Проблемы повышенного и пониженного напряжения в электросетях встречаются сегодня все чаще. Порой даже целые регионы начинают страдать от перебоев электроэнергии, это обычно связано с большой протяженностью сетей либо с недостатком генерирующих мощностей. Все дело в том, что несколько десятилетий назад этот фактор никак не учитывался при строительстве дачных товариществ и жилых поселков. Для улучшения ситуации с величиной напряжения в питающей сети люди уже с тех далеких 70-х 80-х годов использовали стабилизаторы напряжения. В основном это были устройства электромеханического типа с установленным в них автотрансформатором, по обмотке которого скользил ползунок передвигаемый вручную. Человеку нужно было постоянно следить за величиной напряжения на выходе стабилизатора и двигать рукоятку с ползунком, чтобы привести его в норму.
С тех лет прошло много времени и сегодня существует большое разнообразие автоматизированных стабилизаторов, работающих как на тех же самых, так и на совершенно других принципах регулирования, и которые позволяют полностью исключить участие человека в процессе корректировки напряжения. В связи с таким разнообразием у людей возникают закономерные вопросы, о том, как выбрать стабилизатор напряжения для газового котла, как выбрать стабилизатор для бытовой техники и так далее. Давайте разберемся, какие типы стабилизаторов на сегодняшний день производятся, чем они отличаются и в каких случаях лучше использовать тот или иной тип.
Однофазные и трехфазные стабилизаторы
Если стабилизатор приобретается для квартиры или небольшого дачного дома, то, вероятнее всего потребуется однофазный стабилизатор. Для частного жилого дома возможно применение как однофазного так и трехфазного стабилизатора, потому что электроснабжение таких домов может быть и в том и в другом варианте. Как же определить, нужен ли стабилизатор напряжения однофазный или трехфазный?
В первую очередь необходимо определить, сколько жил или проводов проводится к дому. Если вы насчитали два или три провода подходящих к дому, то это значит, что в доме присутствует одна фаза, а вот если жил окажется четыре или пять, то в доме трехфазная сеть электроснабжения.
Второй способ немного проще. Нужно определить тип установленного счетчика электроэнергии. Трехфазные устройства как правило имеют три светодиодных индикатора работы, а именно для фазы А, В и С. У однофазных модели имеется лишь один светодиодный индикатор.
Если говорить о преимуществах однофазных стабилизаторов напряжения перед трехфазными, стоит отметить более широкий модельный ряд устройств, а также то, что система защиты всех трех фаз в трехфазных стабилизаторах объединена в одну, поэтому в случае если одна из фаз вышла из строя в результате перебоя или перегрузки, происходит отключения всего устройства.
Типы стабилизаторов напряжения
Регуляторы напряжения можно разделить на несколько категорий.
Релейные стабилизаторы
Такие устройства, состоят из трансформатора, нескольких реле (4-10 штук) и блока управления. Блок управления контролирует напряжение сети электроснабжения и сравнивает его с заданным. Заданным является напряжение – 220 В для однофазного стабилизатора, и 380 В для трехфазного. При отклонении сетевого напряжения в большую или меньшую сторону от заданного, блок управления начинает выключать одни реле и включать другие. Включение и отключение реле производится с целью изменения числа витков трансформатора, выводы которых присоединены к силовым контактам реле.
Изменяя число витков, пошагово изменяется и напряжение на выходе стабилизатора. Величина напряжения одного шага (ступени) у разных стабилизаторов имеет разную величину. В среднем эта величина составляет от 3,5 % до 8 % от номинального напряжения, что соответствует 7,7 В и 17,6 В. Чем меньше величина напряжение ступени тем точнее будет напряжение на выходе стабилизатора. Например, при напряжении ступени 7,7 В, на выходе будет поддерживаться напряжение в диапазоне 212,3 В и 227,7 В. Стабилизатор с такой величиной выходного напряжения является хорошим, так как по ГОСТу величина напряжения, без всякой стабилизации, у потребителя, то есть у нас с вами, должна быть в пределах ±5 %, что соответствует 209 В и 231 В. Для промышленных предприятий, где основная масса электроприемников, это электродвигатели, нагревательные печи и другое технологическое оборудование неприхотливое к изменению напряжения, величина напряжения поставляемого электроснабжающей организацией, должна варьироваться в пределах ±10 % от номинального напряжения сети. Однако чем выше точность стабилизации, тем уже диапазон входных напряжений, при которых стабилизатор может работать. К примеру, если у стабилизатора имеется 8 реле, 5 из которых повышают напряжение, а 3 понижают, то при точности стабилизации в 3,5 %, на вход стабилизатора может подаваться от 180 В до 240 В. При точности стабилизации 8 % и таком же количестве реле, это напряжение будет равно 130 В – 270 В. Для повышения диапазона входного напряжения должно быть большее количество реле, и соответственно большее число выводов обмотки трансформатора.
