Бытовой стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения (англ. Voltage regulator) — устройство предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения.

Основное назначение стабилизатора напряжения заключается в защите электрических или электронных устройств (например, кондиционера, холодильника, телевизора и так далее) от возможного повреждения в результате скачков напряжения или колебаний, повышенного или пониженного напряжения.
Стабилизатор напряжения, в первую очередь, нужен в частных домах или на дачах. Применение его в квартире требуется довольно редко.


В некоторых устройствах, например, в холодильниках или газовых котлах, есть встроенный стабилизатор. Но их характеристики хуже характеристик отдельного стабилизатора. В первую очередь это диапазон входного напряжения: у встроенных он ниже. Если напряжение в сети выйдет за эти пределы, встроенный стабилизатор выключит прибор, чтобы избежать проблем. А стабилизатор позволит прибору работать непрерывно.

Конструктивные особенности стабилизаторов напряжения

Есть различные виды стабилизаторов, с которыми следует ознакомиться перед покупкой. Они различаются по принципу действия и условиям применения.

Электромеханические стабилизаторы напряжения (сервостабилизатор)

В основе таких стабилизаторов напряжения - автотрансформатор, который управляется электронной схемой. Регулировка осуществляется поворотным графитовым контактом, оснащенным сервоприводом. Могут применяться в качестве сетевых или магистральных устройств в зависимости от их номинальной мощности.

Достоинства:

• диапазон рабочих напряжений – от 130 до 260 В
• отсутствие помех
• не искажается форма напряжения на выходе
• стойкость к перегрузкам
• высокая точность стабилизации
• плавная регулировка напряжения

Недостатки:

• невозможность работать в условиях низкой температуры
• малая скорость стабилизации из-за механического привода. При резком скачке напряжения привод может не успеть осуществить корректировку и есть вероятность попадания повышенного напряжения в электросеть вашего дома
• во время функционирования пользователи могут слышать шум.

Этот тип стабилизаторов можно рекомендовать применения при редких и плавных отклонениях напряжения от нормы и при условии регулярного обслуживания.

Изображение ниже показывает, как электромеханический стабилизатор напряжения выглядит изнутри. Он имеет серводвигатель, автотрансформатор, трансформатор понижения и повышения, двигатель, электронную плату и другие вспомогательные компоненты.

В стабилизаторе напряжения на основе сервопривода один конец первичной обмотки трансформатора понижения и повышения (отвод) подключен к фиксированному ответвлению автотрансформатора, а другой конец первичной обмотки соединен с подвижным рычагом, который контролируется серводвигателем. Один конец вторичной катушки трансформатора
понижения и повышения подключен к входному источнику питания, а другой конец подключен к выходу стабилизатора напряжения.

Релейные стабилизаторы напряжения

Основой релейный стабилизаторов является автотрансформатор. Разница с электромеханическим стабилизатором заключается в способе изменения напряжения – в релейных используются реле для подключения вторичных обмоток трансформатора в различных конфигурациях для достижения функции понижения или повышения напряжения.


Преимущества:

• быстродействие
• не высокая цена

Недостатки:

• в результате ступенчатых переключений, происходит кратковременное прерывание питания подключенной нагрузки  с последующим резким включением. Это приводит к образованию искры внутри реле и, как следствие, к гармоническим помехам  на выходе стабилизатора. В результате контакты реле подгорают, его ресурс снижается, а чувствительная бытовая техника может работать некорректно или даже выйти из строя, лампочки будут заметно моргать.
• уровень шума средний – вы будете слышать как переключаются реле. Лучше устанавливать такой прибор в месте, удаленном от зоны отдыха.
• невысокая точность стабилизации. Обычно около 10-8%. У продвинутых моделей до 5%
• срок эксплуатации зависит от частоты просадок напряжения и составляет где-то 3-5 лет

Изображение ниже показывает, как выглядит изнутри релейный стабилизатор напряжения. Он имеет трансформатор с ответвлениями, реле и электронную плату. Печатная плата содержит схему выпрямителя, усилитель, микроконтроллер и другие вспомогательные компоненты.

Электронные платы выполняют сравнение выходного напряжения с источником опорного напряжения. Как только он обнаруживает любое увеличение или уменьшение входного напряжения выше эталонного значения, он переключает соответствующее реле для подключения требуемого постукивания для функции понижения и повышения.

