Стабилизатор напряжения как способ улучшения качества электропитания
В Российской Федерации значения номинальных напряжений для электрических сетей устанавливает ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные». Стандарты качества электроэнергии, то есть степень соответствия фактических параметров установленным значениям, регулирует ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия», по которому допустимы отклонения не более ±10 % по напряжению, а также не более ±0,2 Гц по частоте.
Однако часто наблюдается несоблюдение этих нормативов энергоснабжающими компаниями. Это связано как с постоянно растущей нагрузкой на электросетевой комплекс, так и с нежеланием многих поставщиков электроэнергии инвестировать в модернизацию кабельных линий, где износ инфраструктуры составляет по разным оценкам от 50 до 70%.
Современная электротехника, от бытовой техники и газового котла до приводов промышленных конвейеров и автоматизированных станков, содержит электронные компоненты, чувствительные к перепадам напряжения. Дополнительно к этому требования к качеству сетевой электроэнергии у ряда высокотехнологичных потребителей (вычислительного, медицинского телекоммуникационного оборудования) превышают действующие стандарты.
Простым, а также экономичным решением проблемы низкого качества сетевой электроэнергии является установка между нагрузкой и сетью стабилизатора переменного напряжения. Основная задача этого устройства – автоматическое поддержание установленного значения выходного «нагрузочного» напряжения при колебаниях входного сигнала.
Феррорезонансные преобразователи
Начало массового применения в быту стабилизаторов в нашей стране датируется 60-ми годами XX века. Это связано с появлением ламповых телевизоров. Первые приборы представляли собой феррорезонансные преобразователи, принцип действия которых основан на электромагнитном взаимодействии между двумя дросселями: с ненасыщаемым сердечником (входной) и насыщенным (выходной).
Для своего времени феррорезонансные модели отличались неплохими техническими характеристиками, однако имели ряд серьезных недостатков:
- высокий уровень шума и тепловыделения;
- гармонические искажения выходного сигнала;
- зависимость точности стабилизации от величины нагрузки.
В современных феррорезонансных решениях эти недостатки частично или полностью исключены, но стоимость этих устройств достаточна высока, что обуславливает их редкое использование в быту.
Электромеханические стабилизаторы
Практически одновременно с феррорезонансными появились электромеханические непрерывные стабилизаторы, выравнивающие напряжение за счет изменения коэффициента трансформации автотрансформатора, вызываемого перемещением токосъёмного контакта по его обмотке. Изначально коррекция производилась ручным передвижением бегунка по катушке.
Главный плюс электромеханических моделей – плавное регулирование выходного напряжения с высокой точностью без искажения синусоиды. К минусам этих аппаратов относят:
- низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие, ограниченное скоростью срабатывания сервопривода и недостаточное для защиты многих видов нагрузки;
- высокий уровень шума;
- наличие узла механического контакта, который подвержен быстрому износу, а также требует периодического технического обслуживания;
- сложность эксплуатации при отрицательной температуре окружающей среды.
Релейные и полупроводниковые стабилизаторы
Следующий этап развития – появление широкого класса электронных устройств, построенных на базе силовых ключей, которые автоматически переключают сегменты трансформатора и подбирают контур со значением напряжения наиболее близким к номинальному. Модели указанного типа делятся на две группы: релейные и полупроводниковые. В первой коммутацию трансформаторных секций выполняют электрические реле.
Достоинства таких аппаратов – простота реализации, доступная цена, а также повышенное быстродействие (по сравнению с электромеханическими). Дискретное (ступенчатое) регулирование сигнала – существенный недостаток релейных устройств, визуализирующийся миганием ламп накаливания и обуславливающий не лучшую точность стабилизации – до 10%.
Данное значение может оказаться критическим для восприимчивых к любым электромагнитным помехами микропроцессорных систем. Это говорит о несоответствии релейных моделей требованиям современной инфраструктуры потребления электрического тока, особенно в секторе высокотехнологичного оборудования.
Принцип стабилизации на основе полупроводниковых ключей такой же, как у релейных моделей. Но для переключения сегментов обмотки используются симисторы или тиристоры, которые увеличивают быстродействие, а также делают работу устройства практически бесшумной. Однако эти стабилизаторы также не могут гарантировать безразрывное электропитание идеальной синусоидальной формы, необходимое для устойчивого функционирования различной электроники.
