Что такое стабилизатор синусоиду напряжения

Стабилизатор напряжения с чистым синусом или его альтернатива

Многие владельцы домов, применяющие для отопления газовые котлы, имеют проблемы с их неисправностями. Котел может выйти из строя в морозный зимний день, а причина неисправности не совсем понятна.

Наиболее частой причиной неисправности газовых отопительных котлов становится внезапное отключение электричества в сети, либо недостаточное качество снабжения электроэнергией. Оно может проявляться низким или высоким напряжением сети, внезапными скачками напряжения, возникающими высокочастотными помехами, а также неправильной формой синусоиды напряжения сети.

Недостаточно чистая синусоида напряжения не дает возможности электрическим устройствам обеспечить функциональность в полном объеме, что может привести к неисправностям и снижению эксплуатационного периода. Это может относиться и к функционированию газовых отопительных котлов. Такие проблемы часто возникают на даче или в загородном доме.

Чувствительными к качеству питания элементами, обеспечивающими функционирование газового котла, являются:

Газовая горелка.
Насос циркуляции теплоносителя.
Автоматическое управление системой.

Например, в автоматическом управлении котлом может возникнуть неисправность вследствие резких скачков напряжения. А наиболее распространенной причиной неисправностей является неправильная форма синусоиды напряжения. Искажение этой синусоиды негативно влияет на функционирование насосов циркуляции, которые также обладают повышенной чувствительностью к низкому напряжению. Недостаточное качество напряжения не позволяет насосам функционировать на полную мощность. Это может привести к чрезмерному нагреванию и быстрому износу.

Методы обеспечения исправной работы

В результате, чтобы создать все необходимые условия непрерывной работы газового котла отопительной системы, и не заморозить батареи в зимние морозы, необходимо сразу решить несколько сложных задач:

Создать условия непрерывной подачи электрической энергии.
Обеспечить форму «чистого синуса» поставляемого напряжения.
Защитить оборудование от колебаний напряжения и высокочастотных помех.

Стабилизатор с «чистым синусом»

Обычный стабилизатор напряжения предотвратит только небольшую часть негативных факторов. Однако, он хорошо справляется с помехами и перепадами напряжения в сети, выравнивает его величину до номинального значения, удовлетворяющего норме 220 вольт. Но он не даст «чистого синуса» тока и непрерывную подачу электрической энергии.

Следует отметить, что имеются образцы таких стабилизаторов, имеющих возможность создать синусоиду напряжения хорошего качества, и могут использоваться для обеспечения защиты газовых отопительных котлов. Стоимость стабилизаторов с «чистым синусом» невысокая, и вполне приемлемая для рядового потребителя.

В качестве примера можно назвать стабилизатор Энергия АРС. Он сконструирован именно для обеспечения защиты котлов отопления. Его особенности устройства дают возможность в полной мере защитить чувствительную к качеству электрического питания автоматическую систему газовых котлов от различных негативных факторов.

Эти стабилизаторы выделяют в лидеры среди адаптированных образцов устройств для эксплуатации совместно с газовыми котлами следующие параметры:

Пятиступенчатая блокировка от аварийных случаев.
Реле блокировки, обладающие высокой скоростью.
Системы подавления помех высокой частоты.
Широкий интервал напряжений на входе стабилизатора.

Но существуют также и другие устройства, способные обеспечить качественную эксплуатацию котлов отопления. В качестве альтернативного варианта можно выделить такое устройство, как источник бесперебойного питания. Он способен в малые сроки создать передачу электрической энергии за счет внутренних или внешних аккумуляторов. Чем выше емкость аккумуляторов и их количество, тем больший период времени может работать котел отопления при отсутствии электричества.

Некоторые модели источников питания ИБП способны обеспечивать «чистый синус» для питания котлов. Например, модель источника «On-line». Но стоимость таких устройств довольно высока.

Альтернатива стабилизатору

Таким альтернативным вариантом для стабилизатора может стать инвертор, или как его называют, преобразователь напряжения. Он гарантирует выдачу чистой синусоиды напряжения, и исполняет задачу стабилизации и выравнивания напряжения, а также создает непрерывную подачу электрической энергии при ее отсутствии от батарей аккумуляторов, количество и емкость которых можно по желанию повысить.

Например, инверторы «Энергия» обладают следующими преимуществами:

Повышенный срок службы и высокая надежность.
Повышенное качество сборки и базы элементов.
Высокое быстродействие при переключении между режимами.
Блокировка от разрядки батарей аккумуляторов и чрезмерной зарядки.
Перегрузочная защита.
Широкий интервал выравнивания высокого и низкого напряжения.
Повышенное время действия при отсутствии электроэнергии.
Возможность работы в холодных помещениях на морозе.

Читайте также: Напряжение ног по ночам

Чистая синусоида VS её ступенчатая аппроксимация. Часть II

В первой части публикации было рассмотрено, что такое ступенчатая аппроксимация синусоиды или, как ее еще называют, квазисинусоида, и как себя ведут светодиодные, люминесцентныелампы и устройства с трансформаторными источниками питания. Что ж, продолжаем эксперименты на эту тему.

Устройства, имеющие электродвигатели

Какие устройства с двигателями потенциально могут подключаться к системам питания с квазисинусом? В первую очередь электроинструменти вспомогательное электрооборудование — дрели, перфораторы, бетоносмесители, болгарки, шлифмашинки, погружные насосы и прочее подобное. В таких устройствах применяются коллекторные или асинхронные двигатели. В некоторых электроинструментах имеется встроенный регулятор мощности. Вряд ли данное оборудование будет запитываться от источника бесперебойного питания. В большинстве случаев для его автономного питания будет использован бензогенератор или мощный инвертор 12/220 В, например, в гараже, в котором нет электросети.

