استابلایزر ولتاژ چیست و چرا به آن نیاز داریم؟ کارکرد، انواع و کاربردهای استابلایزر ولتاژ (استابلایزر ولتاژ)
تعبیه فناوری تراشه ریزپردازنده و دستگاه‌های الکترونیکی نیرو در طراحی استابلایزرهای متناوب (AC) (یا تنظیم‌کننده‌های خودکار ولتاژ (AVR)) در صورت انحراف قابل توجه و پیوسته ولتاژ شبکه منجر به تولید منبع تغذیه الکتریکی با کیفیت و پایدار می‌شود.
به عنوان پیشرفت در استابلایزرهای نوع رله متداول، استابلایزرهای ابداعی مدرن از مدارهای کنترل دیجیتال با کارایی بالا و مدارهای کنترل حالت جامد استفاده میکنند که ابزار تنظیمات پتانسیومتر را از بین می‌برد و به کاربر اجازه می‌دهد تا ولتاژهای مورد نیاز خود را از طریق صفحه کلید با امکان شروع و توقف خروجی تنظیم کند.
این امر همچنین منجر به این شد که زمان حرکت یا واکنش‌پذیری استابلایزرها به میزان بسیار کمتری، معمولاً کمتر از چند میلی ثانیه باشد، علاوه بر این می‌توان آن را با محیط متغیر تنظیم کرد. امروزه استابلایزرها به یک راه حل بهینه‌سازی شده برای بسیاری از وسایل الکترونیکی حساس به نوسانات ولتاژ تبدیل شده‌اند و آنها با بسیاری از دستگاه‌ها مانند دستگاه‌های CNC، تهویه‌های هوا، گیرنده‌های تلویزیون، تجهیزات پزشکی، رایانه‌ها، تجهیزات مخابراتی و غیره کار کرده‌اند.
استابلایزر ولتاژ چیست؟
استابلایزر ولتاژ وسیله الکتریکی است که برای رساندن ولتاژ ثابت به یک بار در ترمینال‌های خروجی آن بدون در نظر گرفتن تغییرات ورودی یا ولتاژ تغذیه واردشونده طراحی شده است. از تجهیزات یا دستگاه در برابر اضافه ولتاژ، زیرولتاژ و تغییر ناگهانی ولتاژ محافظت می‌کند.
همچنین به عنوان تنظیم‌کننده خودکار ولتاژ (AVR) نامیده می‌شود. استابلایزرهای ولتاژ برای تجهیزات گران‌قیمت و با ارزش الکتریکی مورد نظر می‌باشند تا آنها را در برابر نوسانات مضر ولتاژ پایین و زیاد محافظت کند. برخی از این تجهیزات تهویه‌های هوا، دستگاه چاپ افست، تجهیزات آزمایشگاهی، ماشین آلات صنعتی و لوازم پزشکی هستند.
استابلایزرهای ولتاژ، ولتاژ ورودی در حال نوسان را قبل از اینکه به بار تغذیه شود (یا تجهیزات حساس به تغییرات ولتاژ) تنظیم میکنند. ولتاژ خروجی از تثبیت کننده در صورت وجود منبع تغذیه تک فاز در محدوده 220 ولت یا 230 ولت و در صورت وجود منبع تغذیه سه فاز ۳۸۰ ولت یا ۴۰۰ ولت در دامنه نوسان ولتاژ ورودی باقی خواهد ماند. این تنظیم و رگوله سازی توسط عملیات باک و بوست انجام شده توسط مدارهای داخلی انجام می‌شود.
انواع زیادی از تنظیم کننده‌های خودکار ولتاژ در بازار امروز موجود است. اینها بنا به نوع کاربرد و ظرفیت (KVA) مورد نیاز می‌توانند واحدهای تک یا سه فازی باشند. استابلایزرهای سه فاز در دو نسخه به عنوان مدل بار متعادل و مدل بار نامتعادل ارائه می‌شوند. اینها یا به عنوان واحدهای اختصاصی برای لوازم خانگی و یا به عنوان یک واحد استابلایزر بزرگ برای تمام لوازم خانگی در یک مکان خاص مثلاً کل خانه، در دسترس هستند. علاوه بر این، اینها می‌توانند از نوع آنالوگ یا دیجیتال از واحدهای استابلایزر باشند.