Гибридные стабилизаторы напряжения (комбинированные стабилизаторы напряжения)

Гибридные стабилизаторы напряжения применяются при больших отклонениях входного диапазона напряжений.

Основой является электромеханический стабилизатор, а релейная часть осуществляет дополнительную коммутацию обмоток автотрансформатора. Вместо реле может быть установлены электронные компоненты (например, симисторы).

Электронные стабилизаторы напряжения

Устройство и принцип работы электронных стабилизаторов чем-то схож с стабилизаторами релейного типа. Но вместо реле здесь используются полупроводниковые ключи, построенные на основе вентильных элементов (тиристоров или симисторов). Также можно встретить модели, где функцию коммутационных ключей выполняют полупроводниковые транзисторы.

Плюсы

• бесшумная работа, т.к. отсутствуют подвижные детали
• срок службы высокий (до 10-15 лет) и на них зачастую действует расширенная гарантия до трех лет.
• небольшими размеры, поэтому применяются даже в многоквартирных домах
• их удобно крепить на стену
• имеют небольшой шаг регулирования
• большой КДП – до 98%

К минусам относится

• высокая стоимость
• при стабилизации напряжения переход тракта электропитания может обеспечить незначительное прерывание электропитания
• невысокая точность стабилизации. Обычно около 5-10%.

Изображение ниже показывает, как электронный стабилизатор напряжения выглядит изнутри.

Инверторные стабилизаторы напряжения (стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием)

Нужно выделить в отдельную группу электронные стабилизаторы с двойным инверторным преобразованием. Такие стабилизаторы преобразуют выпрямителем входное переменного напряжение в постоянное с последующим преобразованием в стабилизированное переменное синусоидальное выходное напряжение.

Преимуществом стабилизаторов с двойным преобразованием, даже при использовании их в сетях с низким качеством электроэнергии, является неизменное качество выходного напряжения как по точности приближения к номинальному значению и стабильности, так и по быстродействию и форме сигнала (идеальная синусоида).

Срок эксплуатации 8-10 лет. Не требуют обслуживания.

Однако у этой технологии есть и свои минусы.

• инверторные стабилизаторы следует выбирать с хорошим запасом по мощности, так как схема двойного преобразования критично относится к возможным перегрузкам и нелинейной нагрузке
• многие модели имеют принудительное постоянное охлаждение вентиляторами, что означает шум
• относительно низкий КПД
• цена

Поэтому такие стабилизаторы которые лучше ставить в случае крайне низкого качества электросети при наличии высокотребовательной к качеству напряжения техники.

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения относятся к образцам, появившимся на начальной стадии становления преобразовательных устройств. Начало их массового внедрения в быт произошло в 50-60-е годы прошлого века, что объяснялось необходимостью защиты модных тогда ламповых телевизоров.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов основан на использовании эффекта ферромагнитного резонанса, суть которого заключается в электромагнитном взаимодействии двух дросселей (катушек с сердечниками) один из которых имеет ненасыщенный сердечник (входной), а второй насыщенный (выходной). Для снижения габаритов и массы устройства в него введен конденсатор, за счет которого магнитопровод приобретает резонансные свойства.

К преимуществам феррорезонансных стабилизаторов относят отсутствие подвижных (переключаемых) улов, и как следствие – малая вероятность выхода из строя и больший чем у релейных приборов рабочий ресурс. Кроме того, с их помощью удается добиться более точной установки выходного напряжения и плавную быструю регулировку.

Их недостатки выражаются в следующем:

• шумность при работе
• значительное тепловыделение
• громоздкость (большие габариты и вес)
• небольшой диапазон регулируемых напряжений.
• стоимость
• искажает синусоиду
• низкий КПД

Несмотря на указанные недостатки, феррорезонансные стабилизаторы до сих пор пользуются определенной популярностью у потребителей. Область их применения – защита неприхотливой в обращении старой бытовой техники.

Изображение ниже показывает, как выглядит изнутри феррорезонансный стабилизатор напряжения

Как выбирать стабилизатор напряжения

Главными критериями, по которым выбирается стабилизатор напряжение, являются напряжение, пределы регулировки, точность и наличие дополнительного функционала.

