Сравнение стабилизаторов напряжения
Сравнение популярных типов стабилизаторов напряжения, представленных на рынке РФ.
На рынке стабилизаторов напряжения насчитывается более двух десятков российских и зарубежных производителей, предлагающих линейки стабилизаторов переменного напряжения различных конструкции, мощностей и функциональности.
Приведенный анализ ставит своей задачей освещение основных принципов работы стабилизаторов и выбора модели для оборудования покупателя
С точки зрения электротехники все многообразие стабилизаторов напряжения на рынке РФ составляет четыре группы по принципам работы:
1. Электромагнитные стабилизаторы напряжения.
2. Электромеханические (электродинамические) стабилизаторы напряжения.
3. Ступенчатые электронные стабилизаторы напряжения.
4. Ступенчатые релейные стабилизаторы напряжения.
Каждая из групп имеет ряд сильных и слабых сторон, обусловленных законами электротехники. Познакомимся с ними подробнее.
Электромагнитные стабилизаторы напряжения Работают через управление магнитными потоками в сердечнике вольтодобавочного трансформатора. Потоки регулируются либо через изменение магнитной проницаемости зазора сердечника (необходим спец. сердечник с зазором) либо дополнительной обмоткой, управляемой симисторным регулятором напряжения. В первом случае меняется общая магнитную проницаемость контура (и общий поток сердечника). Во втором – магнитный поток от дополнительной обмотки и, соответственно, общий поток.
В качестве управляющих элементов в стабилизаторы устанавливают тиристоры или симисторы. Быстродействие электромагнитного стабилизатора определяется скоростью работы регулятора напряжения и алгоритмом системы измерения.
К главным достоинствам стабилизаторов с электромагнитным принципом работы относятся:
1) Плавная отработка всплесков и просадок напряжения.
2) Высокая точность стабилизации, определяемая только погрешностью измерения системы управления (т.к. система управления – следящая с отрицательной обратной связью).
3) Высокая скорость отработки возмущения. Грубо оценим ее как сумму: 20мсек (один период) на измерение напряжения + 20мсек (один период) на внесение коррекции в сигналы управления симисторами. Итого 40мсек на одну коррекцию (причем скорость коррекции ограничена коэффициентом обратной связи системы управления, а не возможностями «железа»).
4) Работает с нулевой нагрузкой (электромагнитный стабилизатор напряжения с семисторным регулятором и без зазора в сердечнике).
5) Фильтр по входу и выходу стабилизатора.
6) Очень широкий температурный диапазон т.к. работа микроэлектроники, трансформатора, дросселя и семисторов имеет относительно слабую температурную зависимость. Соответственно рабочий диапазон от -20 до +60 градусов технически достигается без особых сложностей.
7) В конструкции полностью отсутствует механическое движение. Т.о. механического износа нет.
8) Трехфазный стабилизатор состоит из трех однофазных, включенных по схеме «звезда». Т.о. фазы стабилизируются независимо друг от друга, их перекос не влияет на работу стабилизатора. Более того, стабилизатор устраняет перекос фаз.
9) Стабилизацию напряжения, практически выполняют трансформатор, семисторный регулятор и последовательный с ним сглаживающий дроссель. Именно через них прокачивается вся энергия системы. Причем эти элементы относятся к разряду конструктивно простых и надежных до безобразия. Действительно, трансформаторы и дроссели – это намотанная медь. Технология построения семисторных регуляторов отработана уже лет 50. Таким образом, в самом своем принципе система дубовая. При ее грамотной реализации и верном подборе запаса мощности под объект, стабилизатор надежно прослужит десятки лет без обслуживания.
10) Благодаря мощному дросселю стабилизатор имеет малую чувствительность к помехам и хорошо работает в шумных промышленных сетях.
К недостаткам электромагнитных стабилизаторов напряжения можно отнести:
1) Несколько сокращенный диапазон стабилизации. Причина этого в наличии большого объема намоточных деталей на киловатт стабилизируемой мощности. Поскольку медь и качественная электротехническая сталь дороги, рабочие диапазоны стабилизаторов напряжения жестко оптимизированы под практическое применение.
