Стабилизатори на напрежение

Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 1, 2008

Видове, технически специфики, предимства и недостатъци.

Стабилизаторите (Constant Voltage Transformers) представляват устройства, които поддържат автоматично постоянни изходните стойности на напрежението и тока в определени граници, независимо от промените и влиянието на комплекс фактори, като големина и честота на входното напрежение на товара, работна температура, налягане, влажност и др. Използват се в приложения, при които отклоненията в напрежението биха създали аварийна ситуация и опасност от пожар

ПОДОБНИ СТАТИИ

Избор на разстъргващи инструменти

Индустриални захранвания за DIN шина

Високопрецизно лазерно рязане на метал

Релета за безопасност

Колаборативни роботи в производството

Конектори в електрониката – новости и авангардни технологии

Тенденциите, движещи автомобилния сектор

Известно е, че качеството на доставяната електрическа енергия трябва да съответства на българските стандарти. Показателите за качеството на електроенергията са утвърдени от Държавната комисия по енергийно и водно регулиране и съответното регионално разпределително предприятие. За съжаление, не всички мрежи отговарят на изискванията за качество на електроенергията. За решаването на проблема се използват стабилизатори на променливо напрежение (Automatic Voltage Stabilizer). Променливотоковите стабилизатори на напрежение (ПТСН) компенсират част от показателите на доставяната електроенергия в съответствие със стандартизационните изисквания. Обект на разглеждане в статията са предимствата и недостатъците на различни типове стабилизатори, както и съвременни конструкции стабилизатори на напрежение. Към стабилизаторите се отнасят и нормализаторите на напрежение, които обикновено са комбинирани с автоматични ПТСН.

Съвременните ПТСН представляват модерни мощни анализиращи и управляващи апарати

В конструкцията им са вградени активни филтри и микропроцесорен анализатор. Имат способността да компенсират нивото на хармониците в напрежението THDU (Total Harmonic Distortion of Voltage U) и нивото на хармониците в тока THDI (Total Harmonic Distortion of current I). За качеството на един ПТСН от определящо значение е способността му да компенсира THDU.

Най-важният параметър, характеризиращ променливотоковите стабилизатори е коефициентът на стабилизация K

U = (DUвх/ DUизх)(Uизх/Uвх). Допустимото относително изменение m от номиналната стойност на Uвх. обикновено се дава в % (±m%). В този случай максималната стойност на Uвх. би могла да се представи с израза: Umax = Uвх + Uвхm/100 = Uвх (1 + m/100). Съответно минималната стойност на входното напрежение се представя като: Umin = Uвх - Uвхm/100 = Uвх (1 - m/100). След заместване на максималната и минималната стойност на напрежението в израза за коефициента на стабилизация се получава: KU = mUвх/100DUизх или ± DUизх = mUизх/100KU.

Съвременните ПТСН работят с всякакви товари без значение от техния хармоничен спектър. Едно от предимствата им е вграждането на активни филтри в конструкцията им, които гарантират компенсация на хармониците, дори при промяна в параметрите на мрежата.

Видове променливотокови стабилизатори на напрежение

Според принципа на регулиране, ПТСН се разделят на две големи групи – електродинамични и компенсационни. Електродинамичните се приемат като по-икономичния вариант. Компенсационните са значително по-скъпи, но се характеризират с висока скорост на регулиране, малки габарити и тегло.

В зависимост от използваните конструктивни елементи са - стабилизатори с движещи се части (електромеханични авторегулатори); електромагнитни и ферорезонансни стабилизатори; стабилизатори с магнитни усилватели; стабилизатори с различни линейни и нелинейни елементи, IGBT транзистори, MOS транзистори, специални резистори, както и електронни стабилизатори.

Към настоящия момент на пазара се предлагат стабилизатори със стъпално регулиране, ферорезонансни стабилизатори, стабилизатори с подмагнитване, стабилизатори с фазово регулиране, електромеханични, както и стабилизатори с дискретно високочестотно регулиране.

ПТСН следва да съответстват на международните стандарти в областта, а според EN 61558/VDE 0570 - да имат специални характеристики.

Характеристики на съвременните стабилизатори

Съвременните модели стабилизатори възстановяват синусоидалната форма на изкривеното входно напрежение, изключват при късо съединение за не по-повече от 10 ms, компенсират фактора на мощността cosj (Power Factor) до 0,95. Предлагат възможности за настройка на компенсацията в диапазона от 0,95 до 0,99. Препоръчително е да се избягва настройка в капацитивната част, поради опасност от възникване на резонанс, при което напрежението се увеличава и следва претоварване на стабилизатора и на цялата апаратура по мрежата. Принципно ПТСН са предназначени за снабдяване с електроенергия на товари с произволен cosj.

