Виды стабилизаторов напряжения

В настоящее время возрастает спрос на стабилизаторы напряжения. Это связано как с активным использованием этих электроприборов во всех сферах жизнедеятельности современного человека, так и с периодически возникающими в сетях проблемами с качеством электроэнергии.

Специализированные магазины и интернет-сайты предлагают большой выбор стабилизаторов отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющих практически любые запросы покупателей. Однако следует понимать, что каждый стабилизатор, несмотря на его мощность и стоимость, построен по типовой схеме (топологии), в основе которой – определённый физический принцип стабилизации электрической энергии. Всего таких топологий пять:

• феррорезонансная;
• электромеханическая;
• релейная;
• электронная (тиристорные и симисторные);
• инверторная.

Практически все виды стабилизаторов напряжения имеют свои преимущества и недостатки, которые в основном обусловлены схемой их построения. Основные параметры устройств каждого типа требуют пристального изучения, так как именно от их значений зависит эффективность работы выбранной модели стабилизатора с различной современной аппаратурой.

Феррорезонансные стабилизаторы

Это первые стабилизаторы, получившие широкое распространение в нашей стране. Начало их массового использования в 50-60-х годах ХХ века связано с появлением ламповых телевизоров и прочей бытовой техники, требующей защиты от сетевых колебаний.

Устройство и принцип работы. Стабилизаторы такого типа отличаются от большинства более современных моделей простотой электронной схемы и отсутствием автотрансформатора. Они понижают или повышают значение напряжения за счёт эффекта феррорезонанса – электромагнитного взаимодействия между двумя дросселями, один из которых имеет ненасыщенный сердечник (входной), а второй насыщенный (выходной). 

Преимущества. Феррорезонансные стабилизаторы не имеют склонных к поломкам подвижных компонентов, что обеспечивает их надёжность и большой ресурс безотказной работы – некоторые изделия советского производства до сих пор находятся в обиходе и исправно выполняют свою работу. Другие преимущества данной топологии:

• надёжность и большой ресурс безотказной работы благодаря отсутствию склонных к поломкам подвижных компонентов;
• высокая точность выходного напряжения за счёт плавного, без разрывного регулирования сетевого сигнала;
• устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды;
• быстродействие.

Недостатки. Отвечающее современному уровню комфорта бытовое использование феррорезонансных стабилизаторов осложняется рядом свойственных им недостатков:

• шумность работы – гул от встроенных трансформаторов ощущается даже через стену;
• повышенное тепловыделение;
• большой вес и крупные габариты;
• малый диапазон регулируемого входного напряжения – более узкий, чем предельные значения отклонений, встречающихся в отечественных сетях;
• невысокий КПД вследствие значительных потерь энергии на нагрев;
• неспособность работать при перегрузках и на холостом ходу;
• искажения синусоиды.

Стоить отметить, что все указанные недостатки характерны в первую очередь для классических феррорезонансных стабилизаторов первых поколений, в устройствах нового образца они максимально снижены или полностью исключены. Существенный минус современных моделей этой топологии- это, их высокая цена, превышающая не только стоимость изделий других типов, но и on-line ИБП соответствующей мощности.

Применение. Несмотря на серьезные сдвиги в разработке более производительных, мощных и надежных преобразователей напряжения, устаревшие феррорезонансные стабилизаторы все еще пользуются спросом при работе с неприхотливой техникой такого же старого поколения. Приборы этой группы - не самый удачный вариант для бытового пользования по причине высокого уровня шумов и громоздкости конструкции, однако вполне могут быть использованы в подсобных помещениях или на загородных усадьбах при плюсовых температурах.

