Феррорезонанс в трансформаторе напряжения: принцип работы стабилизатора напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения – принцип работы

Стабилизатор, у которого на зажимах нелинейного дросселя получают стабилизированное напряжение, является простейшим ферромагнитным стабилизатором. Его основной недостаток — низкий коэффициент мощности. Кроме того, при больших токах в цепи габариты линейного дросселя очень большие.

Для уменьшения веса и габаритов ферромагнитные стабилизаторы напряжения изготовляют с объединенной магнитной системой, а для повышения коэффициента мощности включают конденсатор по схеме резонанса токов. Такой стабилизатор называется феррорезонансным .

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения конструктивно похожи на обычные трансформаторы (рис. 1, а). Первичная обмотка w1 на которую подается входное напряжение Uвх, располагается на участке 2 магнитопровода, имеющем большое поперечное сечение для того, чтобы эта часть магнитопровода находилась в ненасыщенном состоянии. Напряжение Uвх создает магнитный поток Ф2.

Рис. 1. Схемы феррорезонансного стабилизатора напряжения: а — принципиальная; б — замещения

Вторичная обмотка w2, на зажимах которой индуцируется выходное напряжение Uвых и к которой присоединяется нагрузка, расположена на участке 3 магнитопровода, имеющем меньшее сечение и находящемся в насыщенном состоянии. Поэтому при отклонениях напряжения Uвх и магнитного потока Ф2 значение магнитного потока Ф3 на участке 3 почти не изменяется, не изменяется э. д. с. вторичной обмотки и Uвых. При увеличении потока Ф2 та его часть, которая не может проходить по участку 3, замыкается через магнитный шунт 1 (Ф1).

Магнитный поток Ф2 при синусоидальном напряжении Uвх синусоидален. Когда мгновенное значение потока Ф2 приближается к амплитудному, участок 3 переходит в режим насыщения, поток Ф3 перестает увеличиваться и появляется поток Ф1. Таким образом, поток через магнитный шунт 1 замыкается только в те моменты времени, когда поток Ф2 по значению близок к амплитудному. Это делает поток Ф3 несинусоидальным, напряжение Uвых становится также несинусоидальным, в нем ярко выражена третья гармоническая составляющая.

В схеме замещения (рис. 1, б) параллельно включенные индуктивность L2 нелинейного элемента (вторичной обмотки) и емкость С образуют феррорезонансный контур, имеющий характеристики, представленные на рис 2. Как видно из схемы замещения, токи в ветвях пропорциональны напряжению Uвх. Кривые 3 (ветвь L2) и 1 (ветвь С) расположены в разных квадрантах, так как токи в индуктивности и емкости противоположны по фазе. Характеристику 2 резонансного контура строят, алгебраически суммируя токи в L2 и С при одних и тех же значениях напряжения Uвых.

Как видно из характеристики резонансного контура, применение конденсатора дает возможность получать стабильное напряжение при малых токах намагничивания, т. е. при меньших напряжениях Uвх.

Кроме того, при наличии конденсатора стабилизатор работает с высоким коэффициентом мощности. Что касается коэффициента стабилизации, то он зависит от угла наклона горизонтальной части кривой 2 к оси абсцисс. Так как этот участок имеет значительный угол наклона, то получить большой коэффициент стабилизации без дополнительных устройств невозможно.

Рис. 2. Характеристики нелинейного элемента феррорезонансного стабилизатора напряжения

Таким дополнительным устройством является компенсирующая обмотка wк (рис. 3), располагаемая вместе с первичной обмоткой на ненасыщенном участке 1 магнитопровода. С увеличением Uвх и Ф увеличивается э. д. с. компенсирующей обмотки. Ее включают последовательно с вторичной обмоткой, но так, чтобы э. д. с. компенсирующей обмотки была противоположна по фазе э. д. с. вторичной обмотки. Если Uвх увеличивается, то незначительно увеличивается э. д. с. вторичной обмотки. Напряжение Uвых, которое определяется разностью э. д. с. вторичной и компенсирующей обмоток, поддерживается постоянным за счет возрастания э. д. с. компенсирующей обмотки.

Рис. 3. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой

Обмотка w3 предназначена для повышения напряжения на конденсаторе, что увеличивает емкостную составляющую тока, коэффициент стабилизации и коэффициент мощности.

Недостатками феррорезонансных стабилизаторов напряжения являются несинусоидальность выходного напряжения и зависимость его от частоты.

Промышленность выпускает феррорезонансные стабилизаторы напряжения мощностью от 100 Вт до 8 кВт, с коэффициентом стабилизации 20—30. Кроме того, выпускают феррорезонансные стабилизаторы без магнитного шунта. Магнитный поток Ф3 в них замыкается по воздуху, т. е. является потоком рассеяния. Это позволяет уменьшить вес стабилизатора, однако сужает рабочую область до 10% от номинального значения Uвх при коэффициенте стабилизации kc, равном пяти.

Особенности явления феррорезонанса в трансформаторах напряжения

В электрических сетях 6-35 кВ возникает феррорезонанс в трансформаторе напряжения (ТН) при:

  • дуговом замыкании на землю,
  • работы сети с неполнофазной нагрузкой;
  • переключениях с недогруженными линиями.
  • В условиях перегрузок ТН выходит из строя, создавая аварии в сети.

