Стабилизатор напряжения: принцип действия

Перепады сетевого напряжения отрицательным образом сказываются на работе электрооборудования. Домашние электроприборы, в своем большинстве, рассчитаны на нормальную работу от сети 220-230 В. Допустимое отклонение от этой величины указывается в техническом паспорте оборудования и может в большую либо меньшую сторону составлять до 10 %.

Наибольшую опасность представляют резкие скачки. Отдельно установленное реле напряжения защищает технику путем отключения питания при возникновении аварийных режимов. Поддерживать величину напряжения на нормальном уровне для всех домашних электроприборов или отдельной их группы поможет установка стабилизатора.

Назначение и виды стабилизаторов

Изменение нагрузки вызывает скачки сетевого напряжения. При включении мощной электротехники в доме или квартире происходит его падение. Данное явление доступно к визуальному наблюдению, например, кратковременно тускнеют лампы накаливания.

Функции стабилизирующих устройств

Стабилизатор напряжения (СН) – это электронное либо электромеханическое устройство, на вход которого подается сетевое (изменяющееся) напряжение. На выходе величина напряжения поддерживается на заданном (стабильном) уровне. В быту встречается и другие названия данного устройства «нормализатор», «автостабилизатор».

По виду входного и выходного напряжения устройства бывают переменного, постоянного типа. Есть также инверторные модели. У них на входе и выходе разные виды напряжения.

Для домашних нужд (в подавляющем большинстве случаев) необходимо оборудование для стабилизации параметров переменного тока. Бытовые модели выполняют следующие базовые задачи:

• повышают пониженное напряжение или уменьшают повышенное до нормы 220-230 В для однофазных сетей (до 380-400 В для трехфазных);
• поддерживают нужную форму импульсов (синусоида);
• отключают домашние электроприборы от электропитания при повышении напряжения свыше 255 В либо его снижении более 160 В, а потом включают оборудование после стабилизации процессов в сети (выполняют не все модели, а только со встроенным реле контроля значения напряжения).

Стабилизирующие устройства могут, в зависимости от комплектации, иметь различные виды встроенных защит:

• от грозовых разрядов;
• от токов короткого замыкании;
• тепловую (защищает обмотки трансформатора от перегрева);
• от превышения величины тока (не позволяет подсоединять к стабилизирующему аппарату потребителей, мощность которых превышает аналогичный параметр стабилизатора).

Автостабилизаторы также могут быть оснащены:

• вольтметрами (цифровыми или аналоговыми для определения напряжения на входе и выходе);
• амперметром (контроль тока)
• байпасом (модуль, который при отсутствии нагрузки в обслуживаемой линии передает напряжение с входа на выход СН без стабилизации, экономя этим электроэнергию);
• сетевыми фильтрами;
• пультами дистанционного управления;
• портами подключения к компьютеру (позволяют следить за рабочим процессом с ЭВМ).

Исходная комплектация СН определяет его функциональные возможности. Но чем больше доступно функций (при достойном качестве исполнения), тем дороже обойдется прибор. Поэтому следует грамотно подбирать дополнительный функционал приобретаемого стабилизатора в соответствии с задачами, которые он должен выполнять.

Отличие между корректирующими и накопительными моделями

Стабилизаторы переменного напряжения выполняют только корректирующую функцию: поддерживают величину выходного напряжения на уровне 220 В. При этом входе и выходе частота напряжения одинаковая.

Корректирующие СН не стоит путать со стабилизированными источниками переменного напряжения (СИПН) или по-другому источниками стабилизированного питания (ИСП). Это оборудование отличается как конструкцией, так и принципом действия, функциональными возможностями.

Источники стабилизированного питания (независимо от разновидности) могут накапливать энергию различными способами (емкостями, аккумуляторами, с помощью маховиков). Затем ИСП трансформируют ее в электрический ток с нужными параметрами. При этом частота напряжения на выходе не зависит от его частоты на входе.

Источники бесперебойного питания

Отдельные виды ИСП, в отличие от корректирующих стабилизаторов, способны поддерживать работоспособность электротехники определенное время при отключении питания от сети. Продолжительность зависит от емкости подсоединенных аккумуляторов.

Разновидности стабилизаторов переменного напряжения

Корректирующие стабилизаторы делятся на отдельные виды по следующим основным критериям:

• числу фаз;
• способу подключения;
• принципу действия (конструкции);
• способу установки.

