Выбор однофазного стабилизатора напряжения: особенности, виды, характеристики

Чтобы выбрать подходящий стабилизатор напряжения для защиты бытовой техники, сначала важно понять, сколько фаз в электросети вашего дома.

Существуют сети трехфазного и однофазного переменного тока. Трехфазные сети чаще всего используются в электроснабжении промышленных предприятий различных отраслей, реже для объектов бытового сектора, например, частных коттеджей, загородных домов с большим потреблением электроэнергии.

Электроснабжение большинства наших квартир и жилых домов реализовано однофазными электрическими сетями, то есть питающими линиями с одним фазным и нулевым рабочим проводниками, напряжение между которыми составляет 220 В.

К сожалению, далеко не всегда у нас в доме значение напряжения соответствует этому вольтажу. Многие из нас сталкивались с пониженным или повышенным напряжением – его недопустимыми колебаниями, которые являлись причиной поломки или выхода из строя бытовой техники.

В этой статье мы расскажем об однофазных стабилизаторах – устройствах, которые защитят вашу технику от таких негативных последствий. Мы постараемся подробно описать их типы, особенности работы, плюсы и минусы. Ну и, конечно же, посоветуем, как правильно выбрать подходящее устройство.

Особенности однофазных стабилизаторов напряжения

Любой современный стабилизатор напряжения является достаточно сложным высокотехнологичным устройством с автоматическим режимом работы, не требующим никаких вмешательств пользователя.

Как работают?

Однофазные стабилизаторы с трансформаторным преобразованием (релейные, тиристорные, симисторные) имеют общий алгоритм построения защиты нагрузки от некачественного напряжения. Входное напряжение сети поступает на электронную плату управления, где происходит его измерение и сравнение с номинальным значением. При возникновении его недопустимого отклонения блок управления подает сигнал на исполнительный элемент, который корректирует напряжение.

Принципиально по-другому работают стабилизаторы инверторного типа. Преобразование напряжения в них проходит в две стадии: сначала выпрямитель преобразует нестабильное переменное напряжение в постоянное, а затем инвертор снова создает из него переменное напряжение требуемого значения со стабильным синусом.

Читатели, знакомые с принципом действия источников бесперебойного питания (ИБП) топологии online, могут отметить схожесть их работы с инверторными стабилизаторами: постоянное двойное преобразование напряжения, полностью исключающее задержку стабилизации.

Где применяются?

Довольно широкое применение однофазные стабилизаторы нашли в быту, ведь в основном питание квартир и жилых домов однофазное. Кроме того, устройства также эффективно могут применяться для защиты однофазных нагрузок производственных, торговых, складских, офисных или административных помещений.

Сфера их применения во многом определятся выходной мощностью. Так, стабилизаторы мощность до 1000 ВА чаще всего используются локально, то есть для защиты одного или нескольких электроприборов. Для магистрального использования в быту и питания нагрузок с высокими пусковыми токами подойдут устройства мощностью 1500-10000 ВА.

Как показывает практика, для защиты электроприборов квартиры или частного дома в среднем бывает достаточно стабилизатора мощностью 5000 ВА, используемого в качестве магистрального. Для мощного однофазного оборудования промышленных предприятий предполагается использование устройств мощностью до 100 кВА.

Как подключаются?

Известно, что любая однофазная электрическая цепь состоит всего из двух рабочих проводников (фазного L и нулевого N) и одного защитного заземляющего (PE). Поэтому для подключения однофазного стабилизатора (если говорить о мощном устройстве) достаточно присоединить эти проводники питающей сети к его входными клеммам на корпусе, а защищаемый электроприбор подключить к выходным клеммам, разумеется, не забыв о проводнике заземления.

Подключение маломощных стабилизаторов к сети еще более простой процесс, который не требует каких-то специальных знаний и выполняется обычным включением вилки в розетку. Аналогичным штепсельным соединением подключается и защищаемый электроприбор – к розетке, расположенной на панели стабилизатора.

Очевидно, что все однофазные стабилизаторы предназначены для защиты однофазных электроприборов. Однако это не говорит об их возможности работы лишь в однофазных сетях. Существует множество примеров организации защиты однофазных электроприборов в трехфазных сетях с помощью однофазных стабилизаторов.

Устройства при этом могут работать как магистральные (коррекция и стабилизация напряжения всей сети дома), так и локальные (защита только некоторых электроприборов). Ограничением на использование однофазных стабилизаторов в трехфазной сети может быть только наличие хотя бы одной трехфазной техники (например, электроплиты). Для ее корректной защиты должен применяться только трехфазный стабилизатор.

Типы однофазных стабилизаторов напряжения

Один из важных факторов при выборе стабилизатора – это его тип. По внутреннему устройству и принципу работы различают несколько типов однофазных стабилизаторов напряжения.