Феррорезонанс особенно опасен для критических перегрузок на основной частоте (50 Гц). Возможны субгармонические резонансы на 1/3 и 1/5 от основной частоты.

Что такое феррорезонанс

Феррорезонанс— это явление резкого возрастания тока, приводящее к перегреву и повреждению преобразователя и сопутствующего электротехнического оборудования.

Вызывающий аварию резонанс наблюдается при возникновении колебательного контура с последовательным соединением индуктивности ТН и емкостью сети.

Почему появляется в трансформаторах

Явление резонанса возникает при незаземленной (изолированной) нейтрали совместно с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли образует последовательное соединение с индуктивностью конструкции незаземленного ТН. Неполнофазный режим возникает при частичном включении фаз, при фазовом разрыве или при коротком замыкании несимметричного типа.

Механизм возникновения явления

Вольтамперная характеристика (ВАХ)

ТН содержат катушки индуктивности с сердечниками из ферромагнитных материалов, имеющими нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). На линейной ВАХ каждому значению напряжения Ui соответствует единственное значение тока Ii. На нелинейной ВАХ для определенного (резонансного) Uр реализуется режим с двумя различными величинами тока — I1 и I2.

Резонансный переход

При значении Uр на обмотках ТН сопротивление резко падает. Происходит мгновенный переход от I1 к I2, приводящий к «опрокидывание фазы» приложенного Uр, характер которого изменяется с активно-индуктивного на активно-емкостной.

Длительные колебания, вызванные резкими переходами тока в первичных обмотках ТН, вызывают тепловой пробой изоляции.

Какие трансформаторы нейтрализуют эффект феррорезонанса

Для предотвращения скачкообразных токовых перегрузок защитные ТН исполняются совместно с трансформаторами нулевой последовательности (ТНП). Такие специализированные устройства называются антирезонансными.

НАМИТ-10-2

Оборудование относится к типу ТН (Н), А — антирезонансный (А), с естественным масляным охлаждением (М), для измерительных цепей (И), трехфазный (Т), номинальным напряжением 10 кв, вариант исполнения— 2.

Измерительное оборудование состоит из двух единиц, размещенных в общем корпусе:

  • ТНКИ — это трехобмоточный ТН контроля изоляции;
  • ТНП — это двухобмоточный ТНП, выполняющий защиту ТНКИ от аварий при замыканиях отдельных фаз. Фоторезонанс компенсируется индуктивным сопротивлением ТНП в первичной цепи преобразователя.

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

  • трехфазного трехстержневого ТН прямой (обратной) последовательности с дополнительной вторичной обмоткой;
  • однофазного двухстержневого ТНП со вторичной обмоткой, соединенной по схеме замкнутого треугольника, снижающей сопротивление нулевой последовательности устройства до величины сопротивления рассеяния.

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Оборудование НАЛИ-СЭЩ -6(10) представлено литой (Л) трехфазной антирезонансной группой измерителей номинальным напряжением 6(10)кв.

Отличием литого исполнения от масляного является высокая пожаро- и взрывобезопасность, что обусловливает применение в особых условиях, например на АЭС.

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

  • блока из трех однофазных, двухполюсных, измерительных ТН НОЛ-СЭЩ, каждый из которых содержит до трех вторичных обмоток;
  • одного ТНП-СЭЩ, выполняющего функцию защиты НОЛ-СЭЩ от скачкообразных токовых переходов.

НАЛИ-СЭЩ-1

Оборудование выполнено из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и ТНП на основе принципа действия и релейной схемы устройства НАМИТ-10-2.

НАЛИ-СЭЩ-2

Данный тип повторяет НАЛИ-СЭЩ-1 при исключении дополнительной вторичной обмотки, соединенной по схеме открытого треугольника, а также при исключении релейной схемы дешунтирования постоянно включенного ТНП. Явление фоторезонанса в трансформаторе напряжения НАЛИ-СЭЩ-2 не возникает при работе с пониженной рабочей индукцией. Защитная конструкция обеспечивает практически линейную ВАХ.

Принципы действия феррорезонансного стабилизатора напряжения

Феррорезонансный стабилизатор напряжения нашел широкое распространение в различных сферах промышленности и в быту. Такие феррорезонансные стабилизаторы напряжения дают возможность выровнять переменное напряжение. Также такие устройства имеют и недостатки, которые необходимо рассмотреть.

В настоящее время существует стандарт, по которому напряжение на выходе должно находиться в интервале 0,9-1,05 от номинального значения. Эта норма была определена давно и все устройства должны ей соответствовать. Напряжение сети на выходе должно равняться 197-230 В. Перед приобретением следует ознакомиться с однофазными моделями.

Феррорезонансные стабилизаторы

Такие устройства не оснащаются вольтметром, поэтому будет трудно понять, какая величина напряжения сети получается на выходе. Самому не получится отрегулировать напряжение. Если для вас это не критично, то такой вид стабилизатора хорошо подходит для вас. Феррорезонансные устройства могут частично искажать величину показаний, погрешность может доходить до 12%.

Если вы долгое время применяете такой прибор, то нужно знать, что он способен испускать магнитное поле, влияющее на функционирование бытовых приборов. Эти стабилизаторы настраивают в заводских условиях, поэтому после его монтажа нужно просто подключить в работу.

