Прежде чем дать рекомендации по тому, как, собственно, правильно выбрать себе стабилизатор напряжения, давайте для начала разберемся, что он вообще из себя представляет, как устроен. Не на уровне профильного специалиста, но как любитель канала Discovery science. Впрочем, кому это покажется скучным или неинтересным, тот может пропустить эту часть и сразу перейти к следующей.
Как выбрать стабилизатор напряжения
Принцип работы стабилизатора напряжения
Итак, в основе классического стабилизатора напряжения лежит трансформатор. Трансформатор – это такое устройство, которое имеет металлический сердечник и несколько катушек (обмоток) с проволокой, расположенных на нем.
Обозначается на схемах трансформатор так:
Трансформатор обладает несколькими основными свойствами. Так если на одну обмотку подать переменное напряжение, то на другой обмотке оно тоже появится. И величина этого напряжения будет весьма определенной – она строго зависит от соотношения числа витков этой обмотки к числу витков обмотки, на которую мы и подали напряжение. Иными словами, если на первую обмотку, имеющую сто витков, подать 220 Вольт, то на второй обмотке, состоящей из, скажем, десяти витков, мы получим 22 Вольта. Это соотношение называется коэффициентом трансформации, и в данном случае оно составляет 1:10. Все просто!
Другая особенность трансформатора заключается в том, что напряжение распределяется по виткам обмотки равномерно. Это означает, что если мы подадим на обмотку (она называется первичная), имеющую сто витков, 220 Вольт, то на половине витков мы получим 110 Вольт. То есть, если от какой-либо части обмотки сделать отвод, то напряжение на нем будет пропорционально общему количеству витков. Таких отводов можно сделать хоть на каждом витке! На схемах такой трансформатор обычно обозначается так:
Пусть вас не смущает отсутствие вторичной обмотки – ее роль выполняют отводы на первичной. Поэтому специалисты называют такой трансформатор автотрансформатором.
Все! Для понимания работы стабилизатора напряжения нам больше не надо знаний о трансформаторе. Поэтому смело переходим к созданию простого стабилизатора. Вот так он будет выглядеть на схеме:
Теперь поговорим о работе стабилизатора напряжения. Как мы видим, он состоит из трансформатора с множеством отводов, переключающего устройства и схемы управления. Напряжение между соседними отводами образует вольтодобавочную секцию. Работает стабилизатор следующим образом: схема управления измеряет входное напряжение и определяет, какое еще напряжение надо добавить к входному (или отнять), чтобы получить на выходе требуемые 220 Вольт. После того, как решение принято, переключатель соединяет выход стабилизатора с соответствующим отводом автотрансформатора. Такие действия стабилизатор выполняет непрерывно в течение всего времени работы. Как видите, все просто. Чем больше будет таких отводов, тем точнее стабилизатор может подогнать выходное напряжение под требуемое.
Тут мы подходим к двум главным свойствам любого стабилизатора – точность создания напряжения на своем выходе и рабочем диапазоне. Известно, что выходное напряжение является суммой входного напряжения и добавленного напряжения, образованного рядом секций. Таким образом, чем больше будет таких секций, тем точнее будет результат.
Допустим для простоты, что наш стабилизатор имеет всего три секции, по 10 Вольт каждая. Таким образом, напряжение на выходе будет каждый раз изменяться в пределах этих 10 Вольт. Если представить все это на графике, то получим следующее:
Как видим, напряжение на выходе изменяется ступенчато (дискретно). Размах каждой ступени совпадает с напряжением на секции. Поэтому говоря о количестве ступеней, подразумевают количество переключаемых секций.
Точность выходного напряжения - это соотношение напряжения одной ступени к заданному (номинальному) выходному. Если полученный результат умножить на 100, получим точность, выраженную в процентах. В нашем случае: (10/220)*100=4,5% или 220 В ±2,25%. Весьма неплохо.
Что же касается рабочего диапазона, то он будет равен количеству секций, умноженному на напряжение на каждой: 3*10=30 Вольт. Не лучший результат. Поэтому, если мы хотим, чтобы наш стабилизатор работал как при низких напряжениях в сети, так и при высоких, нам нужно большое количество ступеней. С другой стороны, большое количество ступеней при сравнительно узком рабочем диапазоне позволит получить необходимую точность.
