Trang chủ » » News » Electrics

Electrics

Thiết bị ổn định điện áp (Ổn áp) Voltage Stabilizer là gì và Nó hoạt động thế nào?

Cùng tìm hiểu chi tiết nhất về Bộ ổn áp: Bộ ổn áp là gì, cơ chế hoạt động, tại sao chung ta cần nó, có bao nhiêu loại ổn áp, các ứng dụng thực tế, ...
 
Thiết bị ổn định điện áp (Ổn áp) Voltage Stabilizer là gì và Nó hoạt động thế nào?

Giới thiệu về bộ ổn áp

Việc nhúng công nghệ chip vi xử lý và các thiết bị điện tử công suất trong thiết kế bộ ổn áp AC thông minh (hoặc bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR)) đã tạo ra nguồn cung cấp điện ổn định, chất lượng cao trong trường hợp điện áp nguồn bị lệch đáng kể và liên tục.

Với sự tiến bộ của các bộ ổn áp loại rơle thông thường, các bộ ổn áp cải tiến hiện đại sử dụng mạch điều khiển kỹ thuật số hiệu suất cao và mạch điều khiển trạng thái rắn giúp loại bỏ điều chỉnh chiết áp và cho phép người dùng đặt yêu cầu điện áp thông qua bàn phím, với thiết bị khởi động và dừng đầu ra.



Điều này cũng dẫn đến việc làm cho thời gian trip hoặc khả năng đáp ứng của các bộ ổn áp ở mức rất thấp, thường là dưới vài mili giây, ngoài ra điều này có thể được điều chỉnh với cài đặt thay đổi. Ngày nay, bộ thiết bị ổn áp đã trở thành một giải pháp năng lượng tối ưu cho nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm với dao động điện áp và chúng đã được ứng dụng với nhiều thiết bị như máy CNC, điều hòa không khí, tivi, thiết bị y tế, máy tính, thiết bị viễn thông, v.v.
 

Ổn áp là gì?

Nó là một thiết bị điện được thiết kế để cung cấp điện áp không đổi cho tải tại các đầu ra của nó bất kể sự thay đổi của điện áp cung cấp đầu vào hoặc đầu vào. Nó bảo vệ thiết bị hoặc máy chống lại quá điện áp, dưới điện áp và các điện áp khác.

Nó cũng được gọi là bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR). Bộ ổn áp được ưu tiên cho các thiết bị điện đắt tiền và quý giá để bảo vệ chúng khỏi các dao động điện áp thấp/cao có hại. Một số thiết bị này là máy điều hòa không khí, máy in offset, thiết bị thí nghiệm, máy công nghiệp và thiết bị y tế.



Bộ ổn áp điều chỉnh điện áp đầu vào dao động trước khi có thể được đưa vào tải (hoặc thiết bị nhạy cảm với các biến đổi điện áp). Điện áp đầu ra từ bộ ổn định sẽ ở trong phạm vi 220 V hoặc 230V trong trường hợp cung cấp một pha và 380V hoặc 400V trong trường hợp cung cấp ba pha, trong phạm vi dao động của điện áp đầu vào. Quy định này được thực hiện bởi buck và tăng cường hoạt động được thực hiện bởi các mạch nội bộ.

Có rất nhiều loại bộ điều chỉnh điện áp tự động có sẵn trên thị trường ngày nay. Đây có thể là loại một hoặc ba pha theo yêu cầu của loại ứng dụng và công suất (KVA) cần thiết. Bộ ổn định ba pha có hai phiên bản là mô hình tải cân bằng và mô hình tải không cân bằng.

Chúng có sẵn như là các đơn vị chuyên dụng cho các thiết bị hoặc như một đơn vị ổn định lớn cho toàn bộ thiết bị ở một nơi cụ thể, nói chung. Ngoài ra, đây có thể là loại ổn áp analog tương tự hoặc digital kỹ thuật số.



Các loại ổn áp phổ biến bao gồm ổn định vận hành bằng tay hoặc có thể chuyển đổi, ổn định loại rơle tự động, ổn định trạng thái rắn hoặc tĩnh, và ổn định điều khiển servo. Ngoài chức năng ổn định, hầu hết các bộ ổn áp đều có các tính năng bổ sung như cắt điện áp thấp đầu vào / đầu ra, cắt điện áp cao đầu vào / đầu ra, cắt quá tải, khởi động và dừng cơ sở, khởi động thủ công / tự động, hiển thị cắt điện áp, chuyển đổi điện áp bằng 0 v.v.
 