Влияние стабилизатора на технику

  1. Магнитофоны. Мощность на выходе таких устройств может сильно уменьшиться. Значительно ухудшается стирание записи.
  2. Радиоприемники. Такая аппаратура может снижать чувствительность, и выход мощности заметно снижается.
  3. Телевизоры. Если подсоединить прибор к телевизору, то можно увидеть заметное снижение качества изображения. Также некоторые цвета отображаются неверно.

Феррорезонансные стабилизаторы могут обладать негативными факторами. Если у вас затруднения с выбором подобной аппаратуры, то следует ознакомиться с правилами подбора.

Бытовые электрические устройства постепенно становятся более качественными. Поэтому изготовители приборов такого вида тоже стараются сделать качественными свои изделия. Они делают лучше электрическую схему, позволяющую выдержать повышенные нагрузки.

Теперь это устройство может обеспечивать точную настройку напряжения сети. Процесс коррекции и выравнивания напряжения осуществляется трансформатором. При надобности он способен уменьшать или увеличивать длину вторичной обмотки.

Режимы эксплуатации

Эти режимы чаще всего зависят от различных факторов. На режим влияет мощность и вид прибора. Мощность устройства может быть различной и подбирать ее нужно, учитывая вид подключаемых устройств, которые планируется подсоединять для работы. Режимы работы выпрямляющего прибора зависят от следующих видов нагрузки:

Чисто активная нагрузка существует очень редко. Она требуется только в цепях без ограничения переменного значения прибора. Если вам нужно применить емкостную нагрузку, то нужно знать, что она служит только для стабилизаторов, имеющих малую мощность. Реакция определяется емкостью сопротивления, намного меньшего, чем нагрузка.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Первичная обмотка, на которую приходит напряжение входа, находится на участке 2 магнитопровода. Он имеет значительное поперечное сечение, чтобы сердечник был в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение образует магнитный поток Ф2.

На зажимах вторичной обмотки создается напряжение выхода. К ней подключается нагрузка, находящаяся на 3 участке сердечника, и имеет малое сечение, и насыщенное состояние. при отклонениях напряжения сети и магнитного потока, величина его почти не меняется, а также не изменится ЭДС. При повышении магнитного потока некоторая часть его будет замыкаться по магнитному шунту.

Поток Ф2 становится синусоидальным. Если поток Ф2 подходит к амплитудной величине, то третий участок переходит в насыщение, а магнитный поток перестает повышаться, и возникает поток Ф1. В результате поток по магнитному шунту будет замыкаться только тогда, когда магнитный поток №2 по величине сравнивается с амплитудным. Это создает поток Ф3 несинусоидальным, а напряжение становится тоже не синусоидальным.

Наличие конденсатора дает возможность прибору работать с повышенным коэффициентом мощности. А коэффициент стабилизации зависит от наклона горизонтальной кривой 2 к абсциссе. Этот участок обладает большим наклоном, поэтому получить большую стабилизацию без вспомогательных приборов не получится. Прямая передача тока дает возможность добиться повышенного усиления.

Достоинства

  • Невосприимчивость перегрузок.
  • Широкий интервал эксплуатационных величин.
  • Повышенная скорость регулировки.
  • Ток в форме синуса.
  • Повышенная точность выравнивания.

Недостатки

  • От величины нагрузки зависит качество работы.
  • Образование наружных электромагнитных помех.
  • При малой нагрузке плохая работа.
  • Плохие параметры веса и габаритов.
  • Повышенная шумность работы.

Современные устройства не обладают такими недостатками, но их стоимость часто больше источника бесперебойного питания. Также такие устройства не оснащены вольтметром. Отрегулировать прибор нет возможности.

Советы по выбору

Бытовая техника постоянно модернизируется и совершенствуется. Поэтому изготовители феррорезонансных стабилизаторов напряжения стремятся к модернизации. Они повышают качество схемы, позволяющей справиться с большими перегрузками. Инновационные приборы такого вида отличаются повышенным быстродействием, точностью регулировки и длительным сроком работы.

Режимы определяются мощностью устройств и их типом. К устройствам с реактивной нагрузкой можно отнести те, которые имеют электрический двигатель – кондиционеры, нагреватели, вентиляторы.

Если нужно купить феррорезонансный прибор, то нужно учесть место его подключения. Это выполняется обычно на входе в помещение, или в непосредственной близости с бытовым устройством. Если планируется производить установку для всех устройств, то лучше подобрать систему стабилизации по необходимой мощности и подключить стабилизатор сразу за прибором учета энергии.

ЭСИС Электрические системы и сети

Информационно-справочный электротехнический сайт

Феррорезонанс в сетях с изолированной нейтралью

Феррорезонанс в сетях

с изолированной нейтралью

канд. техн. наук Поляков В.С.

Читайте также:  Автоматический выключатель на схеме: буквенное обозначение по ГОСТу

1. Анализ причин повреждений оборудования в сетях

с изолированной нейтралью

Значительное число повреждений оборудования в сетях с изолированной нейтралью вызвано феррорезонансом, так как это явление вызывает перенапряжения или сверхтоки, на воздействие которых оборудование не рассчитано и от которых оно не защищено. Кроме того, феррорезонанс возникает чаще, чем другие виды воздействий, и особенно опасен тем, что длительность его существования неограниченна.

Феррорезонанс – это резонанс в цепи, содержащей хотя бы один ферромагнитный элемент.

