О роли стабилизаторов напряжения

где: Р — активная мощность, Q — реактивная мощность.

Активная мощность всегда измеряется  в ваттах (Вт), реактивная — в вольт-амперах реактивных (ВАр), а полная — в вольт-амперах (ВА). Устройства, потребители электроэнергии, зачастую имеют как активную, так и реактивную составляющие нагрузки.
При активной нагрузке вся потребляемая электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую и т. п.). У некоторых устройств данная составляющая является основной. Примеры: лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т. п. Если их указанная потребляемая мощность составляет 1 кВт, то для их питания достаточно стабилизатора напряжения мощностью в 1 кВА.
Реактивная нагрузка, в свою очередь, подразделяется на индуктивную и емкостную. Пример: электронная и бытовая техника, устройства, содержащие электродвигатель. Полная мощность и активная мощность связаны между собой коэффициентом cos(φ). На приборах, имеющих реактивную составляющую нагрузки, часто указывают их активную потребляемую мощность в Вт и cos(φ). Чтобы подсчитать полную мощность в ВА, нужно активную мощность (Вт) разделить на cos(φ).
Пример. Если на дрели написано 600 Вт и cos(φ)= 0,6, это означает, что на самом деле потребляемая инструментом полная мощность будет составлять 600/0,6 = 1000 ВА. Если cos(φ) не указан, то для грубого расчета активную мощность можно разделить на 0,7.       Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе стабильное напряжение, находящееся в заданных пределах при значительных колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки [1]. Стабилизатор напряжения (вне зависимости от типов, описанных ниже) предназначен для защиты оборудования от нестабильной подачи электроэнергии и сбоев в сети и необходим для поддержания стабильного напряжения 220В в приборах — независимо от того, как изменяется входное напряжение (в этом случае оно находится под постоянным контролем).
Автоматический стабилизатор напряжения не требует никакого контроля со стороны человека, т. к. автоматически регулирует напряжение в случае его скачка [2].

    Из недостатков можно отметить то, что при переключении реле происходит скачок напряжения (5–15 В). Для техники это несущественно и безопасно, но осветительные лампы накаливания при этом будут менять свою яркость (мигать). Правда, к люминесцентным и энергосберегающим лампам это не относится!

Как и во всех современных стабилизаторах напряжения, его основу составляют силовой трансформатор и электронный блок. Электронный блок современного релейного стабилизатора напряжения представляет собой достаточно мощный микроконтроллер, в котором происходит анализ входного и выходного напряжения и вырабатываются сигналы для управления ключами или силовыми реле стабилизатора.

При формировании управляющего напряжения микроконтроллер учитывает время срабатывания ключей и силовых реле. Это позволяет производить переключения практически без разрывов. В результате форма напряжения на выходе релейного стабилизатора повторяет форму на входе

Рис. 1. Схема релейного типа стабилизации

   Принцип действия электромеханических стабилизаторов напряжения следующий: плата управления анализирует входное  напряжение на стабилизатор, в зависимости от ситуации передает сигнал на мотор, расположенный внутри тороидальной катушки, и этот мотор передвигает на необходимое количество витков токосъемную щетку. Это обеспечивает более высокую точность стабилизации (2–4%) по сравнению с релейными (5–8%). Но скорость движения щетки ограничена возможностями мотора — чаще всего скорость добавления составляет 10–15 В/сек.
   При скачках напряжения на 30–40 В приборы могут на несколько секунд оказаться под опасным напряжением. И еще стоит обратить внимание, что у приборов некоторых производителей мотор сам питается от входного напряжения, поэтому, когда происходит сильное падение напряжения, ему просто не хватает питания и происходит «зависание» стабилизатора. Но для осветительных приборов это оптимальный выбор: свет хоть и будет менять яркость при скачках напряжения, но более мягко и не так сильно, как у релейного.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Рис. 2. Схема электромеханического типа стабилизации

