Блок схемы стабилизаторов напряжения

Виды и схемы стабилизаторов напряжения

Приборы для стабилизации напряжения сети применяются уже не одно десятилетие. Многие модели давно не используются, а другие пока не нашли широкого распространения, несмотря на высокие характеристики. Схема стабилизатора напряжения не является чем-то слишком сложным. Принцип работы и основные параметры различных стабилизаторов следует знать тем, кто ещё не определился с выбором.

Содержание:

1. Виды стабилизаторов напряжения
   • Электромеханический стабилизатор
   • Релейный стабилизатор
   • Электронный стабилизатор
   • Стабилизатор двойного преобразования

Виды стабилизаторов напряжения

В настоящее время применяются следующие виды стабилизаторов:

• Феррорезонансные;
• Сервоприводные;
• Релейные;
• Электронные;
• Двойного преобразования.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Феррорезонансные стабилизаторы конструктивно являются самыми простыми устройствами. Они состоят из двух дросселей и конденсатора и работают на принципе магнитного резонанса. Стабилизаторы такого типа отличаются высокой скоростью срабатывания, очень большим сроком эксплуатации и могут работать в широком диапазоне напряжения на входе. В настоящее время их можно встретить в медицинских учреждениях. В быту практически не применяются.

Принцип действия сервоприводного или электромеханического стабилизатора основан на изменении величины напряжения с помощью автотрансформатора. Устройство отличается исключительно высокой точностью установки напряжения. Вместе с тем скорость стабилизации самая низкая. Электромеханический стабилизатор может работать с очень большими нагрузками.

Релейный стабилизатор так же имеет в своей конструкции трансформатор с секционированной обмоткой. Выравнивание напряжения осуществляется с помощью группы реле, которые срабатывают по командам с платы контроля напряжения. Прибор имеет относительно высокую скорость стабилизации, но точность установки заметно ниже за счёт дискретного переключения обмоток.

Электронный стабилизатор работает по такому же принципу, только секции обмотки регулирующего трансформатора переключаются не с помощью реле, а силовыми ключами на полупроводниковых приборах. Точность электронного и релейного стабилизатора приблизительно одинаковая, но скорость электронного устройства заметно выше.

Стабилизаторы двойного преобразования, в отличие от других моделей, не имеют в своей конструкции силового трансформатора. Коррекция напряжения осуществляется на электронном уровне. Устройства этого типа отличаются высокой скоростью и точностью, но их стоимость намного выше, чем у других моделей. Стабилизатор напряжения 220 вольт своими руками, несмотря на кажущуюся сложность, может быть реализован именно на инверторном принципе.

Электромеханический стабилизатор

Сервоприводный стабилизатор состоит из следующих узлов:

• Входной фильтр;
• Плата измерения напряжения;
• Автотрансформатор;
• Серводвигатель;
• Графитовый скользящий контакт;
• Плата индикации.

В основе работы электромеханического стабилизатора лежит принцип регулировки напряжения путём изменения коэффициента трансформации. Это изменение осуществляется перемещением графитового контакта по свободной от изоляции обмотке трансформатора. Перемещение контакта осуществляется серводвигателем.

Напряжение сети поступает на фильтр, состоящий из конденсаторов и ферритовых дросселей. Его задача максимально очистить приходящее напряжение от высокочастотных и импульсных помех. В плате измерения напряжения заложен определённый допуск. Если напряжение сети в него укладывается, то оно сразу поступает на нагрузку.

При отклонении напряжения сверх допустимого, плата измерения напряжения подаёт команду на узел управления серводвигателем, который перемещает контакт в сторону увеличения или уменьшения напряжения. Как только величина напряжения придёт в норму, серводвигатель останавливается. Если напряжение сети нестабильно и часто изменяется, сервопривод может отрабатывать процесс регулирования практически постоянно.