По числу фаз (величине подводимого напряжения) оборудование разделяется на две категории:

1. Трехфазное (380 В). Предназначено, в основном, для использования в промышленной сфере.
2. Однофазное (сети 220 В). Применяется, главным образом, в бытовом секторе и для обеспечения стабильным питанием офисной электротехники, маломощных промышленных установок.

Трехфазная модель стабилизатора

Способ подключения тесно связан с мощностью устройств. По данному критерию изделия бывают:

1. «Сетевого» исполнения. Небольшой мощности (примерно до 3-4 кВт). Модели рассчитаны на обеспечение нормального рабочего режима для отдельного потребителя. Способ подключения – от розетки.
2. Подключаемые к электромагистрали дома (квартиры). Обеспечивают стабильным питанием всех домашних потребителей и систему освещения. Мощность их начинается, примерно, с 4 кВт.

По варианту монтажа выделяют такие виды устройств:

• настенные;
• напольные.

Выбор по способу установки определяется как личным предпочтением, так и удобством, наличием подходящего места в комнате.

Разнообразие приборов по принципу действия

Разнообразие изделий по принципу функционирования сводится к нескольким основным группам:

• электромагнитные (ферромагнитные и феррорезонансные);
• электромеханические (с сервоприводным регулированием);
• электродинамические;
• релейные ступенчатые (их функционирование обеспечивается наличием силовых релейных ключей);
• электронные.

Ферромагнитные с феррорезонансными преобразователи тока, а также электромеханические с электродинамическими (автотрансформаторы) имеют схожую конструкцию, принцип действия. Ступенчатый релейный тип по сути принадлежит к аналогам электронных устройств.

Группа электронных нормализаторов подразделяется на следующие типы:

1. Ступенчатые. Могут изготавливаться на базе симисторов, тиристоров, или силовых электронных ключей.
2. Плавные электронные (компенсационные).
3. Гибридные (комбинированные).

Стабилизированные источники переменного напряжения подразделяются на четыре вида:

• источники бесперебойного питания;
• электромашинные устройства;
• инверторные аппараты;
• силовая электроника с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Достоинства и недостатки преобразователей с разным принципом функционирования

Устройства конкретного принципа действия характеризуются своими достоинствами и недостатками, оптимальным условием эксплуатации. Данные особенности важно учитывать при выборе СН для домашнего использования.

✍ Феррорезонансные стабилизаторы

К достоинствам моделей феррорезонансной системы относят:

• большой срок эксплуатации, надежность;
• высокая точность напряжения на выходе (обеспечивается плавным регулированием);
• высокая скорость реагирования на колебания;
• устойчивость к неблагоприятным воздействиям со стороны окружающей среды.

Недостатками считаются:

• шумная работа (гул от трансформаторов);
• высокая теплоотдача;
• большие размеры и вес (при сопоставлении с аналогами других систем одинаковой мощности);
• для регулирования доступен небольшой диапазон входного напряжения;
• пониженный коэффициент полезного действия (КПД);
• на выходе токовая синусоида искажается;
• не работает на холостом ходу либо при перегрузках.

Феррорезонансные системы подходят для использования при положительных температурах в загородных домах либо подсобных помещениях. Старые модели способны обеспечить функционирование неприхотливой техники.

Феррорезонансный стабилизатор

У современных модификаций перечисленные недостатки минимизированы. Но взамен – высокая стоимость, превышающая цену аналогов с соответствующими характеристиками других типов.

✍ Электродинамические и электромеханические стабилизаторы

Электродинамические и электромеханические изделия обладают следующими достоинствами:

• широкий диапазон регулирования (130÷260 В);
• помехи на выходе отсутствуют;
• без перегрузки работают бесшумно;
• высокая устойчивость к помехам;
• точность плавной регулировки до 3 %;
• формируют синусоиду;
• способны выдерживать двойную перегрузку на доли секунды.

Электродинамические приборы способны работать при температурах до -15 градусов по Цельсию. Они выдерживают двойные перегрузки до двух минут.

Достоинства устройств данной системы делают их подходящим вариантом для домашнего использования. Также этому способствует ценовая доступность.

Недостатки такие:

• маленькая скорость стабилизации;
• электромеханические модификации при отрицательных температурах применять нельзя.