Ферромагнитными элементами в электрических сетях являются силовые трансформаторы, дугогасящие реакторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, электродвигатели, то есть все аппараты, в которых имеется катушка с ферромагнитным (стальным) сердечником. Особенностью катушки с ферромагнитным сердечником является нелинейная зависимость тока от напряжения (потока).

В обычных условиях в такой цепи нет условий для возбуждения резонанса, то есть незатухающих колебаний. Однако, при воздействиях на ферромагнитный элемент, приводящих к насыщению сердечника, происходит плавное изменение индуктивности этого элемента, что создаёт возможность возникновения резонанса между индуктивностью и ёмкостью.

При этом если в схеме замещения сети ёмкость и индуктивность включены последовательно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс напряжений, сопровождающийся существенным увеличением напряжения на ёмкости и на всех элементах сети, соединённых электрически с этой ёмкостью. В этом случае говорят о феррорезонансных перенапряжениях.

В случае, если ёмкость и индуктивность ферромагнитного элемента соединены параллельно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс токов, сопровождающийся существенным увеличением в индуктивности и ёмкости сети. В этом случае говорят о феррорезонансных сверхтоках.

как например при неполнофазных режимах. Если же ёмкость и нелинейная индуктивность В обзорах отказов упоминаются повреждения трансформаторов напряжения, электродвигателей, комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН), нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников. Считается, что эти повреждения происходят из-за возникновения внутренних перенапряжений.

Достаточными основаниями для такой квалификации является отсутствие компенсирующих устройств в сети, где необходима их установка согласно требований Правил технической эксплуатации (ПТЭ) [1] , при наличии дугового замыкания или просто любого однофазного замыкания на “землю” в начальной стадии развития повреждения. Столь упрощенный подход не позволяет выявить истинные причины повреждений оборудования, а следовательно, разработать эффективные меры по предотвращению подобных случаев. В ряде случаев повреждения квалифицируются по причине возникновения внутренних перенапряжений в условиях, когда вообще невозможно их возникновение, например, когда события начинаются с междуфазного короткого замыкания (КЗ). Правда, развитие таких повреждений сопровождается перекрытием больших воздушных промежутков, причем не только в комплектных распредустройствах, где все изоляционные промежутки сокращены, но и в закрытых распред­устройствах обычного исполнения с достаточно большими изоляционными расстояниями, что создает впечатление воздействия перенапряжений большой кратности. На самом деле перекрытие таких больших воздушных промежутков вызвано воздействием тока междуфазного КЗ на дефектные контактные соединения.

1.1. Развитие повреждений при наличии дефектного

Наличие дефектного контактного соединения в КРУ или ЗРУ может привести к перекрытию больших воздушных промежутков при воздействии на это контактное соединение тока междуфазного КЗ. При воздействии тока КЗ в любом контактном соединении происходит подплавление контактных площадок. При расчете и конструировании разъемных контактных соединений это явление рассматривается как положительное, так как расплавление контактных площадок приводит к свариванию контактного соединения, и тем самым к уменьшению его переходного сопротивления.

Рис. 1. Схема развития повреждения дефектного контактного соединения при воздействии токов КЗ, сопровождающихся подплавлением контактных площадок и динамическими усилиями, воздействующими на расплавленный металл контакта.

Однако, уменьшение общей площади контактных площадок или контактного давления приводит к увеличению переходного сопротивления контактного соединения, увеличению количества тепла, выделяющегося при протекании тока КЗ и объема расплавленного металла. На этот расплавленный металл, также как и на шины, по которым протекает ток КЗ, воздействуют мощные электродинамические усилия, что приводит к выплескиванию расплавленного металла в междуфазное пространство и перекрытию больших воздушных промежутков в зоне расположения дефектного контактного соединения. Так как время действия релейных защит, отключающих питающий трансформатор, достаточно велико, и составляет одну и более секунд, то возникновение междуфазного КЗ в распредустройстве приводит к большому объему повреждений оборудования, что затрудняет выявление первопричины происшедшего. Выявить первоисточник такого повреждения удается, локализовав повреждение только на том участке, где происходит перекрытие воздушного промежутка из-за выплеска металла из контактного соединения. Для этого необходимо выполнить два мероприятия: покрытие гидрофобной пастой изоляции распредустройства, исключающее перекрытия изоляции по отложившимся на её поверхности продуктам горения дуги, и ускорение действия релейной защиты, например, устройством логической защиты шин, отключающей вводной выключатель при любом перекрытии в распредустройстве. Именно таким путем удалось выявить причину ежегодных перекрытий в КРУН-10 кВ пс N 20 Ленэнерго в 1979 году. На этой подстанции медные наконечники были припаяны оловянисто-цинковым припоем к алюминиевым жилам кабелей. При воздействии токов КЗ этот припой расплавлялся и выплескивался в междуфазное пространство, что приводило к перекрытию воздушных промежутков длиной около 60 см. После замены всех паяных наконечников на опрессованные повреждения полностью прекратились. Необходимо отметить, что на всех восьми секциях 10 кВ этой подстанции ток однофазного замыкания на “землю” составляет от 150 до 200 А и что компенсация отсутствует, однако устранение истинной причины перекрытий привело к надежной работе оборудования и при отсутствии компенсации емкостных токов. Аналогичные наблюдения имеются и по другим подстанциям Ленэнерго и других энергосистем.