انواع متداول استابلایزرهای ولتاژ شامل استابلایزرهای دستی یا قابل جایگزینی، استابلایزرهای نوع رله اتوماتیک، استابلایزرهای حالت جامد یا استاتیک و استابلایزرهای کنترل شده سروو هستند. علاوه بر کارکرد استابلایزر، اکثر استابلایزرها دارای ویژگی‌های اضافی مانند قطع جریان ولتاژ پایین ورودی یا خروجی، قطع جریان ولتاژ بالا ورودی یا خروجی، قطع بار اضافه، امکان شروع و توقف خروجی، شروع دستی یا خودکار، صفحه نمایش قطع ولتاژ، سوئیچ ولتاژ صفر و غیره هستند.
چرا به استابلایزرهای ولتاژ نیاز داریم؟
معمولاً و به‌طور کلی، هر یک از تجهیزات یا دستگاه‌های الکتریکی برای طیف وسیعی از ولتاژ ورودی طراحی شده‌اند. بسته به میزان حساسیت، دامنه کار تجهیزات به مقادیر خاصی محدود می‌شود، به عنوان نمونه، برخی از تجهیزات می‌توانند 10 ± ولتاژ اسمی را تحمل کنند در حالی که برخی دیگر 5 ± یا کمتر را تحمل میکنند.
نوسانات ولتاژ (افزایش یا افت مقدار ولتاژ اسمی) در بسیاری از مناطق، به ویژه در خطوط ختم شده، کاملاً متداول است. متداول‌ترین دلایل نوسانات ولتاژ، روشنایی، خطاهای الکتریکی، سیم کشی مشکل دار و خاموش شدن گهگاهی دستگاه است. این نوسانات باعث ایجاد حادثه ناگوار و خرابی در تجهیزات الکتریکی یا لوازم خانگی می‌شود.
نتایج برای اضافه ولتاژ در مدت زمان طولانی
- آسیب دائمی به تجهیزات
- آسیب عایق به سیم پیچ‌ها
- قطع ناخواسته بار
- افزایش خسارت در کابل‌ها و تجهیزات مرتبط
- کاهش عمر دستگاه
نتایج برای زیرولتاژ در مدت زمان طولانی
- درست کار نکردن تجهیزات
- دوره‌های طولانی‌تر کار کردن (مانند هیترهای مقاومتی)
- کاهش عملکرد تجهیزات
- کشیدگی جریان‌های بزرگ که منجر به داغ شدن می‌شود
- خطاهای محاسباتی
- کاهش سرعت موتورها
بنابراین پایداری و دقت ولتاژ در مورد عملکرد صحیح تجهیزات تصمیم می‌گیرد. همینطور استابلایزرهای ولتاژ اطمینان حاصل میکنند که نوسانات ولتاژ در منبع تغذیه ورودی بر بار یا دستگاه الکتریکی تأثیر نمی‌گذارد.
استابلایزر ولتاژ چگونه کار می‌کند؟
اصل اساسی استابلایزر ولتاژ برای انجام عملیات باک و بوست
در یک استابلایزر ولتاژ، اصلاح و بهبود اضافه ولتاژ و زیر ولتاژ از طریق دو عملیات ضروری، یعنی عملیات بوست و باک انجام می‌شود. این عملیات را می‌توان به صورت دستی توسط کلیدها یا به‌صورت خودکار از طریق مدارهای الکترونیکی انجام داد. در شرایط زیر ولتاژ، عملیات بوست ولتاژ را به سطح اسمی آن افزایش می‌دهد در حالی که عملیات باک سطح ولتاژ را در شرایط اضافه ولتاژ کاهش می‌دهد.
مفهوم استابلایزری شامل افزودن یا کم کردن ولتاژ “به و از” منبع تغذیه است. برای انجام چنین کاری، استابلایزری از یک ترانسفورماتور استفاده می‌کند که در تنظیمات مختلف به رله‌های سوئیچینگ متصل است. برخی از استابلایزرها از ترانسفورماتور با تَپ‌های پیچاپیچ استفاده میکنند تا اصلاح‌های مختلف ولتاژ را میسر سازند در حالی که استابلایزرهای سروو از ترانسفورماتور خودکار برای تصحیح محدوده وسیع استفاده میکنند.