Сравним работу электроинструмента от розетки и от инверторного бензогенератора с квазисинусом. Параметры снимались при работе оборудования на холостом ходу, кроме насоса. Дополнительно проверялась работа под нагрузкой с целью оценить изменение мощности на валу.

По результатам данных тестов можно отметить неудовлетворительную работу электроинструмента и оборудования, имеющего в составе регулятор мощности. Это связано с тем, что большинство регуляторов мощности для переменного напряжения построены на симисторах или тиристорах, такие регуляторы часто называют диммерами. Так вот, диммеры могут правильно работать исключительно с синусоидальным напряжением. Так получилось не специально, просто, когда их придумывали, в исходных данных технического задания было написано, что напряжение будет синусоидальным.

В работе оборудования, не имеющего регулятора мощности, каких-либо значимых отрицательных изменений не отмечалось. При работе асинхронных двигателей от квазисинуса прослушивался характерный «звонкий» шум сердечника и обмоток частотой выше 50 Гц. Перегрева также не наблюдалось. При работе коллекторных двигателей из-за их шума оценить изменение звука не представлялось возможным.

Системы отопления

Часто возникает вопрос о возможности использования недорогих компьютерных источников бесперебойного питания (ИБП) с квазисинусом для резервного питания электрического оборудования в системах отопления — циркуляционных насосов, энергозависимых газовых котлов. В газовом котле с закрытой камерой сгорания кроме циркуляционного насоса установлен вентилятор принудительной тяги или, как его еще называют, вентилятор отвода продуктов горения. Проведем несколько тестов в этом направлении.

Как выяснилось, квазисинус не оказывает заметного негативного влияния на работу циркуляционного насоса. По крайней мере, непродолжительная работа от ИБП на время отключения основного электропитания уж точно ему не навредит. Единственный минус — это неприятные звуки, которые издает насос при питании квазисинусом.

Хуже дело обстоит с вентилятором принудительной тяги. При питании квазисинусом от ИБП вентилятор заметно снижал обороты и потребляемую мощность. А ведь в большинстве настенных газовых котлов установлены именно такие вентиляторы — асинхронные с одной обмоткой. Очевидно, что снижение производительности данного вентилятора негативно повлияет на процесс отвода продуктов горения, а значит на работу котла в целом.

Кроме того, в некоторых котлах применяется автоматическая регулировка оборотов данного вентилятора с целью оптимизации производительности котла. Так вот, регулировка эта также выполнена по принципу диммирования. А диммеры «плохо относятся» к квазисинусу, значит, поведение такого вентилятора может быть непредсказуемым.

Таким образом, если котел с закрытой камерой и имеет вентилятор принудительной тяги, то питание его квазисинусом настоятельно не рекомендуется.

В остальных случаях все не так страшно, но, не зная конструкции того или иного котла лучше не рисковать и не использовать ИБП с квазисинусом для его питания. Газовый котел — это серьезное оборудование, которое изначально рассчитано на питание синусоидальным напряжением.

Читайте также: Электрическое напряжение формула 8 класс

Устройства с импульсными источниками питания

Как уже было сказано, недорогие ИБПв большинстве случаев выдают ступенчатую аппроксимацию синусоиды. И для временного резервного питания компьютеров это считается нормой. Посмотрим, как изменяются входные параметры импульсного блока питания компьютера при переходе на питание «аппроксимацией синусоиды». Блоки питания без корректора коэффициента мощности. Тестирование проводилось в режиме бездействия системы и при запуске стресс-теста, чтобы увеличить потребляемую мощность. Мониторы также не были забыты. Результаты ниже.

Что интересно, у некоторых устройств при питании квазисинусом электрические параметры даже улучшались. Например, в системном блоке № 1 потребляемая мощность не изменялась, но значительно увеличился коэффициент мощности, из-за чего уменьшился средний потребляемый ток. У системного блока с БП от Zalman данный эффект тоже имеется, но не так выражен.

Однозначно можно сделать вывод о совместимости блоков питания системников с квазисинусом.

Однако есть одно жирное «НО». В последнее время все большее количество моделей БП оснащаются корректором коэффициента мощности (PFC). Данные устройства призваны поддерживать коэффициент мощности как можно ближе к единице при питании от сети с синусоидальным напряжением, дабы не перегружать сеть большими пиковыми токами. Поэтому по определению БП с PFC корректно работают только с синусоидальным напряжением, но это не значит, что, если ИБП выдает аппроксимацию синуса, то любой БП с PFC работать с ним не сможет. На самом деле схемотехнические решения PFC могут быть разные и некоторые модели могут быть не восприимчивы к квазисинусу — это дело случая. Необходимо отметить, что квазисинус далеко не основная вероятная причина несовместимости ИБП и PFC. Но это уже совсем другая история.

А что с мониторами? У одного из тестируемых при питании квазисинусом энергетические параметры ухудшились, но незначительно. Блок питания ноутбука каких-либо проблем не показал. Так что данные устройства можно запитывать квазисинусом.

Подводя итоги всей публикации, можно сказать, что использование напряжения квазисинусоидальной формы для питания различного электрооборудования — это лотерея, даже для блоков питания компьютеров. Ведь любое оборудование на напряжение 220–230 В переменного тока разрабатывалось с условием, что форма этого напряжения будет синусоидальной. Всякие «аппроксимации» — это всего лишь допущения, которые возможны с той или иной степенью вероятности. Поэтому, если строится универсальная система резервного электропитания, форма и параметры ее напряжения должны быть идентичны параметрам промышленной электросети. В общем, квазисинус — это плохо.

«Чистая» синусоида: как лукавят производители ИБП

Давайте разберемся, чем принципиально отличаются ИБП по своей внутренней электрической схеме, и какое качество синусоиды у них на выходе.

Думаю, принцип действия мои читатели знают, поэтому не буду много об этом распространяться.

