Электромеханический стабилизатор напряжения
Содержание
Качество питающей сети бытового напряжения порой оставляет желать лучшего. Особенно это заметно в удаленных от городов населенных пунктах. Вызывается это, в основном, низким качеством линий электропередач и неравномерной нагрузкой. Часто значение нестабильного напряжения выходит за пределы допустимых значений для бытовой техники. Понижение напряжения может вызвать неработоспособность или некачественную работу техники, низкую яркость осветительных ламп, а превышение чревато перегоранием предохранителей и выходом из строя устройств различной сложности и стоимости.
![Стабилизатор напряжения](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/1-stabilizator-600x566.jpg?x44801)
Стабилизатор напряжения
Существует возможность привести значение напряжения к нормальному значению – это использование стабилизатора напряжения. Стабилизаторы переменного напряжения могут быть различной конструкции и использовать несколько принципов стабилизации:
- Феррорезонансные. Практически не используются из-за искажений формы напряжения и высокого уровня электромагнитных помех, хотя имеют наилучшие параметры стабилизации и высокую надежность;
- С переключающимися обмотками. Могут быть на основе электромагнитных реле или полупроводниковых элементов, тиристоров;
- Электромеханические.
Принцип работы электромеханического стабилизатора
В основу данного устройства входит автотрансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации. Выглядит это следующим образом.
На тороидальный трансформатор намотана обмотка изолированным проводом. На одном из торцов трансформатора изоляция с обмотки удалена. По этому участку передвигается токосъемный узел. Перемещая токосъемник по обмотке, добавляют или удаляют из работы часть витков. Благодаря этому меняется коэффициент трансформации. Точно так же устроен лабораторный автотрансформатор – ЛАТР.
![ЛАТР](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/2-latr-549x600.jpg?x44801)
ЛАТР
Основное отличие автоматического стабилизатора заключается в том, что привод узла регулировки осуществляется при помощи электродвигателя, в качестве которого используется шаговый электромотор. Почему нельзя применять обычный двигатель? У простого электродвигателя невозможно контролировать угол поворота подвижной части – ротора или якоря. Шаговый же электропривод поворачивается на строго заданный угол в соответствии с количеством поданных импульсов.
Устройство
Однофазный электромеханический стабилизатор напряжения состоит из следующих узлов:
- Собственно автотрансформатор;
- Щеточный узел;
- Сервопривод;
- Блок контроля и управления;
- Блок индикации;
- Устройство внутреннего питания;
- Устройство защиты.
В качестве дополнительных опций производители могут включать также фильтрующие элементы для защиты потребителей от помех, распространяющихся по сети переменного тока.
Автотрансформатор
Это самый габаритный и тяжелый узел. Мощность автотрансформатора определяет величину нагрузки, которая может достигать десятков киловатт. Достоинством автотрансформатора является то, что он не имеет раздельных первичных и вторичных обмоток. Вторичная обмотка является частью первичной. При равенстве входного и выходного напряжений трансформатор не играет никакой роли, лишь добавляя нагрузку в сеть в виде незначительного тока холостого хода.
Щеточный узел
Благодаря щеткам образуется контакт с витками обмотки трансформатора. Требованиями к щеточному узлу являются низкое трение для облегчения передвижения по обмотке, низкое переходное сопротивление и стойкость к износу.
Щетки являются самым ненадежным элементом сервоприводного стабилизатора напряжения. Срок службы токосъемных элементов даже при умеренной эксплуатации составляет несколько лет, после чего они подлежат замене.
![Щеточный узел](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/3-shchetochnyj-uzel-600x347.jpg?x44801)
Щеточный узел
Для изготовления щеток используется материал на основе графита. Свойствами графита являются его низкий коэффициент трения и низкое электрическое сопротивление. В то же время графит – довольно мягкий материал, и со временем щетки изнашиваются. Для равномерной выработки и снижения износа часто щетки выполняют в виде колес, которые перекатываются по виткам автотрансформатора.
Наличие переходного сопротивления между материалом щеток и витками трансформатора вызывает повышенное тепловыделение в месте контакта. Особенно велико сопротивление в тех частях обмотки, где щетки оказываются нечасто, например, при большом снижении или повышении входного напряжения, поскольку оголенные витки медного провода покрываются пленкой окислов от контакта с воздухом.
Для отвода излишков тепла щеточный узел снабжается ребристым радиатором охлаждения.
Сервопривод
Шаговый двигатель, который используется для привода щеточного узла, должен обладать высокой скоростью вращения и мощностью, достаточной для преодоления силы трения щеток, прижатых пружинами к обмотке. Разумеется, что чем выше мощность стабилизатора, тем габаритнее щетки и выше их трение об обмотки. Соответственно, мощность сервопривода должна быть также выше.
![Сервопривод](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/4-servoprivod-600x437.jpg?x44801)
Сервопривод
Блоки электроники
Электронно-управляющий блок осуществляет контроль величин входного и выходного напряжений. Чем больше величина рассогласования, тем большее количество импульсов должно быть подано на обмотку шагового электродвигателя. По мере проворачивания щеточного узла выходное напряжение все более приближается к номинальному значению. При точном совпадении подача управляющих импульсов прекращается полностью.
Блок индикации позволяет визуально контролировать состояние входного и выходного напряжений. Данные выводятся на цифровой индикатор или стрелочный прибор в дешевых моделях.
Устройство защиты производит отключение устройства от сети и нагрузки при выходе напряжения за пределы допустимых значений, а также при превышении допустимой нагрузки потребителей.
Для питания внутренней электронной схемы используется малогабаритный маломощный трансформатор, первичная обмотка которого рассчитана на весь допустимый диапазон входного напряжения.
![Внутреннее устройство](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/5-vnutrennee-ustrojstvo-585x600.jpg?x44801)
Внутреннее устройство
Достоинства и недостатки
Однофазный электромеханический стабилизатор обладает целым рядом достоинств, благодаря которым пользуется спросом и выпускается различными производителями:
- Один из самых высоких показателей точности стабилизации – может доходить до 2%;
- Плавность регулировки и отсутствие скачков выходного напряжения, как в релейных и тиристорных стабилизаторах;
- Отсутствие искажений формы питающего тока, что позволяет использовать стабилизатор для питания любых типов нагрузки;
- Широкий диапазон значений входного напряжения;
- Отсутствие электромагнитных помех. Тороидальные трансформаторы обладают минимальным полем рассеивания;
- Высокие значения допустимой мощности нагрузки, которая определяется, в основном, габаритами и сечением провода обмотки автотрансформатора;
- Средний ценовой диапазон.
Широкому распространению данного типа устройств препятствует крайне низкая скорость реакции на изменение напряжения. Это связано с использованием подвижных устройств. К примеру, изменение напряжения на 50 В потребует около 5 секунд для того, чтобы выходное напряжение стало равным номинальному. Такая величина в несколько раз выше, чем у релейного стабилизатора, не говоря о тиристорном.
Следует отметить и низкую надежность, которая определяется надежностью щеточного узла. Как уже было сказано, износ щеток вынуждает производить их периодическую замену. Надежность щеток даже ниже, чем у контактов реле в релейных стабилизаторах.
Остальные элементы по своей надежности такие же, как и в остальных стабилизаторах.
Использование того или иного типов стабилизаторов определяется требованиями нагрузки и характеристиками сети. Электромеханический сервоприводный стабилизатор напряжения незаменим в тех случаях, когда недопустимы скачкообразные изменения напряжения, искажения его формы, но нестабильность по входу не предполагает резких изменений.