استابلایزر (STABILIZER) چیست و انواع آن چه تفاوتی با هم دارند؟
استابلایزر (STABILIZER) چیست و انواع آن چه تفاوتی با هم دارند؟
مقدمه
در دنیای امروز بیشتر مشاغل و حرفه ها از برق شهری بعنوان انرژی اصلی در کسب کار خود استفاده می کنند و هر یک به نوبه خود از نوسانات برق که جزء جدانشدنی آن می باشد دچار آسیب تجهیزات و زیان مالی می شوند.
استفاده از تثبیت کننده های ولتاژ که استابلایزر نامیده می شوند امروزه به یک نیاز برای هر خانه، کارگاه، فروشگاه، اداره، بیمارستان و … تبدیل شده است.
در حال حاضر انواع مختلفی از تثبیت کننده های ولتاژ با عملکرد و کارکردهای متفاوت در دسترس هستند. به کمک فن آوری جدید امروزه استابلایزرها امکاناتی مانند تراشه‌های ریزپردازنده و درایورهای الکترونیکی دقیق را برای عملکرد هرچه بهتر خود در اختیار دارند.
می توان گفت این دستگاه ها اکنون کاملاً خودکار، هوشمند و دارای تعداد زیادی عملکرد و حفاظت های مضاعف هستند. آنها همچنین واکنش بسیار سریعی به نوسانات ولتاژ دارند.
استابلایزر (Stabilizer) چیست؟
تثبیت کننده ولتاژ یا استابلایزر بطور خلاصه یک دستگاه الکترونیکی است که برای ارائه ولتاژ خروجی ثابت به بار در پایانه های خروجی آن صرف نظر از هرگونه تغییر/نوسان در منبع ورودی استفاده می شود.
هدف اصلی تثبیت کننده ولتاژ محافظت از وسایل الکتریکی/الکترونیکی مانند کامپیوتر، تهویه مطبوع، یخچال، تلویزیون، تجهیزات صنعتی و اداری و… از آسیب احتمالی ناشی از نوسانات ولتاژ است.
تثبیت کننده ولتاژ با نام AVR (Automatic Voltage Regulator ) نیز شناخته می شود. استفاده از تثبیت کننده ولتاژ تنها محدود به تجهیزات خانگی، اداری و صنعتی نیست. بعنوان مثال کشتی‌هایی که دارای ترتیب منبع تغذیه داخلی خود به شکل آلترناتورهای دیزلی هستند، برای ایمنی تجهیزات خود به شدت به این AVRها وابسته هستند.
امروزه انواع مختلفی از استابلایزر را در بازار مشاهده می کنیم. تثبیت کننده های ولتاژ اتوماتیک آنالوگ و دیجیتال در بسیاری از کارخانه ها و مراکز اداری و پزشکی و حتی منازل در حال استفاده هستند چرا که کارفرمایان و مردم عادی بخوبی درک کرده اند که هزینه نگهداری از تجهیزات برقی همواره بسیار کمتر از هزینه تعمیر یا تعویض آنها است.
استابلایزرها ممکن است بر حسب نوع کاربرد، تک فاز (خروجی 220-230 ولت) یا سه فاز (خروجی 380/400 ولت) باشند.
در این دستگاهها تنظیم ولتاژ خروجی تثبیت شده و مطلوب به روش Buck (کاهنده) و Boost(افزاینده) و بوسیله مدارات داخلی آن انجام می شود.
یک استابلایزر با محدوده تنظیم ولتاژ متوسط می تواند ولتاژ خروجی تثبیت شده ای در بازه 200-240 ولت را با عمل بوست، باک در محدوده 20-35 ولت از منبع تغذیه ای با ولتاژ ورودی 180 تا 270 ولت تحویل دهد. در عین حال استابلایزرهایی با محدوده تنظیم ولتاژ وسیع تر نیز وجود دارند که می توانند ولتاژ خروجی تثبیت شده ای با تلرانس ناچیز 2± ولت در محدوده ولتاژ ورودی بین 140 تا 300 ولت را تحویل دهند.
استابلایزرها همچنین برای طیف گسترده ای از کاربردها مانند تثبیت کننده ولتاژ اختصاصی برای تجهیزات کوچک مانند تلویزیون، یخچال، مایکروویو و .. تا ظرفیت های بالاتر از جمله برای کل لوازم خانگی در دسترس هستند.
