Принцип работы инверторного стабилизатора напряжения

Резкие и значительные перепады напряжения переменного тока в сети приводят к нестабильной работе электронного оборудования и электротехнических бытовых устройств. В крайних случаях такие скачки могут стать причиной поломки электроники и выхода ее из строя. Незаменимым в этом случае оказывается применение стабилизаторов напряжения питающей сети. Все чаще пользователи останавливают свой выбор на инверторных стабилизаторах напряжения для дома.

Обзор стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения сети переменного тока исторически развивались, используя различные схемотехнические решения. В настоящее время существует несколько видов стабилизаторов:

• релейные стабилизаторы напряжения;
• электромеханические стабилизаторы с сервоприводом;
• электронные тиристорные или симисторные стабилизаторы;
• инверторные стабилизаторы напряжения.

Выходное напряжение релейных стабилизаторов изменяется ступенями за счет переключения обмоток сетевого трансформатора контактами мощных электромагнитных реле. Точность стабилизации определяется числом переключаемых обмоток. Таких обмоток может быть от 5 до 10. При переключении с одной обмотки на соседнюю выходное напряжение изменяет свое значение приблизительно на (15-20) В.

В электромеханических стабилизаторах сервопривод постоянного тока перемещает графитовую щетку токосъемника по виткам обмотки автотрансформатора. Значение управляющего сигнала зависит от разницы входного и опорного напряжения, соответствующего значению 220 В. При устранении разницы устройство управления двигателем сервопривода переходит в режим слежения.

В электронных стабилизаторах переключение используемых обмоток трансформатора исполнительными элементами происходит под управлением контроллера.

Узел переключения выполнен на полупроводниковых симисторах или тиристорах. Работа контроллера определяется программным обеспечением, установленном на заводе-изготовителе изделия.

Принцип работы инверторного стабилизатора

В основу работы инверторного стабилизатора напряжения положен принцип двойного преобразования. Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянный ток, а затем производится обратное преобразование. Обеспечение на выходе устройства стабильного переменного напряжения 220 В осуществляется электроникой инверторных стабилизаторов напряжения.

Она не имеет громоздких силовых трансформаторов. Состав стабилизаторов включает следующие электронные блоки:

• входной сетевой LC фильтр;
• полупроводниковый диодный двухполупериодный выпрямитель;
• устройство коррекции коэффициента мощности;
• блок накопительных конденсаторов;
• инвертор-преобразователь;
• кварцевый тактовый генератор стабильной частоты;
• высокочастотный выходной фильтр;
• микропроцессорный контроллер.

Пассивный входной сетевой фильтр используется для устранения высокочастотных помех и сглаживания коротких выбросов напряжения питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное, часть электрической энергии которого накапливается в блоке электролитических конденсаторов большой емкости. Они являются резервным источником, вступающим в работу при появлении провалов сетевого напряжения или его кратковременном отключении.

Задача корректора состоит в нормализации мощности, отбираемой от сети, не допуская перегрузки стабилизатора при его работе. Инвертор-преобразователь восстанавливает переменное напряжение из постоянного. За счет участия в его работе кварцевого генератора выходное напряжение имеет форму чистой синусоиды частотой 50 Гц с погрешностью, не превышающей 0,5%.

Контроллер управляет работой цепей стабилизации выходного напряжения и производит оценку состояния отдельных блоков устройства с выдачей результатов на элементы индикации. Он выдает команды на автоматическое отключение работы стабилизатора в случае выхода значения входного напряжения за диапазон регулирования, определяемый техническими характеристиками.

Технические характеристики стабилизаторов

При выборе стабилизатора переменного напряжения домашней сети большое внимание следует обратить на его основные технические характеристики, к которым относятся следующие:

• максимально допустимая мощность нагрузки, которую может обеспечить стабилизатор при сохранении параметров качества сетевого напряжения;
• допустимые колебания сетевого напряжения, при которых напряжение на выходе стабилизатора сохраняет свое значение с учетом требований стандартов качества;
• скорость выравнивания, определяющая время отклика стабилизатора на кратковременные быстропеременные изменения сетевого напряжения для сохранения выходного напряжения неизменным;
• форма выходного сигнала, приближающаяся в идеале к синусоиде;
• точность параметров стабилизированного напряжения;
• степень защиты, определяющая возможность эксплуатации стабилизатора в условиях экстремальных температур и повышенных значений относительного уровня влажности;
• форм-фактор, определяющий габариты стабилизатора;
• уровень помех, создаваемый устройством, для работы окружающего оборудования.

Дополнительным фактором, влияющим на выбор стабилизатора, может служить наличие элементов визуальной индикации и сигнализации.

