استابلایزر چیست و چگونه کار می‌کند؟

چرا به استابلایزر ولتاژ احتیاج داریم؟

آن چه در ادامه ی این محتوا مطالعه خواهید کرد:
1-  مقدمه ای بر استابلایزر
2- استبلایزر ولتاژ چیست؟
3- چرا به استابلایزرها احتیاج داریم؟
4- استابلایزرها چگونه کار می کنند؟
5- استابلایزرها چند نوع دارند؟
6- تفاوت بین استابلایزر(Stabilizer) و رگولاتور(Regulator)
7- چگونه استابلایزر مناسب با کار خود را تهیه کنیم؟

1- مقدمه ای بر استابلایزر:

پیشرفت های تکنولوژیک بشر در مقیاس های ریز و دقیق، امروزه این قابلیت را ایجاد کرده تا با استفاده از یک سری دستگاه ها، نوسانات جریان برق AC کنترل شود. این کار هم با استفاده از استابلایزرها صورت می گیرد و هم به کمک رگولاتورهای خودکار(AVR) تحقق می یابد.

شاید برای شما جالب باشد که بدانید، بر خلاف نمونه های قدیمی، استابلایزرهای امروزی حتی تا این اندازه پیشرفته و مجهز هستند که می توان روی صفحه نمایش دیجیتالی آن ها یک رقم مشخص وارد کرد و جریان را روی همان ولتاژ نگاه داشت.

این پیشرفتِ در تکنولوژی و ویژگی های جدید و منحصر به فردی که در استابلایزرهای نسل جدید گنجانده شده است، نوسانات ریزی که در فاصله ی یک میلی ثانیه رخ دهند را نیز شناسایی کرده و از امکان ایجاد آسیب آن ها به وسیله ی برقی جلوگیری می کنند. شاید این مهم در نگاه اول چندان اهمیتی برای شما نداشته باشد، اما باید بدانید در صنایع حساس، مثلا CNC یا دستگاه های پزشکی که به مدد برق کار می کنند، حضور این فناوری نقش مرگ و زندگی را بازی می کند. در زمینه ی محافظت از طول عمر یک کامپیوتر، تلوزیون، یخچال و غیره هم که خودتان بهتر در جریانید، مساله چندین میلیون سرمایه است.

2- استابلایزر ولتاژ دقیقا چیست؟ 

استابلایزر ولتاژ دستگاهی الکترونیکی است که تضمین می کند یک وسیله ی برقی، از جریان بی نوسان الکتریسیته تغذیه خواهد کرد. به بیان دقیق تر، کمبود، ازدیاد یا نوسان های ناگهانی و ذره بینی، در پشت استابلایزر باقی خواهند ماند و آن چه به یک مثلا یخچال می رسد، صاف است و دقیق و بی مشکل.

همچنین نوع دیگری به نام Automatic voltage regulator (AVR) وجود دارد که البته در مقابل استابلایزرهای مدرن، گزینه ی ضعیف تر محسوب می شوند، اما عملکردی یکسان دارند.

                                                                                    

بسیار خب، اگر بخواهیم بحث را کمی فنی و تخصصی تر پیش ببریم، باید بگوییم ماهیت جریانِ برق پشت پریزهای ما، نوسان دارد و به صورت پیوسته و مداوم بالا و پایین می رود. کار یک استابلایزر این است که در جریان برق شهری، بسته به نیاز شما و مشخصات وسیله ای که در اختیار دارید، جریان را روی ولتاژ 220 یا 230 نگاه دارد و همین کار را برای برق های صنعتی یا سه فاز در گستره ی 380 یا 400 ولت مدیریت کند ( دقیقا 380 یا 400 و هر عدد مورد نیاز دیگری).

در صورتی که فکر می کنید همه ی استابلایزرها شبیه آن ترانس خانگی کوچکی است که تا به حال شناخته ایم، باید بگوییم خیر، نمونه های غول آسایی موجود اند که می توانند کل برق ورودی به یک ساختمان، مجموعه صنعتی و غیره را مدیریت کنند.