1. Off-Line

Эти ИБП называют иногда Back или Standby. Принцип – когда уровень напряжения в допустимых пределах, напряжение идет со входа на выход как есть. Но когда сетевое напряжение выходит за определенные пределы, нагрузка подключается к выходу встроенного инвертора (генератора), преобразующего напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи (АКБ) в напряжение переменного тока стандартной частоты и напряжения.

С напряжением на выходе Off-Line ИБП не очень гладко. В том смысле, что на его выходе в автономном режиме нет привычной нам чистой и гладкой синусоиды. На выходе – так называемая аппроксимированная (ступенчатая) синусоида, а в самых дешевых моделях — импульсы со ступенькой около нуля.

По факту это напряжение с частотой 50 Гц и гармониками. Коэффициент гармоник может достигать 20%.

2. Line-Interactive

Такой тип ИБП ещё называют Smart-UPS, он в некоторых пределах стабилизирует выходное напряжения в дежурном режиме, напоминая работу релейного стабилизатора напряжения. Если же входное напряжение выходит за пределы, «умный стабилизатор» переключается на работу от АКБ (в автономный режим).

Читайте также: Напряжения в стальных профилях

В остальном принцип действия Line-Interactive ИБП ничем не отличается от Off-Line ИБП, поэтому рассматривать его не будем.

3. On-Line

Это – лучшая из существующих схем ИБП. В On-Line ИБП происходит двойное преобразование энергии – из переменного напряжения в постоянное, а потом из постоянного в переменное. Получаем следующие плюсы:

· Постоянно работающий инвертор обеспечивает стабильное напряжение 230 В ±1% (как идеальный стабилизатор),

· «Чистый» синус на выходе с ничтожно малым коэффициентом гармоник,

Теперь давайте пройдёмся по понятию «чистый синус».

Что такое чистый синус?

Какой бы ни был инвертор внутри ИБП, он не может физически генерировать то, что в рекламных текстах называют «Чистый идеальный синус». У чистого синуса присутствует только одна гармоника, в данном случае — 50 Гц. При этом коэффициент нелинейных искажений формы напряжения будет равен 0%. Это доля других гармоник, кроме основной.

Такого не бывает даже у высокоточных лабораторных измерительных генераторов.

Скриншот из статьи «Источник бесперебойного питания» в Википедии:

Сейчас в любых типах ИБП используется примитивная аппроксимация, когда выходная волна формируется высокочастотными импульсами с последующим сглаживанием на LC-фильтре или без оного.

Амплитуда и скважность каждого импульса задают необходимую для данного момента времени амплитуду выходного сигнала инвертора. В хороших Online ИБП коэффициент нелинейных искажений КНИ менее 3%, а это достаточно низкое значение.

Для примера, профессиональный ИБП от Schneider (MGE Galaxy 300, 15 кВ·А, 400 В)

К слову, по ГОСТ 32144-2013 (табл.5) в обычной городской сети коэффициент искажений формы напряжения может быть до 12%:

Происходит так, как и в преобразователях частоты, где напряжение формируется высокочастотными импульсами — это же и есть качественная аппроксимация, если импульсы (ступеньки) достаточно малы.

В Online UPS в этом смысле формирование синуса более качественное, и в лучших моделях КНИ около 1%.

Действительно, можно сказать, что форма волны нашего инвертора это качественная аппроксимация синусоиды. Только у нас не ступенчатая аппроксимация и импульсы это не ступеньки. В форме выходного напряжения инвертора нет ступенек, переход между уровнями амплитуды происходит плавно, а не скачками. Принципы формирования ступенчатой аппроксимации иные.

В Offline ИБП принцип формирования выходного напряжения такой же, но другие схемотехнические решения, поэтому КНИ больше. В дорогих моделях он может быть и менее 5%, в дешевых — до 20%.

То есть, во всех типах ИБП на выходе стоит инвертор, выдающий аппроксимированную синусоиду, только в разных моделях аппроксимация разная по качеству, это качество выражается в проценте гармоник.

Выбор ИПБ по чистоте синуса

При выборе обращайте внимание на коэффициент нелинейных искажений (долю высших гармоник в выходном напряжении)! Например, в некоторых ИБП этот параметр не превышает 3%. А это говорит о том, что внутренний инвертор обеспечивает практически идеальную аппроксимацию синусоиды.

Если смотреть на тип ИБП, у Offline UPS может быть такая ситуация, что в дежурном режиме напряжение идёт из сети в нагрузку с искажениями 10%, а при переключении на инвертор синус будет более качественным, с КНИ 5%.

Поэтому, выбирая тип ИБП для котла, смотрите не на заверения продавцов, а на то, насколько чистый синус выдаёт внутренний инвертор. Часто бывает, что Offline, цена которого в 3-5 раз меньше чем у Online UPS, прекрасно подходит для работы котла.

Конечно, есть тонкости — сквозной ноль, внешние аккумуляторы, способность к перегрузкам, и т.д. но сейчас не об этом.

Иными словами, коэффициент гармоник — это первое, на что надо смотреть после мощности при выборе ИБП. Как правило, при плохой аппроксимации параметр КНИ запрятан где-то глубоко в инструкции.

Вот что пишет у себя на сайте один из продавцов:

Как получить чистую синусоиду из модифицированной. Часть 1

Еще не стерлись из памяти события «лихих» 90-х. Помнится МММ, разгул криминала, веерные отключения электроэнергии. На Украине, например, во второй половине 90-х дело доходило до того, что свет в жилых районах выключали на 2 часа через каждые 2 часа. Помнится, наиболее коварным был зимний период темноты между пятью и семью часами вечера. Как раз, когда народ возвращался с работы. Выгружаешься на остановке, автобус уезжает, и ты остаешься в полной темноте. Пытаешься привыкнуть, трешь глаза, давишь на глазные яблоки. Все безрезультатно, вокруг полная темнота. Делать нечего, осторожно ступаешь во мраке, пытаясь нащупать заветный забор, который должен вывести к родной калитке и потихоньку, на ощупь, домой.

