GoferВ настоящее время существует всего два подхода при в построении стабилизаторов напряжения: двойное преобразование и коррекция существующего напряжения.
Стабилизаторы с двойным преобразованием
При двойном преобразовании электрическая энергия с качеством «как есть» направляется в небольшой (или большой) накопитель: конденсатор или аккумулятор. К накопителю подключается инвертор, который заново генерирует синусоидальное напряжение сети. Запас энергии в накопителе позволяет заполнять все «провалы» и «скачки» напряжения, и даже некоторое время работать после отключения электричества. Такие стабилизаторы позволяют получить высокое качество электрической энергии и надежно защитить Ваше оборудование. Однако за все нужно платить. Указанные стабилизаторы имеют ряд серьезных недостатков.
Во-первых, высокая стоимость, которая обычно на порядок выше стоимости стабилизаторов других типов при той же мощности. Некоторые производители используют более дешевый инвертор, который формирует не синусоидальное напряжения (нормированный сигнал), а, так называемую, «аппроксимированную синусоиду» – сигнал, отдаленно напоминающий синусоиду. Некоторая техника, например, телевизоры или маломощные компьютеры, от такого напряжения будут прекрасно работать, а вот с электродвигателями и газовыми котлами могут возникнуть проблемы.
Во-вторых, в стабилизаторах данных типов возникает проблема с реактивной мощностью. Например, электродвигатель, в силу своей конструкции, потребляет электроэнергии больше, чем ему требуется и часть «лишней» энергии должен возвращать обратно в сеть, и так 100 раз в секунду. Не все инверторы могут обеспечить возврат (рекуперацию) электроэнергии в обратном направлении. При покупке такого стабилизатора необходимо четко понимать сможет ли этот стабилизатор работать с Вашим оборудованием. Нужно сопоставить такие параметры как коэффициент мощности (Power factor) Вашей нагрузки и допустимый коэффициент мощности для выбранного стабилизатора, иначе что-то может выйти из строя: или стабилизатор, или Ваше оборудование.
В-третьих, невысокая перегрузочная способность. Обычно она не превышает 1,2, т.е. при мощности стабилизатора 1 кВт максимально (в течение нескольких секунд) вы можете получить 1,2 кВт. При этом достаточно большое количество оборудования в доме имеет пусковые токи, которые могут превышать номинальные в 2…10 раз. Обычная лампочка мощностью 100 Вт в момент включения потребляет 500 Вт, а холодильник мощностью 300 Вт при включении может потребить до 3 кВт.
И последний, самый серьезный недостаток – это низкий коэффициент полезного действия (КПД). Для стабилизаторов с двойным преобразованием он не превышает 90%. Здесь есть один интересный момент, о котором, как правило, производители скромно умалчивают. Тонкость в том, что производители указывают КПД при максимальной нагрузке. Однако при уменьшении нагрузки данного типа стабилизаторов КПД также уменьшается. Почему так происходит? Дело в том, что при любом преобразовании электроэнергии возникают потери. А в стабилизаторах с двойным преобразованием присутствуют 2 ступени преобразования, которые нельзя отключить. Какой КПД у данных стабилизаторов будет при 50%, 10% или 1% загрузке? Далеко не все производители стабилизаторов дадут Вам ответ на этот вопрос. А для чего Вам это нужно? Рассмотрим пример использования домашнего (бытового) стабилизатора. Для среднестатистической квартиры или дома (без электрического отопления и электроплит) нужен стабилизатор мощностью 5…10 кВт. При этом суммарная потребляемая мощность будет составлять 150…200 кВт/ч в месяц. Разделив количество потребленной электроэнергии на количество часов в месяце получим 200 / (30?24) ? 0,28 кВт – коэффициент средней нагрузки домашнего стабилизатора. Таким образов, средняя загрузка домашнего стабилизатора составляет не более 3…6%! При такой нагрузке КПД стабилизатора с двойным преобразованием может упасть до 30…50%. В итоге вы можете получить увеличение потребления электроэнергии в 1,5…3 раза. Электроэнергия будет тратиться на нагрев стабилизатора.
Указанные недостатки привели к тому, что стабилизаторы с двойным преобразованием используются, как правило, небольшой мощности (не более 1 кВт) для защиты самого критичного к скачкам напряжения оборудования. В быту подобные стабилизаторы используются, как правило, в роли источников бесперебойного питания для газовых котлов. Использование стабилизаторов с двойным преобразованием для электропитания дома целиком выйдет поистине «золотым».
