Spanningsstabilisators Begrepen: Doel, Werking, Typen en Toepassingen

Wat is een Spanningsstabilisator en Waarom Hebben We Het Nodig? Stabilisator Werking, Typen en Toepassingen

Inleiding tot Stabilisator

De integratie van microprocessorchiptechnologie en vermogenelektronische apparaten in het ontwerp van intelligente AC-spanningsstabilisatoren (of automatische spanningsregelaars (AVR)) leidde tot het produceren van hoogwaardige, stabiele elektrische voeding in het geval van significante en continue afwijkingen van de netspanning.

Als voortgang op de conventionele relais-type spanningsstabilisatoren, gebruiken moderne innovatieve stabilisatoren hoogpresterende digitale bedieningsschakelingen en solid-state bedieningsschakelingen die potentiometerinstellingen elimineren en de gebruiker in staat stellen spanningsvereisten via een toetsenblok in te stellen, met uitgang start- en stopfaciliteit.

Dit heeft ook geleid tot het maken van de triptijd of responsiviteit van de stabilisatoren tot een zeer lage waarde, typisch minder dan een paar milliseconden, wat bovendien instelbaar is met variabele instellingen. Tegenwoordig zijn stabilisatoren een geoptimaliseerde stroomoplossing voor veel elektronische apparaten die gevoelig zijn voor spanningsschommelingen en ze werken met veel apparaten zoals CNC-machines, airconditioners, televisies, medische apparatuur, computers, telecommunicatieapparatuur, enz.

Wat is een Spanningsstabilisator?

Het is een elektrisch toestel dat ontworpen is om een constante spanning aan een last te leveren aan zijn uitgangsklemmen, ongeacht veranderingen in de invoer- of binnenkomende voedingsspanning. Het beschermt het toestel of de machine tegen overspanning, ondervolting en andere spanningstoppen.

Het wordt ook wel automatische spanningsregelaar (AVR) genoemd. Spanningsstabilisatoren worden voorkeur gegeven voor duur en waardevolle elektrische apparaten om ze te beschermen tegen schadelijke lage/hoge spanningsschommelingen. Enkele van deze apparaten zijn airconditioners, offset-drukmachines, laboratoriumapparatuur, industriële machines en medische apparaten.

Spanningsstabilisatoren regelen de wisselende invoerspanning voordat deze aan de last (of apparatuur die gevoelig is voor spanningsschommelingen) kan worden toegevoerd. De uitgangsspanning van de stabilisator blijft in het bereik van 220V of 230V bij enkelvoudige voeding en 380V of 400V bij drievoudige voeding, binnen het gegeven wisselende bereik van de invoerspanning. Deze regeling wordt uitgevoerd door buck- en boost-operaties die door de interne schakeling worden uitgevoerd.

Er is een enorme variëteit aan automatische spanningsregelaars beschikbaar op de markt. Deze kunnen enkelvoudige of drievoudige eenheden zijn, zoals vereist door het type toepassing en capaciteit (kVA) die nodig is. Drievoudige stabilisatoren komen in twee versies: gelaste belastingmodellen en ongebalanceerde belastingmodellen.

Deze zijn beschikbaar als speciale eenheden voor apparaten of als een grote stabilisatoreenheid voor alle apparaten op een bepaalde plek, bijvoorbeeld een heel huis. Daarnaast kunnen dit analoge of digitale typen stabilisatoreenheden zijn.

De gangbare typen spanningsstabilisatoren zijn handmatig bediende of schakelbare stabilisatoren, automatische relais-type stabilisatoren, solid-state of statische stabilisatoren, en servogestuurde stabilisatoren. Naast de stabiliserende functie, komen de meeste stabilisatoren met additionele functies zoals invoer/uitgang lage spanning afschakeling, invoer/uitgang hoge spanning afschakeling, overbelasting afschakeling, uitgang start- en stopfaciliteit, handmatige/automatische start, spanning afschakelweergave, nulspanningsschakeling, enz.