برای درک این مفهوم، بیایید در نظر بگیریم ترانسفورماتور ساده‌ای درجه‌ای را تا ۲۳۰ / ۱۲ ولت را پایین بیاورد و اتصال آن با این عملیات در زیر آورده شده است.
شکل بالا طرز قرار گرفتن بوستینگ را نشان می‌دهد که در آن قطب سیم پیچ ثانویه به گونه‌ای چیده شده است که ولتاژ آن مستقیماً به ولتاژ اولیه اضافه می‌شود. بنابراین، در وضعیت زیر ولتاژ، ترانسفورماتور (اعم از اینکه تَپ‌چنجر یا اتو ترانسفورماتور باشد) توسط رله‌ها یا سوئیچ‌های حالت جامد سوئیچ می‌شود به گونه‌ای که ولت‌های اضافی به ولتاژ ورودی اضافه می‌شوند.
در شکل بالا، ترانسفورماتور به پیکربندی باکینگ متصل شده است، در آن قطب سیم پیچ ثانویه به گونه‌ای جای گیری می‌شود که ولتاژ آن از ولتاژ اولیه کم شود. مدار سوئیچینگ اتصال را به بار به این پیکربندی در وضعیت اضافه ولتاژ تغییر می‌دهد.
شکل بالا استابلایزر ولتاژ دو مرحله‌ای را نشان می‌دهد که از دو رله برای تأمین جریان متناوب AC به بار در هنگام اضافه ولتاژ و در شرایط ولتاژ استفاده می‌کند. با سوئیچینگ رله‌ها، می‌توان عملیات باک و بوست را برای دو نوسان ولتاژ خاص انجام داد (یکی زیر ولتاژ، مثلاً ۱۹۵ ولت و دیگری برای اضافه ولتاژ، مثلاً ۲۴۵ ولت است).
در صورت تَپینگ به استابلایزرهای نوع ترانسفورماتور، تَپ‌های مختلف بر اساس مقدار مورد نیاز ولتاژ بوست یا باک سوئیچ می‌شوند. اما، در مورد استابلایزرهای نوع اتو ترانسفورماتور، از موتورها (موتور سروو) به همراه برخورد لغزشی برای بدست آوردن ولتاژهای بوست یا باک از اتو ترانسفورماتور استفاده می‌شود زیرا فقط شامل یک سیم‌پیچ است.
انواع استابلایزرهای ولتاژ
استابلایزرهای ولتاژ به بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از وسایل برقی خانگی، صنایع و سیستم‌های تجاری تبدیل شده‌اند. پیش از این، از استابلایزرهای ولتاژ دستی یا قابل تعویض برای افزایش ولتاژ ورودی به منظور دادن ولتاژ خروجی در محدوده مورد نظر استفاده شده بود. چنین استابلایزرهایی با رله‌های الکترومکانیکی به عنوان دستگاه‌های سوئیچینگ ساخته می‌شوند.
متعاقباً، مدار الکترونیکی اضافی فرآیند استابلایزری را خودکار کرده و تنظیم کننده‌های ولتاژ خودکار تَپ‌چنجر را به وجود آوردند. یک نوع شناخته شده دیگر استابلایزرها، استابلایزر ولتاژ سروو موتوری است که در آن اصلاح ولتاژ بدون هیچ‌گونه سوئیچ به‌طور مداوم انجام می‌شود. بگذارید در مورد سه نوع اصلی استابلایزر ولتاژ بحث کنیم.
استابلایزرهای ولتاژ نوع رله
در این نوع استابلایزرهای ولتاژ، تنظیم ولتاژ با تعویض رله‌ها انجام می‌شود به‌طوری که یکی از تعدادی از نوسانات ترانس را به‌بار وصل می‌کند (مانند روشی که در بالا توضیح داده شد)، خواه برای بوستینگ یا باکینگ باشد. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر نوع رله را نشان می‌دهد.
