Инверторный стабилизатор как закономерный итог развития технологий стабилизации электроэнергии

В Российской Федерации значения номинальных напряжений для электрических систем и сетей устанавливает ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные». Стандарты качества электроэнергии, то есть степень соответствия фактических параметров установленным значениям, регулирует ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия», согласно которому допустимы отклонения не более ±10 % по напряжению и не более ±0,2 Гц по частоте.

На сегодняшний день прослеживается тенденция несоблюдения вышеуказанных нормативов большинством энергоснабжающих компаний. Данная ситуация связана как с постоянно растущей нагрузкой на электросетевой комплекс, так и с нежеланием многих поставщиков электроэнергии инвестировать в развитие и модернизацию кабельных линий, где износ инфраструктуры составляет по разным оценкам от 50 до 70%.

В то же время практически всё современное оборудование, от бытовой аудио- и видеотехники и газового котла до приводов промышленных конвейеров и автоматизированных станков, содержит электронные компоненты, чувствительные к перепадам питающего напряжения. Кроме того, требования к качеству сетевой электроэнергии у ряда высокотехнологичных потребителей (вычислительного, медицинского телекоммуникационного оборудования) превышают действующие стандарты.

Существует несколько путей решения проблемы низкого качества сетевой электроэнергии. Одним из наиболее простых и экономичных является установка между нагрузкой и сетью стабилизатора переменного напряжения. Основная функция этого электротехнического изделия – автоматическое поддержание установленного значения выходного «нагрузочного» напряжения при колебаниях входного напряжения.

Начало массового производства и бытового использования стабилизаторов напряжение в нашей стране датируется 60-ми годами XX века и связано с появлением ламповых телевизоров. Первые стабилизаторы напряжения представляли собой феррорезонансные преобразователи, принцип действия которых основан на электромагнитном взаимодействии между двумя дросселями: с ненасыщаемым сердечником (входной) и насыщенным (выходной). Для своего времени феррорезонансные стабилизаторы отличались неплохими техническими характеристиками, однако имели и ряд серьезных недостатков:

• высокий уровень шума и тепловыделения;
• гармонические искажения выходного сигнала;
• зависимость точности стабилизации от величины нагрузки.

Стоит отметить, что в современных феррорезонансных стабилизаторах вышеуказанные недостатки минимизированы или полностью исключены, но и цена таких устройств достаточна высока, что обуславливает их редкое использование в бытовых целях.

Практически одновременно с феррорезонансными устройствами появились электромеханические непрерывные стабилизаторы, выравнивающие напряжение за счет изменения коэффициента трансформации автотрансформатора, вызываемого перемещением специального токосъёмного контакта по его обмотке. Изначально коррекция выходного напряжения производилась ручным передвижением бегунка по катушке. Дальнейшее развитие технологий привело к автоматизации данного процесса – плата управления анализирует поступающий из сети ток и при отклонении параметров передаёт сигнал сервоприводу, изменяющему положение контакта относительно тороидальной обмотки. Главный плюс электромеханического стабилизатора – плавное регулирование выходного напряжения с высокой точностью без искажения синусоиды. К минусам аппаратов такого рода относят:

• низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие, ограниченное скоростью срабатывания сервопривода и недостаточное для защиты многих видов нагрузки;
• высокий уровень шума;
• наличие подверженного износу и требующего периодического обслуживания узла механического контакта;
• сложность эксплуатации при отрицательной температуре окружающей среды.

Следующий этап развития стабилизаторов – появление широкого класса электронных устройств, построенных на базе силовых ключей, которые автоматически переключают сегменты трансформатора и подбирают контур со значением напряжения наиболее близким к номинальному. Модели указанного типа можно разделить на две группы: релейные и полупроводниковые.

В первых коммутацию трансформаторных секций производят электрические реле. Главные достоинства таких аппаратов: простота реализации и доступная цена, а также повышенное быстродействие (по сравнению с электромеханическими стабилизаторами). Дискретное (ступенчатое) регулирование напряжения – существенный недостаток релейных устройств, визуализирующийся миганием ламп накаливания и обуславливающий не лучшую точность стабилизации – до 10%. Это значение может оказаться критическим для восприимчивых к любым электромагнитным помехами микропроцессорных систем, что позволяет говорить о несоответствии релейных стабилизаторов требованиям современной инфраструктуры потребления электрического тока, особенно в секторе высокотехнологичного оборудования.

Принцип стабилизации напряжения на основе полупроводниковых ключей схож с релейным, только для переключения сегментов обмотки используются симисторы или тиристоры, позволяющие максимально увеличить быстродействие и сделать работу устройства практически бесшумной. Однако и такие стабилизаторы не могут гарантировать безразрывное электропитание идеальной синусоидальной формы, необходимое для устойчивого функционирования различной электроники.