Waarom Zijn Spanningsstabilisatoren Nodig?

In het algemeen is elk elektrisch toestel of apparaat ontworpen voor een wijd bereik van invoerspanning. Afhankelijk van de gevoeligheid, is het werkbereik van de apparaten beperkt tot specifieke waarden; bijvoorbeeld kunnen sommige apparaten ±10% van de nominale spanning tolereren, anderen ±5% of minder.

Spanningsschommelingen (stijging of daling van de grootte van de nominale spanning) zijn heel veelvoorkomend in veel gebieden, vooral aan eindlijnen. De meest voorkomende oorzaken voor spanningsschommelingen zijn bliksem, elektrische fouten, defecte bedrading en periodiek uitschakelen van het apparaat. Deze schommelingen creëren ongelukken voor elektrische toestellen of apparaten.

Lange durende overspanning zal resulteren in:

• Permanente schade aan het toestel
• Isolatieschade aan de windingen
• Ongewenste onderbreking in de last
• Verhoogde verliezen in kabels en bijbehorende apparatuur
• Vermindering van de levensduur van het toestel

Lange durende ondervolting zal resulteren in:

• Misfunctionering van het toestel
• Langere werktijden (zoals bij weerstandsverwarmers)
• Verminderde prestaties van het toestel
• Het trekken van grote stromen wat leidt tot oververhitting
• Berekeningsfouten
• Verminderde snelheid van motoren

Dus de spanningstabiliteit en nauwkeurigheid bepalen de correcte werking van het toestel. Spanningsstabilisatoren zorgen er dus voor dat spanningsschommelingen in de binnenkomende voeding de last of het elektrische toestel niet beïnvloeden.

Hoe Werkt een Spanningsstabilisator?

Basisprincipe van Spanningstabilisator voor Buck- en Boost-operaties

In een spanningsstabilisator wordt spanningcorrectie van over- en ondervoltingssituaties uitgevoerd door twee essentiële operaties, namelijk boost- en buck-operaties. Deze operaties kunnen handmatig worden uitgevoerd door schakelaars of automatisch via elektronische schakelingen. Bij ondervoltingssituatie verhoogt de boost-operatie de spanning tot het nominale niveau, terwijl de buck-operatie het spanningniveau verlaagt bij overspanningssituatie.

Het concept van stabilisatie omvat het toevoegen of aftrekken van spanning aan en van de netvoeding. Voor het uitvoeren van zo'n taak gebruikt de stabilisator een transformator die in verschillende configuraties met schakelrelais is aangesloten. Sommige stabilisatoren gebruiken een transformator met tappen op de winding om verschillende spanningcorrecties te bieden, terwijl servostabilisatoren een autotransformator gebruiken om een wijd bereik van correctie te hebben.

Om dit concept te begrijpen, laten we een eenvoudige afwaartstransformator van 230/12V overwegen en de verbinding met deze operaties.

De bovenstaande afbeelding illustreert de boost-configuratie waarin de polariteit van de secundaire winding zo georiënteerd is dat de spanning direct wordt opgeteld bij de primaire spanning. Daarom, in het geval van ondervoltingssituatie, wordt de transformator (of het nu een tappen-wisselende of autotransformator is) door de relais of solid-state schakelaars geschakeld zodanig dat additionele volt aan de invoerspanning worden toegevoegd.

In de bovenstaande afbeelding is de transformator in buck-configuratie aangesloten, waarbij de polariteit van de secundaire spoel zo georiënteerd is dat de spanning van de primaire spanning wordt afgetrokken. Het schakelcircuit verplaatst de verbinding naar de last naar deze configuratie tijdens overspanningssituatie.

De bovenstaande afbeelding toont een tweetraps spanningsstabilisator die twee relais gebruikt om constante AC-voeding aan de last te leveren tijdens over- en ondervoltingssituaties. Door de relais te schakelen, kunnen buck- en boost-operaties voor twee specifieke spanningsschommelingen (één is ondervolting, bijvoorbeeld 195V, en een ander voor overspanning, bijvoorbeeld 245V) worden uitgevoerd.