این مدار الکترونیکی و مجموعه‌ای از رله‌ها در کنار ترانسفورماتور وجود دارد. (که می‌تواند ترانسفورماتور چنبره‌ای یا هسته آهنی باشد و دارای تپینگ‌هایی باشد که در ثانویه آن قرار دارد). مدار الکترونیکی شامل مدار یکسوساز، تقویت‌کننده عملیاتی، واحد ریزکنترل‌گر و سایر قطعات کوچک است.
مدار الکترونیکی ولتاژ خروجی را با مقدار مرجع تهیه شده توسط منبع ولتاژ مرجع داخلی مقایسه می‌کند. هر زمان که ولتاژ از حد مرجع بالا یا پایین می‌رود، مدار کنترل رله مربوطه را روشن می‌کند تا یک تَپینگ دلخواه به خروجی متصل شود.
این استابلایزرها معمولاً ولتاژ را برای تغییرات ولتاژ ورودی ۱۵ ± به ۶ ± با دقت ولتاژ خروجی ۵ ± تا ۱۰ ± تغییر می‌دهند. این نوع استابلایزرها بیشتر مورد استفاده عمومی لوازم خانگی با درجه پایین در مصارف مسکونی، تجاری و صنعتی قرار می‌گیرند زیرا وزن کم و هزینه کمی دارند. با این حال، اینها با محدودیت‌های مختلفی مانند سرعت اصلاح ولتاژ کند، دوام کمتر، قابلیت اطمینان کمتر، قطع شدن مسیر برق در هنگام تنظیم، و تحمل ولتاژهای بالا مواجه نیستند.
استابلایزرهای ولتاژ کنترل شده سروو
اینها به سادگی به عنوان استابلایزرهای سرو (کار بر روی مکانیسم مکانیکی که به عنوان بازخورد منفی نیز شناخته می‌شود) نامیده می‌شوند و نام آن نشان می‌دهد که از یک موتور سروو برای توانمندسازی اصلاح ولتاژ استفاده می‌کند. اینها عمدتا برای دقت ولتاژ خروجی بالا استفاده می‌شوند، به‌طور معمول ۱ ± درصد تا ۵۰ ± درصد با تغییرات ولتاژ ورودی تغییر می‌کند. شکل زیر مدار داخلی یک استابلایزر سرو را نشان می‌دهد که شامل موتور سروو، اتو ترانسفورماتور، ترانسفورماتور باک – بوست، درایور موتور و مدارهای کنترل به عنوان اجزای بسیار مهم آن است.
در این استابلایزر، یک انتهای ترانسفورماتور باک – بوست به تَپ ثابت اتو ترانسفورماتور متصل است، در حالی که انتهای دیگر آن به بازوی متحرکی که توسط موتور سروو کنترل می‌شود، متصل است. ترانسفورماتور باک – بوست ثانویه به‌صورت سری با منبع ورودی متصل است که چیزی جز خروجی استابلایزر نیست.
مدار کنترل الکترونیکی با مقایسه ورودی با منبع ولتاژ مرجع داخلی، افت ولتاژ و افزایش ولتاژ را تشخیص می‌دهد. هنگامی که مدار خطا را پیدا می‌کند، موتور را به کار می‌اندازد که بازوی را بر روی اتو ترانسفورماتور حرکت می‌دهد. این می‌تواند ترانسفورماتور باک – بوست را تغذیه کند به‌طوری که ولتاژ در سطح ثانویه باید خروجی ولتاژ مورد نظر باشد. اکثر استابلایزرهای سروو برای دستیابی به کنترل هوشمند از ریزکنترلر یا پردازنده تعبیه شده برای مدارهای کنترل استفاده میکنند.
این استابلایزرها می‌توانند از نوع تک فاز، سه فاز نوع متعادل یا سه فاز نوع نامتعادل باشند. در نوع تک فاز، یک موتور سروو بهمراه ترانسفورماتور متغیر به اصلاح ولتاژ دست می‌یابد. در نوع متعادل سه فاز، یک موتور سروو با سه اتو ترانسفورماتور همراه است که در هنگام نوسانات با تنظیم خروجی ترانسفورماتور، خروجی استابلایزری شده ارائه می‌شود. در یک نوع نامتعادل از استابلایزرهای سروو، سه موتور سروو مستقل همراه با سه اتو ترانسفورماتور و سه مدار کنترل جداگانه دارند.