Однако в этих мытарствах были и положительные элементы. Например, резко возрос спрос на разные бензо- и дизель-генераторы, а также на электронные преобразователи и бесперебойные источники тока. Последнее обстоятельство позволило людям творческим применить свои профессиональные навыки и даже немного улучшить на этом поприще свое финансовое положение. А там, глядишь, появились различные фирмочки, выпускающие эти самые преобразователи и бесперебойники. Какой-никакой подъем в экономике образовался, дополнительные рабочие места и т. п. Собственно, и Ваш покорный слуга, примерно в те времена, из электроники слабосильной подался в электронику силовую.

Нельзя сказать, что тогда с этой самой электроникой сильно мудрили. Делали, чтобы было просто, надежно и дешево. В принципе, для того чтобы питать одну-две лампочки, больше ничего и не требовалось. Однако по мере развития процесса конкуренция ужесточалась. Народу уже стало из чего выбирать. Особо привередливые начали интересоваться формой напряжения на выходе преобразователей и бесперебойников. На что им очень обтекаемо отвечали, что форма там практически синусоидальная, но лишь слегка модифицированная. Более честные говорили, что там присутствует синусоида, но только квадратная. А уж совсем честные говорили напрямую, что их преобразователи и бесперебойники формируют на выходе прямоугольное напряжение с паузой. Но параметры этого напряжения (амплитудное и действующее значение, а также частота) практически соответствуют аналогичным параметрам однофазного переменного напряжения бытовой электросети. В принципе, такое напряжение вполне подходило для основных бытовых электропотребителей, таких телевизоры, компьютеры, а также накальные и люминесцентные лампы. Те же электропотребители, которые требовали чисто синусоидального напряжения (асинхронные двигатели, например), были в меньшинстве и погоды особой не делали.

Однако такое положение не могло длиться вечно. Количество отключений сокращалось и в какой-то момент они практически вообще прекратились. Однако параллельно на рынке бытовых товаров стали появляться отопительные котлы, оборудованные циркуляционными насосами, приводными задвижками и электронным управлением. Такие котлы требовали высококачественного бесперебойного электропитания. В противном случае, при отключении электричества работа системы отопления полностью нарушалась.

И вот тут возникала некая дилемма. Многие владельцы отопительного чуда уже обладали бесперебойными источниками, мощности которых с лихвой хватало для питания котла. Однако, вот беда, циркуляционные насосы ни в какую не хотели крутиться от «прямоугольной синусоиды». Для чудо-котла надо было приобретать новый чудо-бесперебойный источник, формирующий на выходе чистейшую синусоиду. А куда же теперь девать старый, к которому уже душой прикипели. Нехорошо как-то все это!

Но положение не безвыходное и старый друг нам еще послужит! Для питания асинхронного двигателя от прямоугольного напряжения можно использовать фильтр Отто. Есть множество положительных примеров практического воплощения такого подхода. Однако такой вариант не самый простой и, уж точно, не универсальный. После продолжительной и утомительной настройки фильтр можно будет использовать только с конкретным двигателем. Хотелось бы чего-то более универсального. Таким более универсальным решением будет использование в качестве фильтра феррорезонансного или подобного ему стабилизатора. При этом феррорезонансный стабилизатор, включенный после бесперебойного источника, будет не только исправлять форму его выходного напряжения в периоды отсутствия сети (работа от аккумулятора), но и будет стабилизировать напряжение сети в моменты его присутствия.

Ниже приводится описание и принципиальная электрическая схема феррорезонансного стабилизатора мощностью 1000 Вт. В статье приведены формулы и методика расчета, которая позволит вам пересчитать стабилизатор на другую мощность, если это потребуется.

Феррорезонансный стабилизатор

Феррорезонансные стабилизаторы имеют ряд достоинств, таких как высокая надежность и быстродействие, широкий диапазон входных напряжений, хорошая стабильность выходного напряжения, способность к исправлению формы сильно искаженного входного напряжения. Однако, не смотря на все свои достоинства, эти стабилизаторы имеют и некоторые недостатки, к которым можно отнести относительно низкую удельную мощность и высокий уровень шумов, создаваемых при работе.

Не так давно, в 60-80-х годах прошлого века, феррорезонансные стабилизаторы широко использовались в быту для питания ламповых телевизоров. И старшее поколение читателей, скорей всего, до сих пор помнит тот надрывный гул, которым сопровождалась работа этих аппаратов, которые различались формой и расцветкой, но имели вес 10-15 кг при мощности 250-350 Вт.

Основным источником шумов в феррорезонансном стабилизаторе является насыщающийся дроссель. В работе сердечник этого дросселя постоянно насыщается, что приводит к изменению его линейных размеров. Это явление называется магнитострикционным эффектом. О «шумности» этого эффекта говорит хотя бы тот факт, что он широко используется в гидроакустике для генерации мощных акустических волн. Следовательно, если мы хотим построить тихий стабилизатор, то в первую очередь должны избавиться от насыщающегося дросселя. Однако нельзя просто так выбрасывать неугодные комплектующие из стабилизатора. В этом случае мы рискуем потерять его функциональность. Чтобы этого не произошло, сначала нужно найти достойную замену. И на нашу удачу такая достоянная замена имеется. Еще в 70-х годах прошлого столетия была доказана возможность замены насыщающегося дросселя последовательной цепочкой, состоящей из линейного дросселя и двух встречно-параллельных тиристоров [1]. Такая цепь ведет себя аналогично насыщающемуся дросселю, но в отличие от него имеет меньшие размеры и массу, может оперативно регулироваться за счет управления тиристорами, обеспечивает меньшие потери и, самое главное, гораздо меньше шумит. В технической литературе такая цепочка зачастую называется резонансным тиристорным регулятором (РТР) [2]. При необходимости, два встречно-параллельных тиристора РТР можно с успехом заменить одним симистором.

