КорзинаИнверторы: чистый синус, трансформаторный, модифицированный синус
Инвертором называется прибор, который преобразует постоянное напряжение в переменное. Он позволяет решить проблему питания приборов, которые работают от сети в 220В с постоянным напряжением. На сегодняшний день создаются технологичные приборы, однако в быту используются и более «древние» их аналоги. Поэтому для общего понимания рассмотрим все виды инверторов.
Самым первым прибором для преобразования постоянного напряжения в переменное стал трансформаторный инвертор. Он работает на частоте 50Гц. Источником энергии при этом, как правило, является аккумулятор в 12В, который подключается к трансформатору посредством коммутатора. Последний представляет собой несколько электронных ключей, поддерживающих несколько состояний прибора. Первое – если к обмотке подключен источник питания с положительной полярностью, второе – с отрицательной, третье – если обмотка закорочена.
Изменяя (переключая) состояния прибор создают переменное напряжение заданной частоты и амплитуды (50Гц и 12В). Вторичная обмотка трансформатора создают точно такое же напряжение, но общее или эффективное напряжение остается на уровне 220В. Выходным является напряжение с вторичной обмотки. Именно поэтому ее параметры одинаковы с первичной.
Такой тип работы инверторы называют модифицированной синусоидой. Она широко используется в устройствах для сети 50Гц.
Что такое модифицированная синусоида? Это коэффициент заполнения с амплитуда выходного напряжения, которые показывают отношение периода сигнала и длительность импульса. Параметры длительности и периода задаются еще на стадии сборки и конструирования инвертора, т.е. они постоянны. Амплитудное значение, как правило, выбирается равным значению сети (311В), поскольку прибор заменяет саму сеть в 220В. Коэффициент заполнения принимается равным 0,5, чтобы обеспечить эффективное напряжение.
В инверторе модифицированной синусоиды амплитуда напряжения на выходе прямо пропорциональна напряжению источника питания. Если это аккумулятор, его напряжение снижается, когда прибор разражается. Поэтому амплитуда преобразователя снижается, как и эффективное напряжение на выходе.
Таким образом, для улучшения качества подачи электроэнергии необходимо изменить коэффициент заполнения для поддержания эффективного напряжения на нужном уровне. Например, если устройство рассчитано на работу источника напряжения 12В, оно будет работать от аккумулятора в 10В. На выходе напряжение будет снижаться до 259В. При этом коэффициент заполнения будет равен 0,72 благодаря специальной схеме управления. Тогда эффективное напряжение будет на уровне 220В.
Инвертор модифицированной синусоиды имеет главным элементом трансформатор в 50Гц. Данный тип инвертора трудно поддается модернизации и уменьшению затрат на его обслуживание, поэтому и повысить эффективность такого устройства сложно.
В связи с этим были сконструированы другие инверторы с высокочастотным преобразованием. Через него подключается источник энергии с постоянным напряжением. Посредством преобразователя входное напряжение становится равным амплитуде напряжения в сети, примерно 311В. Соответствие производится через трансформатор, который работает на частоте в разы выше, чем инвертор с модифицированной синусоидой. Поэтому конструкция инвертора с преобразователем меньше, также как и его материалоемкость.
По мере развития отрасли электроники на рынок вышли инверторы, напряжение которых имеет синусоидальную форму. Преобразование электроэнергии производится также посредство высокочастотного преобразователя. Только этот тип инверторов соответствует современным стандартам в энергетике.
Источник энергии подключается точно так же – через преобразователь на входе. На выходе напряжение может быть разным. Все зависит от конструкции устройства, но оно обязательно должно быть выше 331В или амплитудного напряжения.
На выходе напряжение от преобразователя поступает на высокочастотный инвертор, который управляется импульсным преобразователем с понижающим значением. Он на выходе может устанавливать напряжение от 0 до значений напряжения питания, которое по сути больше 311В. Такой тип инвертора держит напряжение на обоих концах по схеме соединительного моста, поэтому оно колеблется между показателями в -311В и +311В, точно также как и в 220В сети.
На каждый канал преобразователя подается свой сигнал системой управления, который с течением времени меняется по закону синуса. На выходах напряжение – это синусоида, которая не имеет постоянной составляющей, его амплитуда равна 331В. Выходное напряжение является стабильным и постоянным и не зависит от напряжения на входе.
Работа инвертора с электроприборами активной нагрузки
Потребители электроэнергии могут иметь сопротивление активного и неактивного характера. Первый тип очень распространен, и к нему можно отнести, как различные виды нагревательных приборов, так и простые осветительные приборы, работающие от лампы накаливания.
Бывают и приборы, сочетающие в себе активную и неактивную нагрузку. Например, обогреватель, имеющий систему контроля температуры. Однако общая нагрузка такого устройства будет ближе к активной.
Для инвертора активная нагрузка является самой простой, поскольку на выходе ток всегда получается ограниченным и поддерживаемым законом Ома. Поэтому для таких потребителей энергии могут быть использованы любые виды инверторов, в том числе и модифицированная синусоида. Плюс ко всему КПД любого инвертора с активной нагрузкой потребителей будет максимальным.
Чтобы работа электроприборов через инвертор была корректной, необходимо чтобы напряжение имело среднеквадратичное значение. В этом случае также все вышеописанные виды инверторов способны выдавать среднеквадратичное напряжение равное напряжению сети 220В.
Единственный важный момент при взаимодействии инвертора и приборов с активной нагрузкой – это напряжение в момент, когда меняется напряжение питания. Если у системы управления имеется подобная функция, то любой из вышеперечисленных типов инверторов может иметь возможность стабильную работу с такими приборами, но все зависит от модели инвертора.
Активные нагрузки могут быть нелинейными или линейными, т.е. иметь меняющееся или постоянное сопротивление. Например, лампа накаливания – это нелинейная активная нагрузка, сопротивление которой отличается в десять раз в зависимости от состояния (холодная или нагретая лампа).
Если инвертор работает с таким электроприбором, может возникнуть кратковременное превышение тока активной нагрузки, в этот момент инвертор может