استابلایزر ولتاژ
استابلایزر (voltage stabilizer)یا تثبیت‌کننده ولتاژ یک وسیله الکتریکی است که برای ارائه ولتاژ ثابت به بار در ترمینال‌های خروجی خود صرف نظر از تغییرات ولتاژ ورودی یا تغذیه ورودی طراحی شده است. این وسیله از تجهیزات یا دستگاه در برابر ولتاژ بیش از حد، افت ولتاژ و سایر نوسانات ولتاژ محافظت می‌کند.
همچنین به عنوان تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار (AVR) شناخته می‌شود. تثبیت‌کننده‌های ولتاژ برای تجهیزات الکتریکی گران‌قیمت و گرانبها ترجیح داده می‌شوند تا از آنها در برابر نوسانات مضر ولتاژ پایین/بالا محافظت کنند. برخی از این تجهیزات عبارتند از تهویه مطبوع، دستگاه‌های چاپ افست، تجهیزات آزمایشگاهی، ماشین‌های صنعتی و دستگاه‌های پزشکی.
استابلایزرهای ولتاژ، ولتاژ ورودی نوسان‌دار را قبل از اینکه به بار (یا تجهیزاتی که به تغییرات ولتاژ حساس هستند) تغذیه شوند، تنظیم می‌کنند. ولتاژ خروجی از استابلایزر در محدوده نوسان ولتاژ ورودی معین، در صورت تغذیه تک فاز، در محدوده ۲۲۰ یا ۲۳۰ ولت و در صورت تغذیه سه فاز، در محدوده ۳۸۰ یا ۴۰۰ ولت باقی می‌ماند. این تنظیم توسط عملیات باک و بوست انجام می‌شود که توسط مدار داخلی انجام می‌شود.
عملکرد استابلایزر
اصول اساسی استابلایزر ولتاژ برای انجام عملیات کاهنده و تقویت‌کننده
در یک استابلایزر ولتاژ، اصلاح ولتاژ در شرایط اضافه ولتاژ و کاهش ولتاژ از طریق دو عملیات اساسی، یعنی عملیات تقویت و کاهش ولتاژ، انجام می‌شود. این عملیات می‌تواند به صورت دستی توسط سوئیچ‌ها یا به طور خودکار از طریق مدارهای الکترونیکی انجام شود. در شرایط افت ولتاژ، عملیات تقویت، ولتاژ را به سطح نامی افزایش می‌دهد در حالی که عملیات کاهنده، سطح ولتاژ را در شرایط اضافه ولتاژ کاهش می‌دهد. مفهوم استابلایزر شامل اضافه یا کم کردن ولتاژ به و از منبع تغذیه اصلی است. برای انجام چنین کاری، استابلایزر از یک ترانسفورماتور استفاده می‌کند که در پیکربندی‌های مختلف با رله‌های سوئیچینگ متصل است. برخی از استابلایزرها از یک ترانسفورماتور با انشعابات روی سیم‌پیچ برای ارائه اصلاحات ولتاژ مختلف استفاده می‌کنند در حالی که استابلایزرهای سروو از یک ترانسفورماتور خودکار برای طیف وسیعی از اصلاحات استفاده می‌کنند.
برای درک این مفهوم، بیایید یک ترانسفورماتور کاهنده ساده با ولتاژ نامی 230/12 ولت و ارتباط آن با این عملیات را در زیر بررسی کنیم.
شکل بالا پیکربندی تقویت‌کننده را نشان می‌دهد که در آن قطبیت سیم‌پیچ ثانویه به گونه‌ای تنظیم شده است که ولتاژ آن مستقیماً به ولتاژ اولیه اضافه می‌شود. بنابراین، در صورت افت ولتاژ، ترانسفورماتور (چه بتواند تپ چنجر باشد و چه اتوترانسفورماتور) توسط رله‌ها یا کلیدهای حالت جامد سوئیچ می‌شود به طوری که ولتاژهای اضافی به ولتاژ ورودی اضافه می‌شود.
