استابلایزر چیست؟
استابلایزر چیست؟
معرفی استابلایزر (Stabilizer):
استابلایزر ولتاژ یا استابلایزر چیست و چرا به آن نیاز داریم؟ عملکرد استابلایزر، انواع و کاربرد آنها چیست؟
مقدمه ای بر استابلایزر:
با پیشرفت تکنولوژی و به وجود آمدن فن آوری تراشه ریزپردازنده و دستگاه های الکترونیکی قدرت، در طراحی استابلایزر های هوشمند ولتاژ AC (AC voltage stabilizer) یا تنظیم کننده های خودکار ولتاژ (automatic voltage regulators: AVR) اتفاقی رخ داد که منجر به تولید منابع تغذیه الکتریکی با کیفیت بالا و پایدار برای کنترل انحراف قابل توجه و مداوم ولتاژ منبع تغذیه شد.
با پیشرفت در استابلایزرهای رله ای، استابلایزرهای ولتاژ مدرن به صورت نوآورانه از مدارهای کنترل دیجیتال با کارایی بالا و مدارهای کنترل حالت جامد استفاده می کنند. این نوع استابلایزرها تنظیمات پتانسیومتر را حذف و به کاربر اجازه می دهد تا ولتاژ مورد نیاز خود را از طریق یک کلید، با امکان مشخص کردن نقاط وصل و قطع، خروجی را تنظیم نماید.
این موضوع همچنین منجر به این شد که زمان بندی حرکت یا پاسخ دهی استابلایزرها به سرعت بسیار کمتری برسد که معمولا کم تر از چند میلی ثانیه است، علاوه بر این می توان آن را با تنظیمات متغیر هم تنظیم کرد.
امروزه استابلایزرها به یک راه حل بهینه برای بسیاری از لوازم الکترونیکی تبدیل شده اند که به نوسانات ولتاژ حساس هستند و آن ها را برای بسیاری از دستگاه ها مانند ماشین های CNC، تهویه مطبوع، تلویزیون، تجهیزات پزشکی، کامپیوتر، تجهیزات مخابراتی و... می توان به کار برد.
استابلایزر چیست؟
استابلایزر یا دستگاه استابلایزر ولتاژ، دستگاهی الکتریکی است که برای تحویل یک ولتاژ ثابت به یک بار در پایانه های خروجی خود بدون توجه به تغییرات در ولتاژ ورودی طراحی شده است. این دستگاه از تجهیزات یا ماشین مورد نظر در برابر ولتاژ بیش از حد، افت ولتاژ، و دیگر نوسانات ولتاژ محافظت می کند.
با توجه به مشکلات اخیر موجود که عامل قطعی های مکرر و نوسانات بسیار برق در سطح کشور شده است، لزوم استفاده از استابلایزرهای ولتاژ برای تجهیزات الکتریکی گران قیمت و ارزشمند بسیار بالاست، زیرا محافظت از دستگاه های گران قیمت در برابر نوسانات مضر ولتاژ بسیار به صرفه تر از هزینه برای تعمیر آنها یا تعویض و خرید یک مدل جدید از این وسایل است. برخی از این تجهیزات عبارتند از: دستگاه های تهویه مطبوع، ماشین های چاپ افست، تجهیزات آزمایشگاهی، ماشین های صنعتی و دستگاه های پزشکی.
به عبارتی دیگر استابلایزر، ولتاژ ورودی پر نوسان را قبل از اینکه به تجهیزات الکتریکی برسند تنظیم می کند تا تجهیزاتی که به تغییرات ولتاژ حساس هستند از این تغییرات آسیبی نبینند. ولتاژ خروجی از استابلایزر در صورت تامین تک فاز در محدوده ۲۲۰V یا ۲۳۰V بوده و در صورت تامین سه فاز ۳۸۰V یا ۴۰۰V می باشد، و ولتاژ همواره در محدوده نوسانی مجاز برای دستگاه های تحت محافظت باقی می ماند. این تنظیمات که با عملیات باک و بوست انجام می شود توسط مدارات داخلی استابلایزر صورت می پذیرد.
انواع زیادی از تنظیم کننده های ولتاژ اتوماتیک در بازار امروز موجود هستند که می توانند دستگاه های تک فاز یا سه فاز باشند. این دستگاه ها با توجه به نوع کاربرد و ظرفیت مورد نیاز (KVA)مورد استفاده قرار می گیرند. استابلایزر های سه فاز در دو نسخه به عنوان مدل های بار متعادل و مدل های بار نامتعادل عرضه می شوند.