Работа стабилизатора

Функциональная схема стабилизатора с РТР [2] изображена на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Функциональная схема стабилизатора с РТР.

Стабилизатор с РТР имеет практически тот же принцип действия, что и феррорезонансный стабилизатор. Выходное напряжение U_Н поддерживается на требуемом уровне (220 В). Когда напряжение питающей сети U_С имеет минимальное значение, симистор VS1 заперт. При этом напряжение U_Н поднимается до требуемого уровня за счет резонанса в колебательном контуре L1C1. Если же напряжение питающей сети U_С имеет максимально допустимое значение, то симистор VS1 постоянно открыт. При этом дроссели L1 и L2 образуют делитель переменного напряжения, уменьшающий сетевое напряжение до требуемого уровня. В феррорезонансном стабилизаторе насыщающийся дроссель также максимально используется при максимальном входном напряжении, и минимально при минимальном. Дроссель L3 совместно с конденсатором С1 образует фильтр третьей гармоники, улучшающий форму выходного напряжения стабилизатора.

Рисунок 2.

Осциллограммы основных напряжений и токов стабилизатора с РТР.

Рассмотрим подробнее работу стабилизатора с РТР. На Рисунке 2 изображены осциллограммы основных напряжений и токов стабилизатора с РТР. Выходное напряжение стабилизатора U_Н выпрямляется при помощи выпрямителя В2. Выпрямленное напряжение U_В2 поступает на фильтр Ф, который выделяет из него среднее, действующее или амплитудное значение, в зависимости от того, какое значение выходного напряжения U_Н требуется стабилизировать. Далее напряжение с выхода фильтра поступает на сумматор, где сравнивается с опорным напряжением U_ОП. С выхода сумматора напряжение ошибки поступает на регулятор Рег, который формирует управляющий сигнал, призванный компенсировать отклонение выходного напряжения стабилизатора. Выходное напряжение регулятора U_ПОР поступает на вход порогового устройства ПУ и определяет его порог срабатывания. На другой вход порогового устройства подается синхронизирующее напряжение U_В1, привязанное к моментам перехода через ноль выходного напряжения U_Н стабилизатора. На выходе порогового устройства ПУ формируются импульсы управления U_УПР, которые усиливаются усилителем мощности УМ и в требуемой полярности поступают на управляющий электрод симистора VS1. Синхронизирующее напряжение создается при помощи интегратора Инт и выпрямителя В1. Благодаря интегратору, импульсы выпрямленного напряжения U_В1 отстают от импульсов U_В2 на 5 мс (фазовый сдвиг –90°).

Импульсы управления U_УПР формируются на нарастающем фронте U_В1 между нулевым и амплитудным значением этого напряжения. При увеличении порогового напряжения U_ПОР импульсы управления максимально сдвигаются к амплитудному значению U_В1 и, соответственно, к нулевому значению U_В2. В этом случае симистор открывается в районе нулевого значения U_Н и через линейный дроссель L2 протекает незначительный ток I_L2, который не оказывает существенного влияния на выходное напряжение стабилизатора. При уменьшении порогового напряжения Uпор импульс управления сдвигается в сторону амплитудного значения U_Н и через линейный дроссель L2 начинает протекать существенный ток, который шунтирует выход стабилизатора и уменьшает величину его выходного напряжения.

Если выходное напряжение стабилизатора меньше требуемого, то регулятор Рег увеличивает пороговое напряжение U_ПОР. В результате ток, протекающий через дроссель L2, уменьшается, и выходное напряжение стабилизатора возрастает за счет резонанса в колебательном контуре L1C1. Если выходное напряжение больше требуемого, то регулятор Рег уменьшает пороговое напряжение U_ПОР. В результате ток, протекающий через дроссель L2, увеличивается и выходное напряжение стабилизатора уменьшается.

Расчет силовой схемы стабилизатора

Рассмотрим практическую методику расчета стабилизатора мощностью 1000 ВА. Такой стабилизатор может использоваться как независимое устройство или совместно с устаревшими источниками бесперебойного питания для получения синусоидальной формы напряжения.

Принципиальная электрическая схема силовых цепей стабилизатора с РТР мощностью S_Н = 1000 ВА изображена на Рисунке 3. Стабилизатор рассчитан на работу от сети переменного тока 220 В 50 Гц c нагрузкой, имеющей коэффициент мощности cos φ_Н ≥ 0.7, и формирует выходное напряжение U_Н = 220 В ±1% во всем диапазоне нагрузок при изменении входного напряжения от 150 до 260 В.

Рисунок 3.

Принципиальная электрическая схема силовых цепей стабилизатора с РТР мощностью 1000 ВА.

Первым делом необходимо определить емкость резонансного конденсатора. Реактивную мощность резонансного конденсатора для стабилизатора без фильтра третьей гармоники можно найти по формуле:

– угловая частота сетевого напряжения, рад/с.

Зная реактивную мощность резонансного конденсатора, найдем его емкость:

Найдем индуктивность линейного дросселя L1:

Найдем индуктивность линейного дросселя L2:

Найдем индуктивность линейного дросселя L3:

Так как в стабилизаторе для улучшения формы выходного напряжения установлен фильтр третьей гармоники, емкость резонансного конденсатора можно уменьшить:

В качестве C1 можно использовать компенсирующие конденсаторы типа К78-99 или аналогичные, предназначенные для коррекции коэффициента мощности электромагнитных дросселей газоразрядных ламп. Например, можно использовать два включенных параллельно конденсатора К78-99 емкостью 50 мкФ, рассчитанных на напряжение 250 В переменного тока. Для этой же цели можно использовать конденсатор типа МБГВ 100 мкФ на напряжение 1000 В.

