Трудно оценить ту роль, которую играет электричество в жизни современного общества. Пожалуй, нет той области деятельности человека, где бы оно не заняло свои прочные позиции. Растет потребление электрической энергии на производстве, быстрыми темпами «энерговооружается» наш быт. Компьютеры, аудио-, видеосистемы, телевизоры, домашние кинотеатры, бытовая техника, индивидуальные системы жизнеобеспечения, — стали обязательными и необходимыми элементами каждого дома.
В этих условиях особенное значение приобретает проблема качества электрической энергии. По имеющимся оценкам, проблемы качества электроэнергии обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза (ЕС) около 10 млрд. евро в год, в то время как затраты на превентивные меры составляют менее 5% от этой суммы. При этом наиболее часто встречающейся аварией для энергосетей развитых стран являются провалы напряжения — кратковременное понижение напряжения, связанное с резким увеличением нагрузки в сети. Как правило, их причиной является включение мощных потребителей, таких, например, как мощные двигатели или трансформаторы.
Совсем другая картина наблюдается в электросетях России и других стран бывшего Советского Союза (теперь стран СНГ). Проблема качества электроэнергии у нас стоит особенно остро. Начнем с того, что повышенное напряжение в отечественных сетях, встречается так же часто, как и пониженное. Сбои электропитания, вызванные изменением частоты, «обгоранием нуля», высоким уровнем электромагнитных помех, наличием постоянной или высокочастотной составляющей напряжения, т.е. тем и возмущениями, которые чрезвычайно редки на западе, стали ежедневной реальностью, несущей «смертельную» опасность нашему оборудованию.
Наиболее часто встречающейся аварией в электросетях России, как и в США, является пониженное напряжение. Однако, в отличие от кратковременных провалов напряжения, характерных для большинства развитых стран, для нас более характерны длительные просадки напряжения, имеющие ярко выраженный циклический или сезонный характер. Напряжение, стабильное ночью, снижается с началом рабочего дня, достигая своего минимума в его середине и, вновь возрастает вечером, когда большинство мощных потребителей отключается. Похожая картина наблюдается также весной и осенью, когда начинается или наоборот заканчивается отопительный сезон. Когда на улице холодно, а тепло еще не включили или, наоборот, отключили, большинство людей реагируют одинаково — включают нагреватели. «Слабые» электрические сети при этом, садятся еще больше, вплоть до их полного отключения вследствие срабатывания защит.
Постоянно пониженное напряжение наблюдается в сельских и загородных сетях. Это связано, в первую очередь, с большой протяженностью сетей, а во вторую очередь, недостатком генерирующих и преобразующих мощностей. Этот фактор нисколько не учитывался при проектировании и массовом строительстве дачных поселков, вызванных «бумом» 90-х годов прошлого века. А, принимая во внимание «человеческий» фактор в виде прямого хищения электроэнергии, то положение с электрообеспечением села, выглядит еще хуже и энергии, как правило, на всех не хватает.
Не менее часто на территории РФ встречаются зоны или даже целые регионы с постоянно повышенным напряжением. Таким способом поставщики электроэнергии пытаются поддержать постоянство напряжения на уровне 220 В, в случае его падения в результате подключения мощных потребителей.
Способы защиты электрооборудования
Для защиты электрооборудования в случае маломощных нагрузок большое распространение получили ИБП — источники бесперебойного питания. Первое и самое главное назначение ИБП — обеспечить электропитанием компьютерную систему или другое оборудование в то время, когда электрическая сеть, по каким-то причинам, не может это сделать. Во время такого сбоя электрической сети ИБП питается сам и питает нагрузку за счет энергии, накопленной его аккумуляторной батареей. В силу ограниченности ресурса химического источника питания, используемого в ИБП, максимально возможная длительность его работы, в случае полного перерыва питания, варьируется (в зависимости от типа) от нескольких минут до нескольких часов. Обычно ИБП обеспечивает штатное завершение текущих процессов, корректное завершение работы программ, сохранение данных. При длительных посадках напряжения, а также в проблемных сетях, использование ИБП ограничено, в силу ограниченности ресурса АКБ. В случае питания мощной нагрузки использование ИБП экономически невыгодно вследствие его высокой стоимости.