Электромеханические стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Стабилизаторы данного типа появились практически одновременно с феррорезонансными, но имеют отличные от них конструкцию и принцип работы. Главные элементы любого устройства данной топологии – автотрансформатор и подвижный токосъёмный контакт, выполненный в виде ролика, ползунка или щетки. Указанный контакт перемещается по обмотке трансформатора, вследствие чего происходит плавное увеличение или уменьшение коэффициента трансформации и соответствующее изменение (коррекция) поступающего из сети напряжения. Первые электромеханические стабилизаторы имели ручную регулировку – специальный бегунок передвигался по катушке и отключал или подключал витки до количества, необходимого для достижения номинального значения выходного напряжения. В современных устройствах этот процесс автоматизирован: плата управления анализирует входной ток и в случае отклонения его параметров сигнализирует сервоприводу, перекатывающему коммутационный контакт на сегмент тороидальной обмотки автотрансформатора с напряжением, максимально приближенным к номинальному.

Преимущества. Основное достоинство электромеханического принципа стабилизации напряжения – непрерывное регулирование с высокой точностью и без искажения синусоидальной формы сигнала. Также ключевым преимуществом является самая низкая стоимость электромеханических стабилизаторов на отечественном рынке.

Недостатки. Эти устройства имеют и ряд существенных недостатков, делающих их не самым оптимальным решением для защиты многих видов нагрузки, а именно:

• низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие – скорость реакции на изменение входного сигнала ограничивается временем, требуемым сервоприводу для срабатывания;
• возникновение кратковременных скачков выходного напряжения при резких перепадах входного, что пагубно влияет на чувствительные электронные компоненты защищаемого оборудования и осложняет применение в сетях с сильными перепадами напряжения;
• низкое качество фильтрации входных электромагнитных помех и трансляция возмущающего воздействия на выход устройства;
• низкая надежность из-за механически движущихся деталей, что значительно сокращает срок эксплуатации устройства, из-за чего именно этот тип стабилизаторов чаще всего выходит из строя.

Дополнительные неудобства при эксплуатации электромеханических стабилизаторов в домашних условиях создают:

• повышенный уровень шума и возможное искрение при работе – следствие движения сервопривода по виткам катушки;
• громоздкая конструкция, большое количество механических узлов и деталей, и, соответственно, большой вес;
• необходимость периодического обслуживания подверженного износу узла механического контакта, надёжность которого снижается пропорционально числу срабатываний.

Кроме того, приборы этой группы могут давать сбои при длительном использовании в условиях отрицательной температуры – такому оборудованию комфортнее в отапливаемых помещениях.

Применение. Перечисленные недостатки обуславливают ограниченную сферу применения электромеханических стабилизаторов - они все еще востребованы в сетях без молниеносных скачков напряжения. Разумеется, такие устройства не подходят для бытового использования в домашних условиях, но вполне удачно используются в качестве временной стабилизации напряжения в подсобном хозяйстве, гаражах, небольших мастерских - там, где снижение температуры незначительно. Хотя рассматриваемый тип преобразователей постепенно уходит в прошлое и уступает место более современным конструкциям на релейной и тиристорной основе.

Релейные стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Приборы этой топологии относятся к электронным устройствам, действие которых построено на базе дискретного (ступенчатого) принципа стабилизации электроэнергии. Он заключается в автоматическом переключении обмоток автотрансформатора и выбора той, напряжение на которой максимально близко к номинальному. Коммутация необходимых для повышения или снижения входного напряжения контуров происходит благодаря срабатыванию силовых электронных реле (отсюда и название данной разновидности стабилизаторов). Управление процессом осуществляет специальный блок. Он контролирует характеристики сетевого напряжения и при их отклонении от установленного значения включает в работу ту или иную ступень стабилизации (количество ступеней соответствует числу установленных реле).

Преимущества. Основное преимущество этих устройств перед электромеханическими аппаратами устаревших конструкций – повышенная скорость срабатывания (не более 10-20 мс). Кроме того, релейные стабилизаторы обладают простейшей структурой, в которой исключены сложные узлы и дорогостоящие компоненты, что упрощает их техническое обслуживание и ремонт. Ремонтные работы, как и сами приборы, отличаются низкой стоимостью. Релейные стабилизаторы не боятся перегрузок, чем и обусловлен их длительный срок эксплуатации. Также этот тип устройств выделяется сравнительно небольшими габаритами и малым весом. Они не требуют дополнительного охлаждения и отлично справляются со своими функциями в условиях отрицательных температур.