Стабилизаторы с коррекцией входного напряжения
Это самый распространенный вид стабилизаторов. Они работают по принципу вольтодобавки (или вольтовычитания). Например, входное напряжение составляет 200 вольт., а Вам необходимо 220 вольт. Стабилизатор к входному напряжению 200 В. добавит 20 В. и ваше оборудование будет работать при напряжении 220 В. В этом случае говорят о вольтодобавке. Когда у Вас напряжение выше нормы, например 250 В., то стабилизатор от входного напряжения отнимет 30 В. и Ваше оборудование снова будет работать при напряжении 220 В. В этом случае говорят о вольтовычитании.
Главное достоинство данной технологии – необходимость в преобразовании лишь части электроэнергии. Например, если мощность Вашей нагрузки составляет 10 кВт, то при напряжении 200 В. Вам необходимо преобразовать электрическую энергию мощностью 10?(220 – 200) / 220 ? 0,9 кВт. При напряжении 150 В – 10?(220 – 150) / 220 ? 3,2 кВт. В то же время, при напряжении 220 В. вообще нет необходимости в преобразовании. Поскольку от мощности преобразователя электрической энергии напрямую зависит КПД и стоимость стабилизатора, стабилизаторы с коррекцией входного напряжения оказываются дешевле и эффективней стабилизаторов с двойным преобразованием.
Однако есть и свои недостатки. Самый существенный из них — скорость реакции. Для того, чтобы определить, сколько вольт необходимо добавить или вычесть из входного напряжения, его (входное напряжение) нужно, как минимум, измерить, обработать, принять решение и дать команду на выполнение. Здесь может возникнуть целый ряд “подводных камней”, о которых производители стабилизаторов также скромно умалчивают.
Допустим, что на входе напряжение составляет 150 В. Стабилизатор “честно” добавляет к этому напряжению 70 В. чтобы получить на выходе 150 + 70 = 220 В. В некоторый момент напряжение на входе «подскочило» до 250 В. Пока «мозги» стабилизатора будут измерять и думать, преобразователь будет продолжать добавлять 70 В. и напряжение на выходе уже составит 250 + 70 = 320 В. После этого на преобразователь пойдет команда на уменьшение напряжения на 30 В., чтобы получить 250 – 30 = 220 В. Однако в этом момент напряжение снова вернулось на отметку 150 В. В итоге вместо 220 В на выходе Ваш стабилизатор выдаст 150 – 30 = 120 В. Скачок напряжения 220 В ? 320 В и 320 В ? 120 В вряд ли благотворно отразится на оборудовании конечного потребителя.
«А может ничего страшного?» – спросите Вы. Вполне возможно, что нарисованная пессимистическая картина и такие перепады напряжения на практике редкость, разве что Вашему соседу нужно будет что-то сварить у себя дома самодельным сварочным аппаратом?
Какова же скорость реакции существующих стабилизаторов? Все зависит от технологии. У дешевых сервоприводных стабилизаторов скорость реакции может достигать 10 секунд. У релейных и симисторных (тиристорных) стабилизаторов скорость реакции принципиально не может быть меньше 0,01 секунды. Чем выше цена стабилизатора – тем выше скорость реакции. На практике она составляет 0,5…5 секунд. Будем надеяться, что Ваше оборудование выдержит в течение 10 секунд напряжение 320 В. и провалы до 120 В.
Стоит отметить еще одну особенность существующих стабилизаторов. Преобразование электрической энергии у них производится с помощью трансформатора. Мощность трансформатора напрямую связана с его массой, габаритами и стоимостью (трансформатор это железо, медь и “немного изоленты”). Масса и габариты трансформатора составляет до 90% массы и габаритов стабилизатора в целом, поэтому хороший сервоприводный, релейный или симисторный стабилизатор никак не может быть легким и компактным. Масса стабилизатора мощностью 10 кВт ориентировочно будет составлять около 30 кг. Если она меньше – значит, производитель где-то сэкономил.
Релейные и симисторные стабилизаторы имеют еще такой параметр, как количество ступеней. У сервоприводных стабилизаторов такого параметра нет, потому что они могут обеспечить любую точность, пусть медленно и шумно (часто они позиционируются как бесступенчатые). Ступень – это количество вольт, на которое можно изменить входное напряжение. Чем больше ступеней, тем точнее выходное напряжение и шире рабочий диапазон стабилизатора. Современные стабилизаторы имеют от 3 (дешевые модели) до 24 (дорогие модели) степеней регулирования. От количества ступеней напрямую зависит количество реле или симисторов внутри стабилизатора. А, поскольку эти приборы достаточно дорогие, то чем больше ступеней – тем дороже стабилизатор. Что это дает Вам, как конечному потребителю? Если взять дешевый стабилизатор с 3-мя ступенями, то лампочки у Вас дома будут заметно мигать – для дискотеки это хорошо, а для отдыха вряд ли. Добавить еще пример.