استابلایزرهای فعلی علاوه بر عملکرد اصلی تثبیت کننده خود، دارای بسیاری از ویژگی های مفید اضافی مانند حفاظت اضافه بار، سوئیچینگ ولتاژ صفر، حفاظت از تغییرات فرکانس، نمایشگر قطع ولتاژ، تایم تاخیر استارت، استارت دستی/خودکار، قطع ولتاژ، کنترل فاز و غیره هستند. .
استابلایزر دستگاهی با راندمان انرژی بالا به حساب می آید ( 95-98٪). برق مصرفی استابلایزرها حدودا بین 2 تا 5 درصد حداکثر بار است که مقدار بسیار ناچیزی به حساب می آید.
چرا وجود استابلایزر برای همه مکان ها ضروری است؟
تمام تجهیزات الکتریکی یا الکترونیکی به گونه ای طراحی و ساخته شده اند که با حداکثر کارایی با یک منبع ولتاژ معمولی که به عنوان ولتاژ عملیاتی نامی شناخته می شود، کار کنند. با فرض در نظر گرفته شدن موارد ایمنی در طراحی این تجهیزات، حداکثر محدوده ولتاژ کاری ایمن برای یک دستگاه الکترونیکی حداکثر به ± 10٪ محدود شود.
به دلایل مختلف منبع ولتاژ ورودی که ما دریافت می کنیم همیشه تمایل به نوسان دارد و در نتیجه منبع ولتاژ ورودی دائماً متغیر است. این ولتاژ متغیر عامل اصلی کاهش راندمان تجهیزات و همچنین افزایش نرخ خرابی آن است.
به یاد داشته باشید، هیچ چیز برای یک دستگاه الکتریکی یا الکترونیکی مهمتر از یک منبع تغذیه فیلتر شده، محافظت شده و پایدار نیست. یک منبع ولتاژ تثبیت شده عملکرد مطلوب بار مصرف کننده را تضمین می کند و این تنها استابلایزر است که تضمین می کند که تجهیزات بدون توجه به نوسانات، ولتاژ مورد نظر و تثبیت شده را دریافت کنند.
بنابراین، استفاده از استابلایزر یک راه حل بسیار کارآمد برای کسانی است که می خواهند تجهیزات عملکردی بهینه داشته باشند و از آنها در برابر این نوسانات ولتاژ غیرقابل پیش بینی و نویزهای موجود دربرق شهری محافظت کنند.
نوسانات ولتاژ صرف نظر از اینکه در کجا زندگی می کنید بسیار رایج است. ممکن است دلایل مختلفی برای نوسان ولتاژ وجود داشته باشد مانند خطاهای الکتریکی، سیم کشی معیوب، صاعقه، اتصال کوتاه، فشار زیاد رو شبکه انتقال نیرو، وجود مصرف کننده های پر مصرف در محل و غیره. این نوسانات بیشتر به صورت Over voltage یا Under voltage می باشند.
تاثیرات Over voltage (اضافه ولتاژ) روی تجهیزات الکتریکی
- احتمال آسیب دائمی به تجهیزات
- آسیب به عایق سیم پیچ ها
- اختلال در عملکرد نرمال تجهیز یا بروز خطا در آن
- گرم شدن بیش از تجهیزات
- کاهش عمر مفید تجهیزات
تاثیرات Under voltage (ولتاژ کم) روی تجهیزات الکتریکی
- احتمال بروز خرابی در قطعات داخلی تجهیزات
- کاهش کارایی دستگاه
- در برخی موارد ممکن است یک تجهیز ساعت های بیشتری طول بکشد تا عملکرد نرمال خود را انجام دهد
- تمایل تجهیزات به کشیدن جریان های بزرگ تر و گرم شدن بیش از حد آنها
استابلایزر چطور کار می کند؟ - تشریح عملکرد BUCK و BOOST در استابلایزرها
کار اصلی یک تثبیت کننده ولتاژ انجام دو عملکرد ضروری یعنی عملکرد Buck (کاهش ولتاژ) و Boost (افزای ولتاژ) است. عمل Buck and Boost در واقع فرآیندی است که طی آن ولتاژ ورودی استابلایزر دائما آنالیز شده و در صورت کمتر یا بیشتر بودن از حد مجاز تصحیح و تنظیم می گردد. عمل Buck and Boost ممکن است به صورت دستی و با کمک کلیدهای انتخابگر (در مدل های قدیمی) یا به طور خودکار با کمک مدارهای الکترونیکی اضافی انجام شود.