Какой стабилизатор напряжения самый лучший?

На рынке электрооборудования представлен большой выбор стабилизаторов напряжения различных типов. Как правило, они сильно отличаются по основным техническим характеристикам: быстродействию, точности, диапазону стабилизации и др. В связи с этим далеко не все стабилизаторы одинаково эффективны и надёжны в работе. Наши инженеры провели ряд практических опытов с целью сравнить работу различных стабилизаторов напряжения и выявить лучший. Результаты представлены в нашей статье.

Стандарт сетевого напряжения в России

номинальное действующее значение – 230 В с допустимым отклонением ±10 %;
частота – 50 Гц с допустимым отклонением ±0,2 Гц.

Кривая напряжения с указанными параметрами представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кривая напряжения, соответствующая требованиям установленного стандарта

Более того, многие устройства, например, техника IT-систем или энергозависимые газовые котлы, отрицательно реагируют даже на допустимое ГОСТом отклонение в 10%.

Одно из наиболее распространённых решений для обеспечения требуемого качества энергоснабжения и, как следствие, защиты электрооборудования от скачков и колебаний напряжения в сети – установка стабилизатора напряжения.

Сегодня на рынке электрооборудования представлен большой выбор стабилизаторов различных типов и от различных производителей. Они отличаются по принципу регулирования напряжения, а соответственно по основным техническим характеристикам: быстродействию, точности и диапазону стабилизации, уровню шума, габаритам, массе и другим параметрам. Как следствие, не все стабилизаторы одинаково эффективны и надежны в работе.

Инженеры ГК «Штиль» провели ряд практических опытов с целью сравнить работу различных стабилизаторов напряжения в ситуациях, имитирующих наиболее распространённые проблемы электроснабжения (кратковременное пропадание сетевого напряжения, скачки напряжения, модифицированную форму входного напряжения, работу от генератора, перегрузку) и выявить лучший стабилизатор напряжения. Тестируемыми стабилизаторами в каждом опыте являются:

инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550 (мощность 550 ВА);
инверторный стабилизатор другого отечественного производителя (мощность 400 ВА);
релейный стабилизатор отечественного производителя (мощность 550 ВА).

Далее представлено детальное рассмотрение каждого опыта с последующими выводами.

Опыт 1. Работа стабилизаторов при колебаниях сетевого напряжения

Описание проблемы: резкие изменения амплитуды сетевого напряжения и, соответственно, его действующего значения, длящиеся обычно от нескольких миллисекунд до одной минуты.

Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривая напряжения с двумя различными по размаху и продолжительности колебаниями сетевого напряжения (границы амплитуды, соответствующей номинальному значению напряжения, обозначены пунктирной линией, каждое колебание выделено красным цветом)

Причины проблемы: источником сетевых колебаний могут стать десятки причин как природного, так и техногенного происхождения, но наиболее часто подобные явления возникают при смене режима работы (включение/выключение) мощных электроприёмников.

Используемое оборудование: демонстрационный стенд «Штиль» ДРС-001 (рисунок 3), тестируемые стабилизаторы, осциллографы.

Рисунок 3 – Стенд для проверки характеристик стабилизаторов

Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от подключенного к сети демонстрационного стенда. Амплитуда выходного напряжения стенда меняется в ручном режиме, что имитирует колебания сетевого напряжения на входе стабилизатора (диапазон моделируемых в рамках опыта колебаний – 140-260 В).

Схема опыта 1 приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема опыта 1 (тестирование работы стабилизаторов при колебаниях входного напряжения)

Осциллограф 1 фиксирует колебания напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения.

Показания осциллографа 1 при ручном изменении амплитуды напряжения на выходе стенда «Штиль» ДРС-001 представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Показания осциллографа 1

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данных колебаниях и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.

Тестируемый стабилизатор	Работа при колебаниях сетевого напряжения	Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550	Коррекция амплитуды входного напряжения и обеспечение на выходе напряжения с номинальным значением
Инверторный стабилизатор другого российского производителя	Коррекция амплитуды входного напряжения, выходное напряжение с отклонением, равным приблизительно 10% от номинала
Релейный стабилизатор российского производителя	Передача колебаний на выход без коррекции. В процессе опыта у устройства наблюдались проблемы с работой индикации, а именно её кратковременное отключение

Инверторные стабилизаторы справились с колебаниями сетевого напряжения, однако точности прибора стороннего производителя, в отличии от точности прибора «Штиль», может не хватить для успешной защиты современной электроники и автоматики. Релейный стабилизатор не смог сгладить входные колебания – на практике полученное от него напряжение окажет отрицательное влияние на различное бытовое и промышленное электрооборудование (особенно на изделия, имеющие в составе электродвигатель), а также приведёт к мерцанию осветительных приборов, что представляет опасность для глаз человека.

Опыт 2. Работа стабилизаторов при кратковременном провале сетевого напряжения

Описание проблемы: непродолжительное снижение (прерывание) сетевого напряжения вплоть до 0 В с последующим его возвращением к действующему в этой сети значению. Данную ситуацию можно рассматривать как случай наиболее экстремального сетевого колебания.

Кривая напряжения с кратковременным провалом приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Кривая входного напряжения с кратковременным провалом (провал выделен красным цветом)

Причины проблемы: кратковременные провалы обычно вызываются либо авариями и внешними воздействиями на электросеть, либо запуском мощных потребителей электроэнергии.

Используемое оборудование: источник постоянного напряжения – 12 В, транзистор, реле, адаптер интерфейса RS-485, персональный компьютер (ПК) с управляющим ПО, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.