در شکل بالا، ترانسفورماتور به صورت جفت شده متصل شده است، که در آن قطبیت سیم‌پیچ ثانویه به گونه‌ای است که ولتاژ آن از ولتاژ اولیه کم می‌شود. مدار سوئیچینگ در شرایط اضافه ولتاژ، اتصال به بار را به این پیکربندی تغییر می‌دهد.
شکل بالا یک تثبیت‌کننده ولتاژ دو مرحله‌ای را نشان می‌دهد که از دو رله برای تأمین تغذیه AC ثابت به بار در شرایط اضافه ولتاژ و افت ولتاژ استفاده می‌کند. با تعویض رله‌ها، می‌توان عملیات کاهش و افزایش ولتاژ را برای دو نوسان ولتاژ خاص (یکی برای افت ولتاژ، مثلاً ۱۹۵ ولت و دیگری برای افت ولتاژ، مثلاً ۲۴۵ ولت) انجام داد.
در مورد تثبیت‌کننده‌های نوع ترانسفورماتور تپ، تپ‌های مختلف بر اساس مقدار مورد نیاز ولتاژهای تقویت یا کاهش ولتاژ تغییر می‌کنند. اما در مورد تثبیت‌کننده‌های نوع ترانسفورماتور خودکار، از موتورها (موتور سروو) به همراه کنتاکت کشویی برای به دست آوردن ولتاژهای تقویت یا کاهش ولتاژ از ترانسفورماتور خودکار استفاده می‌شود، زیرا فقط یک سیم‌پیچ دارد.
انواع استابلایزرهای ولتاژ
استابلایزرهای ولتاژ به بخش جدایی‌ناپذیر بسیاری از لوازم برقی خانگی، صنعتی و سیستم‌های تجاری تبدیل شده‌اند. پیش از این، استابلایزرهای ولتاژ دستی یا قابل تعویض برای تقویت یا کاهش ولتاژ ورودی به منظور ارائه ولتاژ خروجی در محدوده مورد نظر استفاده می‌شدند. چنین استابلایزرهایی با رله‌های الکترومکانیکی به عنوان دستگاه‌های سوئیچینگ ساخته می‌شوند.
بعدها، مدارهای الکترونیکی اضافی فرآیند استابلایزر را خودکار کردند و باعث ایجاد تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار با تغییر تپ شدند. نوع محبوب دیگری از استابلایزر ولتاژ، استابلایزر سروو است که در آن اصلاح ولتاژ به طور مداوم و بدون هیچ سوئیچی انجام می‌شود. اجازه دهید سه نوع اصلی استابلایزر ولتاژ را مورد بحث قرار دهیم.
- استابلایزرهای ولتاژ نوع رله‌ای
در این نوع استابلایزرهای ولتاژ، تنظیم ولتاژ با تعویض رله‌ها به گونه‌ای انجام می‌شود که یکی از چندین تپ ترانسفورماتور به بار (مانند روشی که در بالا مورد بحث قرار گرفت) متصل شود، چه برای تقویت یا کاهش. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر نوع رله‌ای را نشان می‌دهد.
این دستگاه علاوه بر ترانسفورماتور (که می‌تواند ترانسفورماتور هسته حلقوی یا آهنی با انشعابات ارائه شده در ثانویه آن باشد)، دارای مدار الکترونیکی و مجموعه‌ای از رله‌ها است. مدار الکترونیکی شامل مدار یکسوساز، تقویت‌کننده عملیاتی، واحد میکروکنترلر و سایر اجزای کوچک است.
مدار الکترونیکی ولتاژ خروجی را با مقدار مرجع ارائه شده توسط منبع ولتاژ مرجع داخلی مقایسه می‌کند. هر زمان که ولتاژ از مقدار مرجع افزایش یا کاهش یابد، مدار کنترل، رله مربوطه را برای اتصال انشعاب مورد نظر به خروجی تغییر می‌دهد.