2) Перегрузочная способность стабилизатора из-за вышеупомянутого обстоятельства общепринятая. Мощность стабилизатора выбирают исходя из значения пиковой мощности нагрузки.
3) При работе стабилизатор слегка шумит.
Электромеханические (электродинамические) стабилизаторы с вольтодобавочным трансформатором компенсируют провалы и всплески напряжения в сети через работу автотрансформатора, установленного на валу следящего сервопривода. При изменении напряжения на выходе стабилизатора, система управления, сервоприводом двигая щетку автотрансформатора, производит коррекцию на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. Соответственно корректируется напряжение на выходе стабилизатора. Управляющий элемент стабилизатора – автотрансформатор. Его щеточный узел и сервопривод определяют скорость отработки просадок и всплесков напряжения.
Достоинства стабилизаторов этого типа:
1) Плавная отработка всплесков/просадок напряжения.
2) Высокая точность стабилизации определяемая погрешностью измерения системы управления и оптимальностью алгоритма процессора (т.к. система управления – следящая с отрицательной обратной связью).
3) Приемлемая скорость отработки возмущений в электросети. Известно, что на ряде моделей стабилизаторов производители достигали цифры в 80В/сек. (обращаю внимание – скорости отработки, а не диапазона стабилизации), но из-за экономико-технических сложностей в дальнейшем от подобного отказались. Коротко говоря причин было три: цена способного на мгновенный разгон и останавку сервопривода (электросервопривод – позиция покупная), цена системы управления для такого привода, быстрый износ щеточно-коллекторного узла с увеличением скорости щетки (справедливо для всех автотрансформаторов). Таким образом, в настоящее время скорость отработки колебаний напряжения у электромеханических стабилизаторов не превышает 60В/сек, что, впрочем, вполне достаточно для электропитания промышленных установок, бытовой и медицинской техники.
4) Высокая перегрузочная способность, скажем – до 200% в течение трех секунд и 100% в течение шести секунд позволяет выбирать стабилизатор по значению средней мощности защищаемого оборудования и серьезно сокращает стоимость. (пиковая мощность по которой обычно берут стабилизаторы от средней может отличаться в 6-7 раз). Эту особенность электромеханических стабилизаторов обуславливает неразрывный контакт графитовой щетки с медью обмоток автотрансформатора. Кратковременные пиковые токи система просто не замечает, а трех-шести секундная перегрузка не способна заметно разогреть щетку или обмотки и причинить им вред.
5) Форма напряжения электромеханическим стабилизатором практически не искажается за отсутствием искажающих элементов.
6) Объем намоточных деталей на киловатт стабилизируемой мощности относительно не велик. Дроссель не требуется. Это позволяет расширить рабочий диапазон стабилизатора.
7) Электромеханический стабилизатор напряжения работает с нулевой нагрузкой.
8) Трехфазный стабилизатор состоит из трех однофазных, включенных по схеме «звезда». Т.о. фазы стабилизируются независимо друг от друга, их перекос не влияет на работу стабилизатора. Стабилизатор устраняет перекос фаз.
9) При работе стабилизатор напряжения практически бесшумен, т.к. работающий сервопривод только слегка жужжит.
10) Стабилизатор достаточно хорошо работает в тяжелых промышленных сетях поскольку коммутационный элемент (щетка) к помехам и искажениям формы тока и напряжения безразлична.
К недостаткам относятся:
1) Наличие постепенного механического износа щетки и сервопривода, зависящего от интенсивности работы, возможность замыкания из-за износа щетки.
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) Стабилизаторы некоторых марок рекомендуется выбирать с запасом мощности 30%.