                                                              

به طور کلی اگر بخواهیم این بخش را با یک نتیجه گیری جامع و کامل به پایان ببریم باید بگوییم استابلایزرها در نمونه های فوق العاده گسترده ای تولید می شوند. نمونه های دیجیتال، دستی، بزرگ و صنعتی تا کوچک و خانگی. در قسمت های آینده دقیق تر انواع آن ها را معرفی خواهیم کرد، اما تا به اینجای کار عملکرد آن ها را در ذهن داشته باشید.

به صورت عمومی می توان گفت که هر وسیله ی برقی متناسب با یک طیف مخصوص دریافت برق یا الکتریسیته طراحی و تولید شده است. همچنین، بسته به حساسیت مکانی که آن وسیله به کار گرفته می شود، یک تلورانس (نوسان) مشخص رای عملکرد بی مشکل وسایل مختلف در نظر گرفته می شود. بعضی تا 10 و بعضی دیگر تا 5 درصد تلورانس نسبت به دریافتی کل را تحمل می کنند.

حال مساله اینجاست که تکرار این نوسانات، حتی در مقیاس مجاز، علاوه بر اینکه عمر دستگاه ها را کاهش می دهد، به صورت قابل لمسی، عملکرد لحظه ای یک خط تولید، یا کیفیت روزمره ی یک زندگی را با چالش مواجه می کند. در نتیجه اینجاست که استابلایزرها وارد می شوند.

                                                                          

باید دانست که ورود بیش از حد ولتاژ به یک وسیله ی برقی می تواند ( در مدت نسبتا طولانی):

در طرف مقابل ولتاژ کمتر از حد نیاز هم چالش های زیر را به همراه دارد ( در مدت زمان های طولانی):

در نتیجه به عنوان جمع بندی این بخش هم باید گفت که استفاده از استابلایزر برای حصول اطمینان از حسن انجام وظیفه ی یک وسیله ی برقی ضروری است.

4- استابلایزرها چگونه کار می کنند؟

همان طور که گفته شد، استابلایزرها جریان پایین را تقویت و جریان بالا را تعدیل می کنند تا ورودی دستگاه برقی ما، همانی باشد که باید. به این کار اصطلاحا boost و buck کردن گفته می شود که هم به صورت دستی و هم خودکار عملی می شود. وقتی که جریان افت دارد، استابلایزر جریان را boost می کند و در زمانی که بیش از حد الکتریسیته وارد دستگاه می شود، عملیات buck صورت می گیرد.

استابلایزرها این کار با قرار دادن یک ترانس در مسیر انجام می دهند. نمونه های رله ای به صورت دستی (منظور غیر هوشمند و مکانیکی است) هم عمل می کنند در حالی که استابلایزرهای سروو، ترانس خودکار دارند. در نتیجه قبل از این که متن را تخصصی تر ادامه دهیم باید بگوییم، استابلایزر ها در واقع عمل کاهش یا افزایش ولتاژ را با استفاده از قرار دادن یک یا چند ترانس در مدار الکرتیکی خود محقق می سازند. حال مساله ی عملکرد آن ها به دو فاکتور بستگی دارد. اول اینکه ترانس مورد استفاده چه ویژگی هایی داشته باشد (که موضوع این بحث نیست) و دوم اینکه ترانس مورد نظر، به چه شکلی در مدار محافظ ولتاژ ما قرار گیرد. در ادامه شیوه های مختلف قرارگیری ترانس در ساختار مدار استابلایزر بررسی شده است.

برای اینکه مساله را بیشتر باز کنیم نیاز است به تصاویر زیر ارجاع هایی داشته باشیم.

همان طور که در پایین مشاهده می کنید، ترانس در جریان قرار گرفته است و عملیات boosting را به صورت مستقیم انجام می دهد. این روش رله ای است که به صورت مستقیم جریان حاضر را افزایش داده و به میزانی که وسیله ی برقی (Load) نیاز داشته رسانده است. ترانس مورد استفاده 230/12V است اما بیشتر به نحوه ی قرار گیری اش در مدار توجه داشته باشید. درباره ی افزایش جریان، استابلایزر ما به طور مستقیم و بدون مشکل از ظرفیت ترانس بهره می گیرد و جریان ضعیف را ارتقا می دهد. اما درصورتی که عملیات عکس این مطلب مورد نیاز باشد، نیاز است تا رله، ساختار و نحوه ی قرارگیری ترانس را در ساختار مدار استابلایزر تغییر دهد.