✍ Релейные, электронные и инверторные стабилизаторы

Плюсы релейных систем:

• малые габариты;
• быстродействие;
• широкий рабочий диапазон (140÷270);
• бесшумность;
• температурные пределы -20÷+40 °C.

Ступенчатая стабилизация относится к минусам релейных моделей. Также недостатком считается зависимость скорости регулирования от ее точности: чем точнее, тем медленнее процесс.

Преимущества и недостатки электронных СН схожи с релейными. Но наличие у них вместо реле тиристоров либо симисторов приводит к возрастанию срока службы. В совокупности с доступной ценой это делает электронные преобразователи для бытового использования оптимальным вариантом.

Гибридные модификации построены на совокупности электромеханических и релейных систем. Максимальный диапазон рабочего напряжения составляет от 105 до 280 В. «Гибриды» подходят для дома.

Инверторы характеризуются:

• самым широким диапазоном по входному напряжению (90÷310 В);
• практически мгновенным быстродействием;
• низкой погрешностью стабилизации (до 2 %);
• продолжительным сроком службы (примерно 20 лет).

Инверторные стабилизаторы стабилизаторы

Их высокая стоимость, по сравнению с достоинствами, является спорным недостатком. Инверторы – надежный вариант для защиты современной техники.

Принцип действия стабилизирующих устройств

Принцип функционирования СН можно представить только в общем виде. Это связано с большим конструктивным разнообразием устройств данного типа.

Общая схема функционирования стабилизаторов различных систем следующая:

• на вход устройства подается напряжение с электросети;
• «блок сравнения» сравнивает его с нормативным показателем (220 В);
• при отклонениях от нормы регулирующему модулю с «блока управления» подается сигнал на стабилизацию;
• «блок стабилизации» подает на выход СН напряжение 220 В (с нормированным по величине отклонением).

Принцип работы основных разновидностей стабилизирующего оборудования представлен схематически на иллюстрациях ниже:

Схема работы электронного стабилизатора

Блок-схема работы инверторных преобразователей

Принцип функционирования феррорезонансных СН

Название блоков условно. В зависимости от вида стабилизирующего устройства модули собирают на базе различных конструктивных элементов.

У ферромагнитных аппаратов регулировка тока осуществляется магнитным сердечником. Такие модели подходят для использования на даче либо в частном доме.

Релейная техника регулируется ступенчато. За счет электромеханических реле происходит включение либо выключение отдельных трансформаторных обмоток.

У электромеханических аналогов установлен трансформатор с токосъемником. Регулировка происходит плавно. Точность стабилизации не превышает 3 %. По этой причине приборы электромеханической системы используют для защиты чувствительных к перепадам напряжения устройств, например, музыкальной аппаратуры, измерительного электрооборудования.

Электронные модификации функционируют благодаря наличию электронных ключей. Обычно их отличительной особенностью являются компактные размеры и наличие цифровых табло, на которые выводятся показатели тока сети.

Инверторные модели относятся к разряду двухступенчатых систем. С начала в устройстве переменный ток преобразуется в постоянный. Затем происходит обратный процесс. Полученный переменный ток подается на выход инвертора.

Регулирование напряжения современными СН происходит в автоматическом режиме. Раньше выпускались модели, требующие ручного вмешательства, например, поворота регулировочного колесика.

Эксплуатационные характеристики стабилизаторов

Первое, на что следует обратить внимание, выбирая автостабилизатор любого вида – это его технические параметры. К основным характеристикам стабилизирующего оборудования относятся:

• количество фаз;
• мощность оборудования (полная, активная);
• рабочий диапазон по напряжению (определяется максимальным и минимальным значением данного параметра на входе);
• отклонение величины выходного напряжения от 220 или 380 В (точность стабилизации);
• отклонение частоты на выходе СН от нормы для питающей электросети (по России и СНГ – 50 Гц);
• температурный диапазон функционирования;
• время регулирования (показывает скорость стабилизации напряжения при его изменении – быстродействие);
• класс защиты (IP);
• размеры и масса.

Указанные параметры могут быть разделены на подкатегории или их перечень расширен, например, некоторыми производителями указывается активная и полная мощность. Возможный вариант представления характеристик приведен на фото ниже.