Tại sao cần ổn áp?

Nói chung, mỗi và mọi thiết bị điện hoặc thiết bị được thiết kế cho một loạt điện áp đầu vào. Tùy thuộc vào độ nhạy, phạm vi làm việc của các thiết bị được giới hạn ở một giá trị cụ thể, ví dụ, một số thiết bị có thể chịu được ± 10% điện áp định mức trong khi các thiết bị khác ± 5% trở xuống.

Các dao động điện áp (tăng hoặc giảm độ lớn của điện áp định mức) là khá phổ biến ở nhiều khu vực, đặc biệt là tại các đường dây kết thúc. Những lý do phổ biến nhất cho sự dao động điện áp là ánh sáng, sự cố điện, hệ thống dây bị lỗi và tắt thiết bị định kỳ. Những biến động này tạo ra rủi ro cho các thiết bị hoặc thiết bị điện.




Thời gian dài quá điện áp sẽ dẫn đến:
- Hư hỏng vĩnh viễn cho thiết bị;
- Thiệt hại cách điện cho cuộn dây;
- Gián đoạn không mong muốn trong tải;
- Tăng tổn thất trong cáp và các thiết bị liên quan;
- Giảm tuổi thọ của thiết bị.

Thời gian dài dưới điện áp sẽ dẫn đến:
-Trục trặc của thiết bị;
-Thời gian làm việc dài hơn (như trong trường hợp máy sưởi điện trở);
- Giảm hiệu suất của thiết bị;
- "Draw" các dòng điện lớn dẫn đến quá nhiệt;
- Lỗi tính toán;
- Giảm tốc độ động cơ.

Vì vậy, sự ổn định điện áp và độ chính xác quyết định hoạt động chính xác của thiết bị. Do đó, bộ ổn áp đảm bảo rằng sự dao động điện áp ở nguồn điện đến không ảnh hưởng đến phụ tải hoặc thiết bị điện.
 

Làm thế nào bộ ổn áp hoạt động?

Nguyên lý cơ bản của bộ ổn áp để thực hiện các thao tác Buck và Boost

Trong một bộ ổn áp, việc điều chỉnh điện áp từ trên và dưới các điều kiện điện áp được thực hiện thông qua hai hoạt động thiết yếu là hoạt động tăng và giảm. Các hoạt động này có thể được thực hiện bằng tay bởi các công tắc hoặc tự động thông qua các mạch điện tử. Trong điều kiện điện áp, hoạt động tăng làm tăng điện áp đến mức định mức trong khi hoạt động buck làm giảm mức điện áp trong điều kiện quá điện áp.

Khái niệm ổn định liên quan đến việc thêm hoặc bớt điện áp đến và từ nguồn cung cấp chính. Để thực hiện bộ ổn định tác vụ như vậy, sử dụng một máy biến áp được kết nối trong các cấu hình khác nhau với rơle chuyển mạch. Một số bộ ổn định sử dụng máy biến áp có vòi trên cuộn dây để cung cấp các hiệu chỉnh điện áp khác nhau trong khi bộ ổn định servo sử dụng máy biến áp tự động để có phạm vi hiệu chỉnh rộng.

Để hiểu khái niệm này, chúng ta hãy xem xét biến áp bước xuống đơn giản ở mức 230 / 12V và kết nối của nó với các hoạt động này được đưa ra dưới đây.boost-oper-of-ổn định



Hình trên minh họa cấu hình tăng cường trong đó cực tính của cuộn thứ cấp được định hướng theo cách mà điện áp của nó được thêm trực tiếp vào điện áp sơ cấp. Do đó, trong trường hợp trong điều kiện điện áp, máy biến áp (cho dù có thể thay đổi vòi hoặc tự động chuyển đổi) được chuyển đổi bằng rơle hoặc công tắc trạng thái rắn sao cho các vôn bổ sung được gắn vào điện áp đầu vào.



Trong hình trên, máy biến áp được kết nối theo cấu hình xô, trong đó cực của cuộn thứ cấp được định hướng theo cách sao cho điện áp của nó trừ khỏi điện áp sơ cấp. Mạch chuyển mạch chuyển kết nối đến tải sang cấu hình này trong điều kiện quá điện áp.



