استابلایزر چیست، چگونه کار می کند و مزایای استفاده از استابلایزر

استابلایزر چیست و چگونه کار می کند؟

استابلایزر یا تثبیت کننده یا نوسان گیر ولتاژ چیست و چرا موردنیاز است؟ عملکرد، انواع و کاربردهای استابلایزر

در این مقاله موارد زیر مورد بررسی قرار می گیرند:

1- مقدمه ای بر استابلایزر

2- استابلایزر چیست؟

3- چرا استابلایزرها مورد نیاز هستند؟

4- استابلایزر چگونه کار می کند؟

5- انواع استابلایزر

6- تفاوت بین استابلایزر (تثبیت کننده) و تنظیم کننده (رگولاتور) ولتاژ

7- چگونه استابلایزری با اندازه ی مناسب را انتخاب کنیم؟

1- مقدمه ای بر استابلایزر

استفاده از میکروپروسسورها و ادوات الکترونیک قدرت در طراحی استابلایزرهای هوشمند AC (یا تنظیم کننده های ولتاژ AVR)، ساخت منابع تولید توان پایدار و با کیفیت را به همراه داشته است.

با پیشرفت در زمینه استابلایزرهای رله ای معمولی، استابلایزر نوین و پیشرفته از مدارهای کنترل دیجیتال با عملکرد بالا و مدارهای کنترل حالت جامدی بهره می گیرند که نیاز به تنظیم پتانسیومتر را از بین برده و به کاربر امکان می دهد تا ولتاژ موردنیاز خود را با یک صفحه کلید با خروجی استارت و توقف تعیین نماید.

این مساله، زمان پاسخگویی استابلایزر با نرخ بسیار پایین تری را به همراه داشته است که معمولا کمتر از چند میلی ثانیه است. افزون بر این، این زمان بندی را می توان با روش های دیگری نیز بر روی استابلایزرهای جدید تنظیم نمود. امروزه استابلایزر به یک راهکار بهینه برای بسیاری از لوازم برقی تبدیل شده که به نوسان ولتاژ حساس بوده و در ابزارهای مختلفی مانند ماشین های CNC، تهویه مطبوع، تلویزیون، تجهیزات پزشکی، کامپیوترها و تجهیزات مخابراتی و مواردی از این دست کاربرد دارند.

2- استابلایزر چیست؟

استابلایزر ابزاری الکتریکی است که برای تامین ولتاژ ثابت برای یک مصرف کننده در پایانه های خروجی بدون توجه به تغییرات در ورودی و یا ولتاژ منبع ورودی به کار می رود. این وسیله از تجهیزات در برابر تغییرات ولتاژ محافظت می نماید.

استابلایزر یا تنظیم کننده خودکار ولتاژ (AVR) به عنوان محافظی برای تجهیزات برقی گران قیمت و باارزش که نسبت به تغییرات ولتاژ حساس می باشند استفاده می شود استابلایزر ولتاژ مورد نیاز این تجهیزات را به صورت ثابت تامین می کند. برخی از این تجهیزات عبارتند از دستگاه های تهویه مطبوع، ماشین های پرینت، تجهیزات آزمایشگاهی، ماشین های صنعتی و دستگاه های پزشکی.

استابلایزر نوسان ولتاژ را پیش از رسیدن به بار یا تجهیزات حساس به تغییر ولتاژ تنظیم می کنند. ولتاژ خروجی تثبیت کننده در محدوده 220 تا 230 ولت برای برق تک فاز و 380 تا 400 ولت برای برق سه فاز می ماند. تنظیم ولتاژ استابلایزر با عملیات تقویت و یا تضعیف ولتاژ در مدار داخلی استابلایزر صورت می گیرد.

امروزه انواع متعددی از تنظیم کننده های خودکار ولتاژ سه فاز و تک فاز با توان های مختلف در بازار وجود دارند لازم به ذکر است که واحد توان استابلایزرها کیلو ولت آمپر (KVA) می باشد. استابلایزرهای سه فاز در دو نوع با بارمتعادل و نامتعادل ارایه می شوند.