     Тиристорные стабилизаторы чем-то похожи на релейные. Их отличие в том, что у них отсутствует контактная группа, намного больше ступеней стабилизации и больше точность — от 2% до 5%.                                              

     Формула тиристорного стабилизатора переменного напряжения

   Рис. 3. Схема с двусторонними ключами на одном тиристоре

Многие российские компании производят тиристорные стабилизаторы напряжения. Принцип работы тиристорных (симисторных) стабилизаторов напряжения основывается на автоматическом переключении секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей — тиристоров. Включение тиристоров в цепь переменного тока (первичную обмотку трансформатора) позволяет построить стабилизатор переменного напряжения с высоким КПД.
  Недостатком такого стабилизатора является то, что стабилизация достигается изменением формы кривой напряжения [4], поэтому на выходе такого стабилизатора форма напряжения не синусоидальная. Действующее значение напряжения стабилизатора без вольтодобавки (рис. 3) уменьшается с ростом угла регулирования. На практике они боятся плохого теплообмена. Из-за электрической незащищенности выходных каскадов обязательно требуется принудительное охлаждение тиристоров. К сожалению, из-за этого возникает шум вентилятора, происходит засасывание пыли, выходят из строя рабочие ключи. Наибольший минус данного типа стабилизаторов напряжения — высокая цена.
   Для стабилизации напряжения переменного тока используют также и феррорезонансные стабилизаторы (рис. 4) [3]. 

  Рис. 4. Схема феррорезонансного стабилизатора с конденсатором     

Принцип их работы основан на изменении индуктивности катушек с железным сердечником при изменении силы протекающего по ним тока. В первичную обмотку трансформатора последовательно включают конденсатор С1, который вместе с индуктивностью первичной обмотки составляет резонансный контур, настроенный на частоту питающей сети (50 Гц). Величина емкости конденсатора определяется мощностью трансформатора. При мощности 10–60 Вт емкость конденсатора выбирается от 3 до 12 мкФ.

Феррорезонансные стабилизаторы большей мощности выполняют с применением дросселя насыщения (рис. 5).   
При сравнительно малом напряжении сети через дроссель протекает небольшой ток, и его  индуктивность велика. Большая часть тока из сети протекает через подключенный параллельно дросселю конденсатор, и общее сопротивление цепи носит емкостный характер. Емкость компенсирует часть индуктивного сопротивления обмотки автотрансформатора, ток, проходящий через нее, возрастает, и напряжение на выходе автотрансформатора повышается, что характерно для случая резонанса напряжений.
                       
                                                                                    Рис. 5. Схема феррорезонансного стабилизатора с дросселем насыщения

   При повышении напряжения в сети, когда проходящий через обмотку дросселя ток возрастает, индуктивность дросселя падает. Поэтому емкость конденсатора подбирается таким образом, что в контуре, состоящем из дросселя и конденсатора, наступает резонанс токов, при котором сопротивление контура становится максимальным, а ток, поступающий из сети к обмотке автотрансформатора, минимальным. При повышении напряжения в сети происходит постепенное увеличение сопротивления контура до наступления резонанса. Это обеспечивает стабилизацию напряжения на обмотке автотрансформатора при изменении напряжения в сети в больших пределах. 
  Простота и надежность — преимущества феррорезонансных стабилизаторов. Недостатками являются существенная зависимость выходного напряжения от частоты тока в сети и заметное искажение синусоидальной формы напряжения. Стабилизаторы, выполненные на катушках индуктивности с насыщенными сердечниками, имеют большое магнитное поле рассеяния, что может опасно влиять на работу окружающих приборов и, возможно, на человека.
   Стоит отметить, что все типы стабилизаторов имеют один и тот же диапазон гарантийного срока — от 1 до 3 лет (в зависимости от производителя).