Обычно для более длительного, чем несколько часов поддержания энергии, используются автономные энергоустановки мощностью от нескольких сотен ватт до сотен киловатт. Сегодня это, в первую очередь, бензиновые и дизель-генераторы. Их эксплуатация сопряжена с большими затратами на периодическую дозаправку топливом и сервисное обслуживание. Дополнительными негативными факторами являются выбросы продуктов сгорания в атмосферу, повышенный шум и вибрации.
Как показывает практика, в подавляющем большинстве случаев нарушения качества электроэнергии, наиболее действенным и эффективным способом решения проблемы, если не сказать единственным, является стабилизация сетевого напряжения: автоматическое поддержание уровня напряжения в определенных, заранее заданных пределах. Применение стабилизаторов становится совершенно необходимым в сетях с постоянно пониженным напряжением или для питания особо ответственных потребителей, где использование других средств поддержания качества электроэнергии не обеспечивает достаточной точности и качества выходного напряжения. Кроме того, стабилизаторы напряжения, в той или иной степени, стали ключевыми элементами других более сложных устройств, таких как бустерные ИБП или сетевые кондиционеры.
По принципу действия стабилизаторы напряжения можно подразделить на параметрические и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов: насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов, карборундовых резисторов и др. В практической области наибольшее распространение получили феррорезонансные стабилизаторы, использующие нелинейные свойства насыщенного дросселя.
Компенсационные стабилизаторы — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования (из-за чего их иногда называют регуляторами напряжения), где ток через регулирующий орган проходит непрерывно или импульсно. Для широкого применения наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).
У каждого типа стабилизаторов есть свои достоинства и недостатки. Основным недостатком феррорезонансных стабилизаторов, например, является очень большой вес, который в разы может превосходить вес стабилизаторов других типов. Наверное, именно поэтому большинство стабилизаторов напряжения, представленных на рынке (особенно для номиналов выше 1-2 кВА), относятся к компенсационному типу стабилизаторов. Это, прежде всего, сервоприводные и ступенчатые корректоры напряжения.
Рассмотрим основные достоинства и недостатки этих двух типов приборов.
Сервоприводные стабилизаторы напряжения
Большая часть стабилизаторов этого типа, представленных на рынке РФ, произведена в Китае. Многие из них произведены под российскими или даже европейскими торговыми марками и реализуются на нашем рынке как «отечественные/европейские» изделия. Принцип работы этих приборов можно кратко описать как автотрансформаторная ЛАТРовая система с электродвигательным приводом. Электронная управляющая система отслеживает напряжение на выходе прибора и, управляя электродвигателем, регулирует работу автотрансформатора ЛАТРного типа, отрабатывая изменения напряжения на входе прибора.
Основным достоинством этого типа приборов является их низкая цена. Пожалуй, это самые дешевые стабилизаторы из всех, представленных на рынке. Второе важное достоинство заключается в высокой точности стабилизации выходного напряжения, которую обеспечивают приборы этого типа (до 1-2 В).
Однако данный тип стабилизаторов имеет и целый ряд недостатков. Основным недостатком является низкая надежность, связанная с наличием механически движущихся деталей. Чаще всего у этого типа приборов возникают проблемы связанные с износом токосъемных щеток. Опыт показывает, что при активной работе подгорание щеток может начинаться уже после первого года работы стабилизатора.
Вторым важным недостатком сервоприводных стабилизаторов является чрезвычайно низкая скорость их реакции на скачки напряжения. Время реакции (т.е. время, за которое стабилизатор отрабатывает скачок напряжения) даже на небольшие скачки напряжения в сети в 10-20 В, для большинства стабилизаторов этого типа составляет величину порядка 1 сек. Таким образом, сервоприводные стабилизаторы могут быть использованы лишь для коррекции плавных изменений напряжения и совершенно непригодны для компенсации резких скачков (например, при подгорании нуля, близкой работы сварочного аппарата и т.п.).