                                                           

و حالا در ادامه به تصویر پایین نگاه کنید که با همان ساختار، اما عملیات کاهش ولتاژ یا bucking به ثمر رسیده است. یعنی ترانس در ساختار استبالایزر طوری قرار گرفته که اگر نیاز به کاهش ولتاژ بود، عملیات بدون وقفه و نیاز به تغییر انجام شود، اما برای ارتقای جریان، تغییر جایگیری ترانس در مدار استابلایزر تحقق یابد.

                                                               

و بالاخره به تصویر پایین نگاه کنید که ساختار یک استابلایزر رله ای کامل را نمایش می دهد. در این مدار چه جریان بالا رود و چه پایین بیاید، عملکرد استابلایزر مناسب خواهد بود و جریان ثابت را در اختیار وسیله ی برقی ما خواهد گذاشت. در واقع، این استابلایزر ساختار دو رله ای دارد و در لحظه، نسبت به کاهش یا افزایش جریان واکنش نشان می دهد( برای مثال هم می تواند ولتاژ های پایین مثل 195 را ارتقا دهد و هم امکان تعدیل ولتاژهای بالا مثل 245 ولت را خواهد داشت).

                                                           

در انتها اگر بخواهیم درباره ی چگونگی عملکرد استابلایزرها یک جمع بندی ارائه دهیم، باید بگوییم انواع رله ای، می توانند به طور دستی یا مکانیکی ولتاژ مناسب یک وسیله را دریافت کنند و بر مبنای آن عدد، جریان مورد نیاز را با ساختار منحصر به فردی که دارند، مدیریت سازند. اما اگر نیاز به مدیریت خودکار است، کار با این مدارها راه نمی افتد و نیاز است سراغ نمونه های سروو برویم. در ادامه ی این مطلب، کار را به صورت دقیق تر بررس کرده ایم و ارائه داده ایم.

5- استابلایزرها چند نوع دارند؟

امروزه استابلایزرها بخشی جدانشدنی و ضروری از زندگی ما را تشکیل می دهند. در خانه، واحدهای صنعتی یا کارگاه و کارخانه ها حداقل یکی از آن ها وجود دارد تا کار را در یک سطح قابل اطمینان و اتکا پیش ببرند. این وسایل سودمند برقی، بسته به نیاز، کارکرد و عملکرد، انواع مختلفی دارند. اما همانطور که به طور مکرر تاکید کرده ایم، مقصود همه ی آن ها یک مطلب واحد است. استابلایزرها جریان های ضعیف را تقویت می کنند و میزان ولتاژهای بالا را روی مرز مورد نیاز وسایل برقی نگاه می دارند. این کار باعث می شود عمر وسایل الکترونیکی دراز شود و کیفیت عملکرد آن ها در لحظه و طولانی مدت ارتقا داشته باشد. از همین روست که امروزه روی شناخت انواع استابلایزرها به عنوان محافظین ولتاژ تمرکز و تاکید وجود دارد. در ادامه ما انواع استابلایزرها را معرفی کرده ایم و شرح مختصری بر آن ها نوشته ایم.

ساختار درونی این نوع از استابلایزرها را در تصاویری که مربوط به مدار ها بود به صورت ساده سازی شده و شماتیک نمایش دادیم. این دست از استابلایزرها مخصوص کاربری های خانگی هستند و در مقیاس مشخص به کار گرفته می شوند ( البته در سطح تجاری هم نماینده هایی دارند).

نحوه ی عملکرد استابلایزرهای رله ای در حالت کلی وابسته به عملکرد ترانس و رله هایی است که این ترانس را در وضعیت و حالت های مختلف قرار می دهند. اگر نیاز به کاهش ولتاژ باشد، ترانس باید یک حالت را تجربه کند و اگر مساله افزایش ولتاژ معرفی شود، باید بالعکس عمل کرد و ترانس را در حالتی دیگر قرار داد. اگر چه ما در حالت کلی تنها به معرفی ترانس و رله بسنده می کنیم، اما در منظر فنی و تکنیکی اعضای بیشمار دیگری نیز حضور دارند.