در شرایطی که ولتاژ ورودی بیش از حد افزایش می یابد، تابع Buck ولتاژ را به مقدار لازم کاهش می دهد. به طور مشابه هنگامی که ولتاژ ورودی استابلایزر بیش از حد استاندارد کاهش پیدا می کند، عملکرد Boost شدت ولتاژ را افزایش می دهد. در واقع این فرآیند بگونه ای انجام می گیرد که در نهایت ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند. برای انجام این عملکرد، استابلایزرهای نوع رله ای از یک ترانسفورماتور استفاده می کنند که به رله های سوئیچینگ متصل است. در استابلایزر های نوع سروو موتوری رله حذف شده است و بجای آن با گردش دائمی یک موتور سروو بر روی ترانس نقاط مناسب ولتاژ انتخاب می شوند.
تشریح عملکرد Buck (کاهنده ولتاژ) در استابلایزر
شکل زیر اتصال یک ترانسفورماتور در بلوک “Buck” را نشان می دهد. در بلوک Buck قطبیت سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور به گونه ای متصل می شود که ولتاژ اعمال شده به بار، حاصل تفریق ولتاژ سیم پیچ اولیه و ثانویه باشد.
در استابلایزرها مدار سوئیچینگ وجود دارد. هر زمان که مدار تشخیص دهنده ولتاژ بیش از حد را در منبع اصلی ورودی تشخیص دهد، اتصال بار به به طور خودکار به پیکربندی حالت “Buck” با کمک سوئیچ ها / رله ها منتقل می شود.
تشریح عملکرد Boost (افزاینده ولتاژ) در استابلایزر
در بلوک Boost، قطبیت سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور به گونه ای متصل می شود که ولتاژ اعمال شده به بار حاصل از افزودن ولتاژ سیم پیچ اولیه و ثانویه باشد.
چگونه پیکربندی Buck and Boost به طور خودکار کار می کند؟
در شکل زیر بعنوان مثال نمونه ای از بلوک دیاگرام Buck and Boost اتوماتیک در استابلایزرها را مشاهده می کنید. در این تصویر استابلایزر از 2 رله (رله 1 و رله 2) برای تامین ولتاژ تثبیت شده در شرایط ولتاژ زیاد و ولتاژ کم استفاده می کند.
در نمودار مدار تثبیت کننده ولتاژ 2 مرحله ای فوق، رله 1 و رله 2 برای ارائه تنظیمات Buck و Boost در شرایط مختلف نوسان ولتاژ یعنی ولتاژ زیاد و ولتاژ کم استفاده می شوند. به عنوان مثال فرض کنید ورودی 230 ولت AC و خروجی مورد نیاز نیز 230 ولت AC ثابت است. حال اگر تثبیت ولتاژ در محدوده +/- 25 ولت را دارید به این معنی است که استابلایزر شما می تواند ولتاژ ثابت خروجی مورد نظر (230 ولت) را در صورتی که ولتاژ ورودی بین 205 تا 255 ولت نوسان کند به شما تحویل دهد.
بررسی انواع مختلف استابلایزر
استابلایزرهایی که در ابتدا به بازار آمدند به‌صورت دستی کار می‌کردند. این نوع استابلایزرها از رله های الکترومکانیکی برای انتخاب ولتاژ مورد نظر استفاده می کردند. با پیشرفت تکنولوژی، مدارهای الکترونیکی اضافه شده به وجود آمدند واستابلایزرهایی با ساختار اتوماتیک تولید شد. کمی بعد استابلایزرهای مبتنی بر سروو موتور به بازار آمد که قادر به تثبیت ولتاژ به طور مداوم و بدون دخالت دست است. امروزه استابلایزرهای مبتنی بر آی سی و میکروکنترلر نیز در دسترس هستند که می توانند عملکردهای بیشتری را نیز انجام دهند که به استابلایزرهای استاتیک معروف هستند. بطور کلی استابلایزرها را می توان به سه دسته تقسیم کرد که عبارتند از :
- استابلایزر رله ای
- استابلایزر سروو موتور
- استابلایزر استاتیک
استابلایزر رله ای
در تثبیت کننده های ولتاژ نوع رله، ولتاژ توسط رله های سوئیچینگ تنظیم می شود. رله ها برای اتصال ترانسفورماتور (های) ثانویه در پیکربندی های مختلف برای دستیابی به عملکرد Buck & Boost استفاده می شوند.