In het geval van tappen-transformator type stabilisatoren, worden verschillende tappen geschakeld op basis van het vereiste bedrag aan boost- of buck-spanning. Maar in het geval van autotransformatortype stabilisatoren, worden motoren (servomotor) samen met een glijcontact gebruikt om boost- of buck-spanningen van de autotransformator te verkrijgen, aangezien deze slechts één winding bevat.

Typen Spanningsstabilisatoren

Spanningsstabilisatoren zijn een integrale onderdeel van veel elektrische apparaten in huizen, industrieën en commerciële systemen. Vroeger werden handmatig bediende of schakelbare spanningsstabilisatoren gebruikt om de binnenkomende spanning te boosten of te bucken om een uitgangsspanning binnen een gewenst bereik te geven. Dergelijke stabilisatoren zijn gebouwd met elektromechanische relais als schakelapparaten.

Later automatiseerde additionele elektronische schakelingen het stabilisatieproces en gaven geboorte aan tappenwisselaar automatische spanningsregelaars. Een ander populair type spanningsstabilisator is de servostabilisator waarbij spanningcorrectie continu zonder enige schakeling wordt uitgevoerd. Laten we de drie hoofdtypen spanningsstabilisatoren bespreken.

Relais-type Spanningsstabilisatoren

In dit type spanningsstabilisatoren wordt spanningregeling bereikt door de relais te schakelen om een van de aantal tappen van de transformator met de last te verbinden (zoals hierboven besproken), of het nu voor boost- of buck-operatie is. De onderstaande afbeelding illustreert de interne schakeling van relais-type stabilisator.

Het heeft een elektronisch circuit en een set relais naast de transformator (die toroïdaal of ijzeren kern kan zijn met tappen op de secundaire). Het elektronische circuit bestaat uit een gelijkrichtercircuit, operationele versterker, microcontrollereenheid en andere kleine componenten.

Het elektronische circuit vergelijkt de uitgangsspanning met een referentiewaarde die wordt geleverd door de ingebouwde referentieSpanningsbron. Wanneer de spanning stijgt of daalt buiten de referentiewaarde, schakelt het bedieningscircuit de bijbehorende relais om een gewenste tappen met de uitgang te verbinden.

Deze stabilisatoren veranderen meestal de spanning voor invoerspanningsvariaties van ±15% tot ±6% met een uitgangsspanningsnauwkeurigheid van ±5 tot ±10%. Dit type stabilisatoren is het meest populair voor lage vermogensapparaten in residentiële, commerciële en industriële toepassingen omdat ze lichtgewicht en goedkoop zijn. Echter, ze lijden onder verschillende beperkingen zoals trage spanningcorrectiesnelheid, minder duurzaamheid, minder betrouwbaarheid, onderbreking van het stroompad tijdens regeling, en onvermogen om hoge spanningstoppen te weerstaan.

Servogestuurde Spanningsstabilisatoren

Deze worden simpelweg servostabilisatoren genoemd (werken op servomechanisme, ook wel negatieve terugkoppeling genoemd) en de naam suggereert dat het een servomotor gebruikt om de spanningcorrectie mogelijk te maken. Deze worden voornamelijk gebruikt voor hoge uitgangsspanningsnauwkeurigheid, typisch ±1% met invoerspanningsveranderingen tot ±50%. De onderstaande afbeelding toont het interne circuit van een servostabilisator die servomotor, autotransformator, buck-boost transformator, motordriver en bedieningsschakeling als essentiële componenten omvat.

In deze stabilisator is één einde van de primaire van de buck-boost transformator verbonden met de vaste tappen van de autotransformator, terwijl het andere einde verbonden is met de bewegende arm die door de servomotor wordt bestuurd. De secundaire van de buck-boost transformator is in serie aangesloten met de binnenkomende voeding, wat niet anders is dan de stabilisatoruitgang.