Электромеханические стабилизаторы

Преобразование и коррекция напряжения в них выполняется автотрансформатором тороидальной формы. Поступающее на автотрансформатор напряжение сети контролируется электронной схемой, которая при его отклонении подает управляющий сигнал на электродвигатель (сервопривод).

Сервопривод – это электродвигатель, который приводит в движение токосъемные графитовые щетки: они скользят по виткам катушки автотрансформатора и снимают вторичное напряжение. Очевидно, что разное количество задействованных витков обмотки автотрансформатора при размещении щеток в определенных его сегментах даст разный коэффициент трансформации, понижая или повышая напряжение сети до значения нормы.

Рисунок 1 – Схема электромеханического стабилизатора напряжения

Преимущества	Недостатки
Высокая точность стабилизации (благодаря возможности снять напряжение с любого витка обмотки). Плавность регулировки. Высокий КПД. Стойкость к перегрузкам. Невысокая стоимость.	Подверженность к механическим поломкам и износу узла сервопривода, необходимость проведения регулярного обслуживания, замены токосъемных щеток. Низкая скорость реагирования на отклонение напряжения в сети.

Релейные стабилизаторы

Преобразование напряжения в этих устройствах выполняется также автотрансформатором. Принципиальное их отличие от электромеханических состоит в способе передачи вторичного напряжения. В релейных стабилизаторах снятие вторичного напряжения выполняется не с витков катушки, а через выводы (отпайки от обмотки), каждому из которых соответствует свой коэффициент трансформации. На каждом таком выводе установлены силовые реле, которые переключают питание подключенных приборов на определенную секцию обмотки, в зависимости от уровня входного напряжения.

Рисунок 2 – Схема релейного стабилизатора напряжения

Преимущества	Недостатки
Отсутствие сервопривода и подвижной контактной системы. Высокая скорость стабилизации. Высокая надежность работы. Широкий диапазон рабочих температур. Небольшая стоимость.	Низкая точность коррекции выходного напряжения. Ступенчатость регулирования. Возможно кратковременное пропадание напряжения при переключении реле.

Электронные стабилизаторы

Принцип их работы во многом схож с релейными устройствами. Основным отличием между ними является способ коммутации выходного напряжения с отводов автотрансформатора. Применение электронных силовых ключей вместо реле и дало название стабилизаторам этого типа. В зависимости от используемых полупроводниковых ключей различают симисторные и тиристорные устройства.

Рисунок 3 – Схема электронного стабилизатора напряжения

Преимущества	Недостатки
Высокое быстродействие. Неплохая плавность регулирования на выходе (достигается увеличением количества силовых ключей – уменьшением диапазона напряжения ступеней). Точность коррекции. Бесшумность работы. Надежность в эксплуатации (полное отсутствие механических устройств и узлов исключает вероятность поломок и износа деталей). Способность работать при отрицательной температуре.	Невысокая стойкость к перегрузкам (при значительном превышении мощности нагрузки возможен выход силовых ключей из строя). Высокая стоимость.

Инверторные стабилизаторы

В настоящее время эти стабилизаторы по праву считаются наиболее совершенными. Используя передовой бестрансформаторный способ двойного преобразования напряжения, эти устройства превосходят аналоги других типов по всем техническим характеристикам.

Технология двойного преобразования предполагает две стадии преобразования переменного тока. Переменное напряжение сети, проходя через частотный фильтр, преобразуется выпрямителем в постоянное и скапливается на пластинах конденсаторов. Далее постоянное напряжение преобразуется инвертором в переменное с эталонным показателем напряжения, частотой и формой сигнала.

Используемая технология полностью исключает влияние негативных явлений в питающей сети на выходное напряжение, обеспечивая качественное электропитание, подходящее для любой нагрузки.

Рисунок 4 – Схема инверторного стабилизатора напряжения

Преимущества	Недостатки
Высочайшее быстродействие. Высокая точность стабилизации. Идеальная синусоида на выходе даже при значительно модифицированной на входе. Полное подавление коммутационных, импульсных и высокочастотных помех. Широкий диапазон входного напряжения. Высокий КДП.	Более высокая стоимость по сравнению с другими типами устройств.