Выбор стабилизатора напряжения по мощности

Для выбора стабилизатора по мощности можно воспользоваться двумя методиками.

Первая – рассчитать суммарную нагрузку всех подключаемых электроприборов. Тогда вам пригодится таблица вроде той, что приведена ниже

Обратите внимание на приборы с электродвигателем: холодильники, насосы, стиральные машины, пылесосы и т.п. Из-за того что у двигателей большой пусковой ток, мощность приборов следует умножить на 3: при включении они дают большую нагрузку на сеть. Для других приборов — телевизоров, ламп, утюгов — увеличивать мощность не нужно.


Вторая, рекомендуемая, методика – посмотреть ток отсечки автомата на входе. Он уже выбирается с учетом максимальной нагрузки и с запасом мощности.
Тогда при установленном автоматическом выключателе на 50 А мощность стабилизатора должна равняться 220 х 50=11 кВт. По этому значению выбирается ближайший по нагрузке стабилизатор (в данном случае 10 и 15 кВт). При полной нагрузке берется большее значение, при неполной нужно подбирать меньшее.
Если ставится трехфазный стабилизатор, мощность умножается на 3. Для автомата на 16 А мощность равна 16 х 220 х 3=10,56 кВт.

При выборе мощности руководствуются тем, что нормальная работа обеспечивается при наличии запаса, не менее чем 20-30%.
Запас мощности важен при пониженном напряжении сети. Чем ниже входное напряжение, тем сильнее снижается допустимая мощность нагрузки.

Пределы регулирования стабилизатора напряжения (диапазон регулируемого напряжение стабилизатора напряжения)

Диапазоны входного напряжения, указанные в документации стабилизатора, это те значения, в пределах которых стабилизатор будет выравнивать это напряжение. При отличающихся параметрах стабилизатор выключается.

В первую очередь смотрите на параметр - рабочий диапазон входного напряжения. Предельный или максимальный диапазон указыает напряжение при котором стабилизатор хоть как то, но еще будет работать, а не отключится от действия защит.

Если у вас сильно пониженное напряжение (менее 160 В) обратите внимание на специальные модели со смещенным к низу диапазоном стабилизации, обычно они обозначаются буквенным индексом LV (low voltage).

Диапазон может быть разный, но при выборе стабилизатора учитывайте приблизительно такие параметры

• от 180 до 260 (узкий). Идеально для квартир, т.к. в многоквартирных домах не бывает сильных скачков напряжения
• от 140 до 260 (стандартный). Идеально для защиты сетей на даче или в частном доме, когда старая электросеть не рассчитана на растущее число потребителей
• от 110 до 300 (широкий). Идеально для защиты сетей от резких и внезапных скачков напряжения при подключении в сеть мощных приборов — циркулярных пил, станков, сварочных аппаратов и т.д.

Прежде чем выбирать стабилизатор по этому параметру, следует замерить напряжение в доме и записать максимальное и минимальное значение. Также следует учитывать, что при работе рядом с границей диапазона точность поддерживаемых параметров опускается до 18%. Устройство, работающее длительное время в таких условиях, перегревается и может сломаться.

Точность поддержки напряжения на выходе стабилизатора напряжения

Точность стабилизации – это способность прибора поддерживать выходное напряжение в заданных параметрах. Наилучшей точностью отличаются электромеханические и инверторные стабилизаторы.

Этот параметр выбирается по значениям, прописанным в паспорте к бытовой технике.

Большинство электроприборов работает при 5-7% точности. Интенсивность ламп заметно меняется уже при 3% отклонении напряжения.

При покупке нужно подбирать по меньшему пределу.

Синусоида на выходе стабилизатора напряжения

Для многих видов электрооборудования с трансформаторными блоками питания или объемными индукционными катушками, с электродвигателями, с дросселями, с блоками питания APFC - любая форма выходного напряжения/сигнала КРОМЕ ПРАВИЛЬНОЙ (ЧИСТОЙ) СИНУСОИДЫ - может оказаться губительной. Какая-то техника сгорит через несколько часов работы на таком электропитании, какая-то - вообще не будет работать, у другой срок службы существенно сократится.

Поэтому необходимо обратить внимание что бы синусоида на выходе для питания таких потребителей была чистая (может быть надпись "правильная синусоида", "чистый синус", "гладкий синус", "синусоидальная форма").

