На рынке электрооборудования представлен большой выбор стабилизаторов напряжения различных типов. Как правило, они сильно отличаются по основным техническим характеристикам: быстродействию, точности, диапазону стабилизации и др. В связи с этим далеко не все стабилизаторы одинаково эффективны и надёжны в работе.
Наши инженеры провели ряд практических опытов с целью сравнить работу различных стабилизаторов напряжения и выявить лучший. Результаты представлены в нашей статье.
Потребляющее однофазный электрический ток оборудование (бытовое, промышленное, телекоммуникационное) рассчитано на работу и обеспечение максимальных технико-экономических показателей только при напряжении, соответствующем требованиям стандарта, установленного для однофазного напряжения в отечественных электросетях:
номинальное действующее значение – 230 В с допустимым отклонением ±10 %;
частота – 50 Гц с допустимым отклонением ±0,2 Гц.
Кривая напряжения с указанными параметрами представлена на рисунке 1.
Более того, многие устройства, например, техника IT-систем или энергозависимые газовые котлы, отрицательно реагируют даже на допустимое ГОСТом отклонение в 10%.
Одно из наиболее распространённых решений для обеспечения требуемого качества энергоснабжения и, как следствие, защиты электрооборудования от скачков и колебаний напряжения в сети – установка стабилизатора напряжения.
Сегодня на рынке электрооборудования представлен большой выбор стабилизаторов различных типов и от различных производителей. Они отличаются по принципу регулирования напряжения, а соответственно по основным техническим характеристикам: быстродействию, точности и диапазону стабилизации, уровню шума, габаритам, массе и другим параметрам. Как следствие, не все стабилизаторы одинаково эффективны и надежны в работе.
Инженеры ГК «Штиль» провели ряд практических опытов с целью сравнить работу различных стабилизаторов напряжения в ситуациях, имитирующих наиболее распространённые проблемы электроснабжения (кратковременное пропадание сетевого напряжения, скачки напряжения, модифицированную форму входного напряжения, работу от генератора, перегрузку) и выявить лучший стабилизатор напряжения. Тестируемыми стабилизаторами в каждом опыте являются:
Далее представлено детальное рассмотрение каждого опыта с последующими выводами.
Опыт 1. Работа стабилизаторов при колебаниях сетевого напряжения
Описание проблемы: резкие изменения амплитуды сетевого напряжения и, соответственно, его действующего значения, длящиеся обычно от нескольких миллисекунд до одной минуты.
Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения (границы амплитуды, соответствующей номинальному значению напряжения, обозначены пунктирной линией, каждое колебание выделено красным цветом)
Причины проблемы: источником сетевых колебаний могут стать десятки причин как природного, так и техногенного происхождения, но наиболее часто подобные явления возникают при смене режима работы (включение/выключение) мощных электроприёмников.
Рисунок 3 – Стенд для проверки характеристик стабилизаторов
Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от подключенного к сети демонстрационного стенда. Амплитуда выходного напряжения стенда меняется в ручном режиме, что имитирует колебания сетевого напряжения на входе стабилизатора (диапазон моделируемых в рамках опыта колебаний – 140-260 В).
Схема опыта 1 приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема опыта 1 (тестирование работы стабилизаторов при колебаниях входного напряжения)
Осциллограф 1 фиксирует колебания напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения.
Показания осциллографа 1 при ручном изменении амплитуды напряжения на выходе стенда «Штиль» ДРС-001 представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Показания осциллографа 1
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данных колебаниях и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.
Тестируемый стабилизатор
Работа при колебаниях сетевого напряжения
Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550
Коррекция амплитуды входного напряжения и обеспечение на выходе напряжения с номинальным значением
Инверторный стабилизатор другого российского производителя
Коррекция амплитуды входного напряжения, выходное напряжение с отклонением, равным приблизительно 10% от номинала
Релейный стабилизатор российского производителя
Передача колебаний на выход без коррекции. В процессе опыта у устройства наблюдались проблемы с работой индикации, а именно её кратковременное отключение
Выводы
Инверторные стабилизаторы справились с колебаниями сетевого напряжения, однако точности прибора стороннего производителя, в отличии от точности прибора «Штиль», может не хватить для успешной защиты современной электроники и автоматики. Релейный стабилизатор не смог сгладить входные колебания – на практике полученное от него напряжение окажет отрицательное влияние на различное бытовое и промышленное электрооборудование (особенно на изделия, имеющие в составе электродвигатель), а также приведёт к мерцанию осветительных приборов, что представляет опасность для глаз человека.