Она должна информировать пользователя в полной мере о значениях входных и стабилизированных параметров и предупреждать о возникновении критических ситуаций.

Особенности инверторных стабилизаторов

Отсутствие в них громоздких ферромагнитных трансформаторов со сложной структурой обмоток значительно облегчило конструкцию. Инверторные стабилизаторы напряжения не содержат движущихся частей сервоприводов, что не требует их периодического обслуживания в процессе эксплуатации и делает работу стабилизаторов практически бесшумной. В качестве силовых элементов используются IGBT или MOSFET полупроводниковые приборы, изготовленные по современным технологиям.

Использование кварцевых тактовых генераторов позволяет получать выходное переменное напряжение, форма которого приближается к чистому синусу. Схемные решения позволяют исправлять не идеальную форму входного сетевого напряжения. Управление всеми функциями осуществляется под управлением микроконтроллера.

Показатели инверторных стабилизаторов

Схемные и технические решения, реализованные в инверторных стабилизаторах напряжения, позволяют производить готовые изделия, показатели которых существенно отличаются от показателей стабилизаторов других типов в лучшую сторону. Ведущие отечественные и зарубежные производители создают линейки изделий, рассчитанные на разные уровни мощности потребителей. Они начинаются от мощности 300 ВА. Инверторный стабилизатор напряжения 10 кВт (кВА) является не последним в этом ряду.

Что касается других показателей. Инверторные стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием сохраняют на выходе стабилизированное напряжение 220 В с отклонением не более 1% при изменениях сетевого напряжения в диапазоне 90-310 В. Погрешность показаний по частоте при этом не превышает 0,5%. Скорость стабилизации находится на уровне 10 мс, что позволят в качестве нагрузки использовать прецизионные измерительные приборы. При этом производится полное подавление импульсных помех.

Заключение

Инверторные стабилизаторы напряжения постепенно завоевывают рынок сетевых стабилизаторов. После ознакомления с материалами статьи читатели поймут, что это вполне заслужено. Технические и схемные решения, используемые в таких изделиях, позволяют добиться показателей, недостижимых для других типов стабилизаторов. Их цена, постепенно снижающаяся, оправдывает те преимущества, которые получают пользователи таких устройств после их приобретения.

Инверторные стабилизаторы напряжения постепенно выходят на первое место по популярности. Они очень надёжны, компактны, обеспечивают идеальные характеристики выходного напряжения и не имеют механических деталей. Благодаря исключительно высоким параметрам, инверторный стабилизатор напряжения прекрасно подходит для питания любой бытовой и офисной техники. Он так же применяется в качестве источника питания на производстве, домашнего и дачного стабилизатора.

Содержание:

Технические особенности инверторного стабилизатора

Инверторный стабилизатор напряжения выполнен без применения силовых трансформаторов и электромагнитных реле, которые используются в источниках питания другого типа.

В инверторном стабилизаторе выполняются два процесса:

• Преобразование переменного тока в постоянный;
• Обратное преобразование.

Отсутствие электромеханических узлов повышает надёжность стабилизатора и обеспечивает отличные выходные характеристики. Подобный стабилизатор не требует технического обслуживания и корректно работает в широком диапазоне напряжения на входе.

Схема устройства состоит из следующих электронных блоков:

• Входной L/C фильтр;
• Диодный выпрямитель;
• Корректор коэффициента мощности;
• Блок конденсаторов;
• Инвертор-преобразователь;
• Микропроцессор.

Напряжение сети поступает на пассивный сетевой фильтр, выполненный на конденсаторах и катушках индуктивности. Он сглаживает пиковые выбросы сетевого напряжения и практически полностью убирает высокочастотные помехи. Затем напряжение попадает на выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный, где приобретает вид чистой синусоиды. Далее включается корректор коэффициента мощности, который равномернее отбирает мощность от сети и снижает значение потребляемого тока.

Часть напряжения поступает на блок конденсаторов. Конденсаторы накапливают энергию, которая аккумулируется в них при больших величинах входного напряжения и отдают её в линию, когда возникает её недостаток.

В конечном итоге энергия поступает к инвертору, который делает всю оставшуюся работу – преобразует постоянное напряжение обратно в переменное, и делает его синусоидальным. При этом на выходе мы получаем стабильную частоту в 50 Гц, и рабочее напряжение 220 Вольт.

Именно из-за двух ступеней преобразования и наличию инверторов данные стабилизаторы и получили название «инверторные» или «стабилизаторы двойного преобразования».