Тип синусоиды обычно указывается в паспорте.

В большей степени искажению синусоиды подвержены феррорезонансные и симисторные стабилизаторы.

Система охлаждения стабилизатора напряжения

Естественная система охлаждения подойдёт для домов, дач и квартир при небольшой потребляемой мощности. Главный её плюс - бесшумная работа.

Принудительная система охлаждения подойдёт для домов при высокой потребляемой мощности или возможности разместить прибор вне жилых помещений. Главный плюс такой системы охлаждения - мощные стабилизаторы.

Дополнительные опции (функции) стабилизаторов напряжения

Часто стабилизаторы оснащаются дополнительными функциями. Они повышают надежность и удобство эксплуатации.

• Многие стабилизаторы оснащены защитными функциями, предохраняющих прибор от короткого замыкания, перегревов и перегрузок, влияющих на корректность работы и долговечность устройства.
• Стабилизаторы бывают с несколькими дисплеями. На них указывается текущая нагрузка, входные и выходные значения, режим работы и т.п..
• Возможность переключения задержки появления напряжения на выходе. Выдержка времени на подачу выходного напряжения повышает надежность работы, поскольку аварийные скачки напряжения, вызывающие срабатывание защиты, часто бывают многократными в течении короткого промежутка времени. Такие скачки можно наблюдать во время ветра или грозы.
• Режим "Байпас" ("Транзит", "Обход") служит для временного исключения стабилизатора из цепи. В таком случае входное напряжение сети поступает непосредственно на выход, минуя цепи стабилизации.
  
  Этот режим может быть или ручной или автоматический.
  - В автоматическом режиме электронное переключение осуществляется за счет процессора, реле или полупроводника. Автоматический запуск в обход регулятора может происходить из-за стабильного напряжения в течение длительного времени или в критических ситуациях.
  - Для активации ручного режима достаточно нажать на кнопку или тубмлере, в результате чего электрический сигнал поступит на полупроводники или реле. Они создают обходные пути
  Также ручной режим может быть осуществлён с помощью механического переключателя, которые в сравнении с электронными модификациями имеют весомые преимущества – просты в использовании и более надежны.
  
  Режим "байпас" бывает встроенный и внешний.
  - Встроенный или внутренний байпас представляет собой схему обхода, которая спроектирована и реализована непосредственно в корпусе электротехнического прибора. Наружу выводят только рукоятку или тумблер.
  - Внешний байпас представляет собой схему обхода, спроектированную и реализованную около регулятора напряжения. Каждый стабилизатор, несмотря на количество фаз и мощность, можно оснастить внешним дополнительным рабочим узлом.

Способ установки стабилизатора напряжения

Также стоит определиться где будет устанавливаться стабилизатор. По этому критерию они делятся на

• локальные (местные, сетевые). Подключаются к обычной розетке на определенные приборы. 
• стационарные (магистральные). Устанавливаются на всю технику в доме и подключаются к распределительному щиту. Суммарная нагрузка превышает 4000 Вт.

Т.е. в зависимости от требований и мощности, стабилизаторы устанавливаю несколькими способами:

• на всю сеть
• на отдельные группы приборов
• на каждый потребитель

Часто бывает так, что несколько маломощных стабилизаторов по стоимости оказываются выгоднее одного мощного. К этому добавляется еще и увеличение надежности.

Особенности установки и подключения стабилизаторов

Важно в какую сеть будет подключаться стабилизатор напряжения.

• Для 220 В подходит однофазный прибор.
• Для 380 В нужно трехфазное или 3 однофазных устройства. Здесь выбор зависит от следующих условий:
  - если в доме есть электротехника, рассчитанная на 380 В, ставится один трехфазный стабилизатор
  - если такая электротехника отсутствует, выгоднее устанавливать три однофазных стабилизатора. Даже если один выключить (например, для проведения сварочных работ или из-за поломки), то остальные продолжат защищать электрооборудование.
  - можно использовать комбинированный вариант. Оборудование на 380 В запитывают от трехфазного стабилизатора, а по дому всё оборудование запитывается от стабилизаторов на 220 В. Довольно громоздкая и дорогая система. 