Het elektronische bedieningscircuit detecteert de spanningsschommelingen door de invoer te vergelijken met de ingebouwde referentieSpanningsbron. Wanneer het circuit de fout detecteert, bedient het de motor die op zijn beurt de arm op de autotransformator beweegt. Dit kan de primaire van de buck-boost transformator voeden zodanig dat een spanning over de secundaire de gewenste uitgangsspanning zou moeten zijn. De meeste servostabilisatoren gebruiken een ingebedde microcontroller of processor voor de bedieningsschakeling om intelligente regeling te bereiken.

Deze stabilisatoren kunnen enkelvoudig, drievoudig gebalanceerd type of drievoudig ongebalanceerde eenheden zijn. In enkelvoudig type bereikt een servomotor gekoppeld aan de variabele transformator de spanningcorrectie. In het geval van een drievoudig gebalanceerd type, is een servomotor gekoppeld aan drie autotransformatoren zodat gestabiliseerde uitgang wordt geleverd tijdens schommelingen door de uitgang van de transformatoren aan te passen. In een ongebalanceerd type servostabilisatoren, zijn drie onafhankelijke servomotoren gekoppeld aan drie autotransformatoren en hebben ze drie afzonderlijke bedieningsschakelingen.

Er zijn verschillende voordelen van het gebruik van servostabilisatoren vergeleken met relais-type stabilisatoren. Enkele hiervan zijn hogere correctiesnelheid, hoge precisie van gestabiliseerde uitgang, in staat om instroomstromen te weerstaan, en hoge betrouwbaarheid. Echter, deze vereisen periodieke onderhoud door de aanwezigheid van motoren.

Statische Spanningsstabilisatoren

Zoals de naam doet vermoeden, heeft de statische spanningsstabilisator geen bewegende delen zoals een servomotormechanisme bij servostabilisatoren. Het gebruikt een vermogenelektronische omvormerschakeling om spanningregeling te bereiken in plaats van een variac bij conventionele stabilisatoren. Het is mogelijk om een grotere nauwkeurigheid en uitstekende spanningregeling te produceren met deze stabilisatoren vergeleken met servostabilisatoren, en typisch is de regeling ±1%.

Het bestaat essentieel uit buck-boost transformator, IGBT vermogenomvormer (of AC-naar-AC omvormer), en microcontroller, microprocessor, of DSP-gebaseerde controller. Microcontroller-gecontroleerde IGBT-omvormer genereert het passende bedrag aan spanning door pulsgolfmodulatie-techniek, en deze spanning wordt toegevoerd aan de primaire van de buck-boost transformator. De IGBT-omvormer produceert de spanning op een manier dat deze in fase kan zijn of 180 graden uit de fase met de binnenkomende lijinspanning, om spanningen toe te voegen en af te trekken tijdens schommelingen.

Wanneer de microprocessor de spanningsschommeling detecteert, stuurt het de PWM-pulsen naar de IGBT-omvormer zodanig dat deze de spanning genereert die gelijk is aan het afwijkende bedrag van de nominale waarde. Deze uitgang is in fase met de binnenkomende voeding en wordt toegevoerd aan de primaire van de buck-boost transformator. Aangezien de secundaire verbonden is met de binnenkomende lijn, wordt de geïnduceerde spanning opgeteld bij de binnenkomende voeding en deze gecorrigeerde spanning wordt aan de last geleverd.

Op dezelfde manier zorgt de spanningstijging ervoor dat het microprocessorcircuit PWM-pulsen stuurt op een manier dat de omvormer een afwijkend bedrag spanning uitvoert, wat 180 graden uit de fase is met de binnenkomende spanning. Deze spanning aan de secundaire van de buck-boost transformator wordt van de invoerspanning afgetrokken, zodat de buck-operatie wordt uitgevoerd.