Всички модерни автоматични стабилизатори на променливо напрежение (АСПН) могат да се свързват паралелно за по-голяма мощност. Единственото изискване е те да са от един и същи тип. В подобни приложения е възможно да се използва 90% от сумарната привидна мощност (S). При включване на товар, напрежението и токът могат да бъдат ограничени. За целта се вгражда стартово-ограничителен модул. Стабилизирането е ефектно само между фазните проводници и неутралата. Фазният ъгъл 1200 и напрежението между фазните проводници и неутралата могат да бъдат неустойчиви поради векторния контрол на напрежението. Товарът на фазните проводници и неутралата може да бъде симетричен единствено на изхода на АСПН. Използват се в електроснабдяването за формиране на синусоидално и независимо от колебанията на мрежата напрежение и при “проиграване” на напрежението върху товара (фиг. от 1 - 6).

В диапазона на работното напрежение ПТСН не трябва да създават смущения и хармоници. Те притежават още висока стабилност на изходното напрежение (0,2 до 3% в зависимост от типа). Предлагат възможност за включване на допълнителни компоненти за създаване на симетрична, галванично отделена звезда с изведен работен звезден център. Това са т. нар. мрежи TN, TT, IT и техните разновидности. Също така е възможно включването на схеми за защита от поражение от електрически ток. Съгласуващите им трансформатори са построени на принципа на противосмутителните трансформатори и образуват изкуствена неутрала, която следва да е в състояние да демпферира преходните процеси във всички направления на мрежата.

АСПН работят с независим регулиращ контур. Входното им напрежение се измерва и се сравнява в процесорен модул с ПИД регулатор с висока стабилност. В случай на отклонение на изходното напрежение, по-голямо от 1% от заданието, регулаторът изменя напрежението до момента, в който изходната му стойност не достигне зададената. Изработеното напрежение се сумира или се изважда от това на захранващата мрежа.

Автоматичните стабилизатори на напрежение

(АСН) се отличават с елементарна електромеханична конструкция. Използват се в мощни приложения, в които се изисква необходимо синусоидално напрежение на товара, независещо от вариациите в линейното напрежение, и променлив товар (фиг. 1, 2, 3, и 5).

Тяхната надеждност, висок КПД и дълъг експлоатационен живот се постигат чрез внимателен подбор на вложените материали и качествена изработка. Тези стабилизатори работят по целия свят, нерядко при изключително тежки производствени и климатични условия. Опасно е да се претоварват АСН,използващи четки и други движещи се механизми под напрежение. За тях е най-опасно късото съединение на изхода, защото електронният модул бързо изработва компенсация и токовете накъсо са по-големи от схема без стабилизация. При автоматичните стабилизатори на напрежение е задължително вграждането на бързодействаща защита от късо съединение и претоварване.

АСН се монтират както в блокове в други устройства, така и като самостоятелни блокове със закрит корпус, при необходимост и със самостоятелна вентилация. Предназначени са за работа на 1000 V, мрежова честота 50-60 Hz , мощност до 630 kVA. В зависимост от броя на фазите и стандартните диапазони на регулиране се изработват за ±10%, ±15%, ±20% и ± 30%.

Специфики на АСН

Надеждна стабилизация е възможна, само ако проводниците са пресметнати за повишен линеен ток, възникващ в процеса на компенсация при пониженото напрежение, или ако падът на напрежението между точката на товара и точката на захранване на товара без стабилизатор не превишава 4% (в съответствие с изискванията на DIN EN 60038). АСН са в състояние да възстановяват колебанията на честотата в нестабилни мрежи и със силни синусоидални и несинусоидални смущения (наличие на хармоници), като отклонението от синусоидалността на честотата се предава във всички направления без съществено демпфериране на хармониците. Най-ниската им работна честота е 48 Hz.

АСН не могат да компенсират кратковременни пикове или пропадане на напрежението. Времето за регулиране се определя от синхронно въртящ се серводвигател или релета със съответната работна честота и диапазон на регулиране. Отличават се с ниски собствени загуби. Коефициентът им на полезно действие е 99%.

Електромагнитни стабилизатори на променливо напрежение (ЕСПН)

Представляват специални трансформатори, специфицирани в съответствие с EN 61558/ VDE 0570. Регулирането при електромагнитните стабилизатори на променливо напрежение се реализира по пътя на векторното наслагване. Съответно, наслагването се осъществява върху работния участък на вектора на фазата, върху която се извършва регулирането. Този вид стабилизатори намират ограничено приложение.