Опыт 2. Работа стабилизаторов при кратковременном провале сетевого напряжения
Описание проблемы: непродолжительное снижение (прерывание) сетевого напряжения вплоть до 0 В с последующим его возвращением к действующему в этой сети значению. Данную ситуацию можно рассматривать как случай наиболее экстремального сетевого колебания.
Кривая напряжения с кратковременным провалом приведена на рисунке 6.
Причины проблемы: кратковременные провалы обычно вызываются либо авариями и внешними воздействиями на электросеть, либо запуском мощных потребителей электроэнергии.
Используемое оборудование: источник постоянного напряжения – 12 В, транзистор, реле, адаптер интерфейса RS-485, персональный компьютер (ПК) с управляющим ПО, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: тестируемый стабилизатор подключен к сети через реле, соединённое с источником напряжения 12 В. Между реле и источником установлен транзистор, который при получении управляющего сигнала от ПК вызывает срабатывание реле, приводящее к кратковременному прерыванию подачи напряжения на входе стабилизатора.
Схема опыта 2 приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема опыта 2 (тестирование работы стабилизаторов при провалах входного напряжения)
Осциллограф 1 фиксирует провал напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения.
Показания осциллографа 1 при возникновении в результате срабатывания реле кратковременного провала напряжения представлены на рисунке 8.
Рисунок 8 – Показания осциллографа 1
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данном провале и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.
Тестируемый стабилизатор
Работа при кратковременном провале сетевого напряжения
Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550
Нейтрализация провала и обеспечение выходного напряжения, отвечающего всем требованиям стандартов
Инверторный стабилизатор другого российского производителя
Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя
Передача сетевого провала на выход без нейтрализации
Выводы
Инверторный стабилизатор «Штиль» полностью исключил влияние кратковременного провала входного напряжения на состояние выходного напряжения. Релейный стабилизатор, наоборот, странслировал провал на выход, что в реальной ситуации негативно скажется на функционировании чувствительной нагрузки, например, электронных компонентов энергозависимого газового котла.
Отключение, продемонстрированное инверторным стабилизатором стороннего производителя, можно считать наиболее худшим развитием событий. Дело в том, что некоторые потребители электроэнергии, в частности компьютеры и серверы, снабжаются импульсными блоками питания, схема которых позволяет работать при кратковременных прерываниях питающего напряжения. Но если отключится стабилизатор, установленный в цепи перед таким блоком, то отключится и сам блок. Следовательно, для нагрузки с импульсным блоком питания стабилизатор, неустойчивый к кратковременным сетевым провалам, окажется не просто бесполезен, а вреден (без него нагрузка работала бы, а с ним – будет отключатся после каждого сетевого провала).
Опыт 3. Работа стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении
Описание проблемы: отклонение сетевого напряжения от синусоидальной формы. Пример несинусоидального напряжения приведён на рисунке 9.
Рисунок 9 – Пример сетевого напряжения несинусоидальной формы (несинусоидальная форма, характерная для выхода ИБП off-line типа, представлена в красном цвете, а кривая идеальной синусоиды – в синем)
Причины проблемы: чаще всего нарушение синусоидальности происходит из-за электроприборов, потребляющих несинусоидальный ток и называемых нелинейной нагрузкой (полупроводниковые преобразователи, индукционные печи, сварочные установки). Кроме того, выходное напряжение с формой отличной от синусоиды характерно для большинства вырабатывающих электроэнергию генераторов, а также для автономного режима ряда источников бесперебойного питания.