Характеристики однофазных стабилизаторов

Скорость стабилизации	Важнейший для любой нагрузки параметр. Это промежуток времени, в течение которого стабилизатор при колебаниях напряжения в сети откорректирует его значение на выходе до нормального. Лучшими показателями быстродействия обладают инверторные устройства, у которых полностью отсутствует время задержки реагирования на скачки напряжения (0 мс).
Диапазон рабочего напряжения	Не менее важная техническая характеристика, определяющая верхний и нижний пороги напряжения в сети, при которых возможна работа стабилизатора. Подбирается в соответствии с возможными отклонениями напряжения в сети.
Точность работы	Качественная характеристика, показывающая насколько точно устройство регулирует входное напряжение, то есть способность стабилизатора максимально приблизить значение выходного напряжения к номинальному.
Конструктивное исполнение и способ установки	Существуют устройства напольной и настенной установки, а также вертикального, горизонтального и универсального исполнения (Rack/Tower).
Набор защит	Наличие функций защитного отключения при выходе значения напряжения за пределы рабочего диапазона, возникновении токовых перегрузок в цепи питания нагрузки, недопустимого нагрева трансформатора и др.
Мониторинг и индикация	Функции, позволяющие отображать и анализировать работу стабилизатора, а также осуществлять удаленное управление, мониторинг процесса стабилизации. Стандартные средства индикации – светодиоды и/или ЖК-дисплей, отображающие текущий статус работы устройства и значения параметров стабилизации. Для организации удаленного управления и мониторинга работы современные модели стабилизаторов могут быть оснащены различными коммуникационными интерфейсами, поддерживающими наиболее востребованные протоколы передачи данных.
Мощность стабилизатора	Ее следует выбирать в соответствии с мощностью подключаемых электроприборов и с некоторым запасом. Только таким образом можно обеспечить качественную работу устройства. Выбор стабилизатора существенно завышенной мощности также нежелателен из-за необоснованно высоких финансовых расходов и неоправданно больших габаритных размеров устройств. Вполне разумный и рекомендуемый производителями резерв по мощности составляет треть от суммарной мощности подключаемых устройств. Кроме этого, необходимо учитывать и характер нагрузки. При наличии электроприборов с большой реактивной составляющей потребления, например, электродвигателей с высокими пусковыми токами, превышающими номинальные в несколько раз, резерв по мощности целесообразно увеличить.

Какой тип стабилизатора выбрать?

Правильный выбор однофазного стабилизатора напряжения предполагает руководствоваться типом устройства и необходимой мощностью. Эти факторы в свою очередь определяются видом нагрузки, характером проблем электрической сети (длительностью, величиной отклонения напряжения, частотой, искаженностью формы сигнала) и суммарной мощностью подключаемого оборудования.

Однофазный стабилизатор каждого из указанных типов имеет свои особенности технических характеристик, от которых зависят эффективность защиты и надежность эксплуатации подключенных электроприборов.

Применение электромеханических устройств возможно в сетях с продолжительными колебаниями напряжения (допустимо с большой амплитудой). Интенсивность режима работы сервопривода при кратковременных и частых скачках напряжения приводят к скорому износу щеток и сокращению его рабочего ресурса.

Кроме того, низкая скорость коррекции сервоприводных устройств при частых скачках напряжения не позволяет применять их для защиты чувствительной к питанию техники. Неплохим бюджетным решением будет использование сервоприводных стабилизаторов для защиты нетребовательной к питанию нагрузки, например, нагревательных или осветительных приборов.

Отличаясь гораздо большим быстродействием, устройства релейного типа более предпочтительны для применения в сетях с нестабильным напряжением. Однако ступенчатость и низкая точность коррекции также исключает возможность их использования для защиты требовательной к качеству электропитания нагрузки. Интенсивный режим работы в сетях с постоянными колебаниями напряжения, сопровождаемый частыми срабатываниями электромеханических реле способствует быстрому их износу и выходу из строя. Поэтому в сетях с плохими показателями качества электроэнергии от использования стабилизаторов этого типа стоит отказаться.

Надежную защиту способны обеспечить устройства электронного типа. Они выигрывают по показателях быстродействия и коммутационной стойкости у вышеперечисленных устройств и подойдут для работы в сетях с частыми колебаниями напряжения большой амплитуды для защиты практически любой техники. При покупке такого стабилизатора важно обращать внимание на количество полупроводниковых ключей в его схеме, определяющее количество ступеней переключения, а, следовательно, и точность стабилизации – приближенность значения выходного напряжения к номинальному.

Лучшая рекомендация для достижения максимально высокого уровня защиты и надежности эксплуатации любой нагрузки – это применение инверторных стабилизаторов. Превосходя аналоги других типов по всем техническим характеристикам, эти устройства гарантированно обеспечивают защиту самого ответственного оборудования, даже в сетях с крайне низким качеством напряжения. Устройства успешно справляются с эффективной защитой самого электрочувствительного оборудования – компьютеров и периферийных устройств, автоматики отопительных котлов, серверного, измерительного и медицинского оборудования.

Ознакомиться с модельным рядом однофазных инверторных стабилизаторов «Штиль».

Видеообзор инверторных стабилизаторов напряжения «Штиль»