Феррорезонансный стабилизатор напряжения: достоинства и недостатки

Что такое феррорезонанс

Феррорезонанс— это явление резкого возрастания тока, приводящее к перегреву и повреждению преобразователя и сопутствующего электротехнического оборудования.

Вызывающий аварию резонанс наблюдается при возникновении колебательного контура с последовательным соединением индуктивности ТН и емкостью сети.

Почему появляется в трансформаторах

Явление резонанса возникает при незаземленной (изолированной) нейтрали совместно с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли образует последовательное соединение с индуктивностью конструкции незаземленного ТН. Неполнофазный режим возникает при частичном включении фаз, при фазовом разрыве или при коротком замыкании несимметричного типа.

Феррорезонансные стабилизаторы

Такие устройства не оснащаются вольтметром, поэтому будет трудно понять, какая величина напряжения сети получается на выходе. Самому не получится отрегулировать напряжение. Если для вас это не критично, то такой вид стабилизатора хорошо подходит для вас. Феррорезонансные устройства могут частично искажать величину показаний, погрешность может доходить до 12%.

Если вы долгое время применяете такой прибор, то нужно знать, что он способен испускать магнитное поле, влияющее на функционирование бытовых приборов. Эти стабилизаторы настраивают в заводских условиях, поэтому после его монтажа нужно просто подключить в работу.

Это интересно: Электромеханический стабилизатор напряжения

Какие бывают стабилизаторы

Стабилизация напряжения может быть реализована различными способами.

По конструкции стабилизирующие устройства можно разделить на две группы:

• Электромеханические устройства;
• Электронные устройства;

К первой группе относятся стабилизаторы с серводвигателем. Ко второй группе относятся следующие приборы:

• Релейные стабилизаторы;
• Устройства на полупроводниковых ключах (тиристоры, симисторы);
• Приборы с двойным преобразованием;
• Феррорезонансные стабилизаторы.

Каждое устройство обладает определёнными достоинствами и недостатками. Они хорошо заметны при сравнении технических параметров, поэтому для выбора конкретной модели нужно знать принцип работы каждого стабилизатора для дачи или дома.

Стабилизатор с релейным переключением

Релейный стабилизатор напряжения выравнивает сетевое напряжение путём коммутации обмоток силового трансформатора. Принцип его работы крайне прост. Входное напряжение поступает на первичную обмотку силового трансформатора и одновременно на плату контроля и управления. Вторичная обмотка разделена на одинаковые секции и число витков в ней больше, чем в первичной. То есть трансформатор в случае необходимости может повышать или понижать подаваемое напряжение. Плата управления включает в себя выпрямитель, контроллер и транзисторные ключи, управляющие электромагнитными реле.

Если напряжение сети отклонилось от номинала на определённую величину, контроллер через транзисторный ключ включает реле. Оно своими контактами изменяет коэффициент трансформации, то есть переключает вторичную обмотку на повышение или понижение. В результате напряжение на выходе постоянно удерживается в допуске, но оно никогда не будет равно 220В, поскольку, переключая секции обмотки, устройство допускает ступенчатое, а не плавное изменение напряжения. Но чем большее количество реле применяется в схеме устройства, тем выше его точность.

Релейный стабилизатор обладает следующими положительными качествами:

• Хорошая скорость переключения;
• Большой интервал входных напряжений;
• Неискажённая форма напряжения;
• Доступная цена.

Недостатки релейного устройства:

• Ступенчатое переключение;
• Низкая точность;
• Шум при работе;
• Возможное подгорание контактов.

Релейные стабилизаторы так же имеют ограничение по мощности, что определяется невозможностью контактов реле коммутировать слишком большие токи.

Стабилизатор с серводвигателем

Электромеханический стабилизатор напряжения так же, как и релейный, работает с использованием силового трансформатора. В устройстве имеется плата контроля, но она управляет регулировкой не с помощью реле, а выбирает угол поворота серводвигателя. На его оси установлена каретка с угольным роликом или щёткой, которая перемещается по обмотке силового трансформатора. Пропорционально углу поворота изменяется напряжение на выходе.

Феррорезонанс в трансформаторе напряжения: принцип работы стабилизатора напряжения

Феррорезонансный стабилизатор напряжения уже давно активно применяется не только в быту, но и в промышленности. Устройства этого класса позволяют выровнять напряжение переменного типа. В основе принципа функционирования заключается эффект электромагнитного резонанса в колебательном контуре. Такие нормализаторы обладают массой достоинств, но также имеют и свои недостатки.