Используемое оборудование: источник бесперебойного питания off-line типа, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: стабилизатор подключен к питаемому от сети ИБП, который после отключения сетевого напряжения переходит в автономный режим и начинает подавать на вход тестируемого прибора несинусоидальное напряжение. Испытание проводилось как с нагрузкой, так и без неё, что позволило проанализировать работу стабилизатора с модифицированной синусоидой двух типов.
Схема опыта 3 приведена на рисунке 10.
Рисунок 10 – Схема опыта 3 (тестирование работы стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении)
Осциллограф 1 фиксирует форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – форму выходного стабилизированного напряжения.
Показания осциллографа 1 при переходе ИБП в автономный режим и отсутствии нагрузки представлены на рисунке 11. После подключения нагрузки форма приходящего от ИБП напряжения сгладилась, но осталась несинусоидальной – рисунок 12.
Рисунок 11 и 12 – Слева показания осциллографа 1 после подключения нагрузки, справа – при отсутствии нагрузки
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
Тестируемый стабилизатор
Работа при несинусоидальном входном напряжении
Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550
В обоих случаях обеспечено выходное напряжение с формой идеальной синусоиды
Инверторный стабилизатор другого российского производителя
Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя.
При максимальном отклонении входного напряжения от синусоиды (рисунок 11) – сигнализирование об ошибке и периодическое отключение/включение. При менее критичном отклонении (рисунок 12) – более устойчивая работа, без самопроизвольных отключений. Выходное напряжение оба раза имело несинусоидальную форму и увеличенную амплитуду по сравнению с входной
Выводы
Инверторный стабилизатор «Штиль» восстановил форму питающего напряжения и довел её до идеальной синусоиды, что позволяет рассматривать данный прибор как действенное средство защиты от несинусоидальных искажений в сетях переменного тока.
Релейный стабилизатор не смог исправить форму входного сигнала, следовательно, он не подойдёт для решения задач по снижению несинусоидальности, возникающих, например, в связке газового котла и ИБП с модифицированной синусоидой.
Ситуацию с отключением инверторного стабилизатора стороннего производителя можно трактовать двояко. С одной стороны, устройство защищает подключенное оборудование от воздействий напряжения с неправильной формой. С другой – отключает его, что может повлечь как минимум бытовой дискомфорт, а в случае ответственной техники привести и к более серьёзным последствиям (срыв производственного процесса, потеря несохраненных данных на сервере).
Опыт 4. Совместная работа стабилизатора и генератора
Описание проблемы: низкое качество вырабатываемой электроэнергии у большинства топливных генераторов, характеризующихся, в частности, отклонениями по форме и частоте выходного напряжения. Один из способов улучшения данных параметров – подключение после генератора стабилизатора напряжения, однако далеко не каждый стабилизатор окажется эффективен при совместной работе с генератором.
Используемое оборудование: генератор с двигателем внутреннего сгорания, допускающий ручное изменение частоты выходного напряжения, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.
Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от генератора, выходная частота которого в ходе опыта меняется в диапазоне 40-60 Гц, с шагом 1 Гц.
Схема опыта 4 приведена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Схема опыта 4 (тестирование работы стабилизаторов при совместной работе с генератором)
Осциллограф 1 фиксирует частоту и форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – частоту и форму выходного, стабилизированного напряжения.
Показания осциллографа 1 при работающем генераторе представлены на рисунке 14.
Рисунок 14 – Показания осциллографа 1 при работающем генераторе
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при подключении к данному генератору и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.
Тестируемый стабилизатор
Работа с генератором
Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550
Если частота в пределах 43-57 Гц – исправление формы входного напряжения до идеальной синусоиды, без регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение
Инверторный стабилизатор другого российского производителя
Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя
Если частота в пределах 48-52 Гц – передача входного напряжения на выход, без исправления формы напряжения и регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение
Выводы
Выходное напряжение инверторного стабилизатора «Штиль» имело форму чистой синусоиды и частоту, аналогичную частоте входного напряжения. Такой результат позволяет рекомендовать данный прибор для улучшения качества поступающей от генератора электроэнергии. Однако следует понимать – не каждая нагрузка сможет работать со всеми значениями частоты, входящими в допустимый для этого стабилизатора диапазон!