Косвенным подтверждением версии о дефектных контактах, как о первопричине повреждения, может служить послеаварийное обследование контактных соединений неповрежденных секций подстанции. Так, на подстанции Южная Липецкэнерго в 1991 году произошло повреждение нескольких ячеек КРУ-6 кВ при повреждении отходящих кабелей сторонней организацией, сопровождавшимся междуфазным КЗ, которое было квалифицировано по причине возникновения перенапряжений. В том же году при обследовании контактных соединений тепловизором на этой подстанции были выявлены перегревы втычных контактов до 160 °С при токах меньше номинального. При КЗ на таком присоединении выплавление контактов с последующим перекрытием воздушных промежутков неизбежно.

Если при расследовании повреждения установлено, что в начале событий произошло двух- или трехфазное КЗ на одном из элементов сети, то возникновение перенапряжений, как причина дальнейшего развития повреждения маловероятно, так как КЗ вносит наибольшее из возможных затухание в контур нулевой последовательности сети, в котором происходит развитие резонансных колебаний или накопление зарядов на емкости фаз сети, что исключает развитие перенапряжений. Более вероятно развитие повреждения по рассмотренной схеме, и в этом случае необходимо принимать меры по улучшению состояния контактных соединений, а не меры защиты от перенапряжений.

1.2. Развитие повреждений при неполнофазных режимах

По данным отечественных и зарубежных исследований, а также опыта эксплуатации, в сетях с изолированной нейтралью, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами. Здесь имеется в виду, что неполнофазный режим это не только явный обрыв фазного провода или перегорание предохранителя, но и те случаи, когда отключение ненагруженного понижающего трансформатора или электродвигателя происходит коммутационным аппаратом с неодновременным отключением всех трех фаз. Если неодновременность отключения составляет 0,04 с (2 периода частоты 50 Гц) и более, то за это время успевают развиться перенапряжения опасной величины. При неполнофазных режимах возникают феррорезонансные перенапряжения, которые превышают уровень изоляции электродвигателей. Они опасны для разрядников с шунтирующими сопротивлениями и ОПН, а также для трансформаторов напряжения своей длительностью, так как существуют столько времени, сколько существует неполнофазный режим [2]. Их опасность состоит еще и в том, что при неполнофазных режимах наличие или отсутствие компенсации не влияет на вероятность возникновения и уровень перенапряжений [3-5], при этом установка защитных аппаратов на шинах бесполезна, так как перенапряжения возникают на отделенном от шин участке фазы (за обрывом фазы).

Неполнофазный режим приводит к феррорезонансному преобразованию однофазного напряжения в трехфазное. Направление чередования фаз может быть как прямым, так и обратным. Установление прямого чередования фаз при­водит к длительному повышению напряжения до (2,2 – 2,3)×Uф и вызывает пере­горание предохранителей ТН. Приобратном чередовании про­­исходит опро­ки­ды­ва­ние фазы и повышение одного из фазных напряжений до (3,8 – 4,2)×Uф, а мало нагруженные двигатели у потребителя начинают вращаться в обратную сто­рону ; при этом происходят повреждения разрядников с шунтирующими сопротивлениями, ОПН и ТН.

Необходимо отметить, что характер и уровни перенапряжений при феррорезонансе понижающих трансформаторов и самопроизвольном смещении нейтрали абсолютно похожи как по величинам перенапряжений, равным 3,8×Uф и 4,0×Uфв одном случае, и равным 2,2×Uф и 2,0×Uф при втором виде перенапряжений, так и по возникающим при этом повреждениям сети. То есть речь идёт об одном и том же явлении, называемом разными терминами. Более правильным следует считать термин “феррорезонанс понижающих трансформаторов”, как соответствующий реальному физическому явлению.

1.3. Развитие повреждений ТН при ФРП

Ежегодно в энергосистемах страны по оценкам ОРГРЭС повреждается до 6-8% от числа установленных ТН в сетях с изолированной нейтралью. Повреждения происходят при воздействии на ТН перемежающейся дуги в тех случаях, когда зажигание и гашение дуги происходит один раз в период или реже, или когда возникает регулярная дуга с зажиганием один раз в период при напряжении только одной полярности. Повреждения ТН от воздействия феррорезонансных перенапряжений происходят практически после каждого случая образования схемы, приводящей к возбуждению ФРП. Повреждения ТН происходят даже при наличии активных сопротивлений, включенных в схему разомкнутого треугольника.

Анализ причин повреждений ТН показывает, что ТН является достаточно надежным аппаратом и не повреждается ни по каким другим причинам, кроме воздействия режимов, на которые он не рассчитан. Таким режимом является длительное протекание по первичной обмотке ТН токов, величина которых значительно превышает величину тока, максимально допустимого по тепловой устойчивости изоляции обмотки. Установлено, что такие токи возникают при феррорезонансных процессах (ФРП) в контуре, образующемся при определенных режимах сети, в которой установлен ТН. Возникновение ФРП становится возможным из-за явлений, вызывающих насыщение стали магнитопровода ТН. Это приводит к плавному изменению индуктивности обмотки ТН и при благоприятном соотношении параметров емкостей элементов сети, включенных последовательно и параллельно с ТН, возникает ФРП.

2. Условия возникновения и существования феррорезонансных

процессов в цепях с трансформаторами напряжения

В цепях с трансформаторами напряжения (ТН) возможность возникновения и существования феррорезонансного процесса (ФРП) определяется следующими тремя условиями :

Величина эквивалентной ёмкости сети (СЭКВ) должна находиться в пределах, определяемых пределами изменения индуктивности трансформатора напряжения, т.е.