Hình trên cho thấy hai gian đoạn của bộ ổn định điện áp sử dụng hai rơle để cung cấp nguồn AC không đổi cho phụ tải trong quá điện áp và trong điều kiện điện áp. Bằng cách chuyển đổi các rơle, buck và các hoạt động tăng cường cho hai dao động điện áp cụ thể (ví dụ, một là dưới điện áp, ví dụ 195V và một khác cho quá điện áp, giả sử là 245V) có thể được thực hiện.

Trong trường hợp khai thác các bộ ổn định điện áp loại máy biến áp, các vòi khác nhau được chuyển đổi dựa trên lượng điện áp tăng hoặc xô cần thiết. Nhưng, trong trường hợp bộ ổn định loại máy biến áp tự động, động cơ (động cơ servo) được sử dụng cùng với tiếp điểm trượt để có được điện áp tăng hoặc buck từ máy biến áp tự động vì nó chỉ chứa một cuộn dây.
 

Các loại ổn áp

Ổn áp đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều thiết bị điện của gia đình, công nghiệp và hệ thống thương mại. Trước đó, các bộ ổn áp điện áp được vận hành bằng tay hoặc có thể chuyển đổi đã được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp đến để cung cấp điện áp đầu ra trong phạm vi mong muốn. Các chất ổn định như vậy được chế tạo với rơle điện cơ làm thiết bị chuyển mạch.

Sau đó, mạch điện tử bổ sung tự động hóa quá trình ổn định và cho ra đời bộ điều chỉnh điện áp tự động thay đổi. Một loại ổn định điện áp phổ biến khác là ổn định servo trong đó việc điều chỉnh điện áp được thực hiện liên tục mà không cần bất kỳ công tắc nào. Hãy để chúng tôi thảo luận về ba loại chính của ổn áp.
 

Rơle ổn áp loại

Trong loại bộ ổn áp này, việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bằng cách chuyển đổi các rơle để kết nối một trong số các vòi của máy biến áp với phụ tải (như cách đã thảo luận ở trên) cho dù đó là để tăng cường hoạt động hay xô. Hình dưới đây minh họa mạch bên trong của bộ ổn định loại rơle.

Nó có mạch điện tử và bộ rơle bên cạnh máy biến áp (có thể là máy biến áp lõi hình xuyến hoặc lõi sắt với vòi được cung cấp trên phụ). Mạch điện tử bao gồm mạch chỉnh lưu, bộ khuếch đại hoạt động, bộ vi điều khiển và các thành phần nhỏ khác.



Mạch điện tử so sánh điện áp đầu ra với giá trị tham chiếu được cung cấp bởi nguồn điện áp tham chiếu tích hợp. Bất cứ khi nào điện áp tăng hoặc vượt quá giá trị tham chiếu, mạch điều khiển sẽ chuyển tiếp rơle tương ứng để kết nối một lần nhấn mong muốn với đầu ra.

Các bộ ổn định điện áp này thường thay đổi điện áp cho các biến đổi điện áp đầu vào từ ± 15% đến ± 6% với độ chính xác điện áp đầu ra là từ 5 đến 10 phần trăm. Loại chất ổn định này được sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị xếp hạng thấp trong các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp vì chúng có trọng lượng thấp và chi phí thấp. Tuy nhiên, đây là những hạn chế với một số hạn chế như tốc độ điều chỉnh điện áp chậm, độ bền kém hơn, độ tin cậy thấp hơn, gián đoạn đường truyền điện trong quá trình điều tiết và không thể chịu được điện áp cao.
 

Ổn áp điều khiển kiểu Servo

Chúng được gọi đơn giản là bộ ổn áp servo (hoạt động trên cơ chế phục vụ còn được gọi là phản hồi âm) và tên cho thấy nó sử dụng mô tơ servo để cho phép hiệu chỉnh điện áp. Chúng chủ yếu được sử dụng cho độ chính xác điện áp đầu ra cao, thường là ± 1% với thay đổi điện áp đầu vào lên đến ± 50%. Hình dưới đây cho thấy mạch bên trong của bộ ổn định servo kết hợp động cơ servo, biến áp tự động, biến áp tăng áp buck, trình điều khiển động cơ và mạch điều khiển là các thành phần thiết yếu.



