Εκτύπωση αυτής της σελίδας

Σταθεροποιητής τάσης - τι είναι - πως λειτουργεί - σε ποιες περιπτώσεις χρειάζεται;

Βαθμολογήστε αυτό το άρθρο
(0 ψήφοι)

Έχουμε αναφερθεί ξανά στους σταθεροποιητές τάσης. Χρήσιμα μηχανήματα, αλλά

χρειάζονται σωστή τοποθέτηση (ειδικά όταν είναι μεγάλα) και προσοχή. Λόγω μετασχηματιστών και θερμοκρασιών που αναπτύσσονται, καλό είναι να είναι σε χώρο με πολύ καλό εξαερισμό και χαμηλές θερμοκρασίες. Υπάρχει κίνδυνος πυρκαγιών. Όμως παρ όλα αυτά, σε πολλές περιπτώσεις είναι πολύ χρήσιμα  μηχανήματα. 

Ας δούμε λοιπόν από την σελίδα electricaltechnology.org τι είναι ο σταθεροποιητής τάσης, πως λειτουργεί και άλλες λεπτομέρειες.

Στον παρακάτω σύνδεσμο μπορείτε να ρίξετε μια ματιά για τους σταθεροποιητές, σε παλαιότερο άρθρο μας https://electricalnews.gr/texnika-arthra/item/110-statheropoiitis-tasis

Το πρωτότυπο άρθρο που θα διαβάσετε σήμερα θα το βρείτε εδώ: https://www.electricaltechnology.org/2016/11/what-is-voltage-stabilizer-how-it-works.html

Το άρθρο είναι μεταφρασμένο από τον Ηλεκτρολόγο μηχανικό Νικόλαο Τουρατζίδη... 

Η εξέλιξη των ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος καθώς και των μικροϋπολογιστών έχει βοηθήσει θεαματική στον σχεδιασμό και την παραγωγή σύγχρονων σταθεροποιητών. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει στην παραγωγή σταθεροποιητών τάσεως υψηλής απόδοσής και ποιότητας οι οποίοι εγγυόνται μεγάλη σταθερότητα ως προς την επιτηρούμενη έξοδο τους.  Σε αντίθεση με τους σταθεροποιητές τάσης του παρελθόντος, οι σύγχρονοι Σ.Τ.  χρησιμοποιούν υψηλής απόδοσης ηλεκτρικά στοιχεία και υποκυκλώματα, συστοιχίες Solid State κ.α. τα οποία δίνουν την δυνατότητα στον χρήστη να ‘επικοινωνεί’ και να ρυθμίζει τον ανάλογα της αρεσκείας του, χωρίς ανακριβείς ποτενσιόμετρα, με υψηλότερη ευκρίνεια και ακρίβεια. Επίσης, πλέον επιτυγχάνεται μικρότερος χρόνος απόκρισης (τυπικά μικρότερος μερικών millisecond).          

Σήμερα, σταθεροποιητές τάσεως χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα συσκευών και εξοπλισμών, από οικιακής χρήσης (Η/Υ, ψυγεία, τηλεοράσεις κλπ.) μέχρι και βιομηχανικό εξοπλισμό (CNC, Plotters, PLC κ.α.). Κοινός παρονομαστής των παραπάνω είναι το γεγονός ότι συσκευές και εξοπλισμοί τέτοιας φύσεως κινδυνεύουν σε μεγάλο βαθμό από διακυμάνσεις τάσεως σε σχέση με κάποιες άλλες.

Τι είναι όμως οι σταθεροποιητές τάσεως;