                                                               

وقتی درباره ی سیستم دستی یا مکانیکی صحبت می کنیم، منظورمان این نیست که یک نفر باید پشت استابلایزر بایستد و دستور دهد که الان جریان بالا است، نسبت به کاهش اقدام کن و بالعکس. بلکه موضوع و سخن، وجود یک کنترل کننده ی جریان است که نسبت به عدد معرفی شده، ولتاژ را اندازه گیری می کند و اگر جریان ورودی بالا یا پایین باشد، رله ها را در محل مناسب قرار داده و جریان را آن طور که باید، مدیریت می سازد.

ظرفیت مدیریت استابلایزرهای رله ای معمولا چیزی در حدود شش الی پانزده درصد جریان ورودی است و این کار را با دقتی پنج الی ده درصدی انجام می دهند. یعنی اگر جریان ورودی تا پانزده درصد تلورانس داشته باشد (نسبت به چیزی که باید باشد) مدیریت و رساندن آن به مصرف کننده ی جریان، با دقتی متغیر از پنج تا ده درصد مقدور خواهد بود.

هزینه ی کم، دقت قابل قبول، وزن پایین و عواملی از این دست، در مجموع استابلایزرهای رله ای را تبدیل به گزینه ی محبوب مصارف خانگی، یا تجاری کوچک کرده است. اما به هر حال بسته به محلی که مورد استفاه قرار می گیرند، یک سری محدودیت هایی هم دارند. به عنوان مثال سرعت اصلاح جریان این محافظان ولتاژ کمی کند است (در مقایسه با سایر مدل های دیجیتالی) و دوام، استحکام و ماندگاری کمتری نسبت به مدل های صنعتی دارند. در مجموع، باید گفت که استابلایزرهای رله ای جوابگوی نیازهای خانگی خواهند بود.

برای افرادی که با علم مهندسی برق آشنا هستند، نام سروو به تنهایی ساختار استابلایزرهای مذکور را نمایان می سازد. ساختار این استابلایزرها Servomechanism یا اصطلاحا Negative feedback است. در واقع استابلایزرهای مذکور از یک موتور یا ساختار با عملکرد تکنلوژیکی سروو بهره می برد (تصویر زیر را نگاه کنید). معمولا زمانی که جریان ورود میزان بالایی دارد سراغ استابلایزرهای سروو می رویم. دقت آن ها از یک تا پنجاه درصد متغییر است و به همین دلیل، برای به کار گیری در شرایط سخت و گوناگون، گزینه های قابل اتکا و اعتمادی به شمار می آیند. استابلایزرهای سروو از یک موتور سروو، ترانس خودکار، ترانس افزایش دهنده و کاهنده، سیستم کنترلی و موتور انتقالی تشکیل می شوند ( به عنوان اعضای اصلی).

                                                                

در این استابلایزرها، یک سر ترانسِ کاهنده و افزایشی به ترانس خودکار متصل می شود و طرف دیگر آن در اختیار موتور یا بازوی انتقالی است. در انتهای آن بازو هم موتور سروو قرار گرفته است. در تصویر زیر ساختار مداری این استابلایزرها را مشاهده می فرمایید.

                                                          

ماهیت عملکرد این استابلایزرها هم مشابه نمونه های رله ای است، تنها با این تفاوت که ساختار عملکردی متفاوتی دارند. یعنی ابتدا اختلاف جریان را تشخیص می دهند، سپس موتور توسط بازویی که دارد ترانس را در مسیر و جهت صحیح قرار می دهد و استابلایزر در مدت زمانی اندک، جریان ورودی نامطلوب را در ساختار داخلی خود، به آن ولتاژی که باید تبدیل می کند. تنها مساله این است که اگر در مورد قبل نیاز بود رله ترانس را به کلی در محل و ساختاری دیگر قرار دهد، اینجا یک بازو، متصل به موتور سروو، فرمان را از کنترل کننده دریافت می کند و باقی ماجرا صورت می پذیرد.