Недостатки. Главный недостаток релейных стабилизаторов напряжения – дискретное (неплавное) регулирование. Он обусловлен принципом работы и проявляется в виде мигания электрических ламп при переключении ступеней стабилизации. Cтупенчатая корректировка напряжения также: снижает точность стабилизации (может достигать 10%), при этом рост быстродействия релейных устройств неминуемо повышает погрешность в их работе; способствует трансляции искажений сетевой синусоиды на выход устройства. Релейная топология сохраняет и ряд минусов присущих электромеханическим изделиям: работа стабилизатора не бесшумна – срабатывание сопровождается звуковым эффектом подобным щелчку; реле подвержены механическому износу, в меньшей степени чем элементы сервопривода, но тенденция к ухудшению качества работы с увеличением срока эксплуатации сохраняется.

Применение. Релейные стабилизаторы подходят для защиты маломощных приборов в сетях, характеризующихся небольшими колебаниями напряжения. Вышеперечисленные недостатки говорят о недостаточном соответствии приборов этой группы требованиям по защите современной электроники, чувствительной к малейшим отклонениям питающего напряжения.

Тиристорные стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Данные устройства можно рассматривать как результат развития и усовершенствования дискретного принципа стабилизации. Их конструкция и принцип работы схожи с аппаратами релейной топологии. Главное различие состоит в том, что переключение обмоток автотрансформатора выполняют не реле, а полупроводниковые силовые ключи – тиристоры, увеличивающие точность стабилизации и делающие работу устройства практически бесшумной.

Преимущества. Исполнительные блоки на базе полупроводниковых элементов не имеют механических деталей и обеспечивают минимальное время реакции на изменение входного напряжения (однако некоторая задержка всё-таки сохраняется). Кроме бесшумной работы, быстродействия и увеличенной (относительно релейных моделей) точности стабилизации тиристорные стабилизаторы обладают следующими преимуществами:

долговечность и надежность – полупроводниковые компоненты не подвержены механическому износу и имеют большой рабочий ресурс;

• широкий диапазон сетевого напряжения – возможна работа с большинством предельных отклонений;
• отсутствие генерации электромагнитных помех при работе;
• устойчивость к низким и высоким температурам окружающей среды;
• скромные габариты и небольшой вес;
• высокий КПД - отсутствие обмоток, реле и движимых элементов снижает уровень собственного энергопотребления.

Недостатки. Применение тиристорных ключей не способно полностью исключить основной недостаток дискретного принципа работы – ступенчатые скачки напряжения. Они неминуемо возникают при переключении трансформаторных обмоток и снижают точность стабилизации, повышение которой, как и в релейных моделях, негативно влияет на быстродействие устройства. Даже самые современные стабилизаторы на полупроводниковых элементах не гарантируют безразрывное электропитание и сигнал идеальной синусоидальной формы. Определённые проблемы могут возникнуть, например, при работе с профессиональным аудио-видео оборудованием – помехи создаваемые при ступенчатом переключении отрицательно скажутся на качестве картинки и звука. Ещё один минус тиристорных стабилизаторов – чувствительность к перегрузкам, которые могут привести к выходу из строя электронных ключей и дорогостоящему ремонту.

Симисторные стабилизаторы

Поскольку симисторы являются одним из типов тиристоров, то и принцип работы стабилизаторов на их базе существенно не различаются. Разница заключается в том, что в отличие от тиристоров, симисторы способны пропускать ток в обоих направлениях, поэтому нет необходимости в параллельно-встречном подключении двух тиристоров. Также при подключении индуктивной нагрузки симисторы более уязвимы для скачков напряжения, нежели тиристоры, и требуют дополнительной защиты. Хотя этот недостаток компенсируется тем, что в симисторных устройствах применяется более простая электронная схема.