Дополнительные функции стабилизаторов напряжения 
   Кроме основной функции — стабилизации напряжения, стабилизаторы могут решать и другие задачи. 
   Минимальный набор дополнительных функций.
1. Анализ выходного напряжения. Для этого стабилизатор должен быть оснащен информационным (цифровым или стрелочным) табло, которое показывает выходное напряжение. Если на стабилизаторе есть функция анализа входного напряжения, это будет дополнительной полезной информацией для пользователя.
2. При больших номиналах (чаще от 3000 ВА) устанавливается функция Bypass-функция в электронном устройстве (для обработки сигнала, стабилизации напряжения и др.), позволяющая выполнить коммутацию входного сигнала непосредственно на выход, минуя все функциональные блоки [1]. То есть обеспечивается возможность включения сети в обход стабилизатора напряжения. Если напряжение нормализовалось или нужды в стабилизаторе в данный момент нет, можно перевести рычажок вверх, и напряжение минует блоки стабилизации. 

Виды крепления стабилизаторов напряжения
   Существуют два типа исполнения крепления стабилизаторов напряжения — напольное и настенное. Напольное исполнение не всегда удобно, потому что особенно крупные номиналы на полу занимают достаточно большие площади, а на полке их размещать опасно из-за значительной весовой нагрузки. При навесном исполнении стабилизаторы делают для удобства клиентов более плоскими. В принципе они могут использоваться и в напольном исполнении, но тогда часто информационная часть табло оказывается перевернутой «вверх ногами» к пользователю.
   Во многих моделях стабилизаторов напряжения используется кнопка задержки. Это сделано, для того, чтобы, если пропадет напряжение в сети или оно временно выйдет за рамки рабочего диапазона, оборудование за это время задержки до следующего включения пришло в положение покоя. Во многих стабилизаторах кнопка задержки предлагается в нескольких диапазонах — 6, 90 и 120 сек. В современных моделях задержка делается автоматической. Когда она включается, то на табло показывается время включения стабилизатора по принципу обратного отсчета. 

Подключение стабилизаторов напряжения
   Итак, стабилизатор напряжения приобретен. Очень хорошо, если у вас есть возможность пригласить опытного специалиста. Если нет, то придется действовать самому. Для начала выберите место для установки стабилизатора — оно должно быть сухим, без пыли и легко проветриваемым. Сам стабилизатор необходимо аккуратно распаковать, ознакомиться с его внешним устройством, пользуясь паспортом изделия. Если транспортировка стабилизатора происходила при минусовых температурах, то перед подключением его необходимо выдержать при комнатной температуре в течение не менее четырех часов. Это связано с тем, что все стабилизаторы напряжения боятся образования внутреннего конденсата, поэтому надо дождаться пока прибор высохнет.
   Перед началом эксплуатации обратите внимание на то, чтобы кнопка питания была в положении «Выкл.», а сам стабилизатор подключен к розетке с заземляющими контактами (евророзетке), иначе стабилизатор нужно заземлять отдельно (либо должна быть клемма подключения на клеммной колодке). После того как стабилизатор будет включен, на табло появится обратный отсчет — это включается задержка.
   Есть еще один очень важный момент! Некоторые производители не информируют в паспорте изделия, как правильно подключать стабилизатор. В этом случае лучше связаться с производителем, но в основном подключение происходит именно так:

 Рис. 6. Схема подключения стабилизатора через клеммную  колодку. Обратите внимание: фазы по краям клеммной  колодки, ближе к центру — нули, в середине — земля!

 
   Очень часто индикация у стабилизаторов напряжения у многих производителей одинакова. В процессе работы на дисплее стабилизатора могут появиться следующие буквенные обозначения: «Н», «L», «C-H».
Появление буквы «Н» на табло означает, что напряжение в сети поднялось выше рабочего диапазона — сработала защита от перенапряжения, и во избежание поломки прибора стабилизатор выключил выходное напряжение. При возврате входного напряжения в рабочий диапазон на дисплее вновь появится цифра выходного напряжения, и стабилизатор автоматически перейдет в рабочий режим.
Появление буквы «L» на табло означает, что напряжение в сети опустилось ниже рабочего диапазона — сработала защита от пониженного напряжения, и во избежание поломки прибора стабилизатор выключил выходное напряжение. При возврате входного напряжения в рабочий диапазон на дисплее вновь появится выходное напряжение, и стабилизатор автоматически перейдет в рабочий режим.
Появление букв «C-Н» на табло означает, что суммарная мощность подключенных к стабилизатору приборов превысила номинальную мощность стабилизатора — сработала тепловая защита. Необходимо снизить нагрузку, далее стабилизатор сам автоматически перейдет в рабочий режим.

