсутствие шума: отсутствуют движущиеся элементы, а наличие кулеров для охлаждения, если они предусмотрены, создает минимальный шум.

Недостатки инверторных стабилизаторов:

Невысокая перегрузочная способность: в сравнении с другими моделями их перегрузочная способность ограничена 150%.
Высокая стоимость: инверторные стабилизаторы являются самыми дорогими среди аналогов.

Ниже приведены основные характеристики разных типов стабилизаторов. Инверторные стабилизаторы обеспечивают непрерывный режим стабилизации, релейные и электронные – ступенчатый, а электромеханические – плавный. Время срабатывания для инверторных устройств равно 0 мс, для релейных и электронных – 5-10 мс, а для электромеханических превышает 100 мс. Диапазон входных напряжений составляет 90–310 В для инверторных моделей, 120–276 В для релейных и электронных, и 130–276 В для электромеханических стабилизаторов. Точность выходного сигнала у инверторных моделей около 2%, у релейных и электронных 5-10%, а у электромеханических 2-3%. Коррекция искажений сети возможна только у инверторных моделей. Инверторные стабилизаторы обеспечивают бесперебойное питание при кратковременных сбоях, тогда как другие типы этого не обеспечивают.

Инверторные стабилизаторы рекомендованы для защиты чувствительного оборудования, такого как измерительные приборы и электроника отопительных котлов, и эффективны даже в условиях значительных колебаний напряжения.