Схема подключения стабилизатора напряжения малой мощности не представляет ничего сложного, поскольку на корпусе установлены розетки, а включение в сеть осуществляется шнуром с вилкой. На более мощных устройствах сеть и нагрузка подключаются с помощью винтовой колодки.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Релейный стабилизатор

В релейном стабилизаторе имеется почти такой же набор основных узлов:

• Сетевой фильтр;
• Плата контроля и управления;
• Трансформатор;
• Блок электромеханических реле;
• Устройство индикации.

В этой конструкции коррекция напряжения осуществляется ступенчато, с помощью реле. Обмотка трансформатора разделена на несколько отдельных секций, каждая из которых имеет отвод. Релейный стабилизатор напряжения имеет несколько ступеней регулирования, число которых определяется количеством установленных реле.

Подключение секций обмотки, а, следовательно, и изменение напряжения может осуществляться либо аналоговым, либо цифровым способом. Плата управления, в зависимости от изменения напряжения на входе, подключает необходимое количество реле для обеспечения напряжения на выходе, соответствующего допуску. Стабилизаторы релейного типа имеют самую низкую цену среди этих приборов.

Пример схемы релейного стабилизатора

Еще одна схема стабилизатора релейного типа

Электронный стабилизатор

Принципиальная схема стабилизатора напряжения этого типа имеет лишь небольшие отличия от конструкции с электромагнитными реле:

• Фильтр сети;
• Плата измерения напряжения и управления;
• Трансформатор;
• Блок силовых электронных ключей;
• Плата индикации.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Принцип работы электронного стабилизатора не отличается от принципа работы релейного устройства. Единственное отличие заключается в применении электронных ключей вместо реле. Ключи представляют собой управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры и симисторы. Каждый из них имеет управляющий электрод, подачей напряжения на который вентиль можно открыть. В этот момент и происходит коммутация обмоток и изменение напряжения на выходе стабилизатора. Стабилизатор отличается хорошими параметрами и высокой надёжностью. Широкому распространению мешает высокая стоимость прибора.

Стабилизатор двойного преобразования

Это устройство, называемое так же инверторный стабилизатор, по своей конструкции и техническим решениям, полностью отличается от всех других моделей. В нем отсутствует трансформатор и элементы коммутации. В основу его работы положен принцип двойного преобразования напряжения. Из переменного напряжения в постоянное, и обратно в переменное.

Схема инверторного стабилизатора напряжения 220в состоит из следующих узлов:

• Фильтр сетевых помех;
• Корректор мощности – выпрямитель;
• Блок конденсаторов;
• Инвертор;
• Узел микропроцессора.

Напряжение сети, пройдя через фильтр, поступает на корректор – выпрямитель, где осуществляется первое преобразование. В блоке конденсаторов запасается энергия, которая будет необходима при пониженном напряжении.

Обычно инвертор выполняется по схеме с использованием ШИМ контроллера. Дополнительное питание необходимо для питания микропроцессора, который управляет всей работой стабилизатора.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Это устройство отличается уникальными параметрами, поскольку инверторный стабилизатор не изменяет величину напряжения сети, а заново его генерирует. Это позволяет получить напряжение высокого качества со стабильной частотой.

На базе инверторного принципа может быть реализована схема регулируемого стабилизатора напряжения. В этом случае можно на схемном уровне рассчитать величину напряжения на входе, которая может быть практически любой, а стабилизатор будет выдавать 220В.

Понравилась статья? Сохрани в соц сетях!

Разновидности и схемы стабилизаторов напряжения

Любое электрооборудование проектируется с расчётом на стабильные параметры сетевого напряжения. Это необходимо по двум причинам:

1. Подключённое к сети устройство должно обеспечивать стабильные параметры тока на выходе в соответствии со своим целевым предназначением;
2. Электрическая схема оборудования нуждается в защите от аномалий входного тока, которые являются основной причиной сбоев в работе и выходе из строя потребителей электроэнергии вследствие перегорания их токопроводящих контактов и элементов.