این استابلایزرها معمولاً ولتاژ را برای تغییرات ولتاژ ورودی از ±15 درصد تا ±6 درصد با دقت ولتاژ خروجی ±5 تا ±10 درصد تغییر می‌دهند. این نوع استابلایزرها به دلیل وزن کم و هزینه کم، بیشتر برای لوازم خانگی با توان پایین در کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، این استابلایزرها با محدودیت‌های متعددی مانند سرعت اصلاح ولتاژ آهسته، دوام کمتر، قابلیت اطمینان کمتر، قطع مسیر برق در طول تنظیم و عدم توانایی در تحمل نوسانات ولتاژ بالا مواجه هستند.
- استابلایزرهای ولتاژ کنترل‌شده با سروو
این‌ها به طور ساده استابلایزرهای سروو نامیده می‌شوند (بر اساس مکانیزم سروو کار می‌کنند که به عنوان بازخورد منفی نیز شناخته می‌شود) و نامشان نشان می‌دهد که از یک موتور سروو برای فعال کردن اصلاح ولتاژ استفاده می‌کنند. این‌ها عمدتاً برای دقت ولتاژ خروجی بالا، معمولاً ±1 درصد با تغییرات ولتاژ ورودی تا ±50 درصد، استفاده می‌شوند. شکل زیر مدار داخلی یک استابلایزر سروو را نشان می‌دهد که شامل موتور سروو، اتوترانسفورماتور، ترانسفورماتور باک-بوست، درایور موتور و مدار کنترل به عنوان اجزای ضروری است.
در این استابلایزر، یک سر اولیه ترانسفورماتور باک-بوست به انشعاب ثابت اتوترانسفورماتور متصل است، در حالی که سر دیگر به بازوی متحرکی که توسط موتور سروو کنترل می‌شود، متصل است. ثانویه ترانسفورماتور باک-بوست به صورت سری با منبع ورودی که چیزی جز خروجی استابلایزر نیست، متصل است. مدار کنترل الکترونیکی با مقایسه ورودی با منبع ولتاژ مرجع داخلی، افت و افزایش ولتاژ را تشخیص می‌دهد. هنگامی که مدار خطا را پیدا می‌کند، موتور را به کار می‌اندازد که به نوبه خود بازوی روی اتوترانسفورماتور را حرکت می‌دهد. این می‌تواند اولیه ترانسفورماتور باک-بوست را تغذیه کند به طوری که ولتاژ در ثانویه باید خروجی ولتاژ مورد نظر باشد. اکثر استابلایزرهای سروو از میکروکنترلر یا پردازنده تعبیه‌شده برای مدار کنترل به منظور دستیابی به کنترل هوشمند استفاده می‌کنند.
این استابلایزرها می‌توانند تک‌فاز، سه‌فاز متعادل یا واحدهای سه‌فاز نامتعادل باشند. در نوع تک‌فاز، یک موتور سروو که به یک ترانسفورماتور متغیر متصل است، اصلاح ولتاژ را انجام می‌دهد. در مورد نوع متعادل سه‌فاز، یک موتور سروو با سه ترانسفورماتور خودکار کوپل شده است تا با تنظیم خروجی ترانسفورماتورها، خروجی تثبیت‌شده را در طول نوسانات فراهم کند. در نوع نامتعادل استابلایزر سروو، سه موتور سروو مستقل با سه ترانسفورماتور خودکار کوپل شده‌اند که هر کدام مدار کنترل خود را دارند.
استفاده از استابلایزرهای سروو در مقایسه با استابلایزرهای نوع رله‌ای مزایای مختلفی دارد. برخی از این مزایا عبارتند از:
- سرعت اصلاح بالاتر
- دقت بالای خروجی تثبیت‌شده
- توانایی تحمل جریان‌های هجومی
- قابلیت اطمینان بالا
با این حال، به دلیل وجود موتورها، این استابلایزرها نیاز به نگهداری دوره‌ای دارند.