استابلایزرهای سه فاز و تک فاز مطرح شده می توانند به صورت اختصاصی برای یک وسیله ی خاص مورد استفاده قرار گیرند و یا اینکه با توجه به توان مورد نیاز همه ی تجهیزات به صورت یک واحد بزرگ به صورت آنالوگ و یا دیجیتال طراحی و ساخته می شوند.

انواع معمول استابلایزر عبارتند از استابلایزرهای دستی یا با قابلیت سوییچ، خودکار رله ای، استابلایزرهای حالت جامد یا استاتیک و استابلایزرهای سروو موتوری. علاوه بر عملکرد پایدار کنندگی، بسیاری از تثبیت کننده ها قابلیت های دیگری نیز دارند از جمله قطع ولتاژ پایین ورودی یا خروجی، قطع ولتاژ بالای ورودی یا خروجی، امکان قطع و وصل خروجی، راه اندازی دستی و خودکار، نمایش قطع ولتاژ و سوییچ ولتاژ صفر و مانند آن.

3- چرا استابلایزرها مورد نیاز هستند؟

عموما، هر یک از تجهیزات برقی برای طیف گسترده ای از ولتاژها طراحی می شوند. بسته به حساسیت، محدوده کاری تجهیزات به مقادیر خاصی محدود می گردند. برای نمونه، برخی تجهیزات می توانند تا ده درصد تفاوت ولتاژ را تحمل کنند در حالی که در برخی دیگر بیش از 5 درصد نوسان ولتاژ قابل قبول نیست.

نوسان ولتاژ در بسیاری از نواحی معمول است به ویژه در ترمینال هاب خروجی خطوط. متداولترین دلایل برای نوسان ولتاژی عبارت است از رعد و برق، اتصال کوتاه (همانند اتصال سیم فاز به بدنه تجهیزات الکتریکی، برق گرفتگی و ...)، مشکلات در سیم پیچی ها و قطع و وصل دوره ای تجهیزات. این نوسانات برای تجهیزات و لوازم برقی مشکلاتی را ایجاد می کنند.

افزایش ولتاژ در بازه ی زمانی طولانی نتایج زیر را به همراه خواهد داشت:

•         آسیب دایمی به تجهیزات
•         خرابی عایق سیم ها
•         افرایش تلفات در کابل ها و تجهیزات مرتبط
•         کاهش عمر لوازم

کاهش ولتاژ در زمان طولانی نتایج زیر را به همراه خواهد داشت:

•         کارکرد نامناسب لوازم
•         کاهش عملکرد تجهیزات
•         با کاهش ولتاژ به منظور تامین توان مصرف کننده جریان افزایش پیدا می کند. افزایش جریان به معنای افزایش تلفات و در نتیجه گرمای تولیدی افزایش پیدا می کند.
•         خطای محاسباتی
•         کاهش سرعت موتورهای الکتریکی و افزایش تلفات و در نتیجه گرم شدن بیش از حد موتور

از این رو، پایداری و کیفیت ولتاژ خروجی، عملکرد درست تجهیزات الکتریکی را تضمین می نماید.

باتوجه به ساختار استابلایزرها این اطمینان حاصل می شود که نوسان ولتاژ در ورودی بر بار و لوازم الکتریکی اثری نمی گذارد.

4- استابلایزر چگونه کار می کند؟ 

در استابلایزر، اصلاح ولتاژ در شرایطی که ولتاژ بیشتر یا کمتر از ولتاژ مناسب باشد با دو عملیات اصلی انجام می شود که عملکرد باک و بوست(کاهش یا افزایش) نامیده می شوند. این عملیات را می توان به صورت دستی با سوییچ یا به صورت خودکار با مدارهای الکتریکی انجام داد. به عنوان مثال در شرایطی که ولتاژ کمتر از میزان مناسب می باشد، با کمک عملیات تقویت، ولتاژ را به حد موردنیاز می رساند در حالی که عملیات تضعیف، ولتاژ را کاهش می دهد.

مفهوم پایدارسازی شامل افزودن یا کم کردن ولتاژ منبع اصلی است. برای انجام این کار، تثبیت کننده از یک ترانسفورمر استفاده می کند که با آرایش های متفاوت به رله سوییچ متصل می شود. برخی تثبیت کننده ها از ترانسفورماتوری با کلیدی روی سیم پیچ بهره می گیرند تا اصلاح ولتاژهای متفاوت را انجام دهند در حالی که تثبیت کننده های سروو موتوری از اتوترانس برای طیف گسترده ای از اصلاحات استفاده می نمایند.