5) Ряд производителей электромеханических стабилизаторов, с целью экономии и упрощения конструкции, не предусматривает установку в стабилизатор входных автоматов. Результатом такого подхода является постоянное нахождение систем стабилизатора под напряжением независимо от режима его эксплуатации (включено/выключено/байпас), поскольку отключающий силовой контактор должен чем-то управляться. Кроме этого необходимо учитывать, что система защиты от перегрузки и короткого замыкания в стабилизаторе работает по цепочке: трансформатор тока, система управления, силовой контактор стабилизатора. Схема является общепринятой и устойчиво работает в нормальных режимах. Однако, сбой в работе любого из этих элементов в аварийном режиме (из-за перегрева, пригорания, пробоя, залипания, оплавления, замыкания) и стабилизатор становится столбом дыма (под напряжением), который можно выключить только с распределительного щита.
Ступенчатые электронные стабилизаторы напряжения с вольтодобавочным трансформатором стабилизируют напряжение с помощью изменения количества включенных в текущий момент вольтодобавочных обмоток трансформатора. Подключение обмоток происходит с помощью тиристоров или симисторов (коммутационных элементов). Скорость стабилизации напряжения определяется напряжением одной вольтодобавочной обмотки (погрешностью стабилизатора) и системой управления электронными ключами. Поскольку система является дискретной (обмотка либо включена, либо выключена) погрешность стабилизации определяется из напряжения одной вольтодобавочной обмотки. К примеру: погрешность стабилизации напряжения у ступенчатого стабилизатора равна 5%. Это составляет (от 220В) – 11В. Следовательно, одна вольтодобавочная обмотка добавляет примерно 11В напряжения. Таким образом чем больше это напряжение, там быстрее работает стабилизатор, но тем больше погрешность стабилизации.
Достоинства стабилизаторов:
1) Конструктивно просто получить высокую точность стабилизации напряжения (установив много вольтодобавочных обмоток с малым напряжением на одной обмотке).
2) Широкий температурный диапазон, ограничен снизу температурной характеристикой управляющей микроэлектроники (до -40), а сверху тепловым балансом электронных ключей (до +45).
3) В конструкции отсутствуют механические детали и, следовательно, механический износ.
4) Объем намоточных деталей на киловатт стабилизируемой мощности не велик. Дроссель не обязателен. Это позволяет получить широкий рабочий диапазон.
5) Стабилизатор работает с нулевой нагрузкой.
6) Фазы стабилизируются независимо, их перекос не влияет на качество стабилизации, более того, стабилизатор устраняет перекос.
7) При работе стабилизатора слегка шумит трансформатор, а электронные ключи беззвучны.
8) Стабилизатор имеет малую чувствительность к частоте сети.
К недостаткам стабилизатора можно отнести:
1) Сложности с перегрузочной способность стабилизатора. Причина этого в большом количестве электронных ключей, их малой индивидуальной перегрузочной способности, быстроте термического разрушения и кратном росте величин токов при пуске любых электромоторов в защищаемом оборудовании. Вообще электронные ключи выбираются по величине рабочего тока. Типичные значения разумного запаса тиристора или симистора по току: 50%-80%. Больший запас экономически не выгоден. Меньший – сильно увеличивает вероятность выхода ключа из строя. А обычный пусковой ток электродвигателя – 5-8 номинальных (500%-800%). Понятно, что в таких условиях, стабилизатор напряжения надо выбирать по пусковым условиям нагрузки. Т.е. устанавливать заведомо более мощную и дорогую модель.
2) При работе в яркости свечения ламп видны четкие броски. А если стабилизатор напряжения имеет погрешность более 3%, то броски яркости начинают серьезно утомлять глаза.
3) Быстродействие стабилизатора напряжения обратно пропорционально точности стабилизации, поскольку, чем выше точность – тем меньше шаг ступени добавки напряжения (напряжение вольтодобавочной обмотки трансформатора), тем, соответственно, большее число ступеней нужно переключить и большее время на это уйдет.
4) Форма стабилизированного напряжения существенно искажается из-за нелинейной ВАХ электронных ключей.