На практике стабилизаторы изготавливают с учетом особенностей конкретной электросети. Например, близость к трансформаторной подстанции предполагает, что напряжение в сети будет повышенным, а удаленность – пониженным.
И немного о конструкции. Переключатель в стабилизаторах может быть как на основе реле, так и на основе полупроводников (тиристоров). Релейные переключатели характерны невысокой стоимостью и такой же невысокой надежностью, связанной с механическим износом контактов реле. Тиристорные отличаются высокой скоростью реакции на изменение входного напряжения, большим ресурсом и бесшумностью работы. Именно такие стабилизаторы предлагает наша компания.
Справедливости ради надо упомянуть про стабилизаторы с так называемым сервоприводом. Работают следующим образом: специальный моторизированный привод перемещает по виткам автотрансформатора токосъемник до тех пор, пока напряжение на выходе не станет требуемым. Каждый виток при этом выполняет роль ступени. С одной стороны получаем напряжение на выходе с высокой точностью, с другой – крайне медленную реакцию на изменение входного напряжения и невысокий ресурс в следствие механического износа токосъемника и поверхности витков.
Как выбрать стабилизатор напряжения
Теперь мы подошли к самому главному: выбор стабилизатора напряжения. В первую очередь, надо понимать, какие именно потребители будут подключены и их общую мощность. Если стабилизатор подключается на весь дом, то надо выяснить, на какой ток рассчитан входной автоматический выключатель. Расположен он, как правило, рядом со счетчиком учета электроэнергии. Произведение тока на номинальное напряжение (скажем, 220 Вольт) даст нам максимальную мощность. Например, 25 А * 220 В = 5 500 Вт или 5,5 кВт. Если к дому подведена трехфазная сеть, значит это мощность по каждой фазе.
Однако устанавливать стабилизатор равной мощности было бы неправильно. Дело в том, что стабилизатор в состоянии передать номинальную мощность, которая на нем обозначена, лишь при номинальном же напряжении. То есть, когда ни одна из вольтодобавочных ступеней не задействована. Что это: хитрый маркетинговый ход или лукавство производителя? На самом деле надо опять обратиться к теории и вспомнить, что такое электрическая мощность. В общем виде – это произведение напряжения и тока, который в настоящий момент потребляется потребителем, как это мы уже определили выше.
Наглядно мощность можно представить как прямоугольник, где одна сторона будет током, а другая – напряжением. В таком случае, площадь прямоугольника будет искомой мощностью. А это значит, что при неизменной площади уменьшение одной стороны вызовет увеличение другой. То есть, снижение напряжения вызовет рост потребляемого тока. Поэтому, чтобы стабилизатор работал без перегрузок при пониженных напряжениях, необходимо увеличивать его мощность.
Возвращаясь к нашему примеру, получаем, что при расчетной мощности 5,5 кВт желательно использовать стабилизатор напряжения мощностью 7 кВт, что позволит избежать возможных перегрузок. Разумеется, при пониженном входном напряжении длительная работа на полной мощности приведет к срабатыванию тепловой защиты во входном автоматическом выключателе. Поэтому такой режим рассматриваем только как кратковременный.
С мощностью определились. Но есть момент, влияющий как на качество стабилизатора, так и на его стоимость – это точность поддержания выходного напряжения. Как известно, этот фактор зависит от количества ступеней стабилизации. Чем их больше, тем с большей точностью получим на выходе напряжение. Но какой точности будет достаточно? На самом деле, это не простой вопрос. С одной стороны, оборудование, требовательное к качеству напряжения, чаще встречается в лабораториях и, например, медицинских учреждениях, но также и владельцы дорогостоящей бытовой аппаратуры хотят обезопасить себя. С другой стороны – современные импульсные блоки питания работают в широком диапазоне напряжения и не критичны к пониженному или повышенному напряжениям. Таким образом, выбор подходящего стабилизатора напряжения – это всегда компромисс между точностью поддержания выходного напряжения и стоимостью самого стабилизатора.