В настоящее время на рынке стабилизаторов напряжения в Российской Федерации успешно работают свыше полутора десятков российских и зарубежных производителей, которые в среднем представляют потребителям до тридцати различающихся мощностью, виду питания и способу стабилизации напряжения моделей. Это, на первый взгляд, позволяет многократно перекрывать все основные потребности заказчиков и на типовой запрос выставлять по пять — шесть аналогов с формально схожими характеристиками. Однако, как это обычно и бывает, фактически схожесть проявляется только на страницах каталогов. В реальных сетях себя начинают проявлять детали, как в хорошую, так, к сожалению, и в плохую сторону.
В своей работе, мы опираемся на приведенную ниже систему общего подхода к оценке параметров стабилизаторов напряжения.
Если взять за опору единство общих принципов работы электронных компонентов и основные законы электротехники, то все многообразие стабилизаторов напряжения успешно делится на четыре группы по принципам работы. Это:
- 1. Электромагнитные стабилизаторы напряжения.
2. Электромеханические стабилизаторы напряжения.
3. Ступенчатые электронные стабилизаторы напряжения.
4. Ступенчатые релейные стабилизаторы напряжения.
Изучим их особенности немного подробнее.
1. Электромагнитные стабилизаторы напряжения
Электромагнитные стабилизаторы напряжения работают за счет регулировки магнитных потоков в сердечнике трехфазного трансформатора. Регулировка выполняется через изменение магнитной проницаемости зазора сердечника, что меняет общую магнитную проницаемость контура и коэффициент трансформации напряжения.
В качестве коммутационных элементов переключающих обмотки положительной и отрицательной полуволн используют тиристоры или симисторы. Скорость регулировки определяется постоянной времени трансформатора, быстродействием системы подмагничивания, быстродействием системы измерения. Остальные важнейшие характеристики — сердечником.
К несомненным достоинствам стабилизаторов напряжения с электромагнитным принципом работы относятся:
- 1) Самый широкий температурный диапазон, ограниченный снизу температурной характеристикой управляющей микроэлектроники (до −40), а сверху тепловым режимом работы трансформатора (до +60).
2) Отсутствие механических деталей и, следовательно, механического износа.
3) Высокая скорость начала отработки возмущения, которую можно грубо оценить как 20мсек (период) на измерение +20мсек (период) на отработку системы подмагничивания +20мсек (период) на переходные процессы в обмотках. Итого 60мсек на одну коррекцию. При точности стабилизации в 3% (т.е. размер условной ступени 6,6В) скорость ориентировочно составляет около 110В/сек.
4) Стабилизация происходит практически на уровне электрической машины. Таким образом, в самом своем принципе система дубовая как топор. При ее грамотной реализации в производстве и верном подборе запаса мощности под объект, стабилизатор надежно прослужит десятки лет.
5) Благодаря малой чувствительности к помехам стабилизатор хорошо работает в шумных промышленных сетях.
К сожалению, принцип работы определяет и ряд врожденных недостатков таких стабилизаторов напряжения:
- 1) Узкий диапазон стабилизации, обусловленный тем, что в сердечнике трансформатора циркулирует вся мощность нагрузки, а не только добавочная мощность для поднятия напряжения. То есть даже для номинального режима требуется значительное сечение стального сердечника трансформатора (чтобы пропускал весь магнитный поток). А запас мощности, закладываемый для компенсации просадок/всплесков напряжения, (по сути, и определяющий диапазон стабилизации), дополнительно увеличивает габарит в прямой пропорции.
2) Перегрузочная способность из-за вышеупомянутого обстоятельства так же не блещет. К примеру: кратковременная тридцати процентная перегрузка — это на тридцать процентов больший ток в катушках сердечника, т.е. на тридцать процентов больший магнитный поток. Чтобы сталь сердечника трансформатора (напоминаем, прокачивающего через себя всю мощность нагрузки) не вышла в насыщение, и стабилизатор напряжения сохранял свои характеристики, необходим запас в 30% по сечению вышеупомянутого сердечника. Как это влияет на габариты, массу и цену и без того не маленького трансформатора, думаем, пояснять не нужно.
3) Наличие обязательной минимальной нагрузки в размере 15% от номинала т.к. должен быть минимальный поток в сердечнике для работы на линейном участке кривой намагничивания стали сердечника.
4) Серьезное искажение формы напряжения сети и сильнейшая генерация высоких гармоник из-за нелинейности характеристик стали сердечника и фазовой системы переключения (на тиристорах) между полуволнами в течение периода вызывают изменения работе ряда аудиосистем и цифровых комплексов (в том числе вычислительных).
5) Двойная масса в сравнении с аппаратами на других принципах работы (обусловлена габаритом трансформатора).