Стабилизатори с подмагнитване

Поддържат постоянно напрежение на изхода, като изменят коефициента на трансформация по пътя на локално подмагнитване на специално бедро от трансформатора. По специален начин е конструирана и намотката върху трансформатора. Характеризират се с висока претоварваща способност. За сметка на това имат тесен диапазон на регулиране и генерират мощни хармоници в сравнение с другите видове променливотокови стабилизатори на напрежение. За момента намират ограничено приложение.

Предимства на стабилизаторите с подмагнитване са: високо бързодействие; висока претоварваща способност; относително висока точност на регулиране.

Недостатъци на стабилизаторите с подмагнитване са: малък диапазон на регулиране; повишен шум и хармоници; значителна маса.

Стабилизатори с фазово регулиране

Принципът им на работа се основава на тиристорно управление по фазов метод. Генерират силни смущения в мрежата, имат малък диапазон на регулиране и повишен шум. Това са и основните причини, поради които стабилизаторите с фазово регулиране в момента не се произвеждат.

Електромеханични стабилизатори

Наричат се електромеханични условно, защото всички съвременни ПТСН разполагат с вграден микропроцесорен модул (фиг. 7, 8). Представляват регулируеми автотрансформатори, които използват регулиращ елемент - сервомотор. Разполагат със следяща микропроцесорна система и осигуряват плавно регулиране на изходното напрежение, без изкривяване на формата на напрежението. При необходимост към тях могат да се включат активни филтри за елиминиране на хармоници по мрежата.

Предимства на електромеханичните стабилизатори са:

Плавна работа при изменение на напрежението или тока на консуматора.
Висока точност на стабилизация.
Висока скорост на обработка на коригиращото задание. Например, стабилизатор от такъв тип на водещ производител би могъл да реагира на промяна на напрежението и тока на консуматора със скорост 150 V/s. Но същия тип стабилизатор, без “сериозен произход”, е ограничен на 30 V/s заради рязкото механично износване на четките при голямата им скорост на въртене.
Голяма претоварваща способност, около 200% за 4 s и 100% за 8 s, постижима, благодарение на вградения помощен трансформатор и по-малкото натоварване, на което е подложена електромеханичната част. Това позволява да се избере стабилизатор в зависимост от средната мощност на товара и значително да се съкратят разходите за допълнително оборудване. Икономията се дължи на по-малката инсталирана мощност.
При този тип стабилизатори практически отсъства комутационен процес и възникване на електрически смущения.
Малки габарити, широк диапазон на стабилизация, стабилна работа и при нулев товар.
Точността на регулиране е постоянна в целия диапазон, заради следящата система сервомотор-автотрансформатор.
Фазите се регулират независимо. Ъгълът между тях е винаги постоянен.
Стабилизаторите работят практически безшумно.
Регулирането не зависи от честотата на мрежата.
Електромеханичните стабилизатори показват добри експлоатационни характеристики и при тежки промишлени условия.
Практически отсъстват хармоници.
Недостатъци на електромеханичните стабилизатори са:
Наличието на движещи се части в конструкцията на стабилизатора.
Ниско бързодействие.
Необходимост от обслужване на сервопривода – един, два пъти годишно.
При отрицателни температури е необходимо подгряване с оглед запазване доброто експлоатационно състояние на електрониката и сервопривода.
Този тип сталибизатори са пожароопасни.

Ферорезонансни стабилизатори на напрежение

Функционирането им се основава на принципа на резонанса във веригата трансформатор – кондензатор(фиг. 9). Действието им се основава на регулиране на магнитните потоци в магнитопровода на трансформатора чрез промяна на магнитната проницаемост на магнитния контур и коефициента на трансформация на напрежението. В някои от моделите като комутационни елементи се използват тиристори и семистори, превключващи намотката по време на отрицателната и положителна вълна. При този тип стабилизатори скоростта на регулиране зависи от времеконстантата на намотките на трансформатора, бързодействието на подмагнитването и на системата за измерване. От основно значение за качеството на ферорезонансните стабилизатори на напрежение е качеството на стоманата на магнитопровода. В момента този тип стабилизатори намират сравнително ограничено приложение.