Наконец, очень большим недостатком представленных на рынке сервоприводных стабилизаторов является резкое падение их мощности при отклонении напряжения в сети от номинального. Это общая проблема всех низкочастотных стабилизаторов (как сервоприводных, так и ступенчатых), однако особенно этим отличается продукция китайских производителей, которые в техническом описании, как правило, указывают очень широкий диапазон входных рабочих напряжений. При этом они обычно «забывают» указать, что заявляемая ими мощность стабилизатора, как правило, приведена для напряжений, близких к номинальным (200-240 В). При снижении сетевого напряжения до 150 В мощность их стабилизаторов падает на 30-40%, а при напряжении в 120-130 В — более чем в два раза от заявленной. Так как дешевые стабилизаторы защиту по минимальному входному напряжению, как правило, не имеют, то падение напряжения на входе стабилизатора часто приводит к выходу его из строя из-за перегрузки. Чтобы избежать этого, желательно приобретать стабилизаторы с заявленным номиналом как минимум вдвое превышающим номинал нагрузки.
Резюмируя, отметим, что стремление китайских производителей максимально удешевить свою продукцию не способствует продолжительности работы их приборов. Стабилизаторы такого же типа, производства Великобритании стоят, по крайней мере, на порядок дороже.
Ступенчатые стабилизаторы напряжения
Большая часть отечественных стабилизаторов напряжения принадлежит именно к этому типу. Принцип их действия можно кратко описать как работу автотрансформатора с большим количеством отводов, каждый из которых повышает или понижает входное напряжение на заданную величину. В зависимости от величины отклонения входного напряжения, управляющая электронная схема переключает нагрузку на необходимый отвод автотрансформатора, обеспечивая минимальное отклонение выходного напряжения от номинального. Переключение осуществляется либо электромеханическими реле (в недорогих версиях), либо электронными ключами — симисторами.
Достоинства и недостатки стабилизаторов данного типа опять таки обусловлены самой схемой их построения. Основным преимуществом является то, что эти приборы отрабатывают скачки сетевого напряжения намного быстрее, чем сервоприводные. Переключение с обмотки на обмотку даже в недорогих ступенчатых стабилизаторах, использующих электромеханические реле, происходит за время порядка всего нескольких десятков миллисекунд. Это значит, что ступенчатые стабилизаторы отрабатывают скачки сетевого напряжения в десятки раз быстрее сервоприводных.
Вторым преимуществом является отсутствие движущихся механических деталей. Как следствие, стабилизаторы данного типа менее подвержены износу в результате длительной эксплуатации. Особенно это относится к более дорогим моделям с симисторным переключением обмоток.
Основной проблемой ступенчатых стабилизаторов является необходимость поиска компромисса между рабочим диапазоном входного напряжения, точностью стабилизации выходного напряжения и ценой прибора. Легко понять, что повышение точности стабилизации требует либо сужения рабочего диапазона входных напряжений, либо увеличения количества отводов и усложнения схемы управления. Последнее влечет за собой существенный рост цены стабилизатора. Чаще всего в качестве компромисса между этими параметрами выбирают точность стабилизации порядка ±10-15 В и рабочий диапазон входных напряжений 150-260 В. При этом увеличение точности стабилизации в два раза (при сохранении рабочего диапазона входных напряжений) ведет к удорожанию прибора приблизительно в полтора раза.
Как уже упоминалось выше, общей проблемой всех низкочастотных стабилизаторов (и сервоприводных, и ступенчатых) является падение мощности при уменьшении входного напряжения. Вызвано это тем, что оба типа приборов, по сути, являются низкочастотными автотрансформаторами. При больших отклонениях от номинальных напряжений их работа требует использования сердечников большего сечения, что ведет к удорожанию стабилизатора и к существенному увеличению его веса.