6) Гул при работе из-за магнитострикции (как и положено мощному трансформатору).
7) Плавающая точность стабилизации из-за нелинейности изменения магнитных потоков и нелинейности характеристик стали магнитопровода.
8) Чувствительность к изменению частоты напряжения, т.к. расчеты индуктивных сопротивлений катушек, токов и напряженности полей проводят для номинального режима 50Гц.
9) Чувствительность к перекосу фаз, т.к. опять же расчеты индуктивных сопротивлений катушек, токов, напряженности полей проводят для номинального симметричного режима трехфазного трансформатора. А при сильной не симметрии происходит перетекание магнитных потоков в сердечнике и, соответственно, схема нагрузки магнитопроводов другая — т.е. режим работы основного элемента стабилизатора не штатный.
10) Вследствие ограниченной перегрузочной способности мощность стабилизатора выбирают исходя из значения пиковой мощности нагрузки.
2. Электромеханические стабилизаторы напряжения
Электромеханические стабилизаторы напряжения с вольтодобавочным трансформатором компенсируют просадки/всплески напряжения в сети с помощью автотрансформатора с сервоприводом, регулирующим напряжение на первичной обмотке вышеуказанного вольтодобавочного трансформатора. В качестве коммутационного элемента выступает автотрансформатор. Параметры его щеточного узла определяют возможную скорость отработки просадок/всплесков напряжения. Другие важнейшие характеристики определяются вольтодобавочным трансформатором, через который подается компенсирующая мощность.
Достоинства стабилизаторов напряжения этого типа:
- 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.
3. Cтупенчатые электронные стабилизаторы напряжения
Ступенчатые электронные стабилизаторы напряжения с вольтодобавочным трансформатором работают на принципе переключения обмоток указанного трансформатора с помощью тиристоров или симисторов, которые, собственно, и являются коммутационными элементами. Возможная скорость стабилизации определяется количеством обмоток и принципом работы электронных ключей. Остальные важнейшие характеристики — вольтодобавочным трансформатором, через который подается компенсирующая мощность.
Достоинства стабилизаторов:
- 1) Высокая точность стабилизации, прямо пропорциональная числу ступеней (и ключей).
2) Хорошая скорость отработки возмущения, которую можно грубо оценить как 20 мсек на измерение, +20 мсек на закрытие ключа обмотки, +20 мсек на открытие другого ключа обмотки, +20 мсек на переходные процессы в обмотках. Итого 80 мсек на ступень. При точности стабилизации в 5% (т.е. размер ступени 11 В) скорость составляет около 137 В/сек. При точности стабилизации в 3% (т.е. размер ступени 6,6 В) скорость составляет около 82 В/сек.
3) Достаточно широкий температурный диапазон, ограничен снизу температурной характеристикой управляющей микроэлектроники (до −40), а сверху тепловым балансом электронных ключей (до +45).
4) Отсутствие механических деталей и механического износа.
5) Широкий диапазон стабилизации, определяется вольтодобавочным трансформатором.
6) Габарит вольтодобавочного трансформатора, вследствие циркуляции в нем только компенсирующей мощности нагрузки, в разумных пределах.
7) Успешно работают с нулевой нагрузкой.
8) Точность стабилизации в основном диапазоне определяется количеством обмоток вольтодобавочного трансформатора — т.е. постоянна.
9) Фазы стабилизируются независимо, их перекос не влияет на качество стабилизации, более того, стабилизатор напряжения устраняет перекос.
10) При работе практически бесшумен, т.к. электронные ключи беззвучны.
11) Имеет малую чувствительность к частоте сети.
Из недостатков можно назвать:
- 1) Перегрузочная способность стабилизатора напряжения ограничена. Определяется заложенным запасом по току электронного ключа, соображениями теплового баланса и теплопроводности радиаторов. Поскольку инерционность тепловых процессов в полупроводниковой технике весьма мала, то типичное значение допустимой перегрузки 20—40% в течение единиц секунд. Затем аппарат надо выключать (автоматикой) из-за опасности перегрева кристалла и теплового пробоя.
2) Ступенчатый способ стабилизации напряжения, при точности отработки ниже 3% не рекомендуется для систем освещения, т.к. изменение накала ламп при отработке всплесков/просадок будет заметно глазу.
3) Быстродействие стабилизатора напряжения обратно пропорционально заявленной точности стабилизации, поскольку, чем выше точность — тем меньший допустимый шаг ступени добавки напряжения (обмотки трансформатора), тем, соответственно, большее число ступеней нужно переключить и большее время на это уйдет.
4) Форма напряжения искажается из-за нелинейной ВАХ электронных ключей. Особенно это заметно на средних и больших мощностях.
5) Большое количество коммутационных элементов в целом снижает надежность системы.