Чтобы питающее сетевое напряжение оставалось неизменным, используется специальное устройство – стабилизатор напряжения. Он осуществляет выравнивание характеристик входного тока и обеспечивает отключение потребителей в случае возникновения короткого замыкания или других критических сетевых аномалий.

Виды стабилизаторов напряжения

Принципиальная схема стабилизатора напряжения включает 2 основных элемента, функции которых заключаются в сравнении входных параметров тока с требуемыми и регулировкой выходных характеристик. При выборе стабилизатора необходимо учитывать его основные параметры, которые должны соответствовать свойствам электросети и особенностям питающихся от неё потребителей.

В список главных характеристик любого стабилизирующего устройства входят:

• Точность стабилизации;
• Скорость реакции на изменения параметров входного тока;
• Эксплуатационная надёжность;
• Защищённость от помех;
• Срок эксплуатации;
• Стоимость.

Существует несколько технических решений, позволяющих обеспечить стабильные параметры тока в сетях электропитания различного назначения. Наиболее широкое применение получили следующие виды стабилизаторов напряжения:

Сервоприводные. Обеспечивают высокую точность стабилизации и обладают неплохой устойчивостью к сетевым перегрузкам, включая короткое замыкание. Схема стабилизатора напряжения сервоприводного типа имеет существенный недостаток – низкую скорость реакции на изменения характеристик входного тока, вследствие их целесообразно использовать для защиты потребителей, питающихся от сетей, исключающих резкие скачки напряжения на входе.

Релейные. Характеризуются завидным быстродействием, однако не способны обеспечить высокую точность и качество выравнивания выходного напряжения, вследствие чего применяются для защиты электрооборудования малой мощности.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Бесперебойник для насоса отопления: разновидности и критерии выбора

Электронные. Работают по тому же принципу, что и релейные, но вместо коммутационных реле функцию регулировки выходного напряжения выполняют электронные ключи – симисторы или тиристоры. Устройства этого типа отличаются высокой скоростью стабилизации и надёжной защитой от резких скачков входного напряжения. К недостаткам можно отнести сравнительно большую погрешность при выравнивании выходного тока и высокую стоимость.

Электромеханические. Представляют собой разновидность сервоприводных стабилизаторов. В отличии от последних, в оборудовании этого класса вместо графитовых щёток используются ролики, обеспечивающие защиту от перегрева, высокую перегрузочную способность и продолжительный срок службы системы. Главным минусом электромеханического стабилизатора является сравнительно высокая стоимость.

В продаже встречаются гибридные (с двойной релейной схемой), а также инверторные и широтно-импульсные (ШИМ) стабилизаторы. Они обеспечивают высокую скорость выравнивания выходного тока с небольшой погрешностью и могут работать с широким диапазоном входных параметров напряжения. Стабилизаторы с подмагничиванием и дискретным высокочастотным регулированием являются узкоспециализированными, вследствие чего широкого применения на практике не получили.

Сервоприводные стабилизаторы

Схема стабилизатора напряжения сервоприводного типа включает:

• Блок защиты от перегрузки;
• Автотрансформатор;
• Серводвигатель с редуктором;
• Блок управления

Сервоприводные стабилизаторы напряжения осуществляют выравнивание выходного тока посредством сервопривода, который приводит в движение коммутационные контакты – графитовые щётки. Перемещение последних в нужную позицию обмотки трансформатора осуществляется плавно без прерывания фазы и искажений синусоиды выходного напряжения. При скачках или проседаниях входного тока в пределах 10 В блок управления выдаёт команду серводвигателю, который двигает коммутационные контакты до достижения требуемых на выходе 220 В.