استفاده از استابلایزرهای سروو در مقایسه با استابلایزرهای نوع رله، مزایای مختلفی دارد. بعضی از اینها سرعت تصحیح بالاتر، دقت بالای خروجی استابلایزری شده، توانایی مقاومت در برابر جریان هجوم و قابلیت اطمینان بالا هستند. با این وجود، دلیل وجود موتور نیاز به نگهداری و تعمیرات دوره‌ای دارند.
استابلایزرهای ولتاژ استاتیک
همانطور که از نامش پیداست، استابلایزر ولتاژ استاتیک هیچ قطعه متحرکی به عنوان مکانیزم موتور سروو در مورد استابلایزر های سروو ندارد. این از مدار مبدل نیروی الکترونیکی برای دستیابی به تنظیم ولتاژ به جای واریاک در مورد استابلایزرهای متعارف، استفاده می‌کند. ایجاد دقت بیشتر و تنظیم ولتاژ عالی توسط این استابلایزرها در مقایسه با استابلایزرهای سروو امکان پذیر است و به‌طور معمول تنظیم ۱ ± درصد است.
در اصل از ترانسفورماتور باک – بوست، مبدل برق IGBT (یا مبدل AC به AC) و ریزکنترلر، ریزپردازنده یا کنترل کننده مستقر در DSP تشکیل شده است. مبدل IGBT کنترل شده توسط ریزپردازنده با استفاده از تکنیک تعدیل عرض پالس مقدار مناسب ولتاژ تولید می‌کند و این ولتاژ به دستگاه اصلی ترانسفورماتور باک – بوست عرضه می‌شود. مبدل IGBT ولتاژ را به گونه‌ای تولید می‌کند که می‌تواند در فاز یا ۱۸۰ درجه خارج از ولتاژ خط ورودی فاز باشد، تا ولتاژهای اضافی و کمتری را در هنگام نوسانات انجام دهد.
هرگاه ریزپردازنده افت ولتاژ را تشخیص دهد، پالس‌های PWM را به مبدل IGBT می‌فرستد به گونه‌ای که ولتاژی برابر با مقدار انحراف از مقدار اسمی تولید می‌کند. این خروجی در فاز با منبع ورودی است و به ترانسفورماتور باک – بوست عرضه می‌شود. از آنجا که ثانویه به خط ورودی متصل است، ولتاژ القایی به منبع ورودی اضافه می‌شود و این ولتاژ اصلاح شده به بار تحویل می‌شود.
به‌طور مشابه، افزایش ولتاژ باعث می‌شود مدار ریزپردازنده پالس‌های PWM را به گونه‌ای ارسال کند که مبدل ولتاژ مقدار انحرافی را خارج کند، ولتاژ ورودی ۱۸۰ درجه خارج از فاز است. این ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور باک – بوست از ولتاژ ورودی کم می‌شود تا عملیات باک انجام شود.
این استابلایزرها به دلیل طیف گسترده‌ای از مزایا مانند اندازه جمع و جور، سرعت تصحیح بسیار سریع، تنظیم ولتاژ عالی، عدم تعمیر و نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک، بازدهی بالا و قابلیت اطمینان بالا، در مقایسه با تَپ‌چنجر و استابلایزرهای کنترل شده سروو بسیار محبوب‌تر هستند.
تفاوت بین استابلایزر ولتاژ و تنظیم کننده ولتاژ
یک سوال اساسی اما گیج کننده در اینجا مطرح شده است که دقیقاً تفاوت بین استابلایزر (Stabilizer) و تنظیم کننده (Regulator) و چیست؟ خوب… هر دو عمل یکسان را انجام می‌دهند که ثابت کردن ولتاژ است اما تفاوت اصلی بین استابلایزر ولتاژ و تنظیم کننده ولتاژ این است:
- استابلایزر ولتاژ : دستگاه یا مداری است که برای رساندن ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در ولتاژ ورودی طراحی شده است.