Πρόκειται για μία ηλεκτρική συσκευή η οποία είναι σχεδιασμένη να παραδίδει στην έξοδο της συνεχώς την τάση που απαιτείται χωρίς να επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της εισόδου. Με πιο απλά λόγια θα μπορούσαμε να πούμε πως πρόκειται για ένα ‘δυναμικό φίλτρο τάσεων’. Οι σταθεροποιητές τάσης προστατεύουν από φαινόμενα υπέρτασης και υπότασης και χρησιμοποιούνται κατά κόρων σε εξοπλισμούς με μεγάλη ευαισθησία σε τέτοια φαινόμενα για να εξασφαλίζουν μεγάλη ευκρίνεια, πράγμα που σημαίνει πως ένα φαινόμενο υπέρτασης μπορεί να αποφέρει ακόμα και την καταστροφή τέτοιων συσκευών. Ο σταθεροποιητής τάσης εξομαλύνει την αναστατωμένη τάση της εισόδου και παραδίδει στην έξοδο του (και κατά συνέπεια στην είσοδο της συσκευής που τροφοδοτεί) την τιμή της τάσης που απαιτείται σταθερά, επιτυγχάνοντας έτσι την ομαλή λειτουργεία της. Επειδή όμως κανένα σύστημα δεν είναι ιδανικό, έτσι και οι AVR εμφανίζουν ένα εύρος τιμών στην έξοδο τους η οποία όμως είναι στα επιτρεπτά όρια του εξοπλισμού μας (220V-230V ή 380V-400V) και σχεδόν πάντα μικρότερη της τάξης του   2-3%.

Παρακάτω ένας σταθεροποιητής τάσης που θα συναντήσουμε σε συσκευές όπως ψυγείο ή τηλεοράσεις κλπ...

voltage stabilizer

            Υπάρχει τεράστια ποικιλία στους AVR στην αγορά του σήμερα τόσο για μονοφασικά όσο και για τριφασικά συστήματα τα οποία διαφέρουν ως προς την ισχύ που θέλει ο καταναλωτής να καλύψει. Στους τριφασικούς AVR συναντάμε επίσης την διαφορά balanced και unbalanced η οποία αναφέρεται στην φύση του φορτίου που θα καλύψει ο AVR. Παράδειγμα, ένα balanced φορτίο είναι ένα συμμετρικό φορτίο ή ένας ηλεκτροκινητήρας ενώ ένα unbalanced φορτίο είναι μια τριφασική εγκατάσταση που τροφοδοτούνται ωμικά και επαγωγικά φορτία όπου στο συγκεκριμένο σύστημα δεν μπορούμε να έχουμε την επιθυμητή συμμετρία.  

Μερικοί τύποι Σ.Τ. είναι:

  • Αναλογικοί σταθεροποιητές τάσης τύπου ρελε
  • Solid State σταθεροποιητές τάσης
  • Στατικοί Σταθεροποιητές τάσης
  • Σερβοελενχόμενοι ή Σερβομηχανικοί Σταθεροποιητές τάσης

Μερικές από τις δυνατότητες των Σ.Τ. όλων των παραπάνω κατηγοριών είναι:

  • Αποκοπή λόγο υπέρτασης εισόδου-εξόδου
  • Αποκοπή λόγο Υπότασης εισόδου-εξόδου
  • Προστασία υπερφόρτωσης (Overload Protection)
  • Auto ή Manual Start/Stop εισόδου-εξόδου

Γιατί οι σταθεροποιητές τάσης είναι απαραίτητοι;

κάθε ηλεκτρική εγκατάσταση ή συσκευή είναι σχεδιασμένη για ένα συγκεκριμένο εύρος τιμών τάσεως λειτουργείας. Αυτό εξαρτάται από τα υλικά και υποκυκλώματα της ίδιας της συσκευής καθώς και την ευαισθησία της. Για πολλές συσκευές για παράδειγμα ο κατασκευαστής μας δίνει μία ανοχή της τάξεως του +-10% ενώ σε άλλες συσκευές το εύρος αυτό πέφτει στο +-5% ίσως και χαμηλότερα.       Οι διακυμάνσεις τάσης (υπέρταση ή υπόταση σε σχέση με την τάση λειτουργείας της συσκευής) είναι φαινόμενο ευρέως διαδεδομένο σε πολλές περιοχές όπου την ευθύνη σπάνια φαίνεται να παίρνουν οι εταιρίες παροχής ενέργειας σε περίπτωση καταστροφής ή βλάβης. Οι πιο συχνές αιτίες για τις διακυμάνσεις αυτές είναι οι κεραυνοί, αποτυχία του ηλεκτρικού δικτύου (γραμμές και μετασχηματιστές), ακόμα όμως και κακή καλωδίωση της ίδιας της συσκευής.