Феррорезонансные явления в электрических сетях

Основные факторы, которые порождают феррорезонансные явления в электрических сетях – это элементы ёмкостного и индуктивного типа. Они способны формировать колебательные контуры в периоды переключения. Этот эффект особо заметен в трансформаторах силового типа, линейного вольтодобавочного, шунтирующих контурах и в аналогичных устройствах, которые оборудуются массивной обмоткой.

Данное явление бывает 2 типов: резонанс токов и напряжения.

Феррорезонанс напряжений возможен, когда в сети имеется индуктивность, характеризующаяся нелинейным вольт-амперным свойством. Данная характеристика свойственна катушкам индуктивности, где сердечники производятся из ферромагнитных компонентов. Особенно это касается выпрямителей линейки НКФ. Такое негативное явление обуславливается небольшим показателем сопротивлений омического и индуктивного типов по отношению к силовым трансформаторам.

Феррорезонанс в трансформаторе напряжения

Когда трансформатор напряжения подключается к сети, в ней формируются последовательно совмещённые LC-цепи, являющие собой контур резонансного типа. При последовательном подключении индуктивного элемента с нелинейным вольт-амперным свойством к элементу ёмкостного типа напряжение в этой зоне цепи характеризуется как активно-индуктивное.

По окончании определённого временного периода значение напряжения на индуктивном элементе становится пиковым, магнитопровод питается, а напряжение на компоненте ёмкостного типа продолжает расти. Феррорезонанс в трансформаторе напряжения наступает, когда напряжение индуктивности и ёмкостного элемента становится равнозначным.

Быстрый переход приложенного напряжения из активно-индуктивного типа в активно-ёмкостной именуется как “опрокидывание фазы”. Такой эффект опасен для электроприборов.

Феррорезонансные стабилизаторы

Феррезонансный стабилизатор

Феррорезонансные выпрямители не оборудуются встроенным вольтметром, вследствие чего сложно замерять выходной показатель напряжения сети. Отрегулировать величину напряжения собственноручно не получится. Стабилизаторы феррорезонансного типа частично искажают реальные показания, величина погрешности составляет до 12%.

Тем, кто долго пользуется такими устройствами, необходимо помнить, что они способны излучать магнитное поле, которое может нарушить правильное функционирование бытовой электротехники. Стабилизаторы такого класса настраиваются в заводских условиях, никаких дополнительных настроек в быту они не требуют.

Влияние стабилизатора на технику

Феррорезонансный стабилизатор напряжения, принцип работы которого непрост, воздействует на бытовую технику следующим образом:

• Радиоприёмник – чувствительность приёма сигнала может быть уменьшена, показатель выходной мощности существенно снижается.
• Музыкальный центр – выходная мощность такой техники может существенно снизиться, стирание и запись новых дисков значительно ухудшаются.
• Телевизор – при подсоединении к стабилизатору можно наблюдать значительное снижение качества картинки на ТВ, отдельные цвета передаются неправильно.

Электрическая схема современных нормализаторов феррорезонансного типа улучшена, что позволяет им выдерживать большие нагрузки. Такие устройства могут гарантировать точную регулировку сетевого напряжения. Процедура корректировки выполняется трансформатором.

Режимы эксплуатации

Эксплуатационные режимы стабилизаторов зависят от ряда факторов. Прямое влияние имеет показатель мощности и класс устройства. Мощностные характеристики прибора могут быть разными, выбирать их надо с учётом типа подсоединяемой электротехники.

Режимы функционирования выпрямителя зависят от таких типов нагрузки:

• индуктивная;
• активная;
• ёмкостная.

Активная нагрузка в чистой форме наблюдается крайне редко. Она необходима только в тех цепях, где переменное значение устройства не имеет ограничений. Нагрузки ёмкостного типа могут применяться только для тех выпрямителей, которые обладают невысокой мощностью.

Стабилизатор напряжения как решение проблемы электропитания низкого качества

В Российской Федерации значения номинальных напряжений для электрических систем и сетей устанавливает ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные». Стандарты качества электроэнергии, то есть степень соответствия фактических параметров установленным значениям, регулирует ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия», согласно которому допустимы отклонения не более ±10 % по напряжению и не более ±0,2 Гц по частоте.

На сегодняшний день прослеживается тенденция несоблюдения вышеуказанных нормативов большинством энергоснабжающих компаний. Данная ситуация связана как с постоянно растущей нагрузкой на электросетевой комплекс, так и с нежеланием многих поставщиков электроэнергии инвестировать в развитие и модернизацию кабельных линий, где износ инфраструктуры составляет по разным оценкам от 50 до 70%.