Пример технических характеристик стабилизаторов напряжения

Если мощность работающей техники больше, чем у СН, то сработает защита и электропитание отключится. В случае отсутствия защиты стабилизатор через некоторое время (зависит от величины превышения допустимой нагрузки) выйдет из строя («сгорит» от перегрева).

Значение основных параметров для выбора

Диапазон мощностей, встречаемый в характеристиках СН, составляет 0,5÷100 кВт. Причем у однофазных моделей этот показатель доходит только до 30 кВт.

Аппараты с наименьшим показателем мощности рассчитаны на подключение электропотребителей по одному, например, холодильников, телевизоров. Для защиты всей домашней электросети понадобится СН мощностью, превышающей максимально возможную в конкретном случае суммарную нагрузку.

Значение минимального и максимального входных напряжений определяют рабочий диапазон стабилизатора. Эти параметры отличаются у разных производителей.

Так фирма «Ресанта» выпускает однофазные модели с диапазоном от 140 до 260 В, а трехфазные модификации от данной компании рассчитаны на работу в пределах от 240 до 430 В. Получается, что при 130 В на входе однофазный СН не сработает. У других производителей допустимое входное напряжение может лежать в пределах, например, от 160 до 250 В (однофазные) и от 280 до 430 В (трехфазные).

Показатель точности у стабилизаторов определяет максимально допустимое отклонение выходного напряжения от его нормативного значения (220 или 380 В). Точность указывается в процентах: чем меньше процент, тем ближе к норме напряжение на выходе. У изделий с электромеханической системой стабилизации этот параметр может доходить до 3 %. У электронных аналогов точность лежит в диапазоне 2÷10 %.

Максимальное отклонение по частоте стабилизированного тока не должно превышать 0,4 Гц. Выход за этот предел приводит к нарушению функционирования некоторых разновидностей электротехники, например, асинхронных электродвигателей насосов, котельных установок.

Габариты с весом важны для установки СН. Если рассматривать в общем, то однофазные электронные модели мощностью до 10 кВт легче своих аналогов других систем с близкими эксплуатационными параметрами.

Диапазон допустимых рабочих температур определяет возможность эксплуатации модели при определенном температурном режиме со стороны окружающей среды. Если планируется использовать нормализатор в зимнее время в не отапливаемых помещениях либо даже на улице, то нужно выбирать модель, способную нормально функционировать под воздействием низких температур.

Класс защиты стабилизирующего устройства должен соответствовать условиям его эксплуатации. Для использования в сухих помещениях подойдут модели с IP20. Если влажность высокая (более 80 %), то понадобится выбирать модификацию с более высоким классом защиты или подумать об установке СН в другую комнату.

Популярные производители стабилизаторов

На рынке стабилизирующего оборудования конкурируют друг с другом много компаний. Есть фирмы, специализирующиеся на изделиях премиального сегмента и предлагающие модели средней или низкой стоимости. Цена зависит от бренда и характеристик. Поэтому она варьируется в широком диапазоне.

СН от разных производителей

По отзывам покупателей, оставленных на сайтах специализированных интернет-магазинов, в России лидерами по производству и поставкам СН на рынок является следующая десятка торговых марок:

1. Ресанта (Латвия, но производственные мощности находятся в Китае и России). Специализируется на выпуске однофазных электронных и электромеханических моделей, подключаемых с помощью клемм. Все изделия компании оснащены термодатчиками (защита от перегрева). У СН присутствует функция включения напряжения с задержкой времени, байпас, амперметр и вольтметр.
2. Энергия. Производство сосредоточено на территории Росси и Китая. Компания ориентируется на создание качественных, безопасных изделий с обоснованной стоимостью.
3. Штиль (Россия). Компания выпускает варианты изделий от бюджетного до премиум-класса (линейки «Матрикс» и «ИнСтаб»). Популярностью пользуются модели с двойным преобразованием, практически не уступающие ИБП. Они разработаны с использованием инверторной технологии, разделяются на «ИнСтаб» и «ИнСтаб+». Напряжение регулируется в несколько этапов, но время отклика минимально. Точность регулировки определяется серией (P, R, T, SP, ST).
4. Rucelf (российский бренд). Предлагает продукцию с хорошим отношением цены к качеству. Изделия фирмы имеют защиту от перегрузок. Они рассчитаны на время эксплуатации более 10 лет.
5. Sven (российская компания, зарегистрированная в Финляндии). Изготавливает для домашнего использования и офисов качественные устройства по доступной стоимости со средним сроком эксплуатации 10 лет.
6. Elitech (китайского производства). Продукция отличается низкой стоимостью. Электромеханические стабилизаторы работают при напряжении на входе от 140 до 260 В, но точность регулирования доходит до 10 %.
7. Калибр (Россия). СН фирмы представлены релейными (серия «Мастер») и электромеханическими моделями. Они характеризуются низкой ценой.
8. Sturm (российский бренд). Изготавливает электромеханические СН. Шнурами с вилкой оснащены модели мощностью 1 и 2 кВт.
9. Бастион (Россия). Производит СН серий «Skat» и «Teplocom». На некоторые модели – пожизненная гарантия.
10. ORTEA (Италия). Выпускает однофазные и трехфазные модели. Предоставляет на них гарантию 2 года, на протяжении трех лет предусмотрено бесплатное сервисное обслуживание.