Trong bộ ổn định này, một đầu của máy biến áp tăng áp buck được kết nối với vòi cố định của máy biến áp tự động, trong khi đầu còn lại được kết nối với cánh tay di chuyển được điều khiển bởi mô tơ servo. Cuộn thứ cấp của biến áp buck boost được kết nối nối tiếp với nguồn cung cấp đến, không gì khác ngoài đầu ra ổn định.



Mạch điều khiển điện tử phát hiện sự sụt áp và tăng điện áp bằng cách so sánh đầu vào với nguồn điện áp tham chiếu tích hợp. Khi mạch tìm thấy lỗi, nó vận hành động cơ lần lượt di chuyển cánh tay trên bộ truyền tự động. Điều này có thể cung cấp nguồn chính cho máy biến áp tăng cường sao cho điện áp trên thứ cấp phải là đầu ra điện áp mong muốn. Hầu hết các bộ ổn áp servo sử dụng vi điều khiển nhúng hoặc bộ xử lý cho mạch điều khiển để đạt được điều khiển thông minh.

Các ổn áp này có thể là loại cân bằng một pha, ba pha hoặc ba pha không cân bằng. Trong loại một pha, một động cơ servo được ghép nối với biến áp biến đổi đạt được hiệu chỉnh điện áp. Trong trường hợp loại cân bằng ba pha, động cơ servo được ghép với ba máy biến áp tự động sao cho đầu ra ổn định được cung cấp trong quá trình dao động bằng cách điều chỉnh đầu ra của máy biến áp. Trong một loại ổn áp servo không cân bằng, ba động cơ servo độc lập kết hợp với ba máy biến áp tự động và chúng có ba mạch điều khiển riêng biệt.



Có nhiều ưu điểm khác nhau khi sử dụng bộ ổn áp servo so với bộ ổn áp loại rơle. Một số trong số này là tốc độ hiệu chỉnh cao hơn, độ chính xác cao của đầu ra ổn định, có khả năng chịu được dòng điện xâm nhập và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, những điều này đòi hỏi phải bảo trì định kỳ do sự hiện diện của động cơ.
 

Ổn áp tĩnh

Như tên cho thấy, bộ ổn định điện áp tĩnh không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào như một cơ chế động cơ servo trong trường hợp bộ ổn định servo. Nó sử dụng mạch chuyển đổi điện tử công suất để đạt được điều chỉnh điện áp thay vì variac trong trường hợp các chất ổn định thông thường. Có thể tạo ra độ chính xác cao hơn và điều chỉnh điện áp tuyệt vời bằng các bộ ổn định này so với các bộ ổn định servo, và thông thường quy định là ± 1%.



Về cơ bản, nó bao gồm biến áp buck boost, bộ chuyển đổi nguồn IGBT (hoặc bộ chuyển đổi AC sang AC) và bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý hoặc bộ điều khiển dựa trên DSP. Bộ chuyển đổi IGBT được điều khiển bằng bộ vi xử lý tạo ra lượng điện áp thích hợp bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung và điện áp này được cung cấp cho sơ cấp của biến áp tăng cường buck. Bộ chuyển đổi IGBT tạo ra điện áp theo cách có thể ở pha hoặc 180 độ so với điện áp đường dây pha, để thực hiện cộng và trừ điện áp trong quá trình dao động.



Bất cứ khi nào bộ vi xử lý phát hiện sự sụt áp, nó sẽ gửi các xung PWM đến bộ chuyển đổi IGBT để nó tạo ra điện áp bằng với mức sai lệch so với giá trị danh nghĩa. Đầu ra này cùng pha với nguồn cung cấp đến và được cung cấp cho sơ cấp của biến áp buck boost. Vì cuộn thứ cấp được kết nối với đường dây đến, điện áp cảm ứng sẽ được thêm vào nguồn cung cấp đến và điện áp được điều chỉnh này được cung cấp cho tải.

Tương tự, sự tăng điện áp làm cho mạch vi xử lý gửi các xung PWM theo cách mà bộ chuyển đổi sẽ tạo ra một điện áp lượng lệch, lệch pha 180 độ với điện áp đến. Điện áp này ở thứ cấp của biến áp tăng cường buck bị trừ khỏi điện áp đầu vào để thực hiện thao tác buck.