- استابلایزرهای ولتاژ استاتیک
همانطور که از نامشان پیداست، استابلایزر ولتاژ استاتیک هیچ قطعه متحرکی مانند مکانیزم سروو موتور در مورد استابلایزرهای سروو ندارد. این استابلایزر از مدار مبدل الکترونیک قدرت برای تنظیم ولتاژ به جای واریانس در مورد استابلایزرهای معمولی استفاده می‌کند.
در این نوع استابلایزرها، می‌توان دقت بیشتر و تنظیم ولتاژ عالی در مقایسه با استابلایزرهای سروو ایجاد کرد و معمولاً تنظیم ±1 درصد است. این استابلایزرها اساساً از ترانسفورماتور باک-بوست، مبدل توان IGBT (یا مبدل AC به AC) و میکروکنترلر، ریزپردازنده یا کنترل‌کننده مبتنی بر DSP تشکیل شده‌اند.
مبدل IGBT کنترل‌شده توسط ریزپردازنده، مقدار مناسب ولتاژ را با استفاده از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس (PWM) تولید می‌کند و این ولتاژ به اولیه ترانسفورماتور باک-بوست اعمال می‌شود. مبدل IGBT ولتاژ را به گونه‌ای تولید می‌کند که می‌تواند هم‌فاز یا ۱۸۰ درجه با ولتاژ خط ورودی اختلاف فاز داشته باشد تا بتواند در هنگام نوسانات، جمع و تفریق ولتاژ را انجام دهد.
هر زمان که ریزپردازنده افت ولتاژ را تشخیص دهد، پالس‌های PWM را به مبدل IGBT ارسال می‌کند تا ولتاژی برابر با مقدار انحراف یافته از مقدار اسمی تولید کند. این خروجی با منبع تغذیه ورودی هم‌فاز است و به اولیه ترانسفورماتور باک-بوست اعمال می‌شود. از آنجایی که ثانویه به خط ورودی متصل است، ولتاژ القایی به منبع تغذیه ورودی اضافه می‌شود و این ولتاژ اصلاح‌شده به بار اعمال می‌شود.
به طور مشابه، افزایش ولتاژ باعث می‌شود مدار ریزپردازنده پالس‌های PWM را به گونه‌ای ارسال کند که مبدل ولتاژی با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه با ولتاژ ورودی تولید کند. این ولتاژ در ثانویه ترانسفورماتور باک-بوست از ولتاژ ورودی کسر می‌شود تا عمل کاهنده انجام شود.
این استابلایزرها در مقایسه با استابلایزرهای با تغییر تپ و سروو کنترل، به دلیل مزایای متنوع مانند:
- اندازه جمع‌وجور
- سرعت اصلاح بسیار سریع
- تنظیم ولتاژ عالی
- عدم نیاز به تعمیر و نگهداری (به دلیل نبود قطعات متحرک)
- راندمان بالا
- قابلیت اطمینان زیاد
تفاوت بین تثبیت‌کننده ولتاژ و تنظیم‌کننده ولتاژ
یک سوال بزرگ اما گیج‌کننده در اینجا مطرح می‌شود که دقیقاً تفاوت بین تثبیت‌کننده و تنظیم‌کننده چیست؟ خب.. هر دو عمل یکسانی را انجام می‌دهند که تثبیت ولتاژ است، اما تفاوت اصلی بین تثبیت‌کننده ولتاژ و تنظیم‌کننده ولتاژ این است:
تثبیت‌کننده ولتاژ: این یک دستگاه یا مدار است که برای ارائه ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در ولتاژ ورودی طراحی شده است.
تنظیم‌کننده ولتاژ: این یک دستگاه یا مدار است که برای ارائه ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در جریان بار طراحی شده است.
