Стабилизатор на мрежово напрежение ~220V
Част I: Предварителни експерименти

    Както се казва, винаги има първи път. Така се получи и с началото на моите занимания за конструиране на стабилизатор на мрежово напрежение. В някои региони в България стабилизаторът на променливо напрежение 220V се оказва много полезен уред (ако не искате да останете без телевизор или хладилник). Той е изключително полезно устройство за селските райони, където трудно може да се каже, че напрежението на мрежата е стабилно, въпреки уверенията на енергоразпределителните дружества.

    Известни са различни начини за стабилизиране на мрежовото напрежение, но аз нямам намерение да разглеждам всички, а тези с които аз съм се сблъскал напоследък. Преди години, най-известните стабилизатори, специално произведени за телевизори в Завода за токоизправители - Перник бяха с марката "Стабор". При тях се използваше феромагнитния резонанс. Те са изключително простички и евтини по конструкция и идеално пасват за неособено мощни консуматори, каквито са черно-белите телевизори по онова време. Но феромагнитните стабилизатори са и твърде маломощни, поради което не представляваха интерес за мене.

    Моята цел беше да захраня няколко домашни уреда (хладилник, телевизор) с един стабилизатор. Даже може да се каже и по-смело, например, един конвектор за отопление или котлон. Да, налага се в селата и вилните зони, които са така ощетени от разпределителните дружества.

    Както и друг път съм казвал, интернет е една богата библиотека, а когато човек знае езици, има достъп до огромни ресурси. Един ден, просто седнах зад компютъра и започнах да издирвам схемни решения.

    Често срещаните стабилизатори на мрежово напрежение могат да бъдат условно групирани като:

        - eлектронни
        - eлектронно-трансформаторни (автотрансформатор)
        - eлектронно-механични (латер)

    Но каквито и да са стабилизаторите, основен елемент е трансформатора, независимо от кой тип. Разбира се, има и други схемни решения, но те не бяха обект на моите експерименти, защото все пак, трябва да могат да се реализират в домашната лаборатория.

    От тази гледна точка, като че ли, най-лесни за изпълнение са електронните стабилизатори, макар и не чак толкова мощни. Характерното при тях е използването на трансформатор с по-малка мощност отколкото товара към който се включват. Още по-интересното е, че захранват товар с консумирана мощност от 4 до 7 пъти по-голяма от мощността на трансформатора. Онагледено с пример, означава, че ако имате трансформатор 250W, то с него можете да конструирате електронен стабилизатор, който да захранва товар 800-1500W.

    Каква е тайната? Тайната е в използването на вторичната намотка на трансформатора, която е с напрежение няколко десетки волта и голям ток като волтодобавка към първичната му намотка. Тоест, ако свържем последователно на първичната намотка на трансформатора неговата вторична, ще получим добавяне на вторичното напрежение към мрежовото със стойността на вторичното напрежение ако спазим посоката на тока (навиване) или ако я свържем обратно, мрежовото напрежение ще се намали с напрежението на вторичната намотка. Е, остава, към този трансформатор и към този начин на свързване да включим електронно управление на процеса. Най-лесно е да направим електронно управление на такъв стабилизатор ако не сменяме посоката на вторичната намотка. За да работи той при спад на мрежовото напрежение, което е най-често срещания случай, то той трябва да работи като повишаващ. Какво ще рече това? – че входното напрежение може да се изменя, примерно от 150-200V, като изходното напрежение се запазва в стандартните граници от 220V +/-10% (200-240V).

    Ето как се онагледява волтодобавъчното напрежение, необходимо за целта:

    На фиг. 1 е показано последователното свързване на двете намотки, при което техните напрежения се сумират. С посочените стойности се вижда, че ако мрежовото напрежение е спаднало на 200V, то с волтодабавъчното напрежение на вторичната намотка от 20V, то се повишава до стандартната стойност на мрежовото напрежение от 220V. Тоест, примерът онагледява повишаващ (авто) трансформатор. На фиг. 2 първичната и вторичната намотка на трансформатора са свързани противофазно при което напрежението на вторичната намотка се изважда от входното, а изходното напрежение на образувалия се автотрансформатор се намалява с неговата стойност. Този пример онагледява какво се случва при по-високо напрежение от стандартното мрежово напрежение.

    За един стабилизатор на променливо напрежение е от значение да работи както като повишаващ, така и като понижаващ за да може да компенсира както спадовете, така и повишаването на мрежовото напрежение. Най-простичкия начин за превключване на краищата на намотката е те да се разменят чрез управляемо от електроника реле. Ето така стигнахме до електронно-трансформаторните стабилизатори. Ако вторичните намотки са няколко и релетата, които ги превключват също, то може да се постигне стъпково регулиране, примерно през 10V или 20V, или друго избрано напрежение. Така чрез подходящо електронно управление на релетата, можем да постигнем стъпково регулиране от избрано минимално напрежение до избрано максимално напрежение, като най-често тези граници са 150-260V и да се постигне точност на изходящото стабилизирано напрежение 220V, +/-10V, което е точност +/-5%, напълно достатъчна за кой да е електроуред. Естествено, едно от релетата ще служи за обръщане на посоката на вторичните намотки. Все пак, нека да отбележа, че за домашни условия бихме могли да направим някои компромиси с точността, а и както е известно повечето уреди са проектирани да работят в интервал на мрежовото напрежение 220V, +/-10%, тоест да търсим степенчато регулиране през 20 волта. Всичко това, обаче не е стандарт, тоест избора на стъпката за волтодобавка е преди всичко личен. От схемите, които срещнах ми направиха впечатление съвсем причудливи напрежения, като 14, 15, 17, 18V, а и други стойности. В тези стойности, обаче, има логика. При значително падане на напрежението волтодобавката може да бъде 20 волта, а следващите стъпки съответно за 15V и 10V, което ще повиши точността на изходното стабилизирано напрежение при по-малки падове.

