Comprendre les stabilisateurs de tension : but, fonctionnement, types et applications

Qu'est-ce qu'un stabilisateur de tension et pourquoi en avons-nous besoin ? Fonctionnement, types et applications

Introduction au stabilisateur :

L'intégration de la technologie de puce microprocesseur et de dispositifs électroniques de puissance dans la conception de stabilisateurs de tension AC intelligents (ou régulateurs automatiques de tension (AVR)) a permis de produire une alimentation électrique stable de haute qualité en cas d'écart significatif et continu de la tension du réseau.

En évolution par rapport aux stabilisateurs de tension à relais conventionnels, les stabilisateurs innovants modernes utilisent des circuits de contrôle numériques haute performance et des circuits de contrôle à état solide qui éliminent les ajustements de potentiomètre et permettent à l'utilisateur de régler les exigences de tension via un clavier, avec fonction de démarrage et d'arrêt de la sortie.

Cela a également permis de réduire le temps de déclenchement ou la réactivité des stabilisateurs à un taux très faible, généralement quelques millisecondes, et ce temps peut être ajusté avec des paramètres variables. Aujourd'hui, les stabilisateurs sont devenus une solution d'alimentation optimisée pour de nombreux appareils électroniques sensibles aux fluctuations de tension, et ils fonctionnent avec de nombreux dispositifs tels que machines CNC, climatiseurs, téléviseurs, équipements médicaux, ordinateurs, équipements de télécommunication, etc.

Qu'est-ce qu'un stabilisateur de tension ?

C'est un appareil électrique conçu pour fournir une tension constante à une charge à ses bornes de sortie, indépendamment des variations de la tension d'entrée ou d'alimentation entrante. Il protège l'équipement ou la machine contre les surtensions, les sous-tensions et autres pics de tension.

Il est également appelé régulateur automatique de tension (AVR). Les stabilisateurs de tension sont préférés pour les équipements électriques coûteux et précieux afin de les protéger des fluctuations nuisibles de basse/haute tension. Parmi ces équipements : climatiseurs, machines d'impression offset, équipements de laboratoire, machines industrielles et appareils médicaux.

Les stabilisateurs de tension régulent la tension d'entrée fluctuante avant qu'elle ne soit fournie à la charge (ou équipement sensible aux variations de tension). La tension de sortie du stabilisateur restera dans la plage de 220 V ou 230 V pour une alimentation monophasée et 380 V ou 400 V pour une alimentation triphasée, dans une plage de fluctuation de tension d'entrée donnée. Cette régulation est effectuée par des opérations de buck (abaissement) et boost (élévation) réalisées par le circuit interne.

Il existe une grande variété de régulateurs automatiques de tension sur le marché actuel. Ceux-ci peuvent être des unités monophasées ou triphasées selon le type d'application et la capacité (kVA) requise. Les stabilisateurs triphasés existent en deux versions : modèles à charge équilibrée et modèles à charge déséquilibrée.

Ils sont disponibles soit en unités dédiées pour appareils spécifiques, soit en gros stabilisateurs pour l'ensemble des appareils d'un lieu donné, par exemple toute une maison. De plus, ils peuvent être soit de type analogique, soit de type numérique.

Les types courants de stabilisateurs de tension incluent : stabilisateurs manuels ou commutables, stabilisateurs automatiques à relais, stabilisateurs à état solide (statiques) et stabilisateurs à commande servo. En plus de la fonction de stabilisation, la plupart des stabilisateurs intègrent des fonctionnalités supplémentaires telles que : coupure basse/haute tension entrée/sortie, coupure surcharge, fonction de démarrage/arrêt de la sortie, démarrage manuel/auto, affichage de coupure de tension, commutation à tension nulle, etc.

Pourquoi les stabilisateurs de tension sont-ils nécessaires ?

Généralement, chaque équipement ou dispositif électrique est conçu pour une large plage de tension d'entrée. Selon la sensibilité, la plage de fonctionnement des équipements est limitée à des valeurs spécifiques ; par exemple, certains équipements peuvent tolérer ± 10 % de la tension nominale, tandis que d'autres ± 5 % ou moins.

Les fluctuations de tension (hausse ou baisse de l'amplitude de la tension nominale) sont assez courantes dans de nombreuses zones, surtout aux extrémités de ligne. Les raisons les plus courantes des fluctuations de tension sont : la foudre, les défauts électriques, le câblage défectueux et la mise hors tension périodique des appareils. Ces fluctuations créent des problèmes pour les équipements ou appareils électriques.