این دستگاه ها یا به عنوان واحدهای اختصاصی برای تعدادی از لوازم خانگی و یا به عنوان یک واحد استابلایزر بزرگ برای کل لوازم در یک مکان خاص، مثلا کل خانه در دسترس هستند. علاوه بر این، این استابلایزر ها می توانند از نوع آنالوگ یا دیجیتال باشند.
انواع رایج استابلایزر شامل استابلایزر های دستی یا قابل تعویض، استابلایزر های خودکار نوع رله، استابلایزر های حالت جامد یا استاتیک، و استابلایزر های کنترل شده سروو هستند.
چرا به استابلایزر نیاز داریم؟
همینطور که در مقاله مزایای استابلایزر به طور خلاصه به این موضوع پرداختیم، باید گفت که به طور کلی، هر تجهیز یا دستگاه الکتریکی برای طیفی از ولتاژ ورودی طراحی می شود. بسته به حساسیت، دامنه ولتاژ کاری تجهیزات، به مقدار خاصی محدود می شود. به عنوان مثال، برخی تجهیزات می توانند نوسان مثبت/منفی ۱۰ درصد از ولتاژ مجاز و برخی دیگر مثبت/منفی ۵ درصد یا کم تر را تحمل کنند.
نوسانات ولتاژ (افزایش یا کاهش ولتاژ) در بسیاری از مناطق، به ویژه در انتهای خطوط توزیع، کاملا رایج است. شایع ترین دلایل نوسانات ولتاژ عبارتند از: رعد و برق، خطاهای الکتریکی، سیم کشی معیوب و خاموش کردن دوره ای دستگاه. این نوسانات باعث ایجاد حوادث ناگوار برای تجهیزات یا لوازم برقی می شوند.
بررسی نتایج بالا بودن یا پایین ولتاژ به طور خلاصه باعث مشکلات زیر می شود:
نتیجه زمان طولانی ولتاژ بالا بر مصرف کننده:
آسیب دائمی به تجهیزات
آسیب به سیم پیچ ها
وقفه ناخواسته در بار
افزایش تلفات کابل ها و تجهیزات مرتبط
کاهش عمر مفید دستگاه
نتیجه مدت زمان طولانی ولتاژ پایین بر مصرف کننده:
نقص در عملکرد تجهیزات
دوره های کاری طولانی تر (مثلا در مورد بخاری های مقاومتی)
کاهش بازدهی تجهیزات
کشیده شدن جریان های بزرگ که منجر به گرم شدن بیش از حد می شوند
خطاهای محاسباتی
کاهش سرعت موتورها
بنابراین تثبیت و دقت ولتاژ، عملکرد صحیح تجهیزات را تضمین می کند. به همین علت استابلایزر، این اطمینان را برای ما حاصل می کند که نوسانات ولتاژ در منبع تغذیه ورودی، بار مورد نیاز و لوازم الکتریکی را تحت تاثیر قرار نمی دهد.
تثبیت کننده ولتاژ (استابلایزر) چگونه کار می کند؟
اصل اساسی استابلایزر بر انجام عملیات باک و بوست می باشد. منظور از عملیات باک کاهش ولتاژ DC به یک ولتاژ کوچکتر است و همینطور منظور از عملیات بوست تبدیل ولتاژ DC به یک ولتاژ بزرگتر می باشد.
در یک استابلایزر، اصلاح ولتاژ از تنظیم ولتاژ بین حد مجاز پایین تا حد مجاز بالا می باشد و از طریق دو عملیات ضروری یعنی عملیات بوست و باک انجام می شود. این عملیات می تواند به صورت دستی توسط سوئیچ ها یا به طور خودکار از طریق مدار الکترونیکی انجام شود. در مدت زمان تنظیم ولتاژ، عملیات بوست، ولتاژ را تا سطح مجاز افزایش می دهد در حالی که عملیات باک، سطح ولتاژ را به سطح مجاز کاهش می دهد.
به نوعی میتوان گفت که کارکرد استابلایزر شامل اضافه کردن یا کم کردن ولتاژ از منبع تغذیه اصلی و فرعی است. برای انجام چنین کاری، استابلایزر از یک ترانسفورماتور استفاده می کند که در پیکربندی های مختلف با رله های سوئیچینگ متصل است. برخی از استابلایزر ها از یک ترانسفورماتور با شیره ای روی سیم پیچ برای اصلاح ولتاژ استفاده می کنند در حالی که استابلایزر های سروو از یک ترانسفورماتور خودکار برای داشتن دامنه تصحیح مورد نیاز استفاده می کنند.
برای درک این مفهوم، اجازه دهید ترانسفورماتور پله ای ساده با درجه ۲۳۰/۱۲V را در نظر بگیریم که ارتباط آن با این عملیات در زیر آورده شده است.