برای درک این مفهوم، یک ترانسفورمر 230 به 12 ولت ساده را در نظر بگیرید که با این عملیات اتصال دارد.

شکل بالا نشان دهنده آرایش افزاینده ولتاژ است که در آن قطب سیم پیچی دوم به شکلی است که ولتاژ آن مستقیما به ولتاژ اولیه افزوده شود. از این رو در مورد شرایط افت ولتاژ کمتر از حد مناسب، ترانسفورماتور با رله ها یا سوییچ های حالت جامد راه اندازی می شود که ولتاژی را باتوجه به طراحی و نسبت تبدیل ترانس به ولتاژ ورودی می افزایند.

در شکل بالا، ترانسفورماتور در حالت آرایش کاهنده ولتاژ متصل است که در آن قطب سیم پیچ ثانویه طوری قرار گرفته که ولتاژ آن از ولتاژ اصلی کسر گردد. مدار سوییچ اتصال را در زمان افزایش ولتاژ به این آرایش متصل می نماید

شکل بالا استابلایزری را نشان می دهد که از دو رله برای تامین برق AC ثابت برای بار در شرایط کاهش و افزایش ولتاژ بهره می گیرد. با روشن کردن رله ها، عملیات تقویت و تضعیف برای دو نوسان ولتاژ خاص انجام می گیرد.

در مورد فعال سازی استابلایزرهای از نوع ترانسفورماتوری، بسته به مقدار ولتاژ موردنیاز حالت های مختلف فعال می شوند. اما در مورد استابلایزرهای خودکار، موتورها در کنار کنتاکتورهای جانبی برای تقویت و تضعیف ولتاژ اتوترانس به کار می روند چرا که این نوع از استابلایزرها تنها یک سیم پیچی دارد.

5- انواع استابلایزر

استابلایزرها به بخشی مهم از لوازم الکتریکی خانگی، صنعت و سیستم های تجاری تبدیل شده اند. در گذشته استابلایزرهای دستی یا قابل سوییچ برای تقویت یا تضعیف ولتاژ به منظور رسیدن به ولتاژ موردنظر به کار می رفتند. چنین تثبیت کننده هایی با رله های الکترومکانیکی به عنوان ابزارهای راه اندازی ساخته می شوند.

با پیشرفت تکنولوژی در زمینه الکترونیک قدرت و ریزپردازنده ها مدارهای الکتریکی دیگری فرایند پایدار سازی را خودکار کرده و استابلایزرهای خودکار را رقم زدند. نوع پرکاربرد دیگر، استابلایزرهای سروو موتوری بودند که در آن ها اصلاح ولتاژ به صورت پیوسته و بدون سوییچ انجام می شود. اکنون به بحث درباره سه نوع استابلایزر می پردازیم.

1-5- استابلایزرهای رله ای

در این نوع، تنظیم ولتاژ با راه اندازی رله ها برای اتصال تعدادی از تپ های ترانسفورماتور به بار در حالت تقویت یا تضعیف انجام می شود. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر رله ای را نشان می دهد.

این نوع از استابلایزرها دارای مدار الکتریکی و رله در کنار ترانسفورماتور می باشند. مدار الکتریکی شامل مدار رکتیفایر، تقویت کننده های عملیاتی، واحد میکروکنترلر و دیگر اجزای الکترونیکی است.

مدار الکتریکی ولتاژ خروجی را با مقدار ولتاژ مرجع (منبع ولتاژ) مقایسه می کند. هر زمان که تفاوتی بین مقدار ولتاژ و مقدار مرجع وجود داشت، مدار کنترل، رله ای متناسب با شرایط را جهت کاهش و یا افزایش ولتاژ راه اندازی می کند تا مدار موردنظر به خروجی متصل گردد و خروجی در حد مطلوب باقی بماند.