    Със следващия пример онагледявам обясненията, направени по-горе. За да разберете смисъла на волтодобавката в права и обратна посока, проследете превключванията на контактните групи на релетата, като имате предвид, че S2, S3 и S4 никога не се включват едновременно, като изключение е S1, който обръща посоката и позволява прилагане на волтодобавка в права и обратна посока (намаляване и увеличаване):

    Една интересна практическа зависимост е факта, че тази схема позволява използването на значително по-маломощен трансформатор, отколкото мощността на товара. На практика тя се определя от съотношението на входното напрежение към волтодобавъчното. В случая една намотка е с напрежение 20V, съотношението е 11 пъти, което означава, че при напрежение на мрежата ~200V можем да натоварим изхода на стабилизатора с 11 пъти по-висока мощност от мощността на трансформатора. Тоест, ако избрания трансформатор е 200W, мощността на товара може да бъде 2kW. От друга страна, вторичната намотка трябва да осигури този ток, който е 10A. Естествено, колкото мрежовото напрежение е по-ниско, толкова по-ниска е допустимата мощност на товара. При входно напрежение 160V, волтодобавката е 60V, съотношението е 3,5 пъти, следователно мощността на товара няма да превишава 800W.

    Ако се вгледаме внимателно в свързването на намотките на трансформатора на схемата от Фиг.3, ще забележим, че по своята същност тази схема представлява автотрансформатор, с тази разлика, че при него няма възможност за обръщане на посоките на намотките, а винаги са свързани последователно. По принцип на работа той се доближава до принципа на работа на латера, като в последния не се превключват намотки, а се променя съотношението на навивките чрез плъзгач. Автотрансформаторът е основен елемент в т. н. степенчати стабилизатори, чието напрежение се избира с релета, които се управляват с компаратори. Казвам компаратори, тъй като е най-простичкия начин за една радиолюбителска реализация. В голяма част от скъпите фабричните стабилизатори управлението е с микропроцесор. А защо ли? Някак си, не ми харесва тази тенденция да се изработва "бушон с микропроцесор", хладилника да се управлява с електроника, вместо с термостат, пералнята с платка, вместо механичен програматор. Нито пък дава по-големи възможности. Но кой ли ме пита?

    На следващата фиг. 4 стилизирана схема на електрическите връзки на автотрансформатор, като превключването е с помощта на превключвател:



Архив [zip,gif][41kb]

    И тук с цел онагледяване на примера използвам същата стойност на напрежението със стъпка на промяна ~20V. От този пример се вижда, че колкото повече са стъпките и по-малко напрежението между тях, толкова регулирането е по-плавно, а стабилизираното напрежение на изхода по точно. При стъпка на напрежението ~10V точността на изхода би била +/-10%. Често това не е необходимо и като се има предвид, че големия брой стъпки на регулиране рязко увеличават броя на релетата, то се усложнява схемата на електронното им управление, поради което рядко се използва такава точност. Както и в предходния случай, описан по-горе е възможно напрежението на стъпките да не е еднакво и примерно при по-ниски напрежения на мрежата 150-170V да се използват по-големи стойности, а за интервала 180-220V по-малки. Често вместо релета, се използват тиристори или семистори, а електронното им управление е същото.

    Споменах в началото на статията и използването на латер за плавно регулиране на напрежението, като тези стабилизатори се наричат електронно-механически. Принципът на работа се изразява в мониторинг на изходното напрежение, а чрез сервомотор, управляван от електроника се извършва автоматичното следене и регулиране на стабилизираното напрежение. За по-подробна информация, моля прочетете статията ми "Електронно управление на сервомотор за стабилизатор”, публикувана на www.kn34pc.com.


Литература:

1. Журнал "Радиомир”, 7/2010
2. Журнал "Радио", 4/2011
3. Стабилизатор на напрежение за TV приемници "Стабор 120-а-2"
4. Стабилизатор на напрежение за TV приемници "Стабор 130"
5. Стабилизатор на напрежение "Стабитрон 350"
6. Стабилизаторы переменного напрежения
7. Релейный стабилизатор сетевого напряжения
8. AC Voltage Regulators
9. Automatic AC voltage regulator
10. AC Voltage Regulator Fourteen
11. 5 KVA to 10 KVA Automatic Voltage Stabilizer Circuit Explained - 220 Volts, 120 Volts
12. Стабилизатор сетевого напряжения
13. Устройство стабилизации сетевого напряжения

Валери Терзиев
7 декември 2015 година