Стабилизатор сетевого напряжения 220В — это устройство, которое выравнивает напряжение из питающей сети, до определенного значения и отдает потребителям стабильные 220 вольт независимо от скачков и просадок на линии. Установка такого прибора обеспечит защиту электрических приборов от нестандартных режимов работы, таких как перепады напряжения в сети и его высокий или низкий уровень.

В этой статье мы рассмотрим устройство и принцип работы стабилизаторов напряжения, разновидности оборудования и область применения.

Что такое стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения (СН) — это устройство, предназначенное для преобразования входного нестабильного напряжения из электросети: заниженного, завышенного или с периодическими скачками, в стабильное по величине на выходе устройства и подключенных к нему электроприборах.

Перефразируем для чайников: стабилизатор делает так, чтобы для подключенных к нему приборов напряжение всегда было одинаковым и близким к 220В независимо от того, каким оно поступает на его вход: 180, 190, 240, 250 Вольт или вообще плавает.

Отметим, что 220В или 240В — это стандартная величина для РФ, Беларуси, Украины и так далее. Но в некоторых странах ближнего и дальнего зарубежья оно может быть другим, например 110В. Соответственно «наши» стабилизаторы там работать не будут.

Стабилизаторы бывают разных видов: как для работы в цепях постоянного тока (линейные и импульсные, параллельного и последовательного типов), так и для работы в цепях переменного тока. Последние часто называют «стабилизаторы сетевого напряжения» или просто «стабилизаторы 220В». Если говорить простым языком, то такие устройства подключают к электросети, а уже к нему подключают потребители.

В быту СН используют для защиты как отдельных приборов, например, для холодильника или компьютера, так и для защиты всего дома, в этом случае мощный стабилизатор устанавливается на ввод.

В чем измеряется напряженность и какие формулы используются

Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м). Формула для вычисления напряженности $E$ в точке на расстоянии $r$ от точечного заряда $Q$ задается выражением:

Где $k$ — электростатическая постоянная.

Классификация

Конструкция стабилизаторов зависит от физических принципов, на которых они работают. В связи с этим они подразделяются на:

• электромеханические;
• феррорезонансные;
• инверторные;
• полупроводниковые;
• релейные.

По количеству фаз могут быть однофазными и трехфазными. Широкий диапазон мощностей позволяет выпускать стабилизаторы как для небольших бытовых приборов — телевизора, газового котла, холодильника, так и для крупных объектов: промышленных агрегатов (например, трехфазные промышленные стабилизаторы Сатурн), цехов, зданий.

Стабилизаторы достаточно энергоэффективны. Потребление электроэнергии составляет от 2 до 5%. Некоторые стабилизирующие устройства могут иметь дополнительные защиты:

• от перенапряжений;
• от перегрузок;
• от коротких замыканий;
• от перепадов частоты.

Параметрический СН

Параметрический стабилизатор — это устройство, которое использует изменение одного или нескольких параметров полупроводникового материала (таких как температура) для обеспечения стабилизации выходного напряжения.

Компенсационные СН

Корректируют выходное напряжение на основе обратной связи, чтобы компенсировать изменения входного напряжения или нагрузки. Их преимущество в том, что они обычно обеспечивают более высокую точность стабилизации по сравнению с другими типами стабилизаторов.

Принцип действия

СН бывают разных типов, каждый из которых отличается принципом регулирования. Эти отличия мы рассмотрим далее. Если обобщить принцип работы и структуру всех типов, то стабилизатор сетевого напряжения состоит из двух основных частей:

1. Система управления — отслеживает уровень входного напряжения и дает команду силовой части увеличить или уменьшить его, чтобы на выходе получились стабильные 220В в пределах установленной погрешности (точности регулирования). Эта погрешность лежит в пределах 5-10% и у каждого прибора отличается.
2. Силовая часть — в сервоприводных (или сервомоторных), релейных и электронных (симисторных) — это автотрансформатор, с помощью которого входное напряжение повышается или понижается до нормального уровня, а в инверторных стабилизаторах, или как их еще называют «с двойным преобразованием» — используется инвертор. Это устройство, которое состоит из генератора (ШИМ-контроллер), трансформатора и силовых ключей (транзисторов), которые пропускают или отключают ток через первичную обмотку трансформатора, формируя выходное напряжение нужной формы, частоты и, что самое главное — величины.