شکل بالا نمای داخلی یک استابلایزر نوع رله ای را نشان می دهد. این نوع استابلایزر دارای یک ترانسفورماتور افزاینده کاهنده، مجموعه ای از رله ها و یک برد الکترونیکی است. برد الکترونیکی شامل مدار یکسو کننده، تقویت کننده، واحد میکروکنترلر و سایر اجزای پشتیبانی و راه انداز است. روش کار بدین ترتیب است که ولتاژ خروجی بطور هوشمند و دائما با منبع ولتاژ مرجع مقایسه شده و تنظیم می گردد. به محض اینکه افزایش یا کاهش در منبع ورودی فراتر از مقدار مرجع را تشخیص داد، رله مربوط به آن عمل می کند. استابلایزرهای نوع رله قادرند نوسانات ورودی تا 25±% را تنظیم کنند.
مزایای استابلایزر رله ای
- این نوع استابلایزر بیشتر برای تجهیزات کم مصرف در مصارف مسکونی ، تجاری، صنعتی استفاده می شود
- قیمت کمتر
- اندازه کوچکتر
معایب استابلایزر رله ای
- دقت کمتر
- پاسخ این نوع استابلایزر به نوسانات ولتاژ در مقایسه با سایر انواع استابلایزرها کمی کند است.
- طول عمر و دوام کمتر
- ضریب اطمینان کمتر
- پایداری کمتر در برابر نوسانات شدید
استابلایزر سروو موتور
در استابلایزرهای مبتنی بر سروو تنظیم ولتاژ با کمک سروو موتور و چرخش آن بدور ترانس اولیه انجام می شود.
روش عملکرد استابلایزر سروو موتور
در این نوع استابلایزر نیز کار تنظیم ولتاژ با مقایسه سیگنال های خروجی و ورودی انجام می شود. در صورتی که ولتاژ خروجی بیشتر یا کمتر از مقدار استاندارد باشد، سیگنال خطایی توسط تنظیم کننده منبع ورودی دریافت می شود. این رگولاتور مجدداً یک سیگنال مطابق با مقدار خروجی به دست آمده تولید می کند و آن را به محرک های موتور می رساند تا با چرخش موتور به دور ترانس، خروجی را به مقدار دقیق برسانند.
به دلیل خاصیت Close Loop، تثبیت کننده های ولتاژ مبتنی بر سروو برای تجهیزاتی که بسیار حساس هستند و برای انجام عملکردهای مورد نظر نیاز به منبع تغذیه ورودی دقیق (±01%) دارند، استفاده می شود.
شکل بالا نمای داخلی یک استابلایزر سروو موتور را نشان می دهد. این نوع استابلایزر دارای سروو موتور، ترانسفورماتور خودکار، ترانسفورماتور Buck & Boost، مدار الکترونیکی درایور و سایر اجزای پشتیبانی می باشد.
در این نوع استابلایزر مدار الکترونیکی مقایسه ولتاژ خروجی با منبع ولتاژ مرجع را انجام می دهد. به محض اینکه افزایش یا کاهش در منبع ورودی فراتر از مقدار مرجع را تشخیص داد، موتور را شروع به کار می کند که بازوی ترانسفورماتور خودکار را بیشتر حرکت می دهد. با حرکت بازو روی ترانسفورماتور خودکار، ولتاژ ورودی سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور Buck & Boost به ولتاژ خروجی مورد نیاز تغییر می کند. سروو موتور تا زمانی که اختلاف بین مقدار ولتاژ مرجع و خروجی استابلایزر صفر شود به چرخش خود ادامه می دهد. این فرآیند کامل در چند میلی ثانیه اتفاق می افتد. استابلایزرهای مبتنی بر سروو امروزی با مدارهای کنترل مبتنی بر میکروکنترلر که اصطلاحا درایور موتور نامیده می شوند تولید می شوند تا کنترلی صددرصد هوشمند را به کاربران ارائه دهند.
این نوع استابلایزرها در انواع تکفاز و سه فاز موجود می باشند.