Các bộ ổn áp này rất phổ biến so với các bộ ổn áp thay đổi và điều khiển bằng servo vì có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, tốc độ hiệu chỉnh rất nhanh, điều chỉnh điện áp tuyệt vời, không cần bảo trì do không có bộ phận chuyển động, hiệu quả cao và độ tin cậy cao.
 

Sự khác biệt giữa bộ điều chỉnh điện áp Voltage Regulator và Bộ ổn áp Voltage Stabilizer

Một câu hỏi lớn nhưng khó hiểu được đặt ra ở đây là sự khác biệt chính xác giữa bộ ổn áp và bộ điều chỉnh điện áp là gì? Chà .. Cả hai đều thực hiện cùng một hành động là ổn định điện áp nhưng sự khác biệt chính giữa bộ ổn áp và bộ điều chỉnh điện áp là:

Bộ ổn áp Voltage Stabilizer: Đây là một thiết bị hoặc mạch được thiết kế để cung cấp điện áp không đổi cho đầu ra mà không thay đổi điện áp đến (incoming voltage).

Bộ điều chỉnh điện áp Voltage Regulator: Đây là một thiết bị hoặc mạch được thiết kế để cung cấp điện áp không đổi cho đầu ra mà không thay đổi dòng điện tải (load current).
 

Làm thế nào để chọn một Bộ ổn áp với kích thước chính xác?

Điều quan trọng nhất là phải xem xét một số yếu tố trước khi mua bộ ổn áp cho thiết bị. Các yếu tố này bao gồm công suất theo yêu cầu của thiết bị, mức độ dao động điện áp có trong khu vực lắp đặt, loại thiết bị, loại bộ ổn định, phạm vi hoạt động của bộ ổn áp (mà bộ ổn áp sẽ có điện áp chính xác), quá điện áp / dưới điện áp, loại mạch điều khiển, loại lắp, và các yếu tố khác. Ở đây chúng tôi đã đưa ra các bước cơ bản để xem xét trước khi mua một bộ ổn áp cho ứng dụng của bạn.



- Kiểm tra đánh giá công suất của thiết bị mà bạn sẽ sử dụng với bộ ổn áp, bằng cách quan sát chi tiết bảng tên (Dưới đây là các mẫu: Bảng tên biến áp, Bảng tên MCB, Bảng tên tụ điện, v.v.) hoặc từ hướng dẫn sử dụng sản phẩm.

- Do các bộ ổn áp được xếp hạng theo kVA (Giống như trường hợp của Biến áp được định mức bằng kVA thay vì kW), nên cũng có thể tính công suất bằng cách nhân điện áp của thiết bị với dòng điện định mức tối đa.

- Nên thêm một mức an toàn cho xếp hạng ổn áp, thường là 20-25%. Điều này có thể hữu ích cho các kế hoạch trong tương lai để thêm nhiều thiết bị hơn vào đầu ra bộ ổn áp.

- Nếu thiết bị được xếp hạng theo watt, hãy xem xét hệ số công suất trong khi tính toán mức ổn định điện áp theo kVA của bộ ổn áp. Ngược lại, nếu các ổn áp được đánh giá bằng kW thay vì kVA, hãy nhân hệ số công suất với điện áp và dòng của sản phẩm.

bên dưới là giải pháp Ví dụ về cách chọn bộ ổn áp có kích thước phù hợp cho (các) thiết bị điện của bạn

Giả sử nếu thiết bị (điều hòa hoặc tủ lạnh) được đánh giá là 1kVA. Do đó, mức an toàn 20% là 200 watt. Bằng cách thêm các watts vào xếp hạng thực tế, chúng ta nhận được 1200 VA wattage. Vì vậy, bộ ổn áp 1,2 kVA hoặc 1200 VA thích hợp hơn cho thiết bị. Đối với nhà dân dụng, chúng ta cần loại ổn áp 200 VA đến 10 kVA là vừa. Và đối với các ứng dụng thương mại và công nghiệp, các loại ổn áp xếp hạng lớn và ba pha được sử dụng.

Hy vọng rằng các thông tin được cung cấp là thông tin và hữu ích cho các bạn.


English edition:

What is Voltage Stabilizer & How it Works?

What is Voltage Stabilizer and Why we need it? Stabilizer Operation, Types and Applications
 

Introduction to Stabilizer

The embedding of microprocessor chip technology and power electronic devices in the design of intelligent AC voltage stabilizers (or automatic voltage regulators (AVR)) led to produce high-quality, stable electric power supply in the event of significant and continuous deviation of mains voltage.