Особенности стабилизатора напряжения с двойным преобразованием:

• Инвертор осуществляет преобразование постоянного напряжения в переменное. Он собран на MOSFET или IGBT полупроводниковых приборах, смонтированных на радиаторах;
• Управление работой инвертора может осуществляться с помощью ШИМ-контроллера;
• Инверторные стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием имеют защиту нагрузки и самого стабилизатора от больших выбросов напряжения сети;
• Управление функциями элементов инверторного стабилизатора выполняет микроконтроллер;
• Кварцевый тактовый генератор обеспечивает высокое качество напряжения на выходе устройства.

Технические решения, применяемые в инверторных стабилизаторах, позволяют получить на выходе номинальное напряжение, необходимое для питания различных потребителей, с отклонением не более 1%. Инверторный стабилизатор напряжения является единственным устройством подобного типа, которое жёстко контролирует частоту.

Основные преимущества и недостатки

При сравнении технических характеристик инверторных стабилизаторов напряжения с характеристиками стабилизаторов других типов, хорошо заметно преимущество электронных устройств.

К достоинствам стабилизаторов двойного преобразования можно отнести следующее:

• Работа в большом диапазоне сетевых напряжений;
• Синусоидальная форма напряжения;
• Высокая скорость стабилизации;
• Точность выходных параметров;
• Полное подавление импульсных помех;
• Компактность устройства.

Электронная схема стабилизатора напряжения позволяет ему корректно работать при достаточно большом разбросе величины входного напряжения. Инверторные стабилизаторы напряжения для дома обеспечивают отличные выходные характеристики при колебаниях напряжения на входе в пределах 115-290 вольт. У разных моделей этот показатель может несколько отличаться.

Электронный стабилизатор для дома инверторного типа обеспечивает на выходе практически идеальную синусоиду, в то время как устройства другого типа могут выдавать аппроксимированную (ступенчатую) синусоиду или меандр, что категорически неприемлемо для работы многих устройств.

Поскольку в схеме устройства отсутствуют электромеханические узлы, автоматика инверторного стабилизатора обеспечивает практически мгновенную реакцию на изменения входного напряжения. Это время не превышает нескольких микросекунд и определяется только переходными процессорами в транзисторах.

Применение микроконтроллера с кварцевым генератором позволяет добиться исключительно высоких параметров напряжения и частоты на выходе стабилизатора. Отклонение напряжения от номинальной величины в 220В обычно не превышает 1%, а частоты не более 0,5%.

Индуктивно-ёмкостные фильтры практически полностью подавляют весь спектр импульсных помех, а так же устраняют кратковременные пиковые выбросы напряжения. Благодаря отсутствию мощного силового трансформатора удалось снизить до минимума вес и габариты устройства. От перегрузок стабилизатор защищает входной автоматический выключатель и быстродействующая электронная защита, иногда оснащённая звуковой сигнализацией.

Основными недостатками инверторных стабилизаторов можно считать высокую цену. Кроме того, электронные компоненты нагреваются в процессе работы и требуют воздушного охлаждения. Для этой цели применяются компактные вентиляторы, которые издают небольшой шум, но это трудно назвать существенным недостатком.

Выбор инверторного стабилизатора

При выборе электронного стабилизатора напряжения с двойным преобразованием следует обращать внимание на его основные характеристики:

• Допустимая мощность нагрузки;
• Скорость выравнивания;
• Форма напряжения на выходе;
• Точность параметров;
• Допустимые колебания напряжения сети;
• Условия эксплуатации.

Мощность. Мощность стабилизатора можно считать основным параметром при выборе данного прибора. Для определения необходимой мощности нужно подсчитать мощность всех бытовых устройств, которые будут питаться от этого стабилизатора, и прибавить 20-30% резерва.

Для квартиры вполне подойдёт стабилизатор, мощностью 3-5 кВт. Инверторный стабилизатор напряжения на 10 кВт подойдёт для частного загородного дома, особенно если в нём имеется отопительная система с циркуляционным насосом и собственная артезианская скважина, оборудованная погружным насосом.

Скорость выравнивания – это время, которое требуется стабилизатору, чтобы отреагировать на изменение напряжения на входе. Инверторные стабилизаторы обладают самой высокой скоростью выравнивания среди всех моделей стабилизаторов, поэтому на нее можно не обращать внимания. Стабилизаторы двойного преобразования (инверторные) выдают неискажённую синусоиду. Такая форма напряжения идеально подходит для электропитания любых бытовых устройств и газовых котлов.