В период эксплуатации стабилизатора необходимо:
– проводить осмотр корпуса стабилизатора и подключенных к нему проводов для выявления их повреждений (1 раз в месяц);
– удалять грязь и пыль с поверхностей корпуса стабилизатора щеткой или сухой ветошью. 

Как правильно выбрать стабилизатор напряжения по мощности
   Выбор мощности стабилизатора напряжения при покупке — одна из важнейших задач, правильно решив которую, вы обеспечите себе спокойную долгую жизнь.
   Для этого, во-первых, посмотрите, какой вводный автомат у вашего прибора на фазе. Это определяет уровень разрешенной нагрузки для вашего объекта (дома). Нет смысла брать существенно выше номинал по мощности. Например, имеется автомат 25 А. Значит, ограничение по мощности — 25 А х 220 В = 5 500 ВА, то есть можно взять стабилизатор на 5 000 ВА или 8 500 ВА. Нет смысла брать больше, кроме того, появляется вероятность выключения вашего вводного автомата при включении мощного стабилизатора (высокие пусковые токи «выбивают» автомат).
Во-вторых, посчитайте суммарную нагрузку всех приборов. Разделите ее на две части — с двигателями и без. Это необходимо для того, чтобы правильно учесть пусковые и реактивные токи (приблизительные мощности приведены в табл. 1). 

Табл. 1. Номинальная потребляемая мощность бытовых приборов

   
   Все цифры приборов без двигателя суммируйте, как написано на них, а мощность, указанную на приборах с двигателями, нужно разделить на 0,7 (это поправочный коэффициент, учитывающий реактивную составляющую, возникающую из-за вращающихся элементов). 
Если есть возможность, замерьте напряжение в сети, оцените, как сильно оно колеблется, как часто мигают лампочки (обычно лампочка, теряющая яркость в два раза, получает не 220, а 170–180 В).
   Есть еще такое понятие, как «пусковые токи» — когда в момент включения устройство требует такого количества энергии, которое в несколько раз превышает количество, используемое для работы прибора в штатном режиме. 

Табл. 2. Пусковые токи на электроприборы

 Пример. Рассмотрим дом в два этажа. Есть одна фаза, автомат — 50 А. В доме: свет, стиральная машина, холодильник, телевизор, компьютер.

Автомат ограничивает нагрузку 11 000 ВА. Посмотрим, что дает наша нагрузка, если ее включить одновременно.
Без двигателя: свет (50+50+50+50+50) + телевизор (300) + компьютер (маленький кулер не учитываем, поэтому 700) = 1 250 ВА.
С двигателем: стиральная машина (2000 ВА/0,7) = 2 850 ВА.
Итого (суммарно): 1 250 + 2 850 = 4 100 ВА.
Замеряем напряжение вечером, допустим, — 190 В.
Выбираем стабилизатор напряжения: оптимальная мощность стабилизатора напряжения (с запасом) — 5 000 ВА. Если планируете существенно добавить нагрузку, то можно взять 8 500 ВА или 11 000 ВА. 

Примеры выбора стабилизатора напряжения [5] 

Стабилизатор напряжения для дома (дачи). В данном случае нужно знать следующие параметры:
 1) какова суммарная максимальная мощность приборов (для приборов с двигателями нужно разделить мощность прибора на 0,7);
2) какое минимальное напряжение бывает дома (замерить токосъемными клещами);
3) какова мощность вводного автомата (желательно, чтобы номинал вводного автомата был больше или равен номиналу автомата стабилизатора).
По этим значениям можно правильно подобрать стабилизатор напряжения. По нашему опыту, на дом, дачу или коттедж берут на фазу стабилизаторы 8 500 ВА или 11 000 ВА.