Схема регулируемого стабилизатора напряжения сервоприводного типа включает подвижные элементы, что снижает его надёжность и долговечность. Кроме того, устройства этого класса поддерживают достаточно узкий диапазон входного напряжения (150-260 В) и допустимой нагрузки (в пределах 250-500 Вт). В то же время, работают они практически бесшумно и обеспечивают погрешность выравнивания параметров тока не более 2-3%.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Как выбрать однофазный стабилизатор напряжения: типы и характеристики устройств

Стабилизаторы релейного типа

Принцип работы устройств стабилизации релейного типа основан на ступенчатом регулировании напряжения. Осуществляется оно посредством силовых реле, которые выполняют коммутацию секций на вторичной обмотке автотрансформатора после вычисления необходимого числа трансформации контролирующим входные и выходные параметры тока процессором.

К основным достоинствам релейных стабилизаторов относят:

1. Компактные габариты и небольшой вес;
2. Широкий диапазон выравнивания;
3. Возможность применения при температурном режиме -20…+40°C;
4. Низкую стоимость.

Главные минусы этого оборудования – малая перегрузочная способность и снижение скорости стабилизации при увеличении точности последней.

Электронные стабилизаторы напряжения

Электронные устройства стабилизации работают по принципу ступенчатого регулирования напряжения посредством автоматической коммутации участков вторичной обмотки трансформатора, которая осуществляется силовыми электронными ключами, управляемыми процессорным блоком.

Отсутствие открытой коммутации исключает возникновение искр и окисление токопроводящих контактов схемы стабилизатора при избыточном токе на входе. Кроме того, оборудование этого класса обеспечивает малую инерционность срабатывания, отличается высокой конструктивной надёжностью и полностью бесшумной работой.

Можно собрать электронный стабилизатор напряжения 220В своими руками. Стоимость такое устройство будет иметь гораздо меньшую, чем произведённое на заводе, обеспечивая простоту в обслуживании. Основным недостатком самодельных решений является их низкая надёжность.

Инверторные стабилизирующие устройства

Всё более популярными становятся устройства стабилизации, работающие по принципу двойного преобразования напряжения. Они не имеют подвижных элементов и обеспечивают куда более высокое качество выравнивания тока, чем классические сервоприводные, релейные и электронные.

Схема инверторного стабилизатора напряжения 220В включает:

• Входной частотный фильтр;
• Выпрямитель напряжения;
• Корректор коэффициента мощности;
• Накопительный конденсатор;
• Преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор) с требуемыми на выходе устройства характеристиками.
• Микроконтроллер.

Входной ток проходит частотную фильтрацию, после чего выпрямитель превращает его в постоянный с правильной синусоидой. В результате значительно возрастает коэффициент мощности. Постоянное напряжение заряжает конденсаторы, с которых ток поступает на инвертор, где выравниваются его частота и напряжение до требуемых 50 Гц и 220 В соответственно.

Инверторные устройства стабилизации обеспечивают КПД выше 90% и практически нулевую инерционность, поддерживая широкий спектр входных параметров тока.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Выбираем стабилизатор напряжения для дачи: виды, особенности и характеристики

Схема подключения стабилизатора напряжения не представляет особой сложности. Очень важно при этом грамотно выбрать сечение кабеля:

• Чем выше мощность устройства, тем большей должна быть площадь сечения;
• При низком уровне входного напряжения сила тока будет большой, поэтому для сетей с преобладающими проседаниями напряжения следует выбирать сечение кабеля с запасом.

И главное: при подключении стабилизатора любого типа требуется неукоснительно соблюдать правила электробезопасности и рекомендации производителя, указанные в паспорте устройства.