Еще одной небольшой проблемой является сам момент переключения нагрузки с одной обмотки стабилизатора на другую. В этот момент неизбежно происходит кратковременный разрыв в питании, вызывающий при каждом переключении небольшой «токовый удар». Тем не менее, как показывает практика, большая часть бытовых приборов этот процесс переключения переносит нормально.
Высокочастотные стабилизаторы
В последние годы предпринимаются интенсивные попытки создания высокочастотных стабилизаторов (далее, ВЧ-стабилизаторы) на базе современных силовых транзисторов. Примером для разработчиков является успешное использование высокочастотных приводов для управления асинхронными электродвигателями, построенные на сходной элементной базе. Попыткам создания ВЧ-стабилизаторов способствует также общая тенденция удешевления электронных комплектующих и рост цен на сырье, используемое в производстве низкочастотных стабилизаторов (медь, электротехническое железо и т.п.). Кроме того, ВЧ-стабилизаторам по определению присущ целый ряд важных преимуществ: они легче обычных, у них более высокая скорость стабилизации, выше точность стабилизации выходного напряжения.
Однако, вплоть до последнего времени, стабилизаторы не получили широкого распространения. Этому есть одна основная причина: практически все попытки построения ВЧ-стабилизаторов используют схему со звеном постоянного тока. Как следствие, такие приборы имеют КПД намного ниже традиционных приборов (т.к. используется двойное преобразование энергии). Кроме того, нагрузка при подключении к ВЧ-стабилизатору со звеном постоянного тока гальванически развязана от питания, что делает невозможным сброс реактивной энергии в сеть. Наконец, самый большой недостаток таких стабилизаторов — их очень высокая цена: они почти на порядок дороже, чем обычные низкочастотные компенсаторы.
Тем не менее, в последнее время удалось создать ВЧ-стабилизатор без звена постоянного тока, цена которого практически не отличается от цены отечественных низкочастотных стабилизаторов. Эти приборы производятся и продаются под торговой маркой LEGAT. Как показывают результаты сравнения, стабилизаторы LEGAT превосходят обычные низкочастотные стабилизаторы по всем основным параметрам. Кратко можно перечислить их следующие преимущества:
- Стабилизаторы LEGAT почти в два раза легче традиционных.
- Обеспечивают очень высокую точность стабилизации выходного напряжения: ±1-2 В.
- Имеют высокую скорость реакции на скачки входного напряжения.
- Обеспечивают сохранение 100% мощности в очень широком диапазоне входных напряжений: 120-280 В.
- В диапазоне входных напряжений 100-120 В работают с некоторым падением мощности.
- Не имеют гальванической развязки, что позволяет подключать любые типы активных и реактивных нагрузок.
- Позволяют регулировать выходное напряжение (180-240 В) и задержку на повторный пуск (3-999 сек.).
- Обеспечивают кратковременное увеличение тока (до 10 сек.) для обеспечения пуска электродвигательных нагрузок.
- Сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур: от -20 до +40°С.
Как видно из представленного перечня, ВЧ-стабилизаторы LEGAT по любому из технических параметров превосходят любой из традиционных низкочастотных стабилизаторов: они легче, точнее, быстрее, функциональнее. При этом их цена не отличается от цены традиционных отечественных изделий.
Резюмируя, можно сказать, что развитие стабилизаторов, по-видимому, будет происходить в сторону увеличения количества ВЧ-приборов. Определяющим здесь будет то, что, как уже указывалось, цены на основное сырье для производства обычных низкочастотных стабилизаторов постоянно растут, что вызывает рост цены самих изделий. В то же время, стоимость электронных комплектующих только падает. Поэтому можно ожидать, что со временем ВЧ-стабилизаторы станут дешевле традиционных низкочастотных приборов.
Михаил СОРКИНД.