این دسته از استابلایزرها معمولا ولتاژ را برای تغییرات ولتاژ ورودی به میزان 15 درصد تا 6 درصد و دقت 5 تا 10 درصد تغییر می دهند. این نوع از استابلایزرها بیشترین کاربرد را برای لوازم کم مصرف خانگی، تجاری و صنعتی دارند چرا که کم وزن و کم هزینه هستند. با این حال، این تجهیزات محدودیت هایی نیز دارند از جمله عمر کوتاه، قابلیت اطمینان پایین، قطع برق در زمان تنظیم، ناتوانی در برابر تغییرات ولتاژ زیاد و عدم دقت کافی برای پایدارسازی ولتاژ، به همین روی از این استابلایزرها در کاربردهای با دقت پایین استفاده می شود.

2-5- استابلایزرهای سروو موتوری

این استابلایزرها، سروو موتوری نامیده می شوند و نام آن ها نشان می دهد که از سرووموتور برای اصلاح ولتاژ استفاده می کنند. این نوع از استابلایزر عمدتا برای دقت بالای ولتاژ خروجی (در حد 1 درصد) با تغییرات ولتاژ خروجی 1 تا 50 درصد به کار می روند. شکل زیر مدار داخلی استابلایزر سروو موتوری را نشان می دهد که از سروو موتور، اتوترانس، ترانسفورماتور افزاینده کاهنده، محرک موتور و مدار کنترل به عنوان اجزای اصلی تشکیل شده است.

در این نوع از استابلایزرها، یک انتهای ترانسفورمر افزاینده و کاهنده به مدار ثابت اتوترانس و دیگری به بازوی متحرکی متصل است که به وسیله ی سروو موتور کنترل می شود. سمت ثانویه ترانس افزاینده کاهنده به صورت سری به منبع ورودی متصل است و چیزی نیست به جز خروجی استابلایزر.

مدار کنترل افت و افزایش ولتاژ را با مقایسه ورودی با مقدار مرجع تشخیص می دهد. وقتی مدار خطایی می یابد، سروو موتور را راه اندازی می کند و بازوی روی اتوترانس را به حرکت درمی آورد. این کار تغذیه اولیه ترانسفورمر را به شکلی تامین می کند که ولتاژ در کل ثانویه برابر خروجی مطلوب باشد.

این نوع از استابلایزرها می توانند برای کاربرد تک فاز، سه فاز متعادل و یا سه فاز نامتعادل طراحی شوند. در نوع تک فاز، یک سروو موتور همراه با ترانسفورمر متغیر اصلاح ولتاژ را انجام می دهد. در مورد نوع سه فاز متعادل، سروو موتور با سه اتوترانس کوپل می شود که خروجی پایداری در مدت نوسان با تنظیم خروجی ترانسفورماتورها ایجاد گردد. در نوع سه فاز نامتعادل، سه سرووموتور مستقل همراه با سه اتوترانس سه مدار کنترل جداگانه دارند.

مزیت های مختلفی در استفاده از استابلایزرهای سروو موتوری نسبت به استابلایزرهای رله ای وجود دارد. برخی از این مزیت ها عبارتند از سرعت بالای اصلاح خروجی، دقت بالای خروجی، قابلیت اطمینان بالا و در مجموع پایداری بالاتر استابلایزر. با این حال، این نوع از استابلایزرها به دلیل وجود سروو موتور نیاز به بازرسی دوره ای دارند.

3-5- استابلایزرهای استاتیک

همان طور که از نام آنها پیداست، استابلایزرهای استاتیک بخش متحرکی مانند سروو موتور ندارند. این نوع از استابلایزرها از مبدل های الکترونیک قدرت برای تنظیم ولتاژ استفاده می کنند. با استفاده از استابلایزر استاتیک می توان تنظیم ولتاژی با دقت بالاتر و بهتر نسبت به استابلایزرهای سروو موتوری به دست آورد به طوریکه دقت تنظیم ولتاژ در آن ها در حدود 99 درصد است.

این استابلایزرها از ترانسفورمورماتورهای افزاینده کاهنده، مبدل های AC به AC الکترونیک قدرت، میکروکنترلر، ریزپردازنده ها و یا مدارهای کنترلی مبتنی بر DSP تشکیل شده اند. مبدل الکترونیک قدرت استفاده شده مقدار ولتاژ مناسب را با یکی از روشهای مدولاسیون (معمولا PWM) ایجاد می کند، این ولتاژ به ورودی ترانسفورماتور داده می شود. مبدل AC  به AC، ولتاژ را به گونه ای ایجاد می کند که می تواند هم فاز یا با اختلاف فاز 180 درجه نسبت به ولتاژ خط ورودی باشد تا افزایش و کاهش ولتاژ در زمان نوسان حاصل گردد.