مزایای استابلایزر سروو
- پاسخ سریع به نوسانات ولتاژ
- دقت تثبیت ولتاژ بالا
- ضریب اطمینان بسیار بالا
- قابلیت تحمل رنج وسیعی از نوسانات
معایب استابلایزر سروو
- نیاز به کالیبراسیون و سرویس دوره ای
استابلایزر استاتیک
استابلایزر استاتیک بر خلاف نوع سروو فاقد قطعات متحرک است. در این نوع استابلایزر برای تثبیت ولتاژ از یک مدار مبدل الکترونیکی قدرت استفاده می شود. استابلایزر استاتیک دارای دقت بسیار بالایی بوده و تثبیت ولتاژ در محدوده ± 1٪ است. استابلایزر استاتیک شامل ترانسفورماتور Buck & Boost، مبدل قدرت (IGBT)، میکروکنترلر و سایر اجزای ضروری است.
روش عملکرد استابلایزر استاتیک
میکروکنترلر مبدل توان IGBT را برای تولید سطح ولتاژ مورد نیاز با استفاده از تکنیک “مدولاسیون عرض پالس” کنترل می کند. در تکنیک “مدولاسیون عرض پالس”، مبدل های برق حالت سوئیچ از یک سوئیچ نیمه هادی قدرت مانند ماسفت برای به حرکت درآوردن ترانسفورماتور برای ولتاژ خروجی مورد نظر استفاده می کنند. این ولتاژ تولید شده سپس به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور “Buck & Boost” اعمال می شود. مبدل برق IGBT همچنین فاز ولتاژ را کنترل می کند. این می تواند ولتاژی ایجاد کند که ممکن است در فاز یا 180 درجه خارج از فاز به منبع ورودی باشد، که به نوبه خود آن را قادر می سازد تا بسته به افزایش یا کاهش سطح منبع تغذیه ورودی، ولتاژ اضافه یا کم شود.
به محض اینکه ریزپردازنده کاهش سطح ولتاژ را حس کرد، سیگنال مدولاسیون عرض پالس را به مبدل قدرت IGBT ارسال می کند. مبدل برق IGBT بر این اساس ولتاژی را تولید می کند که مشابه اختلاف ولتاژی است که منبع تغذیه ورودی کاهش یافته است. سپس این ولتاژ به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور “Buck & Boost” تغذیه می شود. از آنجایی که سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور Buck & Boost به منبع تغذیه ورودی متصل است، ولتاژی که در سیم پیچ ثانویه القا شده است به منبع تغذیه ورودی اضافه می شود. و بنابراین ولتاژ افزایش یافته تثبیت شده سپس به بار ارائه می شود. به همین ترتیب، به محض اینکه ریزپردازنده افزایش سطح ولتاژ را احساس کرد، سیگنال مدولاسیون عرض پالس را به مبدل قدرت IGBT ارسال می کند. مبدل برق IGBT بر این اساس ولتاژی را تولید می کند که مشابه اختلاف ولتاژی است که منبع تغذیه ورودی کاهش یافته است. اما این بار ولتاژ تولید شده 180 درجه خارج از فاز با منبع تغذیه ورودی خواهد بود. سپس این ولتاژ به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور “Buck & Boost” تغذیه می شود. از آنجایی که سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور Buck & Boost به منبع تغذیه ورودی متصل است، ولتاژی که در سیم پیچ ثانویه القا شده است اکنون از منبع تغذیه ورودی کم می شود. و بنابراین ولتاژ کاهش یافته و تثبیت شده به بار ارائه می شود.
مزایای استابلایزر استاتیک
- اندازه کوچکتر
- واکنش بسیار سریع به نوسانات ولتاژ
- دقت بسیار بالا در تثبیت ولتاژ
- نیاز کمتر به نگهداری و سرویس بدلیل نداشتن قطعه متحرک
- ضریب اطمینان بالا
معایب استابلایزر استاتیک
- قیمت بسیار بالاتر نسبت به سایر استابلایزرها
بررسی نکات قابل توجه قبل از خرید استابلایزر
عوامل مختلفی که قبل از انتخاب یک استابلایزر نقش حیاتی دارند و بایستی به آنها توجه نمود به شرح زیر می باشد :
- مجموع وات مصرفی مورد نیاز دستگاه ها و تجهیزات
- نوع دستگاه استابلایزر
- برسی سطح نوسان ولتاژ در محل نصب
- محدوده کاری استابلایزری که به آن نیاز دارید
- میزان ولتاژ قطع بالا و پایین استابلایزر
- نوع مدار کنترل کننده استابلایزر
- نحوه نصب و پیش بینی محل نصب استابلایزر