Описание опыта: тестируемый стабилизатор подключен к сети через реле, соединённое с источником напряжения 12 В. Между реле и источником установлен транзистор, который при получении управляющего сигнала от ПК вызывает срабатывание реле, приводящее к кратковременному прерыванию подачи напряжения на входе стабилизатора.

Схема опыта 2 приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема опыта 2 (тестирование работы стабилизаторов при провалах входного напряжения)

Осциллограф 1 фиксирует провал напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – состояние выходного стабилизированного напряжения.

Показания осциллографа 1 при возникновении в результате срабатывания реле кратковременного провала напряжения представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 – Показания осциллографа 1

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при данном провале и показания осциллографа 2 приведены в таблице ниже.

Тестируемый стабилизатор	Работа при кратковременном провале сетевого напряжения	Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550	Нейтрализация провала и обеспечение выходного напряжения, отвечающего всем требованиям стандартов
Инверторный стабилизатор другого российского производителя	Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя	Передача сетевого провала на выход без нейтрализации

Инверторный стабилизатор «Штиль» полностью исключил влияние кратковременного провала входного напряжения на состояние выходного напряжения. Релейный стабилизатор, наоборот, странслировал провал на выход, что в реальной ситуации негативно скажется на функционировании чувствительной нагрузки, например, электронных компонентов энергозависимого газового котла.

Отключение, продемонстрированное инверторным стабилизатором стороннего производителя, можно считать наиболее худшим развитием событий. Дело в том, что некоторые потребители электроэнергии, в частности компьютеры и серверы, снабжаются импульсными блоками питания, схема которых позволяет работать при кратковременных прерываниях питающего напряжения. Но если отключится стабилизатор, установленный в цепи перед таким блоком, то отключится и сам блок. Следовательно, для нагрузки с импульсным блоком питания стабилизатор, неустойчивый к кратковременным сетевым провалам, окажется не просто бесполезен, а вреден (без него нагрузка работала бы, а с ним – будет отключатся после каждого сетевого провала).

Опыт 3. Работа стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении

Описание проблемы: отклонение сетевого напряжения от синусоидальной формы. Пример несинусоидального напряжения приведён на рисунке 9.

Рисунок 9 – Пример сетевого напряжения несинусоидальной формы (несинусоидальная форма, характерная для выхода ИБП off-line типа, представлена в красном цвете, а кривая идеальной синусоиды – в синем)

Причины проблемы: чаще всего нарушение синусоидальности происходит из-за электроприборов, потребляющих несинусоидальный ток и называемых нелинейной нагрузкой (полупроводниковые преобразователи, индукционные печи, сварочные установки). Кроме того, выходное напряжение с формой отличной от синусоиды характерно для большинства вырабатывающих электроэнергию генераторов, а также для автономного режима ряда источников бесперебойного питания.

Используемое оборудование: источник бесперебойного питания off-line типа, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.

Описание опыта: стабилизатор подключен к питаемому от сети ИБП, который после отключения сетевого напряжения переходит в автономный режим и начинает подавать на вход тестируемого прибора несинусоидальное напряжение. Испытание проводилось как с нагрузкой, так и без неё, что позволило проанализировать работу стабилизатора с модифицированной синусоидой двух типов.

Схема опыта 3 приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Схема опыта 3 (тестирование работы стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении)

Осциллограф 1 фиксирует форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – форму выходного стабилизированного напряжения.

Показания осциллографа 1 при переходе ИБП в автономный режим и отсутствии нагрузки представлены на рисунке 11. После подключения нагрузки форма приходящего от ИБП напряжения сгладилась, но осталась несинусоидальной – рисунок 12.

Рисунок 11 и 12 – Слева показания осциллографа 1 после подключения нагрузки, справа – при отсутствии нагрузки

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при несинусоидальном входном напряжении и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.

Тестируемый стабилизатор	Работа при несинусоидальном входном напряжении	Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550	В обоих случаях обеспечено выходное напряжение с формой идеальной синусоиды
Инверторный стабилизатор другого российского производителя	Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя.	При максимальном отклонении входного напряжения от синусоиды (рисунок 11) – сигнализирование об ошибке и периодическое отключение/включение. При менее критичном отклонении (рисунок 12) – более устойчивая работа, без самопроизвольных отключений. Выходное напряжение оба раза имело несинусоидальную форму и увеличенную амплитуду по сравнению с входной

Инверторный стабилизатор «Штиль» восстановил форму питающего напряжения и довел её до идеальной синусоиды, что позволяет рассматривать данный прибор как действенное средство защиты от несинусоидальных искажений в сетях переменного тока.

Релейный стабилизатор не смог исправить форму входного сигнала, следовательно, он не подойдёт для решения задач по снижению несинусоидальности, возникающих, например, в связке газового котла и ИБП с модифицированной синусоидой.

Ситуацию с отключением инверторного стабилизатора стороннего производителя можно трактовать двояко. С одной стороны, устройство защищает подключенное оборудование от воздействий напряжения с неправильной формой. С другой – отключает его, что может повлечь как минимум бытовой дискомфорт, а в случае ответственной техники привести и к более серьёзным последствиям (срыв производственного процесса, потеря несохраненных данных на сервере).

Опыт 4. Совместная работа стабилизатора и генератора

Описание проблемы: низкое качество вырабатываемой электроэнергии у большинства топливных генераторов, характеризующихся, в частности, отклонениями по форме и частоте выходного напряжения. Один из способов улучшения данных параметров – подключение после генератора стабилизатора напряжения, однако далеко не каждый стабилизатор окажется эффективен при совместной работе с генератором.

Используемое оборудование: генератор с двигателем внутреннего сгорания, допускающий ручное изменение частоты выходного напряжения, тестируемые стабилизаторы, нагрузка, осциллографы.

Описание опыта: тестируемый стабилизатор питается от генератора, выходная частота которого в ходе опыта меняется в диапазоне 40-60 Гц, с шагом 1 Гц.