Конструктивные особенности и принцип работы стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения – это устройство, к входу которого подается напряжение с неустойчивыми или неподходящими параметрами для потребителя электроэнергии. На выводе стабилизатора напряжение уже обладает нужными (устойчивыми) параметрами, которые делают возможным снабжение электроэнергией восприимчивых к изменению вольтажа потребителей. А как работает стабилизатор напряжения, и для чего он нужен?

Стабилизаторы постоянного напряжения

Стабилизация напряжения постоянного тока требуется, если входящий вольтаж слишком мал или велик для потребителя. При прохождении через поддерживающее устройство оно становится больше или меньше до нужного значения. При необходимости схема стабилизатора может быть составлена так, чтобы выводимое напряжение имело полярность, противоположную поступающему.

Линейные

Линейный стабилизатор – делитель, в который подается неустойчивое напряжение. Выходит оно уже выравненное, со стабильными характеристиками. Принцип работы заключается в постоянном изменении сопротивления для поддержания на выводе постоянного вольтажа.

  • Простая конструкция с небольшим количеством деталей;
  • В работе не наблюдаются помехи.
  • При большом различии входящего и выходящего вольтажа линейный преобразователь тока выдает слабый КПД, поскольку большая часть вырабатываемой мощности превращается в тепло и рассеивается на регуляторе сопротивления. Поэтому появляется необходимость в установке контролирующего устройства на радиаторе достаточного размера.

Параметрический со стабилитроном, параллельный

Для схемы стабилизирующего ток устройства, в котором контролирующий работу элемент расположен параллельно нагруженной ветви, подходят газоразрядные и полупроводниковые стабилитроны.

Через стабилитрон должен проходить ток, превышающий от 3 до 10 раз ток в RL. Поэтому механизм подходит для выравнивания напряжения только в механизмах со слабым током. Обычно его используют как составной элемент преобразователей тока с более сложной начинкой.

Последовательный с биполярным транзистором

Принцип работы стабилизатора напряжения можно рассмотреть с помощью схемы устройства.

Видно, что она объединяет в себе два элемента:

  1. Уже известный нам параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне;
  2. Биполярный транзистор, который увеличивает ток с постоянным коэффициентом. Его еще называют эмиттерным повторителем.

Выводимое напряжение определяется по формуле: Uout = Uz — Ube. Uz – напряжение, поддерживаемое стабилитроном. Оно почти не зависит от тока, идущего через стабилитрон. Ube – разница вольтажа выходящего и стабилизируемого стабилитроном. Она почти не зависит от тока, который подается на p-n переход. Однако разница зависит от природы вещества (для кремния Ube – 0,6 В, для германия – 0,25 В). Именно из-за сравнительной независимости этих значений выводимое напряжение устойчиво.

Читайте также:  Натриевая газоразрядная лампа: подключение через дроссель и ИЗУ

При прохождении через трехслойный транзистор напряжение на выводе стабилизатора увеличивается. Если использование одного транзистора не удовлетворяет запросам потребителя энергии, то берется конструкция из нескольких транзисторов для увеличения тока до нужного значения.

Последовательный компенсационный на операционном усилителе

Компенсационный – значит с обратной связью. В этом стабилизаторе выводимое напряжение всегда сопоставляется с тем, что принято за эталон. Отличие между ними необходимо для формирования и передачи сигнала механизму, контролирующему вольтаж.

С резистора R2 снимается часть выходящего напряжения Uout, которая сравнивается с Uz (напряжение опорное) на стабилитроне, обозначенном на схеме как D1. Полученная разность проходит через операционный усилитель (на схеме U1) и передается управляющему транзистору.

Устойчивая работа обеспечивается при петлевом сдвиге фаз, который приближается к 180°+n*360°. Поскольку часть выходящего напряжения подается на усилитель, то последний сдвигает фазу на развернутый угол. Транзистор, включенный по схеме усилителя тока, не вызывает сдвига фаз. При этом петлевой сдвиг остается равным 180 о .

Импульсный

Электрический ток с неустойчивыми параметрами посредством коротких импульсов подается на накопительное устройство стабилизатора (в его роли выступает индуктивная катушка или конденсатор). Запасенная электроэнергия впоследствии выходит в нагрузку уже с другими параметрами. Возможно два варианта стабилизации:

  1. Путем управления продолжительностью импульсов и пауз между ними (принцип широтно-импульсной модуляции);
  2. Путем сравнивания выходящего напряжения с минимально и максимально допустимыми значениями. Если оно выше максимального, то накопитель перестает накапливать энергию и разряжается. Тогда на выводе напряжение становится меньше минимального. При этом накопитель снова начинает работать (принцип двухпозиционного управления).

В зависимости от схемы импульсный выравниватель тока может преобразовывать напряжение до достижения разных результатов. Поэтому различают его разновидности:

  • Понижающий (напряжение на выводе меньше, чем на вводе, но с той же полярностью);
  • Повышающий (напряжение на выводе больше, чем на вводе, но с той же полярностью);
  • Понижающе-повышающий (напряжение на выводе может быть больше или меньше, чем на вводе, но полярность та же). Устройства применяется, когда U на вводе и выводе сильно отличаются, но на вводе возможны нежелательные отклонения в большую или меньшую сторону;
  • Инвертирующий (напряжение на выводе больше или меньше, чем на вводе, полярность противоположная).
  • Импульсные помехи на выводе.