Μερικά από τα αποτελέσματα που μπορούν να αποφέρουν όλα τα παραπάνω είναι φαινόμενο υπέρτασης ή και υπότασης, τα οποία φαινόμενα μπορούν να προκαλέσουν μερικά από τα εξής:

Υπέρταση

  • Μόνιμη βλάβη στον εξοπλισμό
  • Αλλοίωση ή καταστροφή των τυλιγμάτων
  • Αυξημένα ποσά απωλειών
  • Σημαντική μείωση της διάρκειας ζωής του εξοπλισμού

Υπόταση

  • Μη ομαλή λειτουργεία του εξοπλισμού
  • Αύξηση του λειτουργικού περιοδικού κύκλου
  • Μείωση απόδοσης του εξοπλισμού
  • Αύξηση της τιμής του ρεύματος που περνάει μέσα στον εξοπλισμό με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση και πιθανόν την ανάφλεξη του εξοπλισμού
  • Υπολογιστικά και λογικά λάθη
  • Μείωση της ταχύτητας των ηλεκτρικών μοτέρ κλπ.

Σύμφωνα λοιπόν με τα παραπάνω η σταθερότητα στην τιμή της τάσης και η ακρίβεια αυτής είναι σημεία ζωτικής σημασίας για την ομαλή λειτουργία του εξοπλισμού μας. Συνεπώς οι Σταθεροποιητές Τάσης μας εξασφαλίζουν αυτή την ομαλή ροή ενέργειας στην είσοδο της εν λόγο συσκευής προς προστασία χωρίς όμως αυτή να επηρεάζεται από τις αυξομειώσεις της εισόδου του σταθεροποιητή.

Πως λειτουργούν οι Σταθεροποιητές Τάσης;

Για να επιτευχθεί η διόρθωση της ανωμαλίας της τάσης που μπορεί να έχει η γραμμή μας, οι σταθεροποιητές τάσεως χρησιμοποιούν μια λειτουργία που αναφέρεται ως buck and boost. Το buck and boost μπορεί να επιτευχθεί είτε με την χρήση ρελε είτε με την χρήση ηλεκτρονικών πλακετών. Σε περιπτώσεις υπότασης ‘ενεργοποιείται’ η boost λειτουργεία η οποία αυξάνει την τιμή τάσεως προς την έξοδο αναλογικά της πτώσης της εισόδου και το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει σε περιπτώσεις υπέρτασης όπου αναλαμβάνει η λειτουργία buck.

 Για να καταλάβουμε αυτές τις λειτουργίες μπορούμε να φανταστούμε έναν απλό μετασχηματιστή 230V/12V όπου στην συνδεσμολογία παρακάτω...

statheropoiitis tasis

Παρατηρούμε πως η σύνδεση του δευτερεύοντος πηνίου είναι τέτοια όπου η επαγωγική τάση του προστίθεται στην τάση του πρωτεύοντος πηνίου. Έτσι σε περιπτώσεις υπότασης της πηγής μας ο μετασχηματιστής περνάει στην λειτουργεία buck είτε με την χρήση ρελε είτε μέσω ηλεκτρονικών και επιτυγχάνεται η αύξηση της τάσης εισόδου σε επιθυμητά επίπεδα.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται μία συνδεσμολογία η οποία περιγράφει ταυτόχρονα τις λειτουργίες buck and boost με την χρήση ρελε...

statheropoiitis tasis1

Φαίνεται λοιπόν πως σε περιπτώσεις διακυμάνσεων (υπότασης ή υπέρτασης), τα ρελε διαχειρίζονται τα αντίστοιχα tap των μετασχηματιστών με αποτέλεσμα να ‘προσθέτουν ή να αφαιρούν’ τάση στο πρωτεύον πηνίο με αποτέλεσμα η τάση εξόδου να παραμένει σταθερή.

Τύποι Σταθεροποιητών Τάσης

Τύπου ρελε.