К общим недостаткам стабилизаторов, реализованных на основе вышерассмотренных методов, можно отнести отсутствие коррекции тока нагрузки и фильтрации искажений сети, что негативно влияет на подключенных потребителей.

Прорывом в стабилизации электрической энергии стало создание в начале XXI века инновационных стабилизаторов инверторного типа, реализованных на основе отлично зарекомендовавшего себя в источниках бесперебойного питания бестрансформаторного – двойного преобразования энергии: сетевое переменное напряжение посредством выпрямителя преобразуется в постоянное и буферизируется (накапливается) в промежуточных ёмкостях, после чего инвертор производит обратное преобразование и на вход нагрузки подаётся стабилизированное переменное напряжение.

Вышеуказанный принцип работы нейтрализует все присущие электромеханическим и электронным стабилизаторам недостатки, а также обеспечивает инверторным стабилизаторам преимущества, недоступные для устройств других топологий:

• мгновенная реакция на изменение входного напряжения – 0 мс;
• идеальная синусоидальная форма выходного сигнала, независящая от любых сетевых колебаний и помех;
• коррекция тока нагрузки;
• широкий диапазон входного напряжения;
• высокая точность стабилизации и непрерывное регулирование выходного напряжения, исключающее ряд неприятных эффектов, связанных с переключением порогов стабилизации в дискретных (электронных) моделях.

Появление инверторной технологии можно рассматривать как закономерный итог эволюции стабилизаторов переменного напряжения, полностью соответствующий основным тенденциям развития современного электрооборудования:

• применение высокопроизводительных цифровых алгоритмов управления;
• повышение устойчивости к различным возмущающим помехам и воздействиям;
• снижение удельного количества металлов в силовых схемах и переход к полупроводниковым элементам.
• рост быстродействия и энергоэффективности;
• снижение габаритов при повышении надёжности и экономичности;
• увеличение срока эксплуатации без планового обслуживания.

В конструкции инверторных стабилизаторов отсутствуют свойственные классическим устройствам компоненты: автотрансформатор и подвижный электромеханический контакт, что позволяет говорить о пониженной материалоёмкости и уменьшении зависимости цены конечного изделия от роста стоимости меди или электротехнической стали.

Качество любого стабилизатора определяется работой в критической ситуации – инверторные стабилизаторы обеспечивают полную защиту подключенного оборудования от высоковольтных выбросов и провалов входного напряжения, колебаний частоты, гармонических искажений и электрических помех.

Благодаря применению технологии двойного преобразования инверторные стабилизаторы исключают трансляцию любого внешнего возмущающего воздействия на выход устройства и гарантирует идеально чистое напряжение синусоидальной формы при любом качестве питающей электросети.

Первые серийные инверторные стабилизаторы были разработаны и запущены в производство под названием «ИнСтаб» группой компаний «Штиль», объединяющей несколько передовых научно-производственных предприятий города Тулы.

Со временем положительный опыт производства и реализации инверторных стабилизаторов переняли и другие представители сектора высокотехнологичного оборудования. Однако, стоит отметить, что в настоящий момент только ГК «Штиль» обладает полноценным ассортиментом однофазных и трехфазных инверторных стабилизаторов серии «ИнСтаб», полностью покрывающим потребности корпоративного и потребительского рынка стабилизаторов напряжения.

Кроме общих преимуществ инверторных стабилизаторов к фирменным отличиям продукции серии «ИнСтаб» можно отнести:

• встроенную систему управления на базе высокоскоростного сигнального микропроцессора DSP.
• многоуровневую электронную защиту с функцией автоматического восстановления работы после аварийного отключения вследствие перегрузки, перегрева, короткого замыкания или аварии сети;
• наличие входного и выходного фильтра высоких частот;
• бесперебойное питание нагрузки стабилизированным напряжением заданного уровня до 200 мс после кратковременного обесточивания сети за счет накопленной в конденсаторах энергии;
• высокий КПД – до 97%.
• низкий уровень шума – модели мощностью до 1 кВА имеют конвекционное (безвентиляторное) охлаждение, модели мощностью более 1 кВА оснащаются малошумными вентиляторами с интеллектуальной, зависящей от условий эксплуатации, регулировкой оборотов.

Широкий мощностной ряд (однофазные – от 350 ВА до 20 кВА и трехфазные – от 6 ВА до 20 кВА), а также различные варианты корпусного исполнения позволяют подобрать инверторный стабилизатор серии «ИнСтаб» для защиты электрооборудования в любой сфере деятельности и секторе экономики – от бытовой и компьютерной техники в квартирах, коттеджах и офисах до высокотехнологичного промышленного, медицинского и телекоммуникационного оборудования.