Стабилизаторы переменного напряжения

Стабилизатор переменного напряжения предназначен для поддержания постоянного тока на выводе, независимо от того, какими параметрами он обладает на вводе. Выводимое напряжение должно описываться идеальной синусоидой даже при резких скачках, падении или даже обрыве на вводе. Различают накопительные и корректирующие стабилизирующие устройства.

Стабилизаторы-накопители

Это устройства, которые сначала накапливают электроэнергию от входящего источника питания тока. Затем энергия генерируется заново, но уже с постоянными характеристиками, ток направляется к выходу.

Система «двигатель – генератор»

Принцип работы заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую с помощью электродвигателя. Затем генератор обратно преобразует ее из кинетической в электрическую, но ток уже обладает конкретными и постоянными характеристиками.

Клюевой элемент системы – маховик, который накапливает в себе кинетическую энергию и стабилизирует выводимое напряжение. Маховик жестко соединен с подвижными частями двигателя и генератора. Он очень массивный и обладает большой инерцией, сохраняющей скорость, которая зависит только от фазной частоты. Поскольку скорость вращения маховика относительно постоянна, напряжение остается постоянным даже при значительных провалах и скачках на вводе.

Система «двигатель-генератор» подходит для напряжения с тремя фазами. Сегодня она используется только на стратегических объектах. Ранее применялась для запитывания быстродействующих электронных вычислительных машин.

Феррорезонансный

Устройство включает в себя:

  • Индуктивная катушка с насыщенным сердечником;
  • Катушка индуктивности с ненасыщенным сердечником (внутри есть магнитный зазор);
  • Конденсатор.

Поскольку катушка с насыщенным сердечником имеет постоянное напряжение, независимо от тока, который по нему идет, путем подбора характеристик второй катушки и конденсатора можно добиться стабилизации напряжения в нужных пределах.

Принцип действия полученного механизма можно сравнить с качелями, которые трудно резко остановить или заставить качаться с большей скоростью. Даже нет необходимости каждый раз подталкивать качели, потому что колебательное движение – инерционный процесс. Поэтому допустимы сильные провалы и обрывы напряжения. Частоту колебаний тоже трудно поменять, поскольку у системы собственная установившаяся частота.

Феррорезонансные стабилизаторы были популярными в советские времена. Их использовали для снабжения электроэнергией телевизоров.

Инверторный

В схему инверторного стабилизатора включаются:

  • Входные фильтры;
  • Выпрямитель с устройством, изменяющим мощностной коэффициент;
  • Конденсаторы;
  • Микроконтроллер;
  • Преобразователь напряжения (из постоянного в переменное).

Принцип работы основан на двух процессах:

  1. Сначала входящий переменный ток преобразуется в постоянный при проходе через корректор и выпрямитель. Энергия накапливается в конденсаторах;
  2. Затем постоянный ток преобразуется в переменный выходящий. Из конденсатора ток идет к инвертору, который трансформирует ток в переменный, но с неизменными параметрами.

Пример (принцип работы стабилизатора напряжения 220В): на вводе напряжение меньше или больше 220В, его форма не соответствует синусоиде. После прохождения через выпрямитель и корректор ток становится постоянным, форма напряжения – идеальная синусоида. После прохождения через инвертор к выходу устремляется переменный синусоидальный ток с частотой 50 Гц и напряжением 220В.

Благодаря высокой отдаче механизма (КПД близко к 100%) такой стабилизатор используют для дорого оборудования медицинского и спортивного назначения.

Источники бесперебойного питания по конструкции и принципу действия аналогичны инверторным преобразующим устройствам. Сходство заканчивается на том, что накопление электроэнергии происходит не в конденсаторе, а в аккумуляторе, из которого выходит ток с нужными для потребителя параметрами.

ИБП необходимы для запитывания вычислительной техники, поскольку они не только стабилизируют напряжение, но и исключают сбой работы программ при аварийном отключении. Пример: если произойдет обрыв вольтажа, то накопленной в аккумуляторе энергии хватит для правильного завершения работы компьютера. Все данные будут сохранены, а компьютерная «начинка» останется целой.

Корректирующие

К корректирующим стабилизаторам относят преобразователи напряжения, которые изменяют его за счет добавочного потенциала, которого не доставало для получения необходимого для потребителя значения.

Электромагнитный

Другое название – ферромагнитный. От феррорезонансного отличается отсутствием конденсатора, более низкой мощностью и большими размерами.

Если линейный реактор (на схеме L1) включить последовательно с резистором Rh, а нелинейный реактор L2 включить параллельно Rh, то как бы ни менялось входящее напряжение, выводимое будет постоянным. Это обусловлено работой второго реактора в режиме насыщения, отчего вольтаж на нем не меняется при меняющемся токе. В связи с этим меняющееся напряжение на вводе не оказывает влияние на значение на выводе. Оно лишь перераспределяется между L1 и L2. Прирост от входящего значения полностью уходит на L1.

Электромеханический и электродинамический

Это два схожих по конструкции вида стабилизаторов, представляющих собой вольтодобавочный трансформатор. В них напряжение преобразуется за счет перемещения узла, снимающего ток у входа, по трансформаторной обмотке. В результате коэффициент стабилизации меняется мягко до той величины, которая нужна для выходящего напряжения.