Стабилизатор напряжения для котлов (котла). Надежная и безаварийная работа таких установок возможна только при соблюдении определенных условий, а именно — при наличии качественного электропитания. К сожалению, именно с этим непременным условием чаще всего возникают проблемы. Для решения этой проблемы необходимо установить стабилизатор напряжения для котла. Прежде всего, рассмотрим причины этой необходимости, а затем остановимся на вопросе, какой именно стабилизатор напряжения для котла нам необходим.
В чем же заключается опасность колебаний напряжения для отопительной техники?
1. Несмотря на то, что контроллер (или, проще говоря, компьютер, управляющий котлом) имеет свой собственный стабилизатор напряжения, его нормальное функционирование гарантировано при напряжении питающей сети 220 В ± 10%. Сбой в его работе может создать аварийную ситуацию.
2. Арматура котла включает в себя электромагнитные клапаны и задвижки. Пониженное напряжение приводит к их неполному закрытию или открытию, а повышенное — к выходу из строя. Эти обстоятельства тоже требуют установки стабилизатора напряжения для котла.
3. Изменение режима работы вентиляторов приводит к изменению состава топливной смеси и неустойчивому горению.
4. При значительных отклонениях напряжения питающей сети вентиляторы и насосы имеют высокую степень вероятности выхода из строя.
Практически все производители отопительной техники рекомендуют установить стабилизатор напряжения котла, и у многих это является одним из условий предоставления гарантии. Мы рекомендуем для котлов стабилизаторы напряжения мощностью 550, 1000, 1500 ВА.

Стабилизатор напряжения для телевизора. В данном случае задача стабилизатора состоит не только в регулировании напряжения, но и в защите прибора, в данном случае — телевизора, от резких перепадов напряжения, т. к. это опасно для любой аппаратура, а для плазменных и ЖК-телевизоров особенно. Стабилизатор обеспечит спокойную работу телевизора даже при скачках в 50 В. Мы рекомендуем для телевизора стабилизатор напряжения мощностью 550 ВА (при большом экране — 1000 ВА).

Стабилизатор напряжения для компьютера. Компьютер состоит из блока питания и монитора. Их мощность надо суммировать. Также, если стабилизатор обслуживает еще и дополнительные приборы (сканер, принтер и т. д.), то всю эту суммарную мощность надо сравнить с линейкой номиналов рассматриваемых стабилизаторов напряжения. Например, стабилизаторы 1000 и 1500 ВА полностью обеспечивают бесперебойную работу одного-двух компьютеров, принтера, сканера и блока МФУ.

Стабилизатор напряжения для холодильника. В данном случае прибор имеет и пусковые токи и реактивную составляющую. Поэтому выбор стабилизатора происходит следующим образом: смотрим, какая мощность холодильника указана в паспорте, далее делим ее на 0,7 и умножаем на 2. Таким образом мы правильно подберем номинал. Допустим, холодильник 500 ВА. Тогда получается, что для него оптимально подойдет стабилизатор напряжения 1 500 ВА (500/0,7 х 2).

Стабилизатор напряжения для стиральной машины. Здесь схема похожа на схему со стабилизатором напряжения для холодильника, только при расчетах не нужно умножать на 2, т. к. пусковые токи тут существенно меньше, чем у компрессора холодильника. Допустим, стиральная машина — 2000 ВА. Тогда мы, поделив на 0,7, получаем 2 857 ВА, то есть ближайший номинал 3000 BA.

А. А. Румянцев (компания ООО «Сантек»)

Источники:

1. http://ru.wikipedia.org
2. http://www.стабилизаторы-напряжения-для-дома.рф
3. http://www.issh.ru
4. http://www.radioelpribori.ru
5. http://www.suntek.su

 Материал размещен с разрешения администрации сайта: http://www.suntek.su