5) Большое количество коммутационных элементов (электронных ключей) снижает надежность системы.
6) Симисторы и тиристоры являются полууправляемыми полупроводниковыми элементами. Это означает, что ключ открываются импульсом от блока управления, а закрывается при смене полярности переменного и уменьшении проходящего тока (тока вольтодобавочной обмотки) ниже порога удержания. Это все в идеале. А в реальных промышленных сетях форма напряжения искажена, форма тока искажена, много помех и выбросов (понятно, что заводов и строек без сварочных аппаратов, электромоторов и иных электродуговых установок быть не может). Работа электронных ключей в таких условиях существенно осложнена. Поскольку однократное самопроизвольное открывание ключа уже вызывает короткое замыкание, то с электронными стабилизаторами необходимо устанавливать фильтры и сглаживающие дроссели (чьи габариты и стоимость, как известно, пропорциональны квадрату фильтруемой мощности).
Ступенчатые релейные стабилизаторы стабилизируют напряжение с помощью изменения количества включенных в текущий момент вольтодобавочных обмоток трансформатора. Подключение обмоток происходит с помощью группы реле. Скорость стабилизации напряжения определяется напряжением одной вольтодобавочной обмотки (погрешностью стабилизатора) и системой управления реле. Поскольку стабилизатор дискретный (обмотка либо включена, либо нет) погрешность стабилизации определяется из напряжения одной вольтодобавочной обмотки. Пример: погрешность стабилизации напряжения у ступенчатого стабилизатора 5%. Это составляет (от 220В) – 11В. Т.о. одна вольтодобавочная обмотка добавляет примерно 11В напряжения. Чем больше напряжение одной вольтодобавочной обмотки, там быстрее отрабатывает стабилизатор, но тем больше погрешность стабилизации.
Достоинства:
1) Высокая точность стабилизации, прямо пропорциональная числу ступеней (числу реле).
2) Объем намоточных деталей на киловатт стабилизируемой мощности не велик. Это позволяет получить широкий рабочий диапазон. Стабилизатор работает с нулевой нагрузкой.
3) Фазы стабилизируются независимо, их перекос не влияет на качество стабилизации, более того, стабилизатор устраняет перекос.
4) При работе стабилизатора слегка шумит трансформатор и клацают реле.
5) Стабилизатор имеет малую чувствительность к частоте сети.
6) Форма напряжения почти не искажается за отсутствием искажающих элементов
7) Относительно широкий температурный диапазон, ограничен снизу и сверху температурной характеристикой реле.
Недостатки:
1) Вопросы с перегрузочной способность стабилизатора. Причина в ускоренном в несколько раз износе реле и повышенной вероятности отказа реле при перегрузках. Долговечность реле (количество циклов срабатывания) зависит от скорости эрозии поверхности коммутационных площадок реле. При перегрузке проходящий ток сжимает контактные площадки реле с усилием больше расчетного. Соответственно время разрывания контактов резко увеличивается, электрическая дуга при разрывании горит интенсивнее и длительнее. Происходит пригорание контактов и возникает опасность их слипания (контактной сварки). Таким образом, стабилизатор выбирают исходя из значения пусковой мощности либо с небольшой перегрузкой.
2) При работе стабилизатора в яркости свечения ламп видны четкие броски (т.к. переключаются ступени). Если стабилизатор напряжения имеет погрешность более 3%, то броски яркости начинают серьезно утомлять глаза.
3) Быстродействие стабилизатора напряжения обратно пропорционально точности стабилизации, поскольку, чем выше точность – тем меньше шаг ступени добавки напряжения (напряжение вольтодобавочной обмотки трансформатора), тем, соответственно, большее число ступеней нужно переключить и большее время на это уйдет.
4) Большое количество коммутационных элементов (реле) снижает надежность системы.
5) Наличие постепенного механического износа реле даже при номинальных условиях работы.
04.04.2011
Рубрики: Стабилизаторы напряжения
.jpg)