Плюсами таких стабилизаторов являются, невысокая стоимость и высокая надежность.
Существует мнение, что релейное управление не надежно. С этим можно отчасти согласится, если производитель привык экономить на комплектующих для своей продукции и при изготовлении установил слаботочные и низкокачественные реле или контакторы. Однако если производитель беспокоится за репутацию своей фирмы он обязательно позаботится о том, чтобы устанавливаемые реле или контакторы, имели некоторый запас по току коммутации. В таком случае реле будут щелкать на протяжении 15 лет и ничего с ними не случится. При покупке стабилизатора отдавайте предпочтение именитым фирмам, читайте отзывы людей об их продукции.
Еще один плюс, это способность релейных стабилизаторов работать при очень низких температурах, до минус 35 °С.
К минусам можно отнести невысокую точность стабилизации. Но и ее хватит для того, чтобы сохранить вашу бытовую технику в исправном состоянии долгие годы. Второй минус, это кратковременные «провалы» напряжения при переключении с одной ступени на другую.
Тиристорные стабилизаторы
В продолжение темы о релейных стабилизаторах, немного расскажем о тиристорных стабилизаторах. Принцип действия таких стабилизаторов схож с релейными, то есть регулирование напряжения осуществляется ступенчато, но вместо коммутирующих реле в стабилизаторе установлены тиристорные, или симисторные, «ключи». Для тех, кто не в курсе поясним, что тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по принципу выпрямительного диода, с тем лишь отличием, что диод всегда открыт в одну сторону для протекания через него электрического тока, а тиристор открывается также в одну сторону, но по команде от управляющего электрода. Но так как стабилизатор предназначен не для выпрямления переменного тока, а просто поддержания действующего значения напряжения в заданных пределах, то нужен «ключ» способный пропускать электрический ток и в ту и другую стороны. С этой целью применяют как раз полупроводниковые симисторы. Семисторы объединяют в своем корпусе два тиристора включенных по встречно-параллельной схеме.
Точность регулирования напряжения точно такая же, как и в случае с релейными стабилизаторами, и зависит от числа ступеней. Скорость переключения ступеней у тиристорных стабилизаторов гораздо выше, чем у релейных, поэтому в случае возникновения больших перенапряжений в сети электроснабжения или еще каких ни будь помех, он способен очень быстро отключить напряжение на выходе и уберечь от повреждения подключенную к нему технику. Это является их большим плюсом. Плюсами тиристорных стабилизаторов являются также, бесшумность работы и продолжительный срок службы без всякого технического обслуживания.
К минусам можно отнести высокую стоимость, а также как и у релейных стабилизаторов, скачкообразное изменение напряжения. Скачок, или вернее провал напряжения, происходит в момент переключения «ключей» с одной ступени на другую. Это происходит очень быстро и на бытовой технике никак не сказывается. Визуально этот провал можно заметить глядя на работающую электрическую лампу.
Если в вашей сети электроснабжения не наблюдается частых изменений напряжения, то стоит обратить внимание именно на эти два типа стабилизаторов.
Электромеханические (серво-приводные) стабилизаторы
Электромеханические стабилизаторы напряжения, являются одними из самых старых разработок, производимых еще со времен СССР. Их прототипом послужили обычные механические стабилизаторы, внутри которых, располагался автотрансформатор с ручным регулятором. Для того чтобы уменьшить или увеличить выходное напряжение ручку регулятора, необходимо было вращать в ту или другую сторону. На оси ручки был прикреплен электрический ползунок в виде подпружиненной пластинки, на конце которой располагался металлический ролик. Вращаясь, ролик скользил по виткам обмотки трансформатора и изменял их число. С изменением числа витков обмотки изменялось и выходное напряжение.
В электромеханических стабилизаторах функцию перемещения ползунка с роликом, отвели электродвигателю (серводвигателю). Серводвигатель, получая команды от системы управления, перемещает ролик на определенный угол и тем самым меняет число витков. Система управления отслеживает изменение выходного напряжения, и если оно совпадает с заданным, или близко к нему, прерывает подачу команд и сервопривод останавливается. В последнее время вместо металлического ролика стали использовать графитовые щетки.
Точность поддержания напряжения у таких стабилизаторов колеблется в пределах ±2-3 %. Пределы входного напряжения составляют от 140 В до 260 В. Уровень шума при работе электромеханического стабилизатора ниже чем у релейного, а стоимость этих двух типов стабилизаторов находится практически одинакова. Электромеханический стабилизатор имеет небольшие габариты, что немаловажно.