Рекомендации по отдельным моделям

В таблице ниже представлены примеры популярных у потребителей по рейтингам 2020 года стабилизаторов с их основными техническими характеристиками.

В таблице рассмотрены модели, предназначенные для электроснабжения, как всего дома, так и отдельных потребителей электроэнергии или их групп.

Практические советы по выбору с расчетами

Первоначально следует определиться с характером изменения напряжения домашней электросети (пониженное, повышенное). Сделать это можно с помощью тестера или мультиметра:

• если отклонение входного напряжения менее 10 % от нормы 220 В (в пределах 205-235 В), то можно установить нормализатор только на одну или несколько единиц дорогостоящей электротехники;
• при колебаниях более 10 % (напряжение падает ниже 198 В или поднимается выше 242 В) понадобится устанавливать стабилизатор на весь дом.

Диапазон входных напряжений у выбираемой модели должен соответствовать колебаниям величины сетевого напряжения. Иначе СН просто не будет работать.

Перед покупкой нормализатора для дома или квартиры одним из первоочередных вопросов также является определение требуемой величины его мощности. Рассчитать этот параметр можно следующими упрощенными методами:

• Измеряя (например, с помощью токоизмерительных клещей) нагрузку в домашней электросети на протяжении недели по несколько раз в день установить максимальное ее значение.
• По току, на который рассчитан вводной автомат. Формула мощности – P=U*I. Получается, что в сети 220 В при токе 4,5 А потребляемая мощность составит 1 кВт. Если на вводе установлен автомат на 32 А, то он способен выдерживать нагрузку примерно 7 кВт (32/4,5).

Определившись с максимально возможной нагрузкой, можно выбирать нормализатор по данному параметру. Только нужно предусмотреть запас по мощности 20 %. Если планируется подключать компрессоры или асинхронные электродвигатели от стабилизатора, то мощность последнего должна быть в 3 раза больше рассчитанной.

Чтобы подобрать стабилизатор для отдельного потребителя или группы, необходимо суммировать их мощности. При этом запас по данному параметру также должен быть учтен.

В некоторых случаях важную роль играет дизайн и цвет приобретаемого оборудования. Широкий ассортимент позволяет подобрать модель под интерьер помещения.

Удобными моментом при эксплуатации нормализатора является наличие индикации (обыкновенной или цифровой) и возможности подключения к компьютеру. Это позволяет контролировать работу оборудования. Наличие и надежность дополнительных защит улучшает безопасность и продлевает срок службы потребителей.

На качественную технику производители дают более длительное гарантийное обслуживание. Поэтому на этот фактор, как и на наличие хорошей системы вентиляции, следует обращать внимание.

Чтобы купленное устройство проработало долгое время, нужно подсоединять его по всем правилам, согласно прилагаемой к нему инструкции. Питающий кабель и соединительные провода должны быть соответствующего мощности устанавливаемой модели сечения и иметь качественную изоляцию.

Нормальная работа электротехники возможна при бесперебойном электроснабжении. Установка стабилизатора приводит величину питающего напряжение в норму при наличии скачков либо периодическом его пониженном или повышенном значении. Современные нормализаторы – это также целый комплекс сопутствующих защит. При покупке оборудования российского или импортного производства предпочтение следует отдавать качественным моделям, эксплуатационные параметры которых соответствуют указанным в техпаспорте.