Напряжение на входе и выходе. При оценке выходных параметров следует знать, что у инверторных стабилизаторов напряжения самые лучшие параметры как по отклонению напряжения от номинала на выходе, так и по частоте. Диапазон напряжения на входе, в зависимости от модели, может меняться в небольших пределах. Разброс входного напряжения, при котором способен работать стабилизатор, обычно находится в пределах от 115-120 до 280-290В, но некоторые модели способны покрыть больший разброс напряжения.

Степень защиты. В документации на стабилизатор обычно указывается интервал температур, при которых может эксплуатироваться устройство, а так же относительный уровень влажности, поэтому на это также стоит обращать внимание, особенно если планируется использовать стабилизатор в неотапливаемом помещении или в неблагоприятных для техники условиях.

Прочие параметры. Инверторный стабилизатор напряжения имеет небольшие габариты, а благодаря отсутствию мощного трансформатора и малый вес, поэтому большинство моделей имеет настенное крепление. Приборы имеют индикацию режимов работы и информационный дисплей.

Бытовой стабилизатор

Группа компаний «Штиль», которая уже более 25 лет считается одним из лидеров в производстве систем электропитания, предлагает линейку бытовых стабилизаторов двойного преобразования. Инверторный стабилизатор напряжения «Штиль» отлично подойдёт для квартиры или небольшого дома. Ряд стабилизаторов включает в себя модели с мощностью 500, 1000, 1500 и 3500 В/А. Выходное напряжение имеет синусоидальную форму, а точность установки составляет 220 ± 2%. Стабилизаторы уверенно работают при колебаниях сетевого напряжения от 90 до 300 вольт, и имеют защиту от перегрузки. Все модели, кроме стабилизатора 500В/А оборудованы жидкокристаллическим дисплеем, на который выводятся все нужные параметры.

Среди различных модификаций устройств, предназначенных для стабилизации напряжения, инверторный стабилизатор напряжения может считаться самым современным и перспективным. Он построен на современной элементной базе и обладает высокими техническими характеристиками. Бытует мнение, правда спорное, что в обозримом будущем эти устройства вытеснят все остальные модели.

Что такое инверторный стабилизатор?

Прежде всего, это полностью электронный прибор, в котором отсутствуют любые механические или электромеханические компоненты. В нём нет даже трансформатора. В этом устройстве осуществляется принцип двойного преобразования напряжения.

Инверторный стабилизатор состоит из ряда элементов:

• Сетевой фильтр;
• Выпрямитель;
• Корректор коэффициента мощности;
• Батарея конденсаторов;
• Преобразователь-инвертор;
• Контроллер;
• Кварцевый генератор;
• Блок индикации.

Принцип работы

Напряжение попадает на входной фильтр. Этот элемент используется для повышения надёжности и выполнен по двухзвенной схеме. Фильтр выполнен на пассивных элементах. Это конденсаторы и индуктивности, выполненные на ферритовых кольцах.

Задача фильтра убирать всё лишнее, что может из сети попасть на вход стабилизатора. Это импульсные помехи и выбросы высокой частоты. Очищенное напряжение попадает на мостовой выпрямитель, выполненный на кремниевых мощных диодах. Здесь осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное.

Преобразованное напряжение поступает на корректор мощности. Его задача поддерживать одинаковый уровень мощности, независящий от изменения напряжения на входе. Кроме того, он защищает сеть от проникновения в неё импульсных помех, которые могут возникать от работы стабилизатора. В его функцию входит также контроль заряда конденсаторов. Постоянное напряжение накапливается в конденсаторах, задачей которых является накопление электроэнергии при её избытке, и отдача оной в дальнейшую схему при её недостатке.

Следующий элемент схемы это преобразователь-инвертор, который осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Это наиболее ответственный процесс. Фактически в этом элементе напряжение 220В формируется заново, поэтому оно имеет практически идеальные характеристики.

Инвертор представляет собой мультивибратор, собранный на мощных IGBT транзисторах. Эта схема обеспечивает минимальную потерю энергии. Работой инвертора управляет контроллер, кварцевый генератор которого способствует формированию и поддержанию стабильной частоты переменного тока.

Инверторные стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием в обязательном порядке оснащаются электронными схемами защиты. Это может быть контроль напряжения на входе, при превышении порога выше критической величины, и защита от перегрузки.

Обычно стабилизаторы напряжения имеют блок индикации, выполненный на светодиодных матрицах. Они высвечивают напряжение на входе, напряжение на выходе и иногда частоту. Кроме того на передней панели находятся индикаторы режимов и аварийные индикаторы защиты.

Преимущества и недостатки

Иногда в отзывах об этой технике можно встретить высказывания, что инверторный стабилизатор вообще не имеет недостатков. Это не совсем так. Другое дело, что его достоинства значительно преобладают над недостатками.