В электромеханическом выравнивателе управление реализовывается щетками, которые быстро изнашиваются, поскольку это подвижные элементы. Снизить изнашиваемость удается в электродинамическом аналоге, в котором щетки заменены роликом.

Это единственные преобразователи тока, которые не только обеспечивают гладкую его трансформацию, но и формируют из него синусоиду. На выводе значение относительно неизменно, максимальное отклонение от номинала не превышает 3%. Такая подача энергии оптимальна для бытовой и производственной техники.

  • Широкий диапазон входящего напряжения (130-260В);
  • Отсутствие помех на выводе;
  • Возможность перегрузки до 200% на полсекунды;
  • Бесшумная работа (если нет перегрузки);
  • Отличная помехоустойчивость.
  • Нельзя применять при морозах (конструкция может работать только при непродолжительных легких заморозках и до 40 градусов тепла);
  • Низкая скорость стабилизации (проблема решается путем добавления количества щеток).

К преимуществам электродинамического аналога стоит отнести его способность работать при отрицательных температурах (не более 15 градусов мороза). Еще один плюс: конструкция выдерживает перегрузки на 200% до 120 секунд.

Релейный

Принцип работы релейного стабилизатора напряжения схож с работой других автотрансформаторных преобразователей с регулировкой по ступеням за счет включения/выключения отдельных обмоток силового автоматического трансформатора с помощью электромеханических реле. Поэтому повышение и понижение выходящего напряжения – это параллельный процесс повышения и понижения на вводе поддерживающего устройства.

Особенность релейного преобразователя – выводимое значение всегда меняется в пределах ступени. Например, задан диапазон допустимых значений от 215 до 220 Вольт. Это значит, что напряжение будет постоянно меняться в этих рамках, в то время как на вводе этот диапазон может составлять 200-230 Вольт. Размах ступени зависит от количества обмоток: чем их больше, тем меньше диапазон, и тем более ровное будет напряжение на выводе.

Из этого можно сделать вывод, что качественный стабилизатор не может показывать на экране только 220 Вольт. Если же значение не меняется, можно сделать вывод, что светодиоды расположены именно в форме числа «220» и никакого другого числа они показать не могут. Так делают недобросовестные производители для уменьшения себестоимости преобразователей переменного тока.

  • Высокая скорость стабилизации;
  • Небольшие размеры;
  • Большой диапазон напряжения на вводе (от 140 до 270 Вольт);
  • Низкая восприимчивость к изменениям входящего напряжения;
  • Допустимая перегрузка в 110% на 4 секунды;
  • Бесшумная работа;
  • Возможность работы от -20 до +40 градусов Цельсия.
  • Ступенчатая (а не плавная) стабилизация (свет моргает при большом диапазоне ступени);
  • Скорость стабилизации зависит от точности выходящего напряжения: чем точнее вольтаж, тем меньше скорость.

Электронный

Если вам нужно преобразовывать ток с неустойчивыми параметрами, то обратите внимание на электронный стабилизатор. Электронное устройство стабилизатора напряжения 220 вольт – это аналог релейного преобразователя. Разница между ними заключается только в способе смены включенной в нагруженную цепь трансформаторных обмоток.

В данной конструкции переключение происходит не благодаря наличию реле, а за счет симисторов или тиристоров. Так как механические детали отсутствуют, срок службы устройства резко возрастает. В сочетании с приемлемой стоимостью этот вариант для бытовой техники является оптимальным. В остальном преимущества и недостатки совпадают с теми, что указаны для релейного преобразователя.

Гибридный

В 2012 году в продаже появился новый вид стабилизатора – гибридный. Он представляет собой электромеханическое устройство, в конструкцию которого дополнительно входят два релейных преобразователя.

Основной элемент — электромеханический. Релейные элементы включаются в работу только тогда, когда последний уже не может выдать на выводе 220 Вольт. Это бывает, если входящее напряжение либо слишком низкое, либо слишком высокое. Так, электромеханический преобразователь работает при 144-256В. А релейный включается, когда значение опускается ниже 144В или поднимается выше 256В. Максимальный диапазон составляет 105-280 Вольт.

Гибридные преобразователи подходят для бесперебойного энергоснабжения потребителей электроэнергии в частном доме, квартире, офисе или даже магазине.

Качество и срок службы электроприборов зависит от параметров подаваемой энергии. При резких скачках, обрывах или провалах вольтажа техника выходит из строя. Противостоять этому может только бесперебойное энергоснабжение с напряжением условленного значения. Именно его позволяют получить стабилизаторы напряжения, без которых невозможна современная жизнь.

Виды и схемы 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;
  • полупроводниковая;
  • 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, безразрывного регулирования сетевого сигнала;
  • устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды;
  • быстродействие.
Читайте также:  Электропривод для ворот своими руками: особенности выбора и монтажа, элементы

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.

Рисунок 1 – Схема электромеханического стабилизатора напряжения

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).

Рисунок 2 – Схема релейного стабилизатора напряжения

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.

Рисунок 3 – Схема электронного стабилизатора напряжения

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 не намного 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

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.

Рисунок 4 – Схема инверторного стабилизатора напряжения

Подробнее по этой теме читайте ниже:

Технические преимущества инверторных стабилизаторов «Штиль»


Ссылка на основную публикацию