As advancement to the conventional relay type voltage stabilizers, modern innovative stabilizers use high performance digital control circuits and solid state control circuitry that eliminates potentiometer adjustments and allows the user to set voltage requirements through a keypad, with output start and stop facility.

This also led to make the trip timing or responsiveness of the stabilizers to a very less rate, typically less than a few milliseconds, in addition this can be adjusted with variable setting. Nowadays, stabilizers became an optimized power solution to many electronic appliances that are sensitive to voltage fluctuations and they have found working with many devices such as CNC machines, air conditioners, television sets, medical equipment, computers, telecommunication equipments, and so on.
 

What is a Voltage Stabilizer?

It is an electrical appliance which is designed to deliver a constant voltage to a load at its output terminals regardless of the changes in the input or incoming supply voltage. It protects the equipment or machine against over voltage, under voltage, and other voltage surges.

It is also called as automatic voltage regulator (AVR). Voltage stabilizers are preferred for costly and precious electrical equipments to protect them from harmful low/high voltage fluctuations. Some of these equipments are air conditioners, offset printing machines, laboratory equipments, industrial machines, and medical apparatus.

Voltage stabilizers regulate the fluctuating input voltage before it could be fed to the load (or equipment which is sensitive to voltage variations). The output voltage from the stabilizer will stay in the range of 220V or 230V in case of single phase supply and 380V or 400V in case of three phase supply, within given fluctuating range of input voltage. This regulation is carried by buck and boost operations performed by internal circuitry.

There are huge varieties of automatic voltage regulators are available in today’s market. These can be single or three-phase units as required by the type of application and capacity (KVA) needed. Three-phase stabilizers come in two versions as balanced load models and unbalanced load models.

These are available either as dedicated units for appliances or as a big stabilizer unit for whole appliances in a particular place, say whole house. In addition, these can be either analog or digital type of stabilizer units.

The common types of voltage stabilizers include manual operated or switchable stabilizers, automatic relay type stabilizers, solid state or static stabilizers, and servo controlled stabilizers.  In addition to the stabilizing function, most stabilizers come with additional features such as input/output low voltage cutoff, input/output high voltage cutoff, overload cutoff, output start and stop facility, manual/auto start, voltage cutoff display, zero voltage switching, etc.
 

Why Voltage Stabilizers Are Needed?

Generally, each and every electrical equipment or device is designed for a wide range of input voltage. Depending on the sensitivity, the working range of the equipments are limited to a specific values, for instance, some equipments can tolerate ± 10 percent of the rated voltage while others ± 5 percent or less.

The voltage fluctuations (rise or dip of the magnitude of rated voltage) are quite common in many areas, especially at terminated lines. The most common reasons for voltage fluctuations are lighting, electrical faults, faulty wiring and periodic turning off the device. These fluctuations create mishap to the electrical equipments or appliances.

Long time over voltage will result
- Permanent damage to the equipment
- Insulation damage to the windings
- Unwanted interruption in the load
- Increased losses in cables and associated equipments
- De-rating life of the appliance

Long time under voltage will result
- Malfunctioning of the equipment
- Longer working periods (as in case of resistive heaters)
- Reduced performance of the equipment
- Drawing large currents which further lead to overheating
- Computational errors
- Reduced speed of motors

So the voltage stability and accuracy decide the correct operation of the equipment. Voltage stabilizers therefore ensure that the voltage fluctuations at the incoming power supply does not affect the load or electrical appliance.
 

How Voltage Stabilizer Works?

Basic Principle of voltage stabilizer to Perform Buck and Boost Operations

In a voltage stabilizer, voltage correction from over and under voltage conditions is performed through two essential operations, namely boost and buck operations. These operations can be carried manually by switches or automatically through electronic circuitry. During under voltage condition, boost operation increases the voltage to a rated level while buck operation reduces the voltage level during over voltage condition.

The concept of stabilization involves in adding or subtracting the voltage to and from the mains supply. For performing such task stabilizer uses a transformer which is connected in different configurations with switching relays. Some stabilizers use a transformer with taps on winding to provide different voltage corrections while servo stabilizers use an auto transformer to have wide range of correction.