Релейный стабилизатор напряжения 220V без разрыва цепи

В статье рассматривается возможность безразрывного переключения цепей переменного тока с помощью электромеханических реле. Показана возможность уменьшения эрозии контактов реле и, как следствие повышение долговечности и уменьшение помех от работы на примере стабилизатора напряжения сети для квартиры.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

? Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

↑ Идея

Встретил в интернете рекламу на сайте ООО «Прибор», г. Челябинск:
Стабилизаторы напряжения марки Селен, выпускаемые нашим предприятием, основаны на принципе ступенчатого регулирования напряжения путем безразрывного переключения обмоток автотрансформатора (патент на изобретение № 2356082). В качестве ключей используются мощные быстродействующие реле.
Приведены картинки переключений (слева «Селен», справа — с обычными характеристиками)

Меня эта информация заинтересовала, я вспомнил, что в кинопередвижке «Украина» тоже было безразрывное переключение напряжения — там, на время переключения между смежными контактами переключателя подключался проволочный резистор. Я стал искать в интернете, что-либо полезное по этому поводу. Ознакомиться с изобретением № 2356082 я не смог.

Мне удалось найти статью «Типы стабилизаторов напряжения», где рассказывалось о возможности подключения диода к контактам реле в момент переключения. Идея заключается в том, чтобы в переменном напряжении произвести переключение во время положительного полупериода. При этом можно подключить диод параллельно контактам реле на время переключения.

Что дает такой способ? Переключение 220В меняется на переключение всего 20В, и так как нет разрыва тока нагрузки, то и практически нет дуги. Кроме того, при малых напряжениях дуга практически не возникает. Нет дуги — контакты не подгорают и не изнашиваются, надежность увеличивается в 10 и более раз. Долговечность контактов будет определяться только механическим износом, а он составляет 10 миллионов переключений.

На базе этой статьи были взяты самые обычные реле и измерены время отключения, время нахождения в разорванном состоянии и время включения. Во время измерений увидел на осциллографе дребезг контактов, который вызывал большое искрение и эрозию контактов, что резко уменьшает ресурс работы реле.

Для реализации и проверки этой идеи был собран релейный стабилизатор переменного тока мощностью 2 кВт, для питания квартиры. Вспомогательные реле подключают диод только на время переключения основного реле во время положительного полупериода. Оказалось, что реле имеют значительные времена задержки и дребезга, но, тем не менее операцию переключения удалось умесить в один полупериод.

↑ Принципиальная схема

Состоит из автотрансформатора переключаемого как по входу, так и по выходу при помощи реле.
В схеме применено прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером. Выходное напряжение через делитель R13, R14, R15, R16 поступает на вход микроконтроллера через конденсатор C10.
Питание реле и микросхемы осуществляется через диод D3 и микросхему U1. Кнопка SB1 совместно с резистором R1 служат для калибровки стабилизатора. Транзисторы Q1-Q4 — усилители для реле.
Реле Р1 и Р2 — основные, а реле Р1а и Р2а совместно с диодами D1 и D5 и замыкают цепь во время переключения основных реле. Для уменьшения времени отключения реле в усилителях реле, применены транзисторы BF422 и обмотки реле шунтированы диодами 1N4007 и диодами Зенера на 150 Вольт , включенными встречно.
Для уменьшения импульсных помех, попадающих из сети, на входе и выходе стабилизатора стоят конденсаторы C1 и C11.
Трехцветный светодиод индицирует уровни напряжения на входе стабилизатора: красный — низкое, зеленый — норма, синий — высокое.

↑ Программа

Программа написана на языке СИ (mikroC PRO for PIC), разбита на блоки и снабжена комментариями. В программе применено прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером, что позволило упростить схему. Микропроцессор применен PIC16F676.
Блок программы zero ожидает появление спадающего перехода через ноль
По этому перепаду происходит либо измерение величины переменного напряжения, либо начинается переключение реле.
Блок программы izm_U измеряет амплитуды отрицательного и положительного полупериодов

В основной программе производиться обработка результатов измерений и если необходимо дается команда на переключение реле.
Для каждой группы реле написаны отдельные программы включения и выключения с учетом необходимых задержек R2on, R2off, R1on и R1off.
5-й бит порта C задействован в программе для подачи импульса синхронизации на осциллограф, чтобы можно было посмотреть на результаты эксперимента.