Η πρώτη μορφή αυτόματης διόρθωσης τάσης προτού την ανακάλυψη των ηλεκτρονικών ειδών ήταν οι σταθεροποιητές τάσης τύπου ρελε. Όπως και στο παράδειγμα παραπάνω, τα ρελε διαχειρίζονται τα tap των μετασχηματιστών (πρόσθεταν και αφαιρούσαν τυλίγματα του πηνίου) με αποτέλεσμα να επιτυγχάνετε το buck and boost.  Τέτοιου τύπου σταθεροποιητές χρησιμοποιούνται και σήμερα τόσο σε οικιακό όσο και σε βιομηχανικό επίπεδο καθώς πρόκειται για μηχανήματα μικρού κόστους. Τα μειονεκτήματα τους είναι η χαμηλή ταχύτητα απόκρισης όσων αφορά την διόρθωση (πράγμα που μπορεί να αποφέρει μέχρι και καταστροφή του εξοπλισμού), στιγμιαία διακοπή της τροφοδοσίας εξόδου την στιγμή που γίνετε η αλλαγή του tap καθώς η κίνηση του ελάσματος του ρελε καθυστερεί και η ακρίβεια τους ως προς την τιμή της εξόδου δεν ξεπερνάει το 5%.

Σταθεροποιητές τάσης με Σερβομηχανισμό

Πρόκειται για σταθεροποιητές οι οποίοι χρησιμοποιούν την φιλοσοφία των σταθεροποιητών τύπου ρελε με την μόνη διαφορά ότι τα τυλίγματα του πηνίου ελέγχονται από μία βελόνα που οδηγείται από έναν αεροκινητήρα. Είναι γνωστοί στο εμπόριο και ως σταθεροποιητές αρνητικής ανάδρασης πράγμα που σημαίνει πως ο σταθεροποιητής συμπεριφέρεται από μόνος του σαν ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου και χρησιμοποιεί την έξοδο σαν σήμα ανάδρασης για να διορθώνει συνεχώς την τιμή της εξόδου. Η ακρίβεια τους φτάνει στο +-1% και μπορούν να τροφοδοτήσουν την έξοδο ακόμα και αν η τάση εισόδου διακυμανθεί +-50%. Ο σχεδιασμός και η φιλοσοφία μοιάζει αυτής των πρώτων (ΑΤΑ) σκληρών δίσκων Η/Υ.

Στατικοί Σταθεροποιητές Τάσης

Το κομμάτι «στατικοί» δεν αναφέρεται στο θέμα των διαχειρίσιμων τιμών του σταθεροποιητή αλλά στο γεγονός ότι οι σταθεροποιητές τέτοιου τύπου δεν έχουν κινητά μέρη όπως στα παραπάνω παραδείγματα. Χρησιμοποιούν αποκλείστηκα ηλεκτρονικά ισχύος για την σταθεροποίηση της διακύμανσης γεγονός που τους κάνει ακόμα πιο ακριβείς από τους υπόλοιπους τύπου καθώς τα ποσοστά ακρίβειας τους είναι μικρότερα του +-1%. Χρησιμοποιούν IGBT converter ή AC σε AC converter, μικροελενκτές και μικροεπεξεργαστές ακόμα και SSD “μνήμες”. Μερικές από τις δυνατότητες που έχει ο χρήστης επιλέγοντας τέτοιας μορφής σταθεροποιητές είναι για παράδειγμα η αναστροφή φάσης κατά 180 μοίρες, ή η εναλλαγή εξόδου από AC σε DC. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία αυτών των μηχανημάτων είναι σίγουρα η μεγαλύτερη των υπολοίπων κατηγοριών. Μπορεί αφενός το κόστος να είναι ίσως και πενταπλάσιο των άλλων κατηγοριών αλλά με τον ίδιο συντελεστή πολλαπλασιάζουμε και της δυνατότητες που προσφέρουν.

Αυτή ήταν λοιπόν μία σύντομη γνωριμία με τους σταθεροποιητές τάσης, την αρχή λειτουργίας τους καθώς και των διαφόρων ειδών που υπάρχουν στο εμπόριο. Τέτοια μηχανήματα που ακούγονται ίσως απλοϊκά στον τρόπο λειτουργίας τους μπορούν να μας διασφαλίσουν χιλιάδες ευρώ από την πιθανή μερική ή ολική καταστροφή εξοπλισμού μας (οικιακού ή βιομηχανικού).