استابلایزرهای سروو می توانند در مصارف صنعتی و برق سه فاز هم به کار گرفته شوند. در واقع اگر بخواهیم دقیق تر بگوییم، استابلایزرهای سروو تقریبا در هر کاربری امکان انجام وظیفه دارند. تنها ذکر این نکته ضروری است که تاکید کنیم، استابلایزرهای سروو وقتی برای مصارف شهری و خانگی تولید می شوند از دو ترانس در ساختار خود بهره می برند و در نمونه های صنعتی و سه فاز، این تعداد به سه می رسد. و حتی در نمونه های قدرتمند، همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید، استابلایزر از سه موتور سروو بهره می برد و هر کدام از موتور ها خود دو ترانس در خدمت دارند.

                                                                   

همانطور که به احتمال زیاد تا به حال حدس زده اید، استفاده از استابلایزرهای سروو مزیت هایی دارد نسبت به نمونه های رله ای. در واقع صنعتی و پیشرفته تر بودن این محافظان ولتاژ باعث می شود تا ضعف نمونه های قبلی پوشانده شود. در نتیجه باید گفت، استابلایزرهای سروو واکنش هایی سریع تر از نمونه های رله دارند، دقت بالاتری ارائه می دهند و از همه مهم تر، در مدت زمانی طولانی، قابل اعتماد تر هستند. در طرف مقابل این همه ویژگی و حسن قابل احترام، باید اشاره داشته باشیم که تعمیر و نگهداری این استابلایزرها کار ساده ای نیست و نیاز به حضور متخصص و صرف هزینه ی درخور دارد.

بر خلاف دو نمونه ی قبل که یکی از ترانس و دیگری از موتور سروو بهره می گرفتند، ساختار استابلایزرهای استاتیکی کاملا متفاوت است. در واقع سیستم پیشرفته ی این دست از استابلایزرها دقت های مدیریت ولتاژ را تا درصد های فوق العاده ریز فراهم می آورد. همانطور که از نام این استابلایزرها بر می آید، آن ها هیچ عضور متحرکی ندارند و به جای رله و موتور سروو، از یک power electronic converter  برای مدیریت لحظه به لحظه ی جریان بهره می برند. دقتی که برای این استابلایزرها معرفی می شود عدد فوق العاده ی یک درصد است. یعنی با این توصیف، اگر دو نمونه ی قبل اتومبیل هستند، ما در حال صحبت از هواپیما هستیم.

این محافظ ولتاژهای استاتیکی، از یک ترانس افراینده و کاهنده، موتور IGBT و میکروکنترولر و microprocessor یا DSP بهره می برند. نحوه ی عملکرد هم به این صورت است که Microprocessor controlled IGBT از طریق تکنیک یا تکنولوژی pulse width modulation ولتاژ مناسب و مورد نیاز را تولید می کند. این ولتاژ تولیدی، به ترانس اصلی اعمال می شود و از آنجا با کمک IGBT دوباره جریان به فاز مورد نظر، یا همان میزانی که دقیقا لازم است تبدیل می شود. تصویر زیر شماتیک ساختار و مدار استابلایزرهای استاتیکی را نمایش می دهد.

                                                         

حالا هر زمانی که microprocessor مثلا تشخصیص دهد که جریان پایین تر از حد مورد نیاز است، پیام یا PWM خود را به IGBT converter  می فرستد و در نهایت، ولتاژ مورد نیاز ساخته و پرداخته می شود. حالا بر عکس این روند و جریان هم ممکن است. یعنی اگر تشخیص داده شود که ولتاژ بیشتر از حد نیاز است، پیامی مشابه به IGBT فرستاده می شود و آن چه که باید رخ دهد، به وقوع می پیوندد. با توجه به روند معرفی استابلایزرها تا به این جا به احتمال زیاد با ما هم نظر خواهید بود که نمونه های استاتیکی قدرتمند ترین محافظ های جریان هستند. سایز فشرده، سرعت عمل فوق العاده بالا، قدرت و دقت بی نظیر در کنترل و مدیریت جریان و بهره وری و دوام بالا، ویژگی های مهم استابلایزرهای استاتیکی هستند.