6) Вследствие ограниченной перегрузочной способности мощность стабилизатора напряжения выбирают исходя из значения пиковой мощности нагрузки.
7) По своей конструкции симисторы и тиристоры являются полууправляемыми ключевыми элементами. Это означает, что они открываются коротким импульсом блока управления, поданным на управляющий электрод ключа, а закрываются при смене полярности коммутируемого напряжения и уменьшении проходящего тока (суть силового тока) за порог удержания. К сожалению, в промышленных сетях искаженная форма напряжения и тока в купе с большим количеством помех является рядовым явлением (особенно при наличии сварочных аппаратов и иных электродуговых установок). Работа электронных ключей в таких условиях по вышеуказанной причине существенно осложнена. Для купирования ситуаций преждевременного закрытия ключа, либо наоборот, не закрытия (что ведет к короткому замыканию), либо самопроизвольного открывания из-за высоковольтного импульса (что так же ведет к короткому замыканию) в схеме стабилизатора напряжения должны применяться специальные меры по управлению ключами, облегчению их коммутации, помехоподавлению в цепях силы и управления. Но габариты и цена специальных мер растут пропорционально квадрату стабилизируемой мощности, что резко увеличивает размер и стоимость оборудования. Поэтому в полном объеме применять их в стабилизаторах напряжения экономически не целесообразно.
К счастью, в бытовых сетях интенсивные помехи редки.
4. Cтупенчатые релейные стабилизаторы напряжения
Ступенчатые релейные стабилизаторы напряжения с вольтодобавочным трансформатором работают по принципу переключения обмоток трансформатора с помощью реле. Возможная скорость стабилизации определяется количеством обмоток и скоростью работы реле. Остальные важнейшие характеристики — вольтодобавочным трансформатором, через который подается только компенсирующая мощность.
Достоинства:
- 1) Высокая точность стабилизации, прямо пропорциональная числу ступеней и ключей.
2) Высокая скорость отработки возмущения, которую можно грубо оценить как 20 мсек на измерение, +10 мсек на закрытие ключа обмотки, +10 мсек на открытие другого ключа обмотки, +20 мсек на переходные процессы в обмотках. Итого 100 мсек на ступень. При точности стабилизации в 5% (т.е. размер ступени 11 В) скорость составляет около 180 В/сек. При точности стабилизации в 3% (т.е. размер ступени 6,6 В) скорость составляет около 110 В/сек.
3) Перегрузочная способность до двукратной в течение 4 секунд, поскольку из-за вольтодобавочного трансформатора, реле непосредственно цепь нагрузки не коммутирует и работает с меньшими токами, в более благоприятном режиме.
4) Форма напряжения не искажается за отсутствием искажающих элементов.
5) Относительно широкий температурный диапазон, ограничен снизу и сверху температурной характеристикой реле.
6) Широкий диапазон стабилизации, определяется вольтодобавочным трансформатором.
7) Габарит вольтодобавочного трансформатора, вследствие циркуляции в нем только компенсирующей мощности нагрузки, в разумных пределах.
8) Стабилизатор напряжения работает с нулевой нагрузкой.
9) Точность стабилизации в основном диапазоне определяется количеством обмоток вольтодобавочного трансформатора — т.е. постоянна.
10) Фазы стабилизируются независимо, их перекос не влияет на качество стабилизации. Стабилизатор напряжения устраняет перекос фаз.
11) Малая чувствительность к частоте сети.
12) Хорошо работает в шумных промышленных сетях, поскольку коммутационный элемент к помехам, формам тока и напряжения не чувствителен.
Недостатки:
- 1) Наличие постепенного механического износа реле в течение до десятка лет, в зависимости от качества реле и интенсивности перепадов напряжения.
2) Ступенчатый способ стабилизации напряжения, при точности отработки ниже 3% не рекомендуется для систем освещения, т.к. изменение накала ламп при отработке всплесков/просадок будет заметно глазу.
3) При больших отрицательных температурах для сервопривода требуется блок обогрева.
4) Быстродействие стабилизатора напряжения обратно пропорционально заявленной точности стабилизации, поскольку, чем выше точность — тем меньший допустимый шаг ступени добавки напряжения (обмотки трансформатора), тем, соответственно, большее число ступеней нужно переключить и большее время на это уйдет.
5) Большое количество коммутационных элементов в целом снижает надежность системы.
6) Из соображений уменьшения износа реле, рекомендуется выбирать мощность стабилизатора напряжения близкую к значению пиковой мощности нагрузки.
Уверены, что приведенные выше данные помогут Вам провести оптимальный выбор оборудования для обеспечения качественного электропитания защищаемого объекта.
Начальник лаборатории Группы компаний «Полигон»
Политов В. А.