И последний актуальный вопрос – точность стабилизации. Здесь все, как один, производители, наперебой выпячивают тот факт, что у разработанного ими оборудования точность стабилизации составляет 1…2%. На самом деле в большинстве случаев такая точность абсолютно не нужна. Согласно ГОСТ 13109-97 (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) нормальным отклонением питающего напряжения является ±5%, допустимым – ±10%. То есть при напряжении 209…231 В. любое оборудование, подключаемое к электрической розетке обязано работать, а при напряжении 198…242 В должно работать (или хотя бы не выйти из строя). Все производители об этом знают и стараются обеспечить работу своего оборудования в диапазоне входных напряжений 198…242 В. Этим, кстати, пользуются производители дешевых китайских стабилизаторов, у которых выходное напряжение «гуляет» как раз в этом диапазоне, несмотря на заявленные 1% точности.
Но разве 220 В. на выходе стабилизатора напряжения это плохо, скажете вы? Разве, не для этого и покупается стабилизатор напряжения? Стоит отметить, что 220 В. на выходе стабилизатора — это хорошо, но всегда необходимо. Вспомните, что при преобразовании часть энергии теряется и 220 В. с точностью 1% скорее всего вам обойдется лишними киловатт-часами, о которых Вы даже и не будете подозревать. Для домашней аппаратуры напряжением, при котором она будет нормально работать, является 209…231 В.
Что мы придумали?
Мы совместили преимущества всех существующих технологий, исключив их недостатки.
Наш стабилизатор использует технологию вольтодобавки (вольтовычитания), только электрическая энергия в нашем стабилизаторе преобразовывается не с помощью трансформатора, а с помощью высокочастотного импульсного преобразователя. В результате скорость реакции не ограничена 0,01 с. В разработанном стабилизаторе скорость реакции составляет 0,005 с, что в 2 раза быстрее всех известных технологий (кроме стабилизаторов с двойным преобразованием).
Импульсный способ преобразования позволил отказаться от громоздкого и тяжелого трансформатора. Масса нашего стабилизатора мощностью 7,5 кВт составляет всего 13 кг. При этом наш стабилизатор обеспечивает выходную мощность 7,5 кВт при входном напряжении 150 В. и выходном 220 В. (выходной ток – 35 А.). Для среднестатистической квартиры такой режим может быть в принципе невозможен, поскольку при напряжении 150 В. и мощности 7,5 кВт потребляемый ток превышает 50 А., что превышает ток срабатывания автоматов, устанавливаемых РЭС (25 А). Максимальная мощность, которую наш стабилизатор может отдавать, составляет 9 кВт (до 5 секунд). Импульсный стабилизатор напряжения GF 9000 некритичен к типу нагрузки. Он может работать с нагрузкой любого характера (активная, реактивная, нелинейная). У него нет проблем с рекуперацией электрической энергии, поэтому выходная мощность у него приводится в кВА.
Наш стабилизатор непрерывно следит за входным напряжением. Если входное напряжение находится в диапазоне 209…231 В., то стабилизатор плавно переходит в режим «транзит», просто соединяя быстродействующими IGBT-транзисторами вход с выходом. В таком режиме нет преобразования электрической энергии, а значит – нет и потерь. При этом скорость реакции не увеличивается и на все скачки и провалы напряжении стабилизатор будет реагировать с заявленным временем реакции 0,005 с.
Стабилизатор серии GF имеет 1640 ступеней регулировки – это на два порядка больше, чем в существующих релейных и симисторных стабилизаторах. Поэтому можно смело говорить о том, что выходное напряжение регулируется плавно. Точность стабилизации выходного напряжения – менее 1%.
При разработке импульсного стабилизатора напряжения использовались самые современные направления в преобразовании электрической энергии: импульсный многофазный способ преобразования и цифровой контур управления на основе микроконтроллеров с ядром Cortex-M3. Наиболее важные направления защищены патентами. Некоторые особенности работы нашли отражение в тематических научных статьях.
Дополнительно отметим, что стабилизатор серии GF контролирует температуру силовой части, при необходимости включая вентилятор для охлаждения. Во время работы стабилизатор не гудит и не щелкает. Также оборудование имеет защиту от короткого замыкания, высокого и низкого напряжений. Стабилизатор работает в диапазоне входных напряжений 100…290 В. Выдерживает входное напряжение 400 В. Может регулировать выходное напряжение и имеет индикатор, на который выводится информация о режимах работы.
Компания GOFER разрабатывала данный стабилизатор, как стабилизатор для дома. Как показали практика и тестовые испытания мощности, 7,5 кВА вполне достаточно для работы всех электрических потребителей. Не стоит гнаться за киловаттами, процентами и количеством ступеней. Достаточно приобрести один надежный и современный аппарат украинского производства от компании GOFER.