Стабилизаторы напряжения. Устройство и принцип действия

Стабилизаторы переменного напряжения представляют собой устройства, предназначенные для электропитания нагрузки (различное электрооборудование, офисная и бытовая аппаратура и приборы) стабилизированным переменным напряжением 220В 50Гц при отклонении сетевого напряжения в определенных пределах.

В данном обзоре рассмотрены следующие серии стабилизаторов переменного напряжения:

• ЭТ серии ССК малой мощности  – ступенчатый корректор напряжения со статической точностью 5 – 7% и выходной мощностью от 0.4 до 3 кВА с силовыми ключами на основе реле;
• ЭТ серии ССК средней и большой мощности  – ступенчатый корректор напряжения со статической точностью 2 – 5% и выходной мощностью в однофазном исполнении от 6кВА до 33кВА, в трехфазном – от 18кВА до 100кВА, с силовыми ключами на основе тиристоров;
• Solby серии SVC – модели электромеханического типа с плавной регулировкой выходного напряжения и точностью 2…3%; выходная мощность в однофазном исполнении от 500ВА до 30кВА, в трехфазном – от 3кВА до 30кВА.

Стабилизаторы напряжения серии ССК малой мощности

Данные стабилизаторы относятся к классу устройств со ступенчатым регулированием напряжения и состоят из следующих основных узлов:

• входного фильтра;
• силового трансформатора, содержащего 6 отводов регулирования на-пряжения;
• силовых ключей;
•  схемы управления силовыми ключами;
• схемы измерения тока и напряжения;
• схемы индикации;
• источника вторичного электропитания (ВИП);
• выходного фильтра подавления помех.

 Рис.1. Структурно-функциональная схема стабилизатора ССК малой мощности

QF1– автоматический выключатель «Сеть», SR1 – реле выходное

При включении стабилизатора входное напряжение поступает на автотрансформатор T1 (2), схема управления (5) включает силовой ключ (3), соединяющий выходное реле (8) стабилизатора с отводом автотрансформатора на номинальное напряжение. Схема управления (5), по результатам измерения выходного напряжения схемой (6), поочередно включает силовые реле (3) (т. е. изменяет ступени регулирования автотрансформатора) на изменение выходного напряжения до тех пор, пока оно не установится в пределах паспортного диапазона. Если значение выходного напряжения находится в диапазоне от 176В до 245В, то через 1…2с включится реле нагрузки (8) и через выходной фильтр (9) на выходную розетку стабилизатора будет подано стабилизировано напряжение.

При изменении напряжения питающей сети в пределах рабочего диапазона, схема управления (5), переключая реле (3), отрегулирует напряжение на выходе стабилизатора с заданной точностью.

В случае выхода напряжения питающей сети за пределы рабочего диапазона схема управления не сможет обеспечивать дальнейшее регулирование напряжения, и стабилизатор будет лишь компенсировать входное напряжение, поддерживая выходное напряжение в пределах 176…245В.

Если напряжение на входе стабилизатора выйдет за пределы допустимого диапазона, произойдет отключение нагрузки. Восстановление питания нагрузки произойдет автоматически при возвращении входного напряжения в допустимый диапазон.

В случае, если нагрузка стабилизатора (потребляемая мощность) превысит предельно допустимую величину, электропитание нагрузки будет отключено. В этом случае выходное напряжение стабилизатора может быть подано на нагрузку только после выключения стабилизатора, устранения причины перегрузки и повторного его включения. Задержка времени до отключения зависит от величины перегрузки. При нагрузке, превышающей допустимую мощность нагрузки стабилизатора не более чем на 35% , задержка отключения составляет примерно 5 мин. При перегрузке до 180% – задержка составляет не более 30 секунд. При трех и более кратной перегрузке нагрузка отключается практически мгновенно.

В целях снижения уровня помех в выходном напряжении в стабилизаторе предусмотрен фильтр (9). Фильтр образуется индуктивностью обмотки силового автотрансформатора и конденсатором. Подавление помех зависит от ступени регулирования автотрансформатора и составляет не менее 10 дБ на частоте 100 кГц.

Стабилизаторы напряжения серии ССК средней и большой мощности

Принцип работы стабилизатора основан на автоматической коммутации секций вольтодобавочной обмотки силового трансформатора с помощью тиристорных ключей в зависимости от значения входного напряжения.

 Рис.2.Структурно-функциональная схема стабилизатора ССК средней и большой мощности

XS1 – блок клемм (см.рис.3), QF1 – автоматический выключатель «Сеть»,
QF2 – автоматический выключатель «Защита блока силового»,
TA1 – датчик тока блока силового, T1 – силовой трансформатор,
SR1 – реле «Защита нагрузки», TA2 – датчик тока нагрузки,
SR2 – реле защиты блока силового, XS2 – разъем для подключения ПК

При включении автоматического выключателя «Сеть» напряжение питающей сети через обмотку силового трансформатора поступает на блок питания, который обеспечивает стабилизированным питанием и измерительными напряжениями блок силовых ключей, блок управления и индикации.