شکل بالا پیکربندی تقویتی را نشان می دهد که در آن قطبیت سیم پیچ ثانویه به گونه ای جهت گیری می کند که ولتاژ آن مستقیما به ولتاژ اولیه اضافه می شود؛ بنابراین، در شرایط افت ولتاژ، ترانسفورماتور (که می تواند تغییر پله ای داشته باشد یا اتوترانسفورمر باشد)توسط رله ها یا سوئیچ های حالت جامد به گونه ای تغییر می کند که ولت های اضافی به ولتاژ ورودی اضافه می شوند. به نوع تقویت ولتاژ در اصطلاح بوست گفته می شود.
در شکل بالا، ترانسفورماتور در پیکربندی کاهنده متصل شده است، که در آن قطبیت سیم پیچ ثانویه به گونه ای جهت گیری می کند که ولتاژ آن از ولتاژ اولیه کم می شود. در حالتی که ولتاژ ورودی بیش از حد باشد، مدار سوئیچینگ اتصال به بار را در این پیکربندی را تغییر می دهد. به این نوع عملیات کاهش ولتاژ در اصطلاح باک گفته می شود.
اصل اساسی برای انجام عملیات باک و بوست
شکل بالا استابلایزر دو مرحله ای را نشان می دهد که از دو رله برای تامین جریان ثابت AC برای بار در حالتهای اضافه ولتاژ و افت ولتاژ استفاده می کند.
در صورت تغییر ولتاژ در استابلایزر های نوع ترانسفورماتور (استابلایزرهای پله ای)، تنظیمات براساس میزان ولتاژهای بوست یا باک مورد نیاز تغییر می کنند. اما در مورد پایدارکننده های نوع اتوترانسفورماتور، از موتورها (سرو موتور) همراه با تماس لغزشی برای به دست آوردن ولتاژهای بوست یا باک از اتوترانسفورماتور استفاده می شود، زیرا تنها شامل یک سیم پیچ است.
انواع استابلایزر:
همان طور که مشخص گردیده، استابلایزر ها به بخش جدایی ناپذیر بسیاری از لوازم الکتریکی خانگی، صنایع و سیستم های تجاری تبدیل شده اند. پیش از این، از استابلایزر های دستی یا قابل تعویض برای افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی به منظور ایجاد ولتاژ خروجی در یک محدوده مطلوب استفاده می شد. چنین استابلایزر هایی با رله های الکترومکانیکی به عنوان دستگاه های سوئیچینگ به کار می روند.
یک نوع محبوب دیگر استابلایزر ولتاژ، استابلایزر سروو است که در آن اصلاح ولتاژ به طور مداوم و بدون هیچ سوییچی انجام می شود. در اینجا سه نوع اصلی استابلایزر را مورد بحث قرار می دهیم.
استابلایزر های نوع Relay
در این نوع استابلایزر ها، تنظیم ولتاژ با سوئیچ کردن رله ها انجام می شود به طوری که یکی از پله های ترانسفورماتور را به بار متصل می کند (مانند روشی که در بالا توضیح داده شد) چه برای تقویت و چه برای عملیات کمانش. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر نوع رله ای را نشان می دهد.
این ترانسفورماتور دارای مدار الکترونیکی و مجموعه ای از رله ها در کنار ترانسفورماتور است (که می تواند ترانسفورماتور هسته ای تورودیال یا آهنی با پله های وارد شده به حالت ثانویه آن باشد) مدار الکترونیکی شامل مدار یکسوکننده، تقویت کننده عملیاتی، واحد میکروکنترلر و دیگر اجزای کوچک است.
مدار الکترونیکی، ولتاژ خروجی را با یک مقدار مرجع که توسط منبع ولتاژ مرجع توکار ارائه می شود، مقایسه می کند. هرگاه ولتاژ بالاتر یا پایین تر از مقدار مرجع برود، مدار کنترل رله مربوطه را برای اتصال یک پله مطلوب به خروجی تغییر می دهد.
این استابلایزر ها معمولا ولتاژ را برای تغییرات ولتاژ ورودی ۱۵ +- درصد تا ۶ +- درصد با دقت ولتاژ خروجی ۵ +- تا ۱۰ - + درصد تغییر می دهند. این نوع استابلایزر ها بیشتر برای تجهیزاتی در کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا وزن کم و هزینه پایینی دارند. با این حال، این نوع استابلایزر ها با محدودیت های مانند سرعت اصلاح ولتاژ آهسته، دوام کمتر، قابلیت اطمینان کمتر رو به رو هستند.