К преимуществам стабилизатора двойного преобразования можно отнести следующее:

• Большой диапазон напряжения на входе;
• Высокая скорость стабилизации;
• Минимальный процент отклонения от номинала на выходе;
• Практически чистая синусоида;
• Отсутствие тяжёлого железа;
• Бесшумная работа;
• Надёжность.

Поскольку напряжение сети сразу выпрямляется и корректируется, то стабилизатор инверторного типа менее критичен к разбросу входной величины. Отсутствие медленно работающей механики (как у электромеханического стабилизатора) позволяет устройству практически мгновенно реагировать на изменения напряжения на входе, поэтому скорость стабилизации здесь самая высокая и зависит только от характеристик полупроводниковых приборов.

В стабилизаторе двойного преобразования происходит даже не стабилизация, а генерация напряжения с высокими характеристиками, поэтому с выхода снимается неискажённая синусоида с очень маленьким отклонением.

Отсутствие мощного трансформатора, позволило снизить вес и габариты. Полупроводниковые приборы, конечно, нагреваются, но эта проблема решается установкой бесшумного кулера.

Надёжность инверторного стабилизатора обеспечивается отсутствием механических элементов, а у современных транзисторов и интегральных компонентов, на основе которых выполнен инверторный стабилизатор, очень большой срок службы.

Недостатков у инверторного стабилизатора совсем не много. Прежде всего, это его стоимость, которая заметно превышает цену любого другого стабилизатора. Следующим, более серьёзным недостатком, можно считать зависимость нагрузки от напряжения на входе. Это происходит в связи с нехваткой мощности накопительных ёмкостей.

Критерии выбора

Инверторные стабилизаторы напряжения для дома обычно выбирают по основным техническим характеристикам устройства.

К ним относятся следующие величины:

• Мощность;
• Скорость стабилизации;
• Точность выходных параметров;
• Диапазон сети.

Мощность, наверное, самый важный параметр. Выбор устройства по мощности зависит от общей мощности потребителей, которые будут к нему подключены. Здесь следует подсчитать все активные и реактивные нагрузки и приплюсовать 25-30% на резерв.

При выборе инверторного стабилизатора можно не обращать внимания на такой параметр, как скорость реакции, поскольку у этих приборов она всегда выше, чем у релейных, электронных стабилизаторов, и, тем более, сервоприводных.

Конечно, у приборов для стабилизации напряжения имеются менее важные параметры, такие как конструктивное исполнение. Обычно оно может быть настенным — у приборов небольшой мощности, и напольным — у более серьезных моделей.

Важным так же является наличие функции «Байпас» (обход). Суть её в следующем. Если напряжение на входе находится в допустимых пределах, то питание потребителя осуществляется напрямую, то есть, минуя электронную схему стабилизатора. Как только напряжение отклонилось выше или ниже определённых пределов – подключается стабилизатор. Переключение осуществляется автоматически и очень быстро.

Условия эксплуатации

При всей своей надёжности, стабилизаторы двойного преобразования требуют соблюдения некоторых правил. Инверторный стабилизатор напряжения может функционировать в условиях низких и высоких температур, но превышать эти пределы не следует.

Электронная схема достаточно чувствительна к появлению конденсата, поэтому если эта неприятность имеет место, следует подождать с включением стабилизатора в сеть. Прибор не любит, когда отсутствует свободная циркуляция воздуха, поэтому его следует располагать так, чтобы между каждой стенкой корпуса было расстояние 5-10 см. По этой же причине устройство нельзя чем-то накрывать. И конечно, нельзя самостоятельно вскрывать прибор.

Некоторые модели инверторных стабилизаторов

В качестве компактного бытового стабилизатора можно рассмотреть инверторный стабилизатор напряжения Штиль R 3500. Это однофазный стабилизатор, который прекрасно подойдёт для работы с потребителями небольшой мощности. Прибор работает при напряжении от 90 до 310В и обеспечивает на выходе гладкую синусоиду. Погрешность его составляет 220В ± 2%. Он может выдерживать перегрузку в 150% порядка 5 секунд.

Если требуется установить более серьёзную модель, то можно обратить внимание на инверторный стабилизатор напряжения 10 кВт Powercom AR-10K. Это устройство способно обеспечить работу мощной нагрузки. Выходные параметры данного стабилизатора соответствуют самым строгим критериям. Он имеет все виды защиты и информационный дисплей. Стоит достаточно дорого, и если нет жестких требований к выходным параметрам, то можно обойтись более дешёвыми моделями.