К общим недостаткам моделей, реализованных на основе вышерассмотренных методов, можно отнести отсутствие коррекции тока нагрузки и фильтрации искажений сети, что негативно влияет на подключенных потребителей.
Прорыв в стабилизации электрической энергии
Прорывом в стабилизации электрической энергии стало появление в начале XXI века инновационных стабилизаторов инверторного типа на основе технологии двойного преобразования энергии, которая до этого применялась в источниках бесперебойного питания бестрансформаторного типа. В этих устройствах сетевое переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, далее буферизируется (накапливается) в промежуточных ёмкостях, а затем инвертором преобразуется обратно в переменное. В результате на вход нагрузки всегда подаётся стабилизированный сигнал.
Этот принцип работы нейтрализует все недостатки электромеханических и электронных стабилизаторов, а также обеспечивает инверторным моделям преимущества, недоступные для устройств других топологий:
- мгновенную реакцию на изменение входного сигнала – 0 мс;
- идеальную синусоидальную форму выходного сигнала, независящую от любых сетевых колебаний и помех;
- коррекцию тока нагрузки, широкий диапазон входного напряжения;
- высокую точность стабилизации, непрерывное регулирование, исключающее ряд неприятных эффектов, связанных с переключением порогов стабилизации в электронных моделях.
Появление инверторной технологии можно рассматривать как закономерный итог эволюции стабилизаторов, который соответствует основным тенденциям развития современного электрооборудования:
- применению высокопроизводительных цифровых алгоритмов управления;
- повышенной устойчивости к различным возмущающим воздействиям;
- снижением удельного количества металлов в силовых схемах, переходом к полупроводниковым элементам;
- росту быстродействия и энергоэффективности;
- снижению габаритов при повышении надёжности и экономичности;
- увеличению срока эксплуатации без планового обслуживания.
В конструкции инверторных стабилизаторов отсутствуют свойственные классическим устройствам компоненты: автотрансформатор и подвижный электромеханический контакт. Это говорит о пониженной материалоёмкости, уменьшении зависимости цены конечного изделия от роста цен на медь или электротехническую сталь.
Качество любого стабилизатора определяется работой в критической ситуации – инверторные стабилизаторы обеспечивают полную защиту подключенного оборудования от высоковольтных выбросов, провалов входного сигнала, колебаний частоты, гармонических искажений, электрических помех. За счет применения технологии двойного преобразования они исключают трансляцию любого внешнего возмущающего воздействия на выход и гарантируют идеально чистое напряжение синусоидальной формы при любом качестве питающей электросети.
Первые серийные инверторные стабилизаторы
Линейка первых серийных инверторных стабилизаторов под названием «ИнСтаб» была разработана и запущена в производство группой компаний «Штиль», объединяющей несколько передовых научно-производственных предприятий города Тулы.
Со временем производить инверторные модели стали и другие представители сектора высокотехнологичного оборудования. Однако только ГК «Штиль» обладает полноценным ассортиментом однофазных и трехфазных инверторных решений, полностью покрывающим потребности корпоративного, а также потребительского рынка.
Кроме общих преимуществ инверторных стабилизаторов к фирменным отличиям линейки «ИнСтаб» относят:
- встроенную систему управления на базе высокоскоростного сигнального микропроцессора DSP.
- многоуровневую электронную защиту с функцией автоматического восстановления работы после аварийного отключения вследствие перегрузки, перегрева, короткого замыкания или аварии сети;
- наличие входного/выходного фильтра высоких частот;
- бесперебойное питание нагрузки стабилизированным сигналом заданного уровня до 200 мс после кратковременного обесточивания сети за счет накопленной в конденсаторах энергии;
- высокий КПД – до 97%;
- низкий уровень шума – модели мощностью до 1 кВА имеют конвекционное (безвентиляторное) охлаждение, модели мощностью более 1 кВА оснащаются комбинированной (конвекционной/вентиляторной) или принудительной системой охлаждения – малошумными вентиляторами с интеллектуальной, зависящей от условий эксплуатации, регулировкой оборотов.
Широкий мощностной ряд (однофазные – от 350 ВА до 20 кВА и трехфазные – от 6 ВА до 60 кВА), а также различные варианты корпусного исполнения позволяют подобрать инверторный стабилизатор бренда «Штиль» для защиты любого электрооборудования – от бытовой техники в квартирах, коттеджах, офисах до высокотехнологичного промышленного, медицинского, телекоммуникационного оборудования.