استابلایزرهای کنترل شده سروو (Servo)
این دسته به عنوان تثبیت کننده های سروو (کار بر روی سروومکانیسم که به عنوان بازخورد منفی نیز شناخته می شود)نامیده می شوند و این نام نشان می دهد که از یک سروو موتور برای فعال کردن اصلاح ولتاژ استفاده می کند. این دسته از استابلایزرها عمدتا برای دقت ولتاژ خروجی بالا استفاده می شوند، معمولابازه نوسان خروجی این دستگاه ها مثبت/منفی ۱ درصد است و تغییرات ولتاژ ورودی تا مثبت/منفی ۵۰ درصد مورد پذیرش است. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر سروو را نشان می دهد که شامل سروو موتور، اتوترانسفورماتور، ترانسفورماتور بوست باک، درایور موتور و مدار کنترل به عنوان اجزای ضروری است.
در این استابلایزر، یک انتهای ترانسفورماتور باک-بوست به پله ثابت ترانسفورماتور خودکار متصل است، در حالی که انتهای دیگر به بازوی متحرک متصل است که توسط موتور سروو کنترل می شود. دومین ترانسفورماتور بوست-باک به صورت سری به منبع ورودی متصل می شود که چیزی جز خروجی پایدارکننده نیست.
مدار کنترل الکترونیکی، شیب ولتاژ و افزایش ولتاژ را با مقایسه ورودی با منبع ولتاژ مرجع توکار تشخیص می دهد. هنگامی که مدار خطا را پیدا می کند، موتور را که به نوبه خود بازو را روی اتوترانسفورماتور حرکت می دهد، راه اندازی می کند. مدار کنترل الکترونیکی، باید تغذیه اولیه ترانسفورماتور بوست- باک را به گونه ای انجام دهد که ولتاژ به دست آمده برابر با ولتاژ خروجی مد نظر باشد. اکثر استابلایزر های سروو از میکروکنترلر یا پردازنده هوشمند تعبیه شده برای رسیدن به مدار کنترل استفاده می کنند.
این استابلایزر ها می توانند تک فاز، سه فاز متعادل یا سه فاز نامتعادل باشند. در نوع تک فاز، یک موتور سرو همراه با ترانسفورماتور متغیر به اصلاح ولتاژ دست می یابد. در مورد نوع متعادل سه فازی، یک موتور سرو با سه ترانسفورماتور خودکار هماهنگ می شود به طوری که در طول نوسانات، خروجی تثبیت شده با تنظیم خروجی ترانسفورماتورهای سرو مستقل تامین می شود.
از مزایای استفاده از استابلایزر های سروو سرعت تصحیح بالاتر، دقت بالای خروجی تثبیت شده، قابلیت مقاومت در برابر جریان های هجومی، و قابلیت اطمینان بالا را می توان نام برد.
استابلایزر های استاتیک
همانطور که از نام آن پیداست، استابلایزر استاتیک در مقایسه با استابلایزر های سروو هیچ قطعه متحرکی به عنوان مکانیزم سروو موتور ندارد و از مدار مبدل الکترونیکی قدرت برای دستیابی به تنظیم ولتاژ استفاده می کند. در مقایسه با استابلایزرهای سروو، این استابیلایزرها دقت بیشتر و تنظیم ولتاژ بهتری این انجام می دهند، و معمولا بازه تنظیم ولتاژ بین -1 تا +1 درصد است.
این مبدل اساسا شامل ترانسفورماتور بوست- باک، مبدل توان IGBT (مبدل AC به AC )، و میکروکنترلر، میکروپروسسور یا کنترل کننده مبتنی بر DSP است. مبدل IGBT کنترل شده توسط میکروپروسسور، مقدار مناسب ولتاژ را با تکنیک مدولاسیون پهنای پالس تولید می کند و این ولتاژ برای ترانسفورماتور بوست- باک تامین می شود. مبدل IGBT ولتاژ را برای اضافه کردن و کم کردن ولتاژ در طول نوسانات به گونه ای تولید می کند که می تواند همفاز با ولتاژ خط ورودی یا ۱۸۰ درجه خارج از فاز خط ورودی باشد.
هرگاه ریزپردازنده افت ولتاژ را تشخیص دهد، پالس های PWM را به مبدل IGBT ارسال می کند به طوری که ولتاژی برابر با مقدار انحراف از مقدار اسمی تولید می کند. این خروجی همفاز با منبع ورودی است و برای منبع اولیه ترانسفورماتور بوست-باک تامین می شود. از آنجا که اتصال ثانویه به خط ورودی متصل است، ولتاژ القا شده به منبع تغذیه ورودی اضافه می شود و این ولتاژ اصلاح می شود.