Релейный стабилизатор не оказал никакого влияния на качество приходящей от генератора электроэнергии – напряжение, зафиксированное на его выходе, не соответствует требованиям многих современных электроприборов и может привести к нарушениям их функционирования. Например, у электродвигателей, входящих в состав различной бытовой техники, возрастут вибрации и снизится КПД, а более чувствительная электроника газового котла или системы «умный дом» вообще отключится.
Поведение инверторного стабилизатора стороннего производителя говорит о том, что устройство не готово к устойчивой работе совместно с генератором, реализованном на базе двигателя внутреннего сгорания.
Опыт 5. Работа стабилизатора в условиях перегрузки
Описание проблемы: перегрузка стабилизатора, которая возникает не только при нагрузке, превышающей его выходную мощность, но и при номинальной в случае сильного снижения сетевого напряжения или воздействия высоких пусковых токов.
Используемое оборудование: тестируемые стабилизаторы, резистивная нагрузка с регулируемой потребляемой мощностью (за счёт ручного включения дополнительных ТЭНов), осциллограф.
Описание опыта: стабилизатор подключен напрямую к входной сети и соединён с нагрузкой, потребляемая мощность которой постепенно увеличивается и доводится до значения, вдвое превышающего номинальную выходную мощность стабилизатора.
Схема опыта 5 приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 – Схема опыта 5 (тестирование работы стабилизаторов при перегрузке)
Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при перегрузке приведено в таблице ниже.
Тестируемый стабилизатор
Работа с перегрузкой
600 Вт
800 Вт
1000 Вт
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение длительного времени (более 30 секунд)
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 25 секунд, затем отключение
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 10 секунд, затем отключение
Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия вызвавшей отключение перегрузки запускается в автоматическом режиме
Инверторный стабилизатор другого российского производителя
Кратковременное сигнализирование о перегрузке, затем отключение. После снятия перегрузки автоматически не запускается
Релейный стабилизатор российского производителя
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 30 секунд, затем отключение
Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 15 секунд, затем отключение
Моментальное отключение
Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия вызвавшей отключение перегрузки автоматически не запускается
Выводы
Инверторный стабилизатор «Штиль» IS550 готов к работе с перегрузкой даже при двукратном превышении его выходной мощности. На практике подобные ситуации могут произойти, например, при включении холодильника, стиральной машины, насоса и прочего оборудования с высоким пусковым током. Релейный стабилизатор тоже выдерживает перегрузки, но меньшие по номиналу и продолжительности.
Инверторный стабилизатор стороннего производителя показал полное отсутствие перегрузочной способности (дополнительные испытания показали, что устройство не работает даже при нагрузке, минимально превышающей его номинальную мощность).
Внимание! Любая перегрузка, независимо от величины и продолжительности, является аварийным режимом. Поэтому стабилизатор не следует постоянно эксплуатировать с нагрузкой, потребляемая мощность которой больше его номинала, даже если прибор способен питать её в течение длительного промежутка времени.
Общий вывод
Результаты опытов наглядно демонстрируют, что инверторный стабилизатор «Штиль» обеспечивает максимально возможный уровень защиты и может применяться как для нейтрализации различных негативных сетевых воздействий, так и для улучшения общего качества электроэнергии.
Релейный стабилизатор в ходе каждого опыта транслировал возмущающее воздействие на выход, поэтому данный прибор будет успешно работать только с оборудованием, не требовательным к характеристикам электропитания (в связи с повсеместным использованием чувствительных электронных компонентов количество таких потребителей постоянно снижается).
Обзор инверторных стабилизаторов напряжения
Инверторный стабилизатор стороннего производителя, несмотря на конструкцию во многом аналогичную инверторному стабилизатору «Штиль», показал низкую эффективность работы и в четырёх из пяти опытов не смог обеспечить электропитание нагрузки.