Схема опыта 4 приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Схема опыта 4 (тестирование работы стабилизаторов при совместной работе с генератором)

Осциллограф 1 фиксирует частоту и форму напряжения на входе стабилизатора, осциллограф 2 – частоту и форму выходного, стабилизированного напряжения.

Показания осциллографа 1 при работающем генераторе представлены на рисунке 14.

Рисунок 14 – Показания осциллографа 1 при работающем генераторе

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при подключении к данному генератору и показания осциллографа 2 представлены в таблице ниже.

Тестируемый стабилизатор	Работа с генератором	Показания осциллографа 2
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550	Если частота в пределах 43-57 Гц – исправление формы входного напряжения до идеальной синусоиды, без регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение
Инверторный стабилизатор другого российского производителя	Отключение и обесточивание нагрузки
Релейный стабилизатор российского производителя	Если частота в пределах 48-52 Гц – передача входного напряжения на выход, без исправления формы напряжения и регулирования частоты. При расширении частотного диапазона – отключение

Выходное напряжение инверторного стабилизатора «Штиль» имело форму чистой синусоиды и частоту, аналогичную частоте входного напряжения. Такой результат позволяет рекомендовать данный прибор для улучшения качества поступающей от генератора электроэнергии. Однако следует понимать – не каждая нагрузка сможет работать со всеми значениями частоты, входящими в допустимый для этого стабилизатора диапазон!

Релейный стабилизатор не оказал никакого влияния на качество приходящей от генератора электроэнергии – напряжение, зафиксированное на его выходе, не соответствует требованиям многих современных электроприборов и может привести к нарушениям их функционирования. Например, у электродвигателей, входящих в состав различной бытовой техники, возрастут вибрации и снизится КПД, а более чувствительная электроника газового котла или системы «умный дом» вообще отключится.

Поведение инверторного стабилизатора стороннего производителя говорит о том, что устройство не готово к устойчивой работе совместно с генератором, реализованном на базе двигателя внутреннего сгорания.

Опыт 5. Работа стабилизатора в условиях перегрузки

Описание проблемы: перегрузка стабилизатора, которая возникает не только при нагрузке, превышающей его выходную мощность, но и при номинальной в случае сильного снижения сетевого напряжения или воздействия высоких пусковых токов.

Используемое оборудование: тестируемые стабилизаторы, резистивная нагрузка с регулируемой потребляемой мощностью (за счёт ручного включения дополнительных ТЭНов), осциллограф.

Описание опыта: стабилизатор подключен напрямую к входной сети и соединён с нагрузкой, потребляемая мощность которой постепенно увеличивается и доводится до значения, вдвое превышающего номинальную выходную мощность стабилизатора.

Схема опыта 5 приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Схема опыта 5 (тестирование работы стабилизаторов при перегрузке)

Описание фактической работы тестируемых стабилизаторов при перегрузке приведено в таблице ниже.

Тестируемый стабилизатор	Работа с перегрузкой
	600 Вт	800 Вт	1000 Вт
Инверторный стабилизатор «Штиль» ИнСтаб IS550	Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение длительного времени (более 30 секунд)	Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 25 секунд, затем отключение	Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 10 секунд, затем отключение
	Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия вызвавшей отключение перегрузки запускается в автоматическом режиме
Инверторный стабилизатор другого российского производителя	Кратковременное сигнализирование о перегрузке, затем отключение. После снятия перегрузки автоматически не запускается
Релейный стабилизатор российского производителя	Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 30 секунд, затем отключение	Сигнализирование о перегрузке и функционирование в течение 15 секунд, затем отключение	Моментальное отключение
	Включение с нагрузкой, превышающей номинальную выходную мощность и дальнейшее функционирование в течение промежутка времени, зависящего от величины нагрузки. После снятия вызвавшей отключение перегрузки автоматически не запускается

Инверторный стабилизатор «Штиль» IS550 готов к работе с перегрузкой даже при двукратном превышении его выходной мощности. На практике подобные ситуации могут произойти, например, при включении холодильника, стиральной машины, насоса и прочего оборудования с высоким пусковым током. Релейный стабилизатор тоже выдерживает перегрузки, но меньшие по номиналу и продолжительности.

Инверторный стабилизатор стороннего производителя показал полное отсутствие перегрузочной способности (дополнительные испытания показали, что устройство не работает даже при нагрузке, минимально превышающей его номинальную мощность).

Внимание! Любая перегрузка, независимо от величины и продолжительности, является аварийным режимом. Поэтому стабилизатор не следует постоянно эксплуатировать с нагрузкой, потребляемая мощность которой больше его номинала, даже если прибор способен питать её в течение длительного промежутка времени.

Общий вывод

Результаты опытов наглядно демонстрируют, что инверторный стабилизатор «Штиль» обеспечивает максимально возможный уровень защиты и может применяться как для нейтрализации различных негативных сетевых воздействий, так и для улучшения общего качества электроэнергии.

Релейный стабилизатор в ходе каждого опыта транслировал возмущающее воздействие на выход, поэтому данный прибор будет успешно работать только с оборудованием, не требовательным к характеристикам электропитания (в связи с повсеместным использованием чувствительных электронных компонентов количество таких потребителей постоянно снижается).

Обзор инверторных стабилизаторов напряжения

Инверторный стабилизатор стороннего производителя, несмотря на конструкцию во многом аналогичную инверторному стабилизатору «Штиль», показал низкую эффективность работы и в четырёх из пяти опытов не смог обеспечить электропитание нагрузки.

источники:

https://plastep.ru/chto-takoe-stabilizator-sinusoidu-napryazheniya/

https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=152071

https://www.shtyl.ru/support/articles/kakoj-stabilizator-napryazheniya-samyj-luchshij/