В то же время практически всё современное оборудование, от бытовой аудио- и видеотехники и газового котла до приводов промышленных конвейеров и автоматизированных станков, содержит электронные компоненты, чувствительные к перепадам питающего напряжения. Кроме того, требования к качеству сетевой электроэнергии у ряда высокотехнологичных потребителей (вычислительного, медицинского телекоммуникационного оборудования) превышают действующие стандарты.

Существует несколько путей решения проблемы низкого качества сетевой электроэнергии. Одним из наиболее простых и экономичных является установка между нагрузкой и сетью стабилизатора переменного напряжения. Основная функция этого электротехнического изделия – автоматическое поддержание установленного значения выходного «нагрузочного» напряжения при колебаниях входного напряжения.

6.17. ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Вследствие падения напряжения в сопротивлениях источника и проводов электрической сети напряжение приемников не остается постоянным. Для уменьшения колебания напряжения некоторые приемники снабжаются стабилизаторами напряжения. Существуют различные стабилизаторы напряжения. Одним из них является феррорезонансный стабилизатор.

Электрическая схема простейшего феррорезонансного стабилизатора напряжения и в. а. х. U2(IL), U1(I) его элементов хL и хL1 приведены на рис. 6.37 и 6.38; в. а. х. U2 (IС) элемента хС дана на рис. 6.39, а. Выводы аb стабилизатора подключаются к источнику синусоидального напряжения, выводы cd — к приемнику электрической энергии.

Стабилизирующее действие стабилизатора напряжения объясняется тем, что в. а. х. U2(IL) обмотки 2 с ферромагнитным магнитопроводом имеет участок fg (см. рис, 6.38), на котором при изменении в широких пределах тока IL напряжение обмотки U2 и, следовательно, приемника изменяется незначительно.

Для получения лучшего стабилизирующего эффекта обмотка 1 с ферромагнитным магнитопроводом должна быть рассчитана так, чтобы при наибольшем напряжении на ней ферромагнитный материал магнитопровода был не насыщен и в. а, х. обмотки U1 (I) была практически прямолинейной. С этой целью магнитопровод обмотки 1 выполняется, в частности, с воздушным зазором.

С целью упрощения анализа соотношений в цепи стабилизатора напряжения будем считать, что: обмотки 1 и 2 идеализированные и, кроме того, отсутствуют потери мощности в магнитопроводах; несинусоидальные токи катушки заменены эквивалентными синусоидальными; приемник отключен.

Рис. 6.37. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения

Рис. 6.38. В. а. х. индуктивных элементов xl и xl1

Рассмотрим, что происходит в цепи стабилизатора при изменении напряжения U источника, считая пока, что конденсатор с сопротивлением хC отсутствует и I = IL.

Допустим, что напряжение U увеличилось на ΔU. Это приведет к увеличению тока I = IL на ΔI = ΔIL напряжений U1 и U2 соответ­ственно на ΔU1 и ΔU2. Очевидно, при сделанных допущениях ΔU1 + ΔU2 = ΔU.

Как следует из рис. 6.38, при изменении напряжения источника U напряжение U2 на обмотке 2 изменяется незначительно; изменение напряжения U приводит в основном к изменению напряжения U1 обмотки 1.

Участку fg в. а. х. U2(IL) обмотки 2 соответствует при отсутствии конденсатора значительный ток обмотки 1 и источника, что нежелательно. Для уменьшения тока обмотки 1 и источника параллельно с обмоткой 2 включают конденсатор.

Для выявления соотношения между приращениями входного U и выходного U2 напряжений стабилизатора при наличии конденсатора произведем следующие преобразования: заменим мысленно параллельно соединенные обмотку 2 и конденсатор эквивалентным элементом хэк , имеющим соответственно эквивалентную в. а. х. U2(I); заменим элемент хэк и обмотку 1 эквивалентным элементом хэк1, имеющим в. а. х. U (I).

Построение в. а. х. U2(I) производится на основании следующих соображений: так как ток IL отстает по фазе относительно напряжения U2 на угол π/2, а ток IC опережает указанное напряжение на такой же угол, то при любом напряжении U2 между токами должно существовать соотношение: I = |IL – IC|.