В целом же симисторные стабилизаторы обладают теми же преимуществами, что и тиристорные:

• низкий уровень шума при работе;
• быстрое реагирование на сетевые изменения, скорость составляет 10-20 мс;
• высокий уровень КПД, достигающий 98%, что выделяет их среди конкурентов более старых поколений;
• устойчивость к перегрузкам - например, тиристорные стабилизаторы способны проработать до 12 часов при перегрузке в 20%;
• долговечность прибора при работе на износ, но в то же время дорогостоящий ремонт в случае выхода из строя одного из компонентов;
• способность выдерживать температурные перепады, но уязвимость для повышенных уровней влажности.

Также устройства не лишены некоторых недостатков:

• низкая точность регулирования, обусловленная ступенчатой стабилизацией;
• более габаритная конструкция, по сравнению с тиристорными стабилизаторами;
• высокая стоимость в сравнении с релейными моделями.

Подводя итог по тиристорным и симисторным моделям следует уточнить, что по параметрам они ненамного превосходят релейные стабилизаторы, хотя их стоимость выше и в случае возникновения неисправности замена электронных компонентов обойдется дороже. Тем не менее, такие приборы пользуются спросом и в домашних условиях, и на даче, поскольку неприхотливы к окружающей среде и в то же время не создают шума. Однако крайне не рекомендуется подключать высокоточное оборудование к тиристорным/симисторным стабилизаторам.

Инверторные стабилизаторы

Современные инверторные стабилизаторы Штиль серии "Инстаб"

Это наиболее «молодой» вид стабилизаторов – серийное производство начато в конце 2000-х годов. Инновационная конструкция и характеристики, недоступные для моделей других топологий, делают данные устройства прорывом в стабилизации электрической энергии.

Устройство и принцип работы. Принцип действия данных устройств схож с on-line ИБП и построен на базе прогрессивной технологии двойного преобразования энергии. Сначала выпрямитель превращает входное переменное напряжение в постоянное, которое затем накапливается в промежуточных конденсаторах и подаётся на инвертор, осуществляющий обратное преобразование в переменное стабилизированное выходное напряжение. Инверторные стабилизаторы кардинально отличаются от релейных, тиристорных и электромеханических по внутреннему строению. В частности, в них отсутствует автотрансформатор и любые подвижные элементы, в том числе и реле. Соответственно, стабилизаторы двойного преобразования избавлены от недостатков, присущих трансформаторным моделям.

Преимущества. Алгоритм работы этой группы устройств исключает трансляцию любого внешнего возмущающего воздействия на выход, что обеспечивает полную защиту от большинства проблем электроснабжения и гарантирует питание нагрузки напряжением идеальной синусоидальной формы со значением максимально приближенным к номинальному (точность ±2%). Кроме того, инверторная топология устраняет все недостатки характерные другим принципам стабилизации электрической энергии и обеспечивает моделям, реализованным на её базе, уникальное быстродействие – стабилизатор реагирует на изменение входного сигнала мгновенно, без задержек во времени (0 мс)!

Другие важные преимущества инверторных стабилизаторов:

• максимально широкие границы рабочего сетевого напряжения – от 90 до 310 В, при этом идеальная синусоидальная форма выходного сигнала сохраняется во всем указанном диапазоне;
• непрерывное бесступенчатое регулирование напряжения – исключает ряд неприятных эффектов, связанных с переключением порогов стабилизации в электронных (релейных и полупроводниковых) моделях;
• отсутствие автотрансформатора и подвижных механических контактов – повышает ресурс работы и снижает массу изделия;
• наличие входного и выходного фильтров высоких частот – эффективно подавляют возникающие помехи (присутствуют не во всех моделях, характерны, в частности для продукции ГК «Штиль» – ведущего производителя инверторных стабилизаторов).

Возникает закономерный вопрос - есть ли недостатки у инверторных устройств? Единственным и в то же время спорным недостатком является более высокая цена. Но учитывая технические требования современной бытовой техники и одновременно сохраняющуюся тенденцию перепадов сетевого напряжения, инверторные стабилизаторы сегодня являются самым экономически оправданным вариантом для постоянного пользования как в частных домах и загородных коттеджах, так и на промышленных объектах. Они гарантируют устойчивое, корректное функционирование дорогостоящей бытовой техники и чувствительных электронных устройств при любом качестве питающей электросети.