↑ Технические характеристики

При изменении входного напряжения в пределах 195-245 Вольт выходное напряжение поддерживается с точностью 7%. При изменении входного напряжения в пределах 185-255 Вольт выходное напряжение поддерживается с точностью 10%
Выходной ток в длительном режиме 9 А.

↑ Детали и конструкция

При сборке использован трансформатор ТПП 320-220-50 200 Вт. Обмотки его соединены на 240 Вольт , что позволило уменьшить ток холостого хода. Основные реле TIANBO HJQ-15F-1, а вспомогательные LIMING JZC — 22F.
Все детали установлены на печатной плате, закрепленной на трансформаторе. Диоды D1 и D5 должны выдерживать ток 30-50А в течение времени переключения (5-10 мсек).

Прибор повешен на стене и закрыт кожухом из жести

↑ Настройка

Налаживание устройства заключается в проверке безобрывного переключения и установке номинального напряжения 220 Вольт с помощью построечного резистора R15 и кнопки SB1.
Необходимо подать на вход напряжение от ЛАТР’а через лампу накаливания мощностью 100 — 150 Вт, установить напряжение 220 Вольт и удерживая кнопку добиться зеленого свечения, вращая построечный резистор.
После этого кнопку отпустить, вольтметр подключить к выходу устройства и вращая ЛАТР проверить пороги переключения: нижний 207 Вольт и верхний 232 вольта. При этом лампа накаливания при переключениях не должна вспыхивать или светиться, что свидетельствует о правильной работе. Также работу безобрывного переключения можно увидеть на осциллографе, для этого надо подключить внешний запуск к порту RC5 и наблюдать выходное напряжение стабилизатора в, изменяя входное напряжение. В моменты переключений синусоида на выходе не должна разрываться.
При напряжении на выходе меньше 187V горит красный диод, а зеленый мигает.
При напряжении на выходе больше 242V горит синий диод, а зеленый мигает.

Стабилизатор работает у меня 3-й месяц и показал себя очень хорошо. До этого у меня работал стабилизатор предыдущей разработки «Стабилизатор напряжения сети на PIC12F675 (релейный) 1,8 кВт». Он работал хорошо, но иногда в момент его переключения срабатывал источник бесперебойного питания компьютера. С новым стабилизатором эта проблема исчезла безвозвратно.

Учитывая, что в реле резко уменьшилась эрозия контактов (практически нет искрения), можно было бы в качестве основных использовать менее мощные реле (LIMING JZC — 22F).

↑ Замеченные недостатки

Довольно сложно было подобрать в программе время задержки реле.
Для такого включения желательно применять более быстродействующие реле.

↑ Выводы

a) Безобрывное переключение цепей переменного тока с помощью реле — вполне реальная и разрешимая задача.
b) Можно в качестве вспомогательного реле применить тиристор или симистор, тогда на реле не будет падения напряжения, а симистор за 10 мсек не успеет нагреться.
c) В таком режиме искрение контактов резко уменьшается, а долговечность возрастает, и уменьшаются помехи от переключений реле

↑ Использованы источники

1. Статья «Типы стабилизаторов напряжения» на сайте «Энергосбережение в Украине»
2. Официальный web-сайт предприятия ООО «Прибор», г. Челябинск
3. Даташиты на детали

↑ Файлы

Схема, чертеж печатной платы и программа с прошивкой
?Shema.zip 211.09 Kb ⇣ 203

Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».

Для получения файла зарегистрируйтесь и войдите на сайт с паролем.

Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».

Для получения файла зарегистрируйтесь и войдите на сайт с паролем.

Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».

Для получения файла зарегистрируйтесь и войдите на сайт с паролем.

Наш файловый сервис предназначен для полноправных участников сообщества «Datagor Electronics».

Для получения файла зарегистрируйтесь и войдите на сайт с паролем.

Иван Внуковский,
Украина, г. Днепропетровск