Если напряжение на входе в норме, то у некоторых моделей стабилизаторов есть функция «байпас» или «транзит», когда входное напряжение просто подается на выход до тех пор, пока не выйдет из заданного диапазона. Например, от 215 до 225 вольт будет включен «байпас», а при больших колебаниях, допустим, при просадке до 205-210В, система управления переключит цепь на силовую часть и начнет регулировку, повысит напряжение и на выходе будут уже стабильные 220В с заданной погрешностью.

Плавная и самая точная регулировка выходного напряжения у инверторных СН, на втором месте — сервоприводные. У релейных и электронных регулировка происходит ступенчато, точность зависит от количества ступеней. Как упоминалось выше, она лежит в пределах 10%, чаще около 5%.

Кроме упомянутых выше двух частей, в стабилизаторе напряжения 220В есть и блок защиты, а также источник вторичного электропитания для цепей системы управления, тех же защит и других функциональных элементов. Общее устройство наглядно демонстрирует картинка ниже:

В то же время схема работы в простейшей форме выглядит так:

Вкратце рассмотрим, как работают стабилизаторы напряжения основных типов.

Релейные

В релейном стабилизаторе регулирование происходит за счет переключения реле. Эти реле замыкают определенные контакты трансформатора, повышая или понижая выходное напряжение.

Контролирующим органом выступает электронная микросхема. Элементы на ней сравнивают опорное и сетевое напряжение. При несоответствии отдается сигнал переключающим реле на подключение повышающих или понижающих обмоток автотрансформатора.

Релейные СН обычно регулируют электроэнергию в пределах ± 15% с точностью на выходе от ± 5% до ± 10%.

Преимущества релейных стабилизаторов:

• дешевизна;
• компактность.

Недостатки:

• медленная реакция на колебания напряжения;
• небольшой срок службы;
• низкая надежность;
• при переключениях возможны кратковременное отключение питания приборов;
• неспособны выдерживать перенапряжения;
• шум, щелчки при переключениях.

Сервоприводные

Основные элементы сервостабилизаторов — это автотрансформатор и сервомотор. При отклонении напряжения от нормы контроллер отдает сигнал сервомотору, который переключает нужные обмотки автотрансформатора. В итоге применения такой системы обеспечивается плавное регулирование и точность до 1% от общего диапазона.

В сервоприводном СН один конец первичной обмотки трансформатора подключен к жесткому ответвлению автотрансформатора, а второй конец первичной обмотки подключен к подвижному контакту (графитовой щетке), который передвигается серводвигателем. Один вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к входному источнику питания, а второй вывод подключен к выходу СН.

Плата управления сравнивает входное и опорное напряжение. При любых отклонениях от заданных значений вступает в работу сервопривод. Он перемещает щетку по ответвлениям автотрансформатора. Серводвигатель будет продолжать работать, пока разность между опорным и выходным напряжением не станет равным нулю. Весь этот процесс — от поступления электроэнергии плохого качества до выхода стабилизированного тока — проходит за десятки миллисекунд и ограничен скоростью перемещения щетки сервоприводом.

Сервоприводные стабилизаторы сетевого напряжения производят в различном исполнении.

1. Однофазные. Состоят из одного автотрансформатора и одного сервопривода.
2. Трехфазные. Подразделяются на два типа. Сбалансированные – имеют три трансформатора, один сервопривод и одну цепь управления. Регулирование осуществляется на всех трех фазах одновременно. Используются для защиты трехфазных электрических аппаратов, станков, приборов. Несимметричные – имеют три автотрансформатора, три серводвигателя и три цепи управления. То есть стабилизация происходит в каждой фазе независимо друг от друга. Область применения: защита электрооборудования зданий, цехов, промышленных объектов.

Достоинства сервоприводных стабилизирующих устройств:

• быстродействие;
• высокая точность стабилизации;
• высокая надежность;
• стойкость к перенапряжениям;

Недостатки:

• нуждаются в периодическом обслуживании;
• требуют минимальных навыков настройки устройства.

Инверторные

Основное отличие этого типа СН — отсутствие подвижных частей и трансформатора. Напряжение регулируется методом двойного преобразования. На первом этапе входной переменный ток выпрямляется и проходит через фильтр пульсаций, состоящий из конденсатора. После этого выпрямленный ток поступает на инвертор, где опять преобразуется в переменный и подается в нагрузку. При этом выходное напряжение стабильно как по величине, так и по частоте.

Коэффициент стабилизации