В. а. х. U2(I), построенная в соответствии с указанными соотноше­нием с помощью в. а. х. U2(IL) и U2(IC), приведена на рис. 6.39, а. Резонанс токов в цепи наступает при напряжении U2 = Uk, при котором IL = IC и I = 0. Участок klО в. а. х

U2(I), на котором IL

Построение в. а. х. U(I) производится на основании следующих соображений: поскольку  напряжение U2 (при IL > IC) и напряжение

Рис.  6.39. К   построению в. а. х. U2(I) и U(I) феррорезонансного стабилизатора напряжения

U опережают ток I на угол π/2, при любом значении тока I между напряжениями существует следующее соотношение:

U = U1 + U2:

В. а. х. U(I), построенная в соответствии с указанным соотношением с помощью в. а. х. U1(I) и U2(I),дана на рис. 6.39, б.

Как видно, при значительном изменении напряжения источника ΔU = U” – U’ выходное напряжение изменяется на относительно небольшое значение ΔU2 = U”2 – U’2.

Путем небольшого усложнения электрической цепи стабилизатора напряжения можно получить практически неизменное напряжение U2 при колебании напряжения источника.

Феррорезонансные стабилизаторы просты по устройству, надежны в работе, имеют относительно небольшую стоимость и практически неограниченный срок службы. К недостаткам следует отнести несинусоидальность формы кривой выходного напряжения и относительно большую массу.

Требования к эксплуатации

Антирезонансные трансформаторы должны эксплуатироваться с соблюдением следующих требований:

• устанавливаться на высоте от уровня моря в пределах до 1 км,
• колебания температуры окружающей среды должны находиться от 15 до 35 градусов тепла, при отсутствии колебаний более 5 градусов,
• состав воздуха должен включать достаточное количество кислорода и азота, с принадлежностью атмосферы ко второму типу,
• обязательное соблюдение правил пожарной безопасности, предусмотренных государственными нормативными актами,
• подключение трансформатора к сети с характеристиками, на которые рассчитано данное оборудование,
• в процессе эксплуатации должна соблюдаться схема технического обслуживания и проведения планово-предупредительных текущих и капитальных ремонтов, в соответствии с требованиями, установленными заводом-изготовителем и другими регламентирующими документами,
• к обслуживанию агрегатов необходимо допускать обученный и аттестованный персонал, с организацией безопасного отключения установки от сети и выполнением установленных нормами по охране труда мер безопасности.

Учитывая эксплуатационные требования, такие трансформаторы не могут работать на открытом воздухе. Их необходимо устанавливать в помещениях, обеспечивающих соответствующий температурный и влажностный режим.

От правильности эксплуатации зависит безопасность работы данного оборудования и продолжительность его использования. Паспортный срок службы будет обеспечен только при условии обязательного выполнения требований, установленных изготовителем.

Антирезонансные трансформаторы – относительно новая разработка в области электротехники. Это оборудование получает всё более широкий спектр применения и продолжает всё более совершенствоваться.

Стабилизатор напряжения электромеханического типа

Что собой представляет данный прибор? По сути, это трансформатор (вольтодобавочный), который самостоятельно регулирует напряжение на подающем шлейфе. То есть, нет необходимости что-то подкручивать, если появилась необходимость добавить несколько вольт, как это делается с релейными аналогами.

В настоящее время область применения электромеханических стабилизаторов достаточно обширна. Это не только помещения бытового назначения и офисы, востребованы эти приборы и в тех местах, где используется высокоточное электронное оборудование. К примеру, в медицинских учреждениях.

Классификация стабилизаторов

Основное разделение стабилизаторов напряжения электромеханических производится по самому напряжению. То есть, они бывают однофазными (220 вольт) и трехфазными (380 вольт). Понятно, что первые чаще всего используются в частном секторе и в офисных помещениях, вторые в больших учреждениях и на производстве. Хотя сегодня, когда у населения появилась возможность строить большие собственные дома, в которых размещается огромное количество бытовой техники, трехфазные стабилизаторы напряжения стали устанавливаться и в них.

По своему исполнению приборы представлены настенными моделями, напольными, настольными, могут крепиться как в горизонтальном положении, так и в вертикальном. То есть, производители учли все варианты удобного расположения, зависящего от места установки аппарата. Необходимо отметить, что эти стабилизаторы напряжения обладают очень точной установкой напряжения, работают без посторонних помех, прекрасно себя показали при краткосрочных высоких перегрузках, при этом обладают достаточно широким интервалом стабилизации самого напряжения.

И третья позиция разделения – это мощность прибора. В настоящее время производители предлагают очень широкий модельный ряд в этом плане. Здесь и простые маломощные стабилизаторы напряжения 500 кВА, и высокомощные агрегаты до 20000 кВА. Необходимо отметить, что чисто конструктивно две позиции (220 и 380 вольт) отличаются между собой тем, что первый вариант – это один трансформатор и один щеточный блок, в конструкции второго могут присутствовать два или три трансформатора.