- تنظیم کننده ولتاژ : دستگاه یا مداری است که برای ایجاد ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در جریان بار طراحی شده است.
چگونه یک استابلایزر ولتاژ به اندازه درست را انتخاب کنیم؟
مهمترین نکته این است که قبل از خرید یک استابلایزر ولتاژ برای یک دستگاه، چندین فاکتور را در نظر بگیرید. این فاکتورها شامل وات مورد نیاز دستگاه، سطح نوسانات ولتاژ تجربه شده در منطقه نصب، نوع دستگاه، نوع استابلایزر، محدوده کار استابلایزر (که استابلایزر ولتاژهای صحیح را طی می‌کند)، اضافه ولتاژ یا قطع زیر ولتاژ، نوع مدار کنترل، نوع مونتاژ و سایر عوامل می‌باشد. در اینجا ما مراحل اساسی را ارائه داده‌ایم که باید قبل از خرید یک استابلایزر برای استعمال خود در نظر بگیرید.
- با مشاهده جزئیات پلاک اسم (در اینجا نمونه‌ها: پلاک ترانسفورماتور، پلاک MCB، پلاک خازن و غیره) یا از کتابچه راهنمای کاربر، میزان قدرت دستگاهی را که می‌خواهید با استابلایزر استفاده کنید، بررسی کنید.
- از آنجا که استابلایزرها بر حسب کیلوولت‌آمپر (kVA) اندازه‌گیری می‌شوند (مانند مورد ترانسفورماتور در کیلوولت‌آمپر (kVA) به جای کیلووات (kW))، همچنین می‌توان وات را با حاصل‌ضرب ولتاژ دستگاه در حداکثر جریان مجاز محاسبه کرد. توصیه می‌شود.
- حاشیه اطمینان را به درجه استابلایزر اضافه کنید، به‌طور معمول ۲۰ تا ۲۵ درصد می‌باشد. این می‌تواند برای برنامه‌های آینده برای افزودن دستگاه‌های بیشتر به خروجی استابلایزر مفید باشد.
- اگر دستگاه بر حسب وات است، هنگام محاسبه درجه استابلایزر kVA، ضریب توان را در نظر بگیرید. برعکس، اگر استابلایزرها به جای کیلوولت‌آمپر (kVA) در کیلووات (kW) اندازه گیری می‌شدند، ضریب توان را با ولتاژ و حاصل‌ضرب جریان ضرب کنید.
در زیر مثال‌هایی زده شده است که نحوه انتخاب استابلایزر ولتاژ مناسب برای وسایل برقی(های) شما در آن آورده شده است:
فرض کنید اگر دستگاه (کولر یا یخچال) به میزان ۱ کیلوولت‌آمپر (kVA) است. بنابراین، حاشیه اطمینان ۲۰ درصد ۲۰۰ وات است. با افزودن این وات‌ها به میزان واقعی، ۱۲۰۰ ولت‌آمپر (VA) دریافت می‌کنیم. بنابراین استابلایزر ۱.۲ کیلوولت آمپر (kVA) یا ۱۲۰۰ ولت‌آمپر (VA) برای دستگاه ترجیح داده می‌شود. برای نیازهای خانگی ۲۰۰ ولت‌آمپر (VA) تا ۱۰ کیلوولت آمپر (kVA) استابلایزر ترجیح داده می‌شود. و برای کاربردهای تجاری و صنعتی، از استابلایزرهایی با درجه بندی بزرگ یک یا سه فاز استفاده می‌شود.
امیدوارم که اطلاعات ارائه شده برای خواننده مفید و آموزنده باشد. ما می‌خواهیم خوانندگان نظرات خود را در مورد این موضوع بیان کنند و به این سؤال ساده پاسخ دهند – هدف از ارتباطات RS232/RS485 در استابلایزرهای ولتاژ مدرن چیست. نظرات خود را در بخش زیر برای ما ارسال کنید.
تهیه و ترجمه: وک شاپ
منبع: electricaltechnology