Среди недостатков электромеханических стабилизаторов стоит отметить ненадежность токосъемного механизма. Второй недостаток, это возможность работы стабилизатора только при положительных температурах, от +5 °С до +40 °С.
Инверторные стабилизаторы
Инвертор, это устройство, преобразующее постоянный ток в переменный. По сути, это универсальное устройство, предназначенное не то, чтобы для стабилизации переменного напряжения, а вообще для формирования совершенно иной кривой напряжения, любой формы, хоть синусоидальной, хоть прямоугольной, хоть треугольной. На производственных предприятиях инверторы используются для регулирования скорости вращения роторов асинхронных электродвигателей, путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения. Поэтому в стабилизаторе инвертор используется, наверное, только на 25 %. Работа инвертора в большинстве случаев реализуется на силовых транзисторах.
Но для того чтобы инвертор работал, необходимо еще одно устройство, это выпрямитель. Выпрямитель строится на обычных полупроводниковых диодах.
Благодаря двойной структуре регулирования величины напряжения, инверторные стабилизаторы очень часто называют стабилизаторами двойного преобразования.
В конструкции таких стабилизаторов, отсутствуют какие либо силовые трансформаторы, поэтому они имеют небольшие габариты и вес. Это их неоспоримый плюс.
Ввиду того, что инверторный стабилизатор не имеет трансформатора, а соответственно никаких выводов обмоток и ступеней регулирования, то при его работе стабильность напряжения на выходе достигает 1 %, что соответствует 2,2 В. При такой точности стабилизации можно сказать, что регулирование напряжения происходит практически в реальном времени, без каких либо задержек. Он реагирует на малейшие изменения входного напряжения, поэтому его рекомендуется использовать в тех случаях, когда напряжение в сети электроснабжения «гуляет» постоянно.
По стоимости инверторные стабилизаторы соизмеримы с тиристорными стабилизаторами.
Минусом инверторного стабилизатора является, несколько искаженная форма синусоиды. Раз форма кривой создается электронным, а не машинным генератором, то ее формирование происходит не в пространстве при вращении ротора генератора, а с помощью математических вычислений в виде ступенчатой аппроксимации. В результате образуется модифицированная синусоида, в целом повторяющая ее форму, но имеющая некоторую «зубчатость». Искажение синусоиды негативно влияет на работу электроприемников, в особенности имеющих в своем составе электродвигатели. К таким электроприемникам относятся холодильники. У дешевых инверторных стабилизаторов степень негативного воздействия выше, чем у дорогих, так как в дешевых стоит более простой микропроцессор, формирующий менее качественную синусоиду. При выборе инверторного стабилизатора не нужно экономить на деньгах.
Существуют стабилизаторы работа которых основана и на других приципах действия, но мы их рассматривать не будем ввиду их непопулярности.
Подводя итог обзора стабилизаторов различных типов, можно сказать, что для жителей сельской местности, где очень сильно и часто меняется напряжение, предпочтительным будет инверторный стабилизатор. Это же касается и дачных товариществ. А для городских квартир, где сеть электроснабжения относительно надежна и стабильна можно обойтись релейным стабилизатором.
Мощность стабилизаторов
Для правильного выбора мощности стабилизатора необходимо собрать информацию о потребляемой мощности всех подключаемых к нему электроприемников. Это может быть холодильник, телевизор, электрический чайник, электрическая дрель и так далее.
В паспорте такой бытовой техники зачастую указывают только активную (полезную) мощность (P). Но кроме активной мощности существует реактивная (вредная) мощность (Q) которая вызвана нелинейным характером сопротивления электроприемников. Несмотря на бесполезность этой мощности, электрический ток она все же создает, и поэтому должна учитываться при выборе стабилизатора. Квадратный корень из суммы квадратов активной и реактивной мощности дает полную мощность (S), и именно она характеризует реальную нагрузку, прикладываемую к стабилизатору.
Полную мощность можно также посчитать, если известен коэффициент мощности – cos ϕ. Он редко указывается в паспорте электроприемника, но его можно принять усредненным для всех бытовых приборов, подключаемых к стабилизатору. Например, коэффициент мощности может быть равен cos ϕ = 0,75. После этого необходимо суммировать активную мощность всех электроприемников и полученный результат поделить на принятый коэффициент мощности. В результате мы получим полную потребляемую мощность. Узнав полную мощность можно узнать и величину тока. Для этого значение полной мощности нужно разделить на напряжение питания этих электроприемников.
Мощности имеют следующие единицы измерения: P – Вт; Q – Вар; S – В×А.