هر زمان ریزپردازنده افت ولتاژ را تشخیص می دهد، پالس های PWM را به مبدل الکترونیک قدرت (IGBT) می فرستد تا ولتاژی که برابر مقدار تفاوت با مقدار مرجع است ایجاد گردد. این خروجی هم فاز با مقدار ورودی بوده و به ورودی ترانسفورماتور داده می شود. از آن جا که ثانویه به ورودی متصل است، ولتاژ القا شده به مقدار ورودی افزوده می شود و این مقدار اصلاح شده به بار داده می شود.

به طور مشابه، افزایش ولتاژ باعث می شود که مدار ریزپردازنده پالس های PWM را به شکلی ارسال کند که مبدل ولتاژ خروجی استابلایزر را کاهش دهد.

این نوع از استابلایزرها در مقایسه با انواع دیگر به دلیل مزیت های مختلفی که دارن از جمله اندازه کوچک، سرعت اصلاح بسیار بالا، تنظیم ولتاژ عالی و عدم نیاز به نگهداری به دلیل نبود قطعات متحرک، بازدهی و قابلیت اطمینان بالا.

6- تفاوت بین استابلایزر (تثبیت کننده) و تنظیم کننده (رگولاتور) ولتاژ

 یک پرسش مهم اما گمراه کننده در این جا پیش می آید که تفاوت بین استابلایزر و تنظیم کننده ولتاژ چیست؟ هر دو یک کار را انجام می دهند و آن پایدار کردن ولتاژ است اما تفاوت اصلی بین این دو این است که:

استابلایزر ابزار یا مداری است که برای رساندن ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در ورودی طراحی شده است و تنظیم کننده ابزاری یا مداری است که برای رساندن ولتاژ ثابت به خروجی بدون تغییر در جریان بار طراحی شده است.

7- چگونه استابلایزری با اندازه ی مناسب را انتخاب کنیم؟

در این جا باید عوامل مختلفی را پیش از خرید استابلایزر، برای لوازم مدنظر قرار دهیم. این عوامل عبارتند از توان موردنیاز برای لوازم، میزان نوسان ولتاژ در محل نصب، محدوده کاری استابلایزر و نوع مدار کنترل، محل قرارگیری و عواملی از این دست. در این جا، گام های اولیه برای خرید استابلایزر را مطرح کرده ایم:

• بررسی توان دستگاهی که برای آن نیاز به تثبیت کننده دارید، با مشاهده جزییات پلاک، یا از راهنمای محصول
• از آن جا که تثبیت کننده ها بر حسب کیلوولت آمپر تعیین توان می شوند، می توان وات را با ضرب ولتاژ در بیشینه جریان محاسبه کرد.
• توصیه می شود که یک حاشیه امن به ظرفیت تثبیت کننده بیافزایید که معمولا در حد 20 تا 25 درصد است. این کار برای طرح های آینده برای افزودن تجهیزات مناسب است.
• اگر توان دستگاه بر حسب وات بیان شده است، ضریب توان را در محاسبه ظرفیت کیلوولت آمپر درنظر بگیرید. از طرفی، اگر توان تثبیت کننده بر حسب کیلوولت آمپر داده شده است، ضریب توان را در ولتاژ و جریان ضرب کنید.

فرض کنید تجهیزات توان 1 کیلوولت آمپر دارد. از این رو، حاشیه امن 20 درصد 200 وات است. با افزودن این مقدار به ظرفیت، به 1200 وات می رسیم. بنابراین، تثبیت کننده 1.2 کیلوولت امپری برای لوازم مناسب است. برای نیازهای خانگی، تثبیت کننده 200 ولت آمپر تا یک کیلوولت آمپر مناسب است. برای کاربردهای صنعتی و تجاری، تثبیت کننده های بزرگ تک یا سه فاز به کار می روند.

امیدواریم اطلاعات کافی و سودمند در اختیار خواننده قرار گرفته باشد. می خواهیم خواننده نظرات خود را درباره این موضوع بیان کرده و پرسش های خود را مطرح نماید.