به طور مشابه، افزایش ولتاژ باعث می شود که مدار ریزپردازنده پالس های PWM را به گونه ای ارسال کند که مبدل ولتاژ خروجی خود را با مقدار منحرف شده ۱۸۰ درجه از فاز تولید کرده تا خروجی به میزان مطلوب برسد. این ولتاژ در ترانسفورماتور بوست-باک از ولتاژ ورودی کم می شود تا عملیات باک انجام شود.
از مزایای این استابلایزر ها در مقایسه با استابلایزر های تغییر پله ای و کنترل شده سروو می توان به مواردی از قبیل اندازه فشرده، سرعت اصلاح بسیار سریع، تنظیم ولتاژ عالی، عدم نیاز به نگهداری به دلیل عدم وجود قطعات متحرک، کارایی بالا و قابلیت اطمینان بالا اشاره کرد.
تفاوت بین استابلایزر ولتاژ و رگولاتور ولتاژ
یک سوال مهم اما گیج کننده در اینجا مطرح می شود که دقیقا چه تفاوتی بین استابلایزر و رگولاتور ولتاژ وجود دارد. هر دو یک عمل را انجام می دهند که تثبیت ولتاژ است اما تفاوت اصلی بین استابلایزر ولتاژ و تنظیم کننده ولتاژ این است:
استابلایزر ولتاژ: یک دستگاه یا مدار است که برای رساندن ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در ولتاژ ورودی طراحی شده است.
رگولاتور ولتاژ: یک دستگاه یا مدار است که برای رساندن ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در جریان بار طراحی شده است.
چگونه یک استابلایزر ولتاژ با اندازه مناسب انتخاب کنیم؟
قبل از خرید استابلایزر برای لوازم خانگی بهتر است چند عامل را در نظر بگیرید. این عوامل عبارتند از: ولتاژ مورد نیاز لوازم خانگی، میزان نوسانات ولتاژی که در محل نصب تجربه می شود، نوع لوازم خانگی، نوع استابلایزر، محدوده کاری استابلایزر (کدام استابلایزر ولتاژهای صحیح را تامین می کند)، ولتاژ بیش از حد / قطع ولتاژ، نوع مدار کنترل، نوع نصب، میزان آمپراژ مورد نیاز و سایر عوامل قبل از خرید استابلایزر که باید بدانها توجه داشت.
میزان قدرت دستگاهی را که قرار است با یک استابلایزر مورد استفاده قرار دهید، با مشاهده اطلاعات روی محصول یا از دفترچه راهنمای کاربری محصول و یا از مراحع اینترنتی بررسی کنید.
از آنجا که استابلایزر ها با عبارت kVA درجه بندی می شوند (مانند ترانسفورمر که با kVA درجه بندی شده است) به جای kVA، همچنین می توان با ضرب ولتاژ دستگاه در حداکثر جریان مجاز، وات را محاسبه کرد.
توصیه می شود که یک حاشیه اطمینان به رتبه بندی استابلایزر اضافه شود که معمولا ۲۰ تا ۲۵ درصد است. این حاشیه اطمینان می تواند برای برنامه های آینده برای اضافه کردن دستگاه های بیشتر به خروجی استابلایزر مفید باشد.
اگر دستگاه بر حسب وات رتبه بندی شده است، در هنگام محاسبه درجه kVA استابلایزر، ضریب توان را در نظر بگیرید و برعکس، اگر استابلایزر ها بر حسب کیلووات رتبه بندی شده اند به جای KVA، ضریب توان را با ولتاژ و جریان ضرب کنید.
اینجا مثالی حل شده است که چگونه استابلایزر ولتاژ با اندازه مناسب را برای لوازم الکتریکی خود انتخاب کنیم.
فرض کنید که دستگاه (کولر یا یخچال)به عنوان ۱kVA درجه بندی شده باشد. بنابراین، حاشیه اطمینان ۲۰ درصد ۲۰۰ وات است. با اضافه کردن این وات ها به درجه بندی واقعی ما ۱۲۰۰ وات VA دریافت می کنیم. بنابراین ۱.۲ kVA یا ۱۲۰۰ VA استابلایزر برای دستگاه ارجح است. برای نیازهای خانگی ۲۰۰ VA تا ۱۰ kVA استابلایزر ترجیح داده می شود. و برای کاربردهای تجاری و صنعتی، استابلایزر های تک و سه فاز درجه بندهای بزرگتر استفاده می شوند.
نویسنده: مهندس مهدی زارعی کارشناس شرکت تجهیزات ابزار آزما
مقالات