После окончания временной задержки с момента включения стабилизатора (0,5…1с), происходит включение реле SR2 и подача входного напряжения на блок силовых ключей. Если значение выходного напряжения будет находиться в заданных пользователем пределах, через 3…5c будет произведено включение силового реле SR1 «Защита нагрузки» и подача стабилизированного напряжения на выходную клемму стабилизатора.

Блок управления и индикации контролирует выходное напряжение стабилизатора, мощность подключенной нагрузки, ток блока силовых ключей, температуру силового трансформатора и управляет блоком силовых ключей, силовым реле SR1 «Защита нагрузки», вентилятором принудительного охлаждения, ЖКИ и светодиодными индикаторами панели управления.

При изменении напряжения питающей сети в пределах рабочего диапазона, блок управления, переключая силовые ключи, отрегулирует напряжение на выходе стабилизатора с заданной точностью (см. технические характеристики).

Если напряжение питающей сети выйдет за пределы рабочей зоны, то система управления, находясь в крайнем состоянии, не сможет обеспечить дальнейшее регулирование напряжения и стабилизатор будет лишь компенсировать входное напряжение.

Если по вышеуказанным причинам напряжение на выходе стабилизатора выйдет за критический порог (верхний или нижний), определённый пользователем, то произойдёт отключение выходного напряжения (реле SR1 «Защита нагрузки»). При возвращении выходного напряжения в допустимые пределы, после окончания временной задержки (5…7с) происходит подача напряжения на выходную клемму стабилизатора (включение реле «Защита нагрузки»).

При возникновении аварийной ситуации в системе управления стабилизатор переводится в режим прямого включения, и напряжение питающей сети поступает на выход стабилизатора без изменений (контроль выходного напряжения будет производиться так же, как и в режиме стабилизации). При этом реле SR2 отключит блок силовых ключей от сети электропитания. Для выхода из режима прямого включения необходимо нажать кнопку «Сброс» на клавиатуре панели управления.

Вентилятор принудительного охлаждения включается при нагрузке более 50% от номинальной мощности стабилизатора, при перегреве обмоток силового трансформатора, а также кратковременно (около 15с) при включении стабилизатора.

Если в процессе работы суммарная величина подключенной к стабилизатору нагрузки превысит номинальную мощность стабилизатора, то автоматическое отключение реле «Защита нагрузки» произойдёт тем быстрее, чем больше величина перегрузки. Для повторного включения необходимо нажать кнопку «Сброс». При коротком замыкании на выходе стабилизатора происходит срабатывание автоматического выключателя «Сеть».

Стабилизаторы напряжения Solby серии SVC

Данные стабилизаторы по принципу действия относятся к электромеханическим корректорам напряжения с сервоприводом и состоят из следующих узлов (см. рис.3):

• автоматический выключатель (АВ) или сетевой предохранитель (в моделях малой мощности);
• регулируемый автотрансформатор (АТ);
• сервопривод управления щеткой автотрансформатора (СП);
• электронный блок управления сервоприводом и защиты нагрузки (БУЗ);
• блок индикации (БИ);
• вольтодобавочный трансформатор (ДТ) – в моделях от 5 кВА и выше.

Структурная схема электромеханического стабилизатора напряжения

а) без дополнительного трансформатора;
б) с дополнительным трансформатором

Cтабилизаторы напряжения выполнены в стальных корпусах с толщиной стенок 0,8…1,2 мм. Габаритные размеры, расположение вентиляционных отверстий, кабельных вводов и разъемов для подключения питания и нагрузки (клеммных колодок или розеток) зависят от конструкции соответствующей модели стабилизатора.

Средства управления и индикации расположены на передней панели стабилизаторов. Все модели оснащены стрелочными или цифровыми сегментными индикаторами входного/выходного напряжения; в моделях с выходной мощностью выше 1500ВА имеются светодиодные индикаторы “Сеть”, “Uвх > 250”, “Uвх < 160”.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется следующим образом. После включения стабилизатора блок управления анализирует величину входного/выходного напряжения и подает сигнал управления на электродвигатель, приводящий в движение угольную щетку автотрансформатора, скользящую по неизолированной дорожке на медной обмотке, навитой на торроидальный магнитопровод. При этом происходит плавное увеличение или уменьшение выходного напряжения до номинального значения.

Блок защиты анализирует значения напряжений и отключает выход стабилизатора от нагрузки при недопустимо высоких значениях выходного напряжения. При восстановлении выходного напряжения нагрузка включается автоматически.