Стабилизаторы локальные подключаются к домашней электросети через провод с вилкой и на выходе обычно имеют розетки типа CEE 7 (евророзетка). Реже встречаются розетки IEC 320 C13 (как на компьютере) для защиты компьютера... Но, на мой взгляд, удобнее для этих целей использовать ИБП... который в некоторых случаях также может работать как локальный стабилизатор.
От количества розеток зависит то количество техники, которое можно подключить к стабилизатору, без использования различных разветвителей (их использование крайне не рекомендуется).
Зачастую на локальных стабилизаторах напряжения устанавливают всего две розетки.
Причём несколько розеток сделаны для того, чтобы в них подключать потребители с разными типами сигналов, например компьютер и холодильник, чтобы они не создавали помехи в одной линии. Эти помехи при наложении могут провоцировать неадекватное срабатывание системы безопасности стабилизатора.

Те стабилизаторы, которые устанавливаются стационарно, как правило, подключаются с помощью клемм. Этих клемм есть как минимум четыре. Две для входа электроэнергии и две для выхода. Для определения, которые клеммы являются входными, которые выходными, производители делают специальные обозначения, или указывают в инструкции.

Выбор места установки стабилизатора напряжения

Нужно заранее выбрать место, в которое будет установлен стабилизатор. Размеры стабилизатора определяются его выходной мощностью. Маленькие стабилизаторы могут устанавливаться рядом с аппаратурой на столе. Крупногабаритные модели требуют стационарного монтажа. Местом установки может быть пол, стена или заранее оборудованная ниша.

Работающий стабилизатор нагревается, из-за чего нужно проводить систему отвода тепла. По этой причине стабилизатор следует установить в место, в котором доступ к вентиляционным отверстиям будет открыт. Тогда внутри будет создаваться необходимый воздухообмен.

Минимальное расстояние от стены до задней стенки корпуса стабилизатора — 5-10 см. Это не относится к моделям имеющим специальное настенное крепление. У которых основные радиаторные решетки охлаждения выведены с других сторон.
Остальные стенки корпуса должны быть удалены на 20-30 см.

Не рекомендуется размещать стабилизатор напряжения под потолком: именно туда поднимается весь теплый воздух в комнате. А если это жаркое лето и помещение без кондиционера — то перегрев обмоток при полной нагрузке будет обеспечен. Также будет не удобно включать байспас, делать ревизию и т.п.

Место установки должно быть незапыленным, без влажного воздуха, вдали от легковоспламеняющихся и горючих жидкостей. Высокие температуры, пыль, влага могут вывести стабилизатор из строя.

Есть отдельные марки стабилизаторов, специально рассчитанные для монтажа на улице. Они обладают всеми необходимыми степенями защиты от пыли, дождя, морозов и т.д. Но и цена их соответственно в разы превышает стоимость обычных.


Можно выделить основные рекомендации для оптимального места установки стабилизатора напряжения:

• после счетчика
• как можно ближе к распредщитовой
• на высоте 1,5-1,7м от уровня пола
• 20-30 см от соседних стен и перегородок
• в теплом помещении
• спальня, подсобка, место под потолком не рекомендуется

Подключение стабилизатора напряжения в распределительном щитке

Стабилизаторы подключают в сеть питания в разрыв линии. При использовании устройства для стабилизации сети, его устанавливают после электросчетчика, а выход стабилизатора подключают к автоматам защиты. При таком монтаже используется такой же кабель (в первую очередь по сечению) как и кабель для вводного автомата.

Когда стабилизаторы устанавливают на несколько цепей, то ставят уже после автоматов защиты соответствующих цепей.

Рекомендуется при монтаже предусмотреть возможность обхода стабилизатора (т.е. сделать внешний байпас). Ведь если он сломается вы не хотите вообще остаться без напряжения в домашней сети?



Такие устройства, как водонагреватель, чайник, пылесос, фен, утюг, электродуховка и т.п. не нуждаются в обязательной стабилизации напряжения. Из-за перепадов напряжения они будут быстрее/медленнее выполнять свою работу, но на износ это никак не повлияет. Если же учитывать их мощность, то получится, что она превосходит в несколько раз ту, которую потребляют более требовательные электроприборы (телевизор, спутниковая антенна, ПК…).
И если предусмотреть возможность запитывать их без стабилизатора напряжения то можно будет сэкономить на цене стабилизатора.