Пример
У нас имеются следующие бытовые электроприемники, которые мы хотим защитить от перепадов напряжения сети электроснабжения:
- Фен для волос – 750 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,98);
- Утюг –2000 Вт (ориентировочный cos ϕ = 1,0);
- Кофеварка – 1500 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,98);
- Пылесос – 1500 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7);
- Телевизор –250 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,9);
- Холодильник – 200 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7);
- Кондиционер – 3000 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7);
- Обогреватель – 2400 Вт (ориентировочный cos ϕ = 1,0);
- Компьютер –350 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,9);
- Дрель – 600 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7);
- Дисковая пила – 1600 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7);
- Электро-рубанок – 700 Вт (ориентировочный cos ϕ = 0,7).
Принимаем приблизительный коэффициент мощности cos ϕ = 0,75. Полная мощность всех электроприемников будет равна:
Тогда суммарный электрический ток будет равен:
Многие авторы в своих статьях о выборе стабилизаторов напряжения советуют еще учитывать пусковые токи электродвигателей холодильников, пылесосов, стиральных машин и другой техники. Не понятно для чего это делать, если итак выбирая стабилизатор по суммарной полной мощности всех электроприемников, мощность стабилизатора будет завышена. Вы же не будете одновременно пользоваться утюгом, феном, кондиционером, обогревателем, дисковой пилой и электро-рубанком. Здесь нужно сесть и хорошенько подумать какие электроприемники могут использоваться одновременно. Все зависит от состава вашей семьи, от их предпочтений ведения домашнего хозяйства и от состава имеющихся бытовых электроприборов. Например, глядя на представленный выше список можно предположить, что у семьи из трех человек (мама, папа, ребенок) одновременно могут использоваться: утюг, кофеварка, телевизор, холодильник, кондиционер, компьютер, дисковая пила. Потребляемая мощность данных электроприборов составит:
Потребляемый ток при этом будет равен:
Для уверенности в том, что электродвигатели будут запускаться как надо, можно принять небольшой коэффициент запаса, например 25 %:
Для повседневного использования стабилизатора будет достаточным, чтобы его мощность составляла: 15 кВ×А для частного дома, 8-10 кВ×А для дачного дома (в том случае если вы в нем живете), и 5-6 кВ×А для квартиры.
Вот на что нужно обратить внимание, так это на характеристику выходной мощности стабилизатора зависящей от напряжения на его входе. В паспорте большинства стабилизаторов такая характеристика представлена. Пример характеристики показан ниже.
Как видно из графика при напряжении сети электроснабжения ниже 190 В мощность стабилизатора уменьшается. Поэтому если вы живете в деревне, где зачастую бывает очень низкое напряжение, то вам необходимо обратить на это особое внимание и выбрать стабилизатор большей мощности.
Сетевой фильтр или стабилизатор
Кроме вопроса о выборе стабилизатора возникают и такие: - «Сетевой фильтр или стабилизатор напряжения, что лучше?». Для того чтобы ответить на этот вопрос необходимо понять принцип работы этих устройств. Дело в том, что сетевой фильтр это устройство, предназначенное только для защиты бытовой техники от перенапряжения (внезапных резких скачков напряжения вызванных, например, молнией во время грозы, или высокочастотных помех возникающих во время включения и отключения мощных электроприемников. Они не регулируют напряжение, а отключают подключенную к ним нагрузку.
Стабилизатор же кроме подобной задачи, выполняет еще, и те, которые мы рассмотрели выше. Поэтому сравнивать эти устройства не стоит. Другое дело если сравнить стабилизатор напряжения с интерактивным источником бесперебойного питания (ИБП). Это схожие устройства, но в ИБП кроме защиты от помех и стабилизации напряжения существует функция кратковременного резервирования питания. Эта функция хороша не только для того чтобы завершать работу персонального компьютера, но и для защиты бытовой техники от очень частых включений /отключений напряжения при проведении ремонтных работ бестолковыми электромонтерами или при «подгорании» контактных соединений в сети электроснабжения. В такие моменты напряжение может «появиться» и «исчезнуть» в течение нескольких секунд несколько раз, а это очень негативно сказывается на работе, например, холодильника, да и другой техники тоже. Поэтому интерактивный ИБП является наилучшим вариантом защиты. Интерактивный ИБП – это источник бесперебойного питания со стабилизатором напряжения. Такие ИБП рекомендуются для питания газового оборудования.
В заключении
При выборе качественного, надежного и долговечного стабилизатора необходимо уделить максимальное внимание техническим и функциональным характеристикам. Стоимость и внешний вид не всегда могут сказать прослужит прибор долго или выйдет из строя через несколько месяцев.