Предимства на ферорезонансните стабилизатори на напрежение са:

Широк температурен интервал ( -40 до +600С).
Отсъствие на механични детайли в конструкцията, подложени на износване.
Време за реакция около 20 ms (един период при 50 Hz), 20 ms период за образуване на коригиращия ток, както и 20 ms период за преходните процеси или общо 60 ms. При точност 3% (условна степен 6,6V) скоростта на регулиране е около 110 V/s.
Стабилизацията се осъществява практически в самата машина. При добро изпълнение и правилно подбран запас от мощност, работата до първия отказ е десетки години.
Ферорезонансните стабилизатори са малко чувствителни към смущения. Те добре работят в промишлени мрежи с лошо качество на използваната електроенергия.

Недостатъци на фоторезонансните стабилизатори:

Тесен диапазон на стабилизация, обусловен от обстоятелството, че в магнитопровода “циркулира” цялата мощност на товара, плюс мощността, необходима за повишаване на напрежението.
Големи габарити.
Слаба претоварваща способност. Например, около 30% по-голяма консумирана от товара мощност причинява 30% по-голям ток в намотката и 30% по-голям магнитен поток, при което може да се насити магнитопроводът и стабилизаторът да излезе от зададения му работен режим.
За добро стабилизиране е необходим 15% минимален товар.
Силно изкривяване формата на напрежението на мрежата (генерация на висши хармоници с голяма амплитуда заради нелинейността на магнитопровода). Ако се използват тиристори, фазовият начин на превключването им води до изменение на режима на работа на силовото оборудване и особено на използваните цифрови системи.
Двойно по-голяма маса в сравнение с трансформатор със същата мощност.
Високо ниво на генерирания шум, заради магнитострикцията в магнитопровода.
Чувствителност към мрежовото напрежение и честота.
Чувствителност към фазовите ъгли между отделните фази.
Нисък фактор на мощността.
Необходимост от използването на задължителна защита от прегряване.

Специалистите съветват при избора на ферорезонансни стабилизатори на напрежение да се има предвид, че някои от предлаганите на пазара модели са нискокачествени. Те са произведените с намалено сечение на проводника с цел икономия и са разчетени за товар 0,8 при 220 V. При понижено напрежение, близко до възможностите на стабилизатора, нерядко се случва той да прегрее.

Стъпални електронни стабилизатори на напрежение

Това са най-широкият клас АСПН (фиг. 10). Функционирането им се базира на превключване на секции от намотка на трансформатор или автотрансформатор.Представляват стабилизатори на напрежение от волтодобавъчен тип, състоящ се от автотрансформатор, мощни семистори или насрещно паралелно включени тиристорни ключове за по-големите мощности, контролер с анализатор на напрежението, максималнотокова защита, защита от претоварване.

Обикновено мощните типове разполагат с превключвател "стабилизация - байпас". Контролерът следи напрежението на изхода в реално време и в съответствие с резултата на измерването превключва намотките на автотрансформатора посредством семисторите (или други ключове), поддържайки стабилно изходното напрежение. В случай на авария, най-голямото постигнато бързодействие е 20 ms (един период на мрежово напрежение 50 Hz) за изключване на всички семистори. В схемата на апарата е предвидено следене на температурата на семисторите и блокирането им при прегряване, както и автоматично преминаване в „байпас” режим. За удобство повечето производители вграждат в конструкцията на стабилизатора и сигнализация от прегряване и превключване на вентилаторите в интензивен режим.

За момента стъпалните електронни стабилизатори на напрежение са сред най-разпространените в световен мащаб.

Тези стабилизатори са характеризират с висока точност, голямо бързодействие, широк диапазон на регулиране, възможност за работа с товар 0 - 100%, както и висок коефициент на полезно действие. Като недостатък на стъпалните електронни стабилизатори би могло да се постави стъпалното изменение на изходното напрежение.

Стабилизатори с дискретно ВЧ регулиране

Съществуват достатъчно основания този тип стабилизатори да се възприемат от редица специалисти като най-перспективните ПТСН (фиг. 11). Конструктивно са изградени на основата на съвременни силови бързодействащи IGBT транзистори. Действието им се базира на превключване на намотка на специален трансформатор с висока честота на квантуване. Представляват изцяло цифрови стабилизатори, в които управлението на IGBT транзисторите се реализира от микроконтролер в реално време.

Входното напрежение се изправя и филтрира. Филтрираното напрежение се превключва с висока честота, така че интегрираните правоъгълни импулси образуват синусоида. По този начин изработеното напрежение се сумира или изважда с това на входа. Честотата на превключване е постоянна и остава винаги 4 или 10 кHz. Стабилизаторите с дискретно високочестотно регулиране все още са преимуществено на експериментален етап от производството си.