To understand this concept, let us consider simple step down transformer of 230/12V rating and its connection with these operations are given below.boost-operation-of-stabilizer

The figure above illustrates the boosting configuration in which the polarity of the secondary winding is oriented in such a way that its voltage is directly added to the primary voltage. Therefore, in case of under voltage condition, transformer (whether it can be tap changing or autotransformer) is switched by the relays or solid state switches such that additional volts are appended to the input voltage.

In the figure above, transformer is connected in bucking configuration, wherein the polarity of secondary coil is oriented in such a way that its voltage subtracts from the primary voltage. The switching circuit shifts the connection to the load to this configuration during over voltage condition.

The figure above shows two stage voltage stabilizer which uses two relays to provide constant AC supply to the load during overvoltage and under voltage conditions. By switching the relays, buck and boost operations for two specific voltage fluctuations (one is under voltage, for instance, say 195V and another for overvoltage, say 245V) can be performed.

In case of tapping transformer type stabilizers, different taps are switched based on the required amount of boost or buck voltages. But, in case of auto transformer type stabilizers, motors (servo motor) are used along with sliding contact to obtain boost or buck voltages from the auto transformer as it contains only one winding.
 

Types of Voltage Stabilizers

Voltage stabilizers have become integral part of many electrical appliances of home, industries and commercial systems. Earlier, manually operated or switchable voltage stabilizers were used to boost or buck incoming voltage in order to give an output voltage within a desired range. Such stabilizers are built with electromechanical relays as switching devices.

Later, additional electronic circuitry automates the process of stabilization and gave birth to tap changer automatic voltage regulators. Another popular type of voltage stabilizer is servo stabilizer in which voltage correction is carried continuously without any switch. Let us discuss three main types of voltage stabilizers.
 

Relay Type Voltage Stabilizers

In this type of voltage stabilizers, voltage regulation is accomplished by switching the relays so as to connect one of a number of tappings of the transformer to the load (as in the manner discussed above) whether it is for boosting or bucking operation. The figure below illustrates the internal circuitry of relay type stabilizer.

It has electronic circuit and set of relays besides the transformer (which can be toroidal or iron core transformer with tappings provided on its secondary). The electronic circuit comprises rectifier circuit, operational amplifier, microcontroller unit, and other tiny components.

The electronic circuit compares the output voltage with a reference value provided by built-in reference voltage source. Whenever the voltage rises or falls beyond reference value, the control circuit switches the corresponding relay to connect a desired tapping to the output.

These stabilizers usually change the voltage for input voltage variations of ±15 percent to ±6 percent with output voltage accuracy of ±5 to ±10 percent. This type of stabilizers is most popularly used for low rating appliances in residential, commercial and industrial applications as they are of low weight and low cost. However, these are suffering with several limitations such as slow voltage correction speed, less durability, less reliability, interruption to power path during regulation, and unable to withstand high voltage surges.
 

Servo Controlled Voltage Stabilizers

These are simply termed as servo stabilizers (work on servomechanism which also known as negative feedback) and the name suggests it uses a servo motor to enable the voltage correction. These are mainly used for high output voltage accuracy, typically ±1 percent with input voltage changes up to ± 50 percent. The figure below shows the internal circuit of a servo stabilizer which incorporates servo motor, auto transformer, buck boost transformer, motor driver and control circuitry as essential components.

In this stabilizer, one end of buck boost transformer primary is connected to the fixed tap of the auto transformer, while other end is connected to the moving arm that is controlled by the servo motor. Secondary of the buck boost transformer is connected in series with incoming supply which is nothing but stabilizer output.

Electronic control circuit detects the voltage dip and voltage rise by comparing the input with built-in reference voltage source. When the circuit finds the error, it operates the motor that in turn moves the arm on the autotransformer. This could feed the primary of buck boost transformer such that a voltage across the secondary should be the desired voltage output. Most servo stabilizers use embedded microcontroller or processor for the control circuitry to achieve intelligent control.

These stabilizers can be single-phase, three-phase balanced type or three-phase unbalanced units. In single phase type, a servo motor coupled to the variable transformer achieves the voltage correction. In case of a three-phase balanced type, a servo motor is coupled with three auto transformers such that stabilized output is provided during fluctuations by adjusting the output of the transformers. In an unbalanced type of servo stabilizers, three independent servo motors coupled with three auto transformers and they have three separate control circuits.

There are various advantages of using servo stabilizers compared with relay type stabilizers. Some of these are higher correction speed, high precision of stabilized output, capable to withstand inrush currents, and high reliability. However, these require periodic maintenance due to the presence of motors.
 