تصویر زیر نماینده ی یک استابلایزر استاتیکی است و در ادامه ی آن شماتیک مداری هم نمایش داده شده است.
                                                                              

                                                         

6- تفاوت استابلایزر و رگولاتور چیست؟

احتمالا شما هم با این سوال چالشی مواجه شده اید و بعضی اوقات سردرگم برای یافتن پاسخ مناسب ساعاتی طولانی را با فکر و جدل ذهنی سپری کرده اید. استابلایزر و رگولاتور هر دو کارکردی مشابه دارند اما ساختار آن ها متفاوت است. برای اینکه دقیق تر مساله را روشن کنیم، باید بگوییم:

استابلایزر وسیله ای برقی است که برای ایجاد جریان ورودی بی نوسان طراحی شده و اینکار را بدون تغییر در جریان ورودی انجام می دهد.

و در طرف مقابل، رگولاتور وسیله ای برقی است که برای ایجاد جریان ورودی بی نوسان طراحی شده و اینکار را بدون تغییر در جریان ورودی وسیله ی برقی(Load) انجام می دهد.
تفاوت ذره بینی است، نه؟

7- چگونه استابلایزر مناسب خود را انتخاب کنیم؟

برای انتخاب استابلایزر مناسب باید عوامل مختلفی را در نظر بگیرید. از این که در چه شرایط محیطی قرار دارید گرفته تا اینکه برای چه مقیاس و چه وسیله ی برقی اقدام به تهیه ی استابلایزر می کنید. توصیه ی ما این است که ابتدا شرایطی که در منزل، کارگاه یا محیط کار خود دارید را به طور کامل روی کاغذ مکتوب کنید، سپس با متخصصی از این حوزه وارد مشورت شوید. او طیف وسیعی پیشنهاد در اختیار شما قرار خواهد داد و شما قادر خواهید بود بسته به شرایطی که دارید، مناسب ترین گزینه را انتخاب کنید.
ما در این متن، چند بند به عنوان راهنما در اختیار شما قرار می دهیم تا بهتر با چند و چون فنی کار آشنا شوید.
                                                                             

 
   


حالا در پایین، با یک مثال سعی می کنیم نشان دهیم که شیوه ی تبدیل توان و قدرت استابلایزر و ترانس در واحدهای مختلف چگونه صورت می گیرد.

فرض کنید که کولر یا یخچال شما 1kVA جریان طلب می کند. در نتیجه بیست درصد حاشیه ی امن در انتخاب می شود 200 watts و با اضافه کردن این حاشیه امن به مقدار ابتدایی ما 1200 VA wattage خواهیم داشت. در نتیجه اگر قصد تهیه ی یک ترانس یا استابلایزر داریم، باید مشخصات 1.2 kVA یا 1200 VA را داشته باشد.

از مثال رها می شویم و مساله را به صورت عمومی بیان می کنیم. برای مصارف خانگی، به طور کلی بازه ی 200 VA الی 10 kVA برای استابلایزرها معرفی می شود. یعنی اگر به قصد خرید محافط ولتاژ به بازار رفتید، سعی کنید استابلایزر یا ترانسی که انتخاب می کنید، مشخصاتی در آن بازه داشته باشد. اما در زمینه ی صنعتی متاسفانه نمی توانیم یک بازه ی مشخص ارائه کنیم، زیرا طیف گسترده ی ابزارآلات کارگاهی این امکان را از ما می گیرید.

امیدواریم که مطلب ارائه شده درباره ی استابلایزرها به طور تخصصی و ترانس ها با دیدی عمومی، توانسته باشد تا حد زیادی به ایجاد درک، شناخت و اشراف شما نسبت به محافظ های ولتاژ بیافزاید. لازم است ذکر کنیم که دریافت نقد، پیشنهاد و سوال از طرف شما برای ما بسیار ارزشمند خواهد بود و ما را در ادامه ی تدوین مطالب و محتوای تخصصی و قدرتمند یاری می رساند.