چگونه یک تثبیت‌کننده ولتاژ با اندازه مناسب انتخاب کنیم؟
قبل از خرید یک تثبیت‌کننده ولتاژ برای یک دستگاه، مهمترین نکته در نظر گرفتن چندین عامل است. این عوامل شامل وات مورد نیاز دستگاه، سطح نوسانات ولتاژ در محل نصب، نوع دستگاه، نوع تثبیت‌کننده، محدوده کاری تثبیت‌کننده (که تثبیت‌کننده به ولتاژهای صحیح می‌رسد)، قطع ولتاژ بیش از حد/کمتر از حد مجاز، نوع مدار کنترل، نوع نصب و سایر عوامل است. در اینجا مراحل اساسی را که باید قبل از خرید یک تثبیت‌کننده برای کاربرد مورد نظر خود در نظر بگیرید، ارائه کرده‌ایم.
- با مشاهده جزئیات پلاک مشخصات (نمونه‌ها عبارتند از: پلاک مشخصات ترانسفورماتور، پلاک مشخصات MCB، پلاک مشخصات خازن و غیره) یا از دفترچه راهنمای محصول، توان نامی دستگاهی را که قرار است با آن استابلایزر استفاده شود، بررسی کنید.
- از آنجایی که استابلایزرها بر حسب کیلوولت آمپر (مشابه ترانسفورماتور بر حسب کیلوولت آمپر به جای کیلووات) درجه‌بندی می‌شوند، می‌توان وات را با ضرب ولتاژ دستگاه در حداکثر جریان نامی محاسبه کرد.
- توصیه می‌شود یک حاشیه ایمنی به توان نامی استابلایزر اضافه کنید، معمولاً 20 تا 25 درصد. این می‌تواند برای برنامه‌های آینده برای اضافه کردن دستگاه‌های بیشتر به خروجی استابلایزر مفید باشد.
- اگر توان دستگاه بر حسب وات است، هنگام محاسبه توان نامی کیلوولت آمپر استابلایزر، ضریب توان را در نظر بگیرید. برعکس، اگر توان نامی استابلایزرها بر حسب کیلووات به جای کیلوولت آمپر است، ضریب توان را در حاصلضرب ولتاژ و جریان ضرب کنید.
کاربرد استابلایزر ولتاژ
به طور کلی، هر تجهیزات یا دستگاه الکتریکی برای طیف وسیعی از ولتاژ ورودی طراحی شده است. بسته به حساسیت، محدوده کاری تجهیزات به مقادیر خاصی محدود می‌شود، به عنوان مثال، برخی از تجهیزات می‌توانند ± 10 درصد ولتاژ نامی را تحمل کنند در حالی که برخی دیگر ± 5 درصد یا کمتر.
نوسانات ولتاژ (افزایش یا کاهش مقدار ولتاژ نامی) در بسیاری از مناطق، به ویژه در خطوط ترمینال، کاملاً رایج است. شایع‌ترین دلایل نوسانات ولتاژ، روشنایی، خطاهای الکتریکی، سیم‌کشی معیوب و خاموش شدن دوره‌ای دستگاه است. این نوسانات باعث ایجاد حادثه برای تجهیزات یا لوازم الکتریکی می‌شوند.
اضافه ولتاژ طولانی مدت منجر به موارد زیر خواهد شد:
- آسیب دائمی به تجهیزات
- آسیب عایق سیم پیچ ها
- قطع ناخواسته بار
- افزایش تلفات در کابل ها و تجهیزات مرتبط
- کاهش عمر دستگاه
زمان طولانی تحت ولتاژ بودن منجر به موارد زیر خواهد شد:
- خرابی تجهیزات
- دوره های کاری طولانی تر (مانند بخاری های مقاومتی)
- کاهش عملکرد تجهیزات
- کشیدن جریان های زیاد که منجر به گرمای بیش از حد می شود
- خطاهای محاسباتی
- کاهش سرعت موتورها
بنابراین پایداری و دقت ولتاژ، عملکرد صحیح تجهیزات را تعیین می کند. بنابراین، تثبیت کننده های ولتاژ تضمین می کنند که نوسانات ولتاژ در منبع تغذیه ورودی بر بار یا دستگاه الکتریکی تأثیر نمی گذارد.