Static Voltage Stabilizers

As the name suggests, static voltage stabilizer doesn’t have any moving parts as a servo motor mechanism in case of servo stabilizers. It uses power electronic converter circuit to achieve voltage regulation rather than a variac in case of conventional stabilizers. It is possible to produce greater accuracy and excellent voltage regulation by these stabilizers compared with servo stabilizers, and typically regulation is of ±1 percent.

It essentially consists of buck boost transformer, IGBT power converter (or AC to AC converter), and microcontroller, microprocessor, or DSP based controller. Microprocessor controlled IGBT converter generates the appropriate amount of voltage by pulse width modulation technique, and this voltage is supplied to the primary of the buck boost transformer. The IGBT converter produces the voltage in such a way that it can be in phase or 180 degrees out of phase incoming line voltage, in order to perform adding and subtracting voltages during fluctuations.

Whenever microprocessor detects the voltage dip, it sends the PWM pulses to the IGBT converter such that it generates the voltage which is equal to that of the deviated amount from nominal value. This output is in phase with incoming supply and is supplied to the primary of buck boost transformer. Since the secondary is connected to the incoming line, the induced voltage will be added to the incoming supply and this corrected voltage is supplied to the load.

Similarly, the voltage rise causes the microprocessor circuit to send PWM pulses in such a way that converter will output a deviated amount voltage, which is 180 degrees out of phase with incoming voltage. This voltage at the secondary of the buck boost transformer gets subtracted from the input voltage so that buck operation is performed.

These stabilizers are very popular compared with tap changing and servo controlled stabilizers because of the wide variety of advantages such as compact size, very fast correction speed, excellent voltage regulation, no maintenance due to the absence of moving parts, high efficiency and high reliability.
 

Difference between Voltage Stabilizer and Voltage Regulator

A major but confusing question is raised here that what is the exactly difference(s) between Stabilizer and Regulator? Well.. Both perform same action which is to stabilize the voltage but the main difference between voltage stabilizer and voltage regulator is:

Voltage Stabilizer: It is a device or circuit which is designed to deliver constant voltage to the output without in changes in incoming voltage.

Voltage Regulator: It is a device or circuit which is designed to deliver constant voltage to the output without in changes in load current.
 

How to Choose a Correct Sized Voltage Stabilizer?

It is foremost thing to consider several factors before buying a voltage stabilizer for an appliance.  These factors include wattage required by the appliance, level of voltage fluctuations that are experienced in the installing area, type of appliance, type of stabilizer, working range of stabilizer (to which stabilizer going correct voltages), overvoltage/under voltage cutoff, type of control circuit, type of mounting, and other factors. Here we have given basic steps to consider before buying a stabilizer for your application.

Check the power rating of the apparatus that which you are going to be used with a stabilizer, by observing the nameplate details (Here are the samples: Transformer Nameplate, MCB Nameplate, Capacitor nameplate etc) or from product user manual.

Since the stabilizers are rated in kVA (Same as the case as Transformer rated in kVA instead of kW), it is also possible to calculate the wattage by simply multiplying voltage of the appliance by maximum rated current.

It is recommended to add a safety margin to stabilizer rating, typically a 20-25 percent. This could be useful for future plans to add more devices to the stabilizer output.

If the appliance is rated in watts, consider a power factor while calculating kVA rating of stabilizer. On the contrary, if stabilizers are rated in kW instead of kVA, multiply the power factor with voltage and current product.

below is the live ans solved Example that how to select proper sized voltage stabilizer for your electrical appliance(s)

Suppose if the appliance (air conditioner or refrigerator) is rated as 1kVA. Therefore, the safe margin of 20 percent is 200 watts. By adding these watts to actual rating we get 1200 VA wattage. So 1.2 kVA or 1200 VA stabilizer is preferable for the appliance. For home needs 200 VA to 10 kVA stabilizers are preferred. And for commercial and industrial applications, single and three phase of large rating stabilizers are used.

Hope that the furnished information is informative and useful for the reader. We want readers to express their views on this topic and answer this simple question – what is the purpose of RS232/RS485 communication feature in modern voltage stabilizers, in the comment section below.

 
(Nguyễn Thảo Trường - http://DienElectric.com theo Electricaltechnology)
BÀI VIẾT XEM NHIỀU