Une surtension prolongée entraînera :

• Dommages permanents à l'équipement
• Dommages à l'isolation des enroulements
• Interruption indésirable de la charge
• Augmentation des pertes dans les câbles et équipements associés
• Réduction de la durée de vie de l'appareil

Une sous-tension prolongée entraînera :

• Mauvais fonctionnement de l'équipement
• Périodes de fonctionnement plus longues (comme dans le cas des radiateurs résistifs)
• Performance réduite de l'équipement
• Tirage de courants importants entraînant une surchauffe
• Erreurs de calcul
• Réduction de la vitesse des moteurs

La stabilité et la précision de la tension déterminent donc le bon fonctionnement de l'équipement. Les stabilisateurs de tension garantissent que les fluctuations de tension à l'alimentation entrante n'affectent pas la charge ou l'appareil électrique.

Comment fonctionne un stabilisateur de tension ?

Principes de base du stabilisateur de tension pour effectuer les opérations Buck et Boost

Dans un stabilisateur de tension, la correction de tension en cas de surtension et de sous-tension est réalisée par deux opérations essentielles : boost et buck. Ces opérations peuvent être effectuées manuellement par des commutateurs ou automatiquement par un circuit électronique. En cas de sous-tension, l'opération boost augmente la tension au niveau nominal, tandis que l'opération buck réduit le niveau de tension en cas de surtension.

Le concept de stabilisation consiste à ajouter ou soustraire la tension à l'alimentation secteur. Pour accomplir cette tâche, le stabilisateur utilise un transformateur connecté dans différentes configurations avec des relais de commutation. Certains stabilisateurs utilisent un transformateur avec des prises sur l'enroulement pour fournir différentes corrections de tension, tandis que les stabilisateurs servo utilisent un autotransformateur pour avoir une large plage de correction.

Pour comprendre ce concept, considérons un transformateur abaisseur simple de 230/12 V et sa connexion avec ces opérations.

La figure ci-dessus illustre la configuration de boost dans laquelle la polarité de l'enroulement secondaire est orientée de manière que sa tension soit directement ajoutée à la tension primaire. Par conséquent, en cas de sous-tension, le transformateur (qu'il s'agisse d'un transformateur à prises ou d'un autotransformateur) est commuté par les relais ou interrupteurs à état solide de manière à ajouter des volts supplémentaires à la tension d'entrée.

Dans la figure ci-dessus, le transformateur est connecté en configuration buck, où la polarité de la bobine secondaire est orientée de manière que sa tension soit soustraite de la tension primaire. Le circuit de commutation bascule la connexion vers la charge vers cette configuration en cas de surtension.

La figure ci-dessus montre un stabilisateur de tension à deux étages qui utilise deux relais pour fournir une alimentation AC constante à la charge en cas de surtension et de sous-tension. En commutant les relais, les opérations buck et boost pour deux fluctuations de tension spécifiques (une pour sous-tension, par exemple 195 V, et une pour surtension, par exemple 245 V) peuvent être effectuées.

Dans le cas des stabilisateurs à transformateur à prises, différentes prises sont commutées en fonction de la quantité de tension boost ou buck requise. Mais dans le cas des stabilisateurs à autotransformateur, des moteurs (moteur servo) sont utilisés avec un contact glissant pour obtenir les tensions boost ou buck depuis l'autotransformateur car il ne contient qu'un seul enroulement.

Types de stabilisateurs de tension

Les stabilisateurs de tension sont devenus partie intégrante de nombreux appareils électriques domestiques, industriels et commerciaux. Auparavant, des stabilisateurs de tension manuels ou commutables étaient utilisés pour booster ou abaisser la tension entrante afin de donner une tension de sortie dans une plage désirée. De tels stabilisateurs sont construits avec des relais électromécaniques comme dispositifs de commutation.

Plus tard, des circuits électroniques additionnels ont automatisé le processus de stabilisation et ont donné naissance aux régulateurs automatiques de tension à changement de prise. Un autre type populaire de stabilisateur de tension est le stabilisateur servo dans lequel la correction de tension est effectuée en continu sans aucun commutateur. Discutons des trois principaux types de stabilisateurs de tension.

Stabilisateurs de tension à relais

Dans ce type de stabilisateurs de tension, la régulation de tension est accomplie en commutant les relais pour connecter l'une des nombreuses prises du transformateur à la charge (comme discuté ci-dessus) que ce soit pour l'opération de boost ou de buck. La figure ci-dessous illustre le circuit interne du stabilisateur à relais.