Deze stabilisatoren zijn zeer populair vergeleken met tappenwisselende en servogestuurde stabilisatoren vanwege de wijdverspreide voordelen zoals compacte formaat, zeer snelle correctiesnelheid, uitstekende spanningregeling, geen onderhoud door afwezigheid van bewegende delen, hoge efficiëntie en hoge betrouwbaarheid.

Verschil tussen Spanningsstabilisator en Spanningregelaar

Een belangrijke maar verwarrende vraag rijst hier: wat is precies het verschil(llen) tussen Stabilisator en Regelaar? Nou, beide voeren dezelfde actie uit, namelijk de spanning stabiliseren, maar het hoofdverschil tussen spanningsstabilisator en spanningregelaar is:

Spanningsstabilisator: Het is een apparaat of schakeling ontworpen om constante spanning aan de uitgang te leveren zonder veranderingen in de binnenkomende spanning.

Spanningregelaar: Het is een apparaat of schakeling ontworpen om constante spanning aan de uitgang te leveren zonder veranderingen in de laststroom.

Hoe Kiezen We Een Correct Gegroepeerde Spanningsstabilisator?

Het is de allerbelangrijkste om verschillende factoren te overwegen voordat u een spanningsstabilisator koopt voor een toestel. Deze factoren omvatten het vermogen dat door het toestel vereist wordt, het niveau van spanningsschommelingen die in de installatieplaats worden ervaren, type toestel, type stabilisator, werkbereik van de stabilisator (tot welke stabilisator de spanningen corrigeert), over-/ondervolting afschakeling, type bedieningsschakeling, type montage, en andere factoren. Hier geven we de basiss teps om te overwegen voordat u een stabilisator voor uw toepassing koopt.

• Controleer de vermogenswaarde van het apparaat dat u met een stabilisator gaat gebruiken, door de naamplaatgegevens te observeren (hier zijn voorbeelden: Transformator Naamplaat, MCB Naamplaat, Condensator Naamplaat, enz.) of uit de productgebruiksaanwijzing.
• Omdat stabilisatoren in kVA gewaardeerd worden (net als transformatoren in kVA in plaats van kW), is het ook mogelijk om het vermogen te berekenen door simpelweg de spanning van het toestel te vermenigvuldigen met de maximale nominale stroom.
• Het wordt aanbevolen om een veiligheidsmarge toe te voegen aan de stabilisatorwaarde, typisch 20-25%. Dit kan nuttig zijn voor toekomstige plannen om meer apparaten aan de stabilisatoruitgang toe te voegen.
• Als het toestel in watts gewaardeerd is, rekening houden met een vermogensfactor bij het berekenen van de kVA-waarde van de stabilisator. Integenstelling, als stabilisatoren in kW in plaats van kVA gewaardeerd zijn, vermenigvuldig de vermogensfactor met het product van spanning en stroom.

Hieronder is een live en opgelost voorbeeld van hoe de juiste grootte spanningsstabilisator te selecteren voor uw elektrische toestel(llen).

Stel het toestel (airconditioner of koelkast) is gewaardeerd als 1 kVA. Daarom is de veilige marge van 20% 200 watt. Door deze watten toe te voegen aan de daadwerkelijke waarde krijgen we 1200 VA vermogen. Dus een 1,2 kVA of 1200 VA stabilisator is verkiesbaar voor het toestel. Voor huishoudelijke behoeften worden 200 VA tot 10 kVA stabilisatoren verkozen. En voor commerciële en industriële toepassingen worden enkelvoudige en drievoudige grote waardes stabilisatoren gebruikt.

We hopen dat de verstrekte informatie informatief en nuttig is voor de lezer. We willen lezers hun meningen over dit onderwerp laten uiten en deze eenvoudige vraag beantwoorden – wat is het doel van de RS232/RS485 communicatiefunctie in moderne spanningsstabilisatoren, in de reactiesectie hieronder.