Достоинства и недостатки

Электромеханические стабилизаторы напряжения обладают широким рядом преимуществ перед другими аналогами:

• широчайший диапазон входного напряжения;
• высокая точность выходного показателя напряжения, искажения практически отсутствуют;
• безопасная работа при высоком входном напряжении краткосрочного действия в независимости от того это будет напряжение 220 вольт или 380;
• низкая чувствительность (практически полное ее отсутствие) к рабочей частоте дает возможность использовать трехфазные стабилизаторы напряжения на промышленных объектах;
• бесшумная работа даже при самых высоких скачках напряжения в подающей сети.

Не обошлось и без недостатков:

• к сожалению, это не электронный прибор, поэтому в конструкции электромеханического стабилизатора присутствуют подвижные элементы, которые раз в 5-6 лет придется менять на новые;
• раз в десять лет производители рекомендуют менять сервопривод щеточного блока;
• если напряжение в подающей сети падает ниже 180 вольт, то практически все производители не гарантируют его повышение на выходе до заявленного паспортного значения;
• однофазные аналоги не приспособлены работать при низких температурах, поэтому лучше всего устанавливать их внутри отапливаемых помещений;
• не очень высокая скорость стабилизации, конечно, если сравнивать с другими моделями;
• есть ли необходимость данный момент относить к недостаткам, каждый решает сам, но работа сервопривода электромеханического стабилизатора сопровождается щелчком, который действует доли секунд.

Устройство трансформатора

Схема включения

Каждый фазоповоротный трансформатор принцип работы которого был рассмотрен в предыдущем разделе, состоит из двух преобразователей напряжения, отличающихся схемой включения. В его состав входят:

• параллельный трансформатор (ПТ);
• последовательное его дополнение (можно обозначить его как ПсТ).

Первичные обмотки ПТ включается параллельно линейной цепи по общеизвестной схеме типа «треугольник» (смотрите рисунок выше).

Вторичные же выполнены в виде полностью изолированных катушек с отводами от отдельных витков. Одним своим концом они подключаются к первичным обмоткам ПсТ, ответные части которых наглухо заземляются.

Вторичные обмотки последовательного трансформатора – это три изолированные фазы, включенные в разрыв основных питающих цепей. Из приведенной выше схемы следует, что трансформатор ПсТ подключается по схеме «звезда» (с наглухо заземленной нейтралью).

Важно! Такое включение обеспечивает дополнительный сдвиг фазы питающего напряжения на 90 градусов относительно сигнала, приходящего со станционного оборудования. По этой причине другое название этих устройств – фазоповоротный или кросс-трансформатор. Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов

Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ

Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов. Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ

По этой причине другое название этих устройств – фазоповоротный или кросс-трансформатор. Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов. Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ.

Эффект коррекции фаз

Последствия коррекции фаз могут быть представлены в виде поправок, которые вносятся в цепи после установки в них фазовращательных устройств. Для успешной работы таких трансформаторов при их проектировании должны учитываться следующие моменты:

• В нагрузках формируется питающее напряжение, состоящее из суммы двух компонентов (вектора источника и величины, вносимой фазовращателем).
• Добиться компенсации потерь в линии удается за счет изменения второй компоненты.
• Для управления характеристиками ФТ во вторичной обмотке ПТ предусмотрены регулируемые отводы в виде реостата.
• При изменении положения движка регулятора меняется вторая составляющая фазной суммы, компенсируя «набежавший» в линии сдвиг.

Таким путем осуществляется коррекция фазной разницы между векторами напряжений источника и потребителя, возникающего из-за распределенных параметров линий и неравномерности нагрузки.

Конструкция

Силовые трансформаторы делаются масляными, сухими. Высоковольтный аппарат представляет собой сложное инженерное оборудование.

В аппарат входит:

• Станина установки.
• Прямоугольный масляный бак.
• Термосифонный фильтр.
• Магнитопроводы.
• Обмотки низкого потенциала (2-слойная цилиндрическая).
• Обмотки высокой амплитуды.
• Вводные проходные изоляторы 2 классов амплитуды.
• Расширительная ёмкость.
• Газовое реле.
• Переключающее устройство РПН.
• Моторный привод.
• Радиаторы с вентиляторами, охладителями.
• Привод переключающего устройства.
• Запорная арматура по маслу, воде, газу.

По количеству фаз трансформаторы выпускают: однофазные, трёхфазные.