Il comporte un circuit électronique et un ensemble de relais en plus du transformateur (qui peut être toroïdal ou à noyau de fer avec des prises sur son secondaire). Le circuit électronique comprend un circuit redresseur, un amplificateur opérationnel, une unité microcontrôleur et d'autres minuscules composants.

Le circuit électronique compare la tension de sortie avec une valeur de référence fournie par une source de tension de référence intégrée. Chaque fois que la tension monte ou descend au-delà de la valeur de référence, le circuit de commande commute le relais correspondant pour connecter une prise désirée à la sortie.

Ces stabilisateurs modifient généralement la tension pour des variations de tension d'entrée de ±15 % à ±6 % avec une précision de tension de sortie de ±5 à ±10 %. Ce type de stabilisateurs est le plus couramment utilisé pour les appareils de faible puissance dans les applications résidentielles, commerciales et industrielles car ils sont légers et peu coûteux. Cependant, ils souffrent de plusieurs limitations : vitesse de correction de tension lente, moindre durabilité, moindre fiabilité, interruption du chemin d'alimentation pendant la régulation, et incapacité à résister aux surtensions élevées.

Stabilisateurs de tension à commande servo

Ce sont simplement des stabilisateurs servo (fonctionnant sur servomécanisme, aussi connu comme rétroaction négative) et le nom suggère qu'ils utilisent un moteur servo pour permettre la correction de tension. Ils sont principalement utilisés pour une haute précision de tension de sortie stabilisée, généralement ±1 % avec des variations de tension d'entrée jusqu'à ±50 %. La figure ci-dessous montre le circuit interne d'un stabilisateur servo qui intègre un moteur servo, un autotransformateur, un transformateur buck-boost, un driver de moteur et un circuit de contrôle comme composants essentiels.

Dans ce stabilisateur, une extrémité du primaire du transformateur buck-boost est connectée à la prise fixe de l'autotransformateur, tandis que l'autre extrémité est connectée au bras mobile contrôlé par le moteur servo. Le secondaire du transformateur buck-boost est connecté en série avec l'alimentation entrante, qui n'est autre que la sortie du stabilisateur.

Le circuit de contrôle électronique détecte la baisse et la hausse de tension en comparant l'entrée avec la source de tension de référence intégrée. Lorsque le circuit détecte l'erreur, il actionne le moteur qui déplace le bras sur l'autotransformateur. Cela alimente le primaire du transformateur buck-boost de sorte que la tension aux bornes du secondaire soit la tension de sortie désirée. La plupart des stabilisateurs servo utilisent un microcontrôleur ou processeur embarqué pour le circuit de contrôle afin d'atteindre un contrôle intelligent.

Ces stabilisateurs peuvent être monophasés, triphasés type équilibré ou unités triphasées déséquilibrées. Dans le type monophasé, un moteur servo couplé au transformateur variable réalise la correction de tension. Dans le cas d'un type triphasé équilibré, un moteur servo est couplé avec trois autotransformateurs de sorte que la sortie stabilisée est fournie pendant les fluctuations en ajustant la sortie des transformateurs. Dans un type de stabilisateur servo déséquilibré, trois moteurs servo indépendants couplés avec trois autotransformateurs et ils ont trois circuits de contrôle séparés.

Il y a divers avantages à utiliser des stabilisateurs servo par rapport aux stabilisateurs à relais : vitesse de correction plus élevée, haute précision de la sortie stabilisée, capacité à supporter les courants d'appel, et haute fiabilité. Cependant, ils nécessitent une maintenance périodique en raison de la présence de moteurs.

Stabilisateurs de tension statiques

Comme son nom l'indique, le stabilisateur de tension statique n'a aucune pièce mobile comme le mécanisme de moteur servo dans le cas des stabilisateurs servo. Il utilise un circuit convertisseur électronique de puissance pour atteindre la régulation de tension plutôt qu'un variac dans le cas des stabilisateurs conventionnels. Il est possible de produire une plus grande précision et une excellente régulation de tension par ces stabilisateurs comparés aux stabilisateurs servo, et la régulation est typiquement de ±1 %.

Il se compose essentiellement d'un transformateur buck-boost, d'un convertisseur de puissance IGBT (ou convertisseur AC/AC), et d'un contrôleur basé sur microcontrôleur, microprocesseur ou DSP. Le convertisseur IGBT contrôlé par microprocesseur génère la quantité appropriée de tension par la technique de modulation de largeur d'impulsion (PWM), et cette tension est fournie au primaire du transformateur buck-boost. Le convertisseur IGBT produit la tension de manière qu'elle puisse être en phase ou déphasée de 180 degrés par rapport à la tension de ligne entrante, afin d'effectuer l'addition et la soustraction de tensions pendant les fluctuations.

Chaque fois que le microprocesseur détecte une baisse de tension, il envoie des impulsions PWM au convertisseur IGBT de sorte qu'il génère une tension égale à la quantité déviée de la valeur nominale. Cette sortie est en phase avec l'alimentation entrante et est fournie au primaire du transformateur buck-boost. Comme le secondaire est connecté à la ligne entrante, la tension induite sera ajoutée à l'alimentation entrante et cette tension corrigée est fournie à la charge.

De même, la hausse de tension amène le circuit microprocesseur à envoyer des impulsions PWM de telle sorte que le convertisseur produira une tension de quantité déviée, qui est déphasée de 180 degrés par rapport à la tension entrante. Cette tension au secondaire du transformateur buck-boost est soustraite de la tension d'entrée, réalisant ainsi l'opération buck.

Ces stabilisateurs sont très populaires comparés aux stabilisateurs à changement de prise et aux stabilisateurs à commande servo en raison de la grande variété d'avantages : taille compacte, vitesse de correction très rapide, excellente régulation de tension, pas de maintenance due à l'absence de pièces mobiles, haute efficacité et haute fiabilité.

Différence entre stabilisateur de tension et régulateur de tension

Une question majeure mais confuse se pose ici : quelle est exactement la différence(s) entre stabilisateur et régulateur ? Eh bien... Les deux effectuent la même action qui est de stabiliser la tension, mais la principale différence entre stabilisateur de tension et régulateur de tension est :

Stabilisateur de tension : C'est un dispositif ou circuit conçu pour fournir une tension constante à la sortie sans changements dans la tension entrante.

Régulateur de tension : C'est un dispositif ou circuit conçu pour fournir une tension constante à la sortie sans changements dans le courant de charge.

Comment choisir un stabilisateur de tension correctement dimensionné ?

Il est primordial de considérer plusieurs facteurs avant d'acheter un stabilisateur de tension pour un appareil. Ces facteurs incluent : la puissance requise par l'appareil, le niveau de fluctuations de tension dans la zone d'installation, le type d'appareil, le type de stabilisateur, la plage de fonctionnement du stabilisateur (jusqu'à quelle tension il corrige), coupure surtension/sous-tension, type de circuit de contrôle, type de montage, et autres facteurs. Voici les étapes de base à considérer avant d'acheter un stabilisateur pour votre application.

• Vérifiez la puissance nominale de l'appareil que vous allez utiliser avec un stabilisateur, en observant les détails de la plaque signalétique (exemples : plaque signalétique de transformateur, plaque signalétique de disjoncteur, plaque signalétique de condensateur, etc.) ou dans le manuel d'utilisation du produit.
• Puisque les stabilisateurs sont notés en kVA (comme les transformateurs notés en kVA au lieu de kW), il est aussi possible de calculer la puissance en watts en multipliant simplement la tension de l'appareil par le courant nominal maximal.
• Il est recommandé d'ajouter une marge de sécurité à la puissance du stabilisateur, généralement 20 à 25 %. Cela pourrait être utile pour des projets futurs d'ajout de plus d'appareils à la sortie du stabilisateur.
• Si l'appareil est noté en watts, considérez un facteur de puissance lors du calcul de la puissance kVA du stabilisateur. Inversement, si les stabilisateurs sont notés en kW au lieu de kVA, multipliez le facteur de puissance par le produit tension-courant.

Voici un exemple résolu et vivant sur comment sélectionner un stabilisateur de tension correctement dimensionné pour votre appareil(s) électrique(s).

Supposons que l'appareil (climatiseur ou réfrigérateur) soit noté à 1 kVA. Par conséquent, la marge de sécurité de 20 % est de 200 watts. En ajoutant ces watts à la puissance nominale, nous obtenons 1200 VA. Donc un stabilisateur de 1,2 kVA ou 1200 VA est préférable pour l'appareil. Pour les besoins domestiques, des stabilisateurs de 200 VA à 10 kVA sont préférés. Et pour les applications commerciales et industrielles, des stabilisateurs monophasés et triphasés de forte puissance sont utilisés.

J'espère que les informations fournies sont informatives et utiles pour le lecteur. Nous souhaitons que les lecteurs expriment leurs avis sur ce sujet et répondent à cette question simple : quel est le but de la fonction de communication RS232/RS485 dans les stabilisateurs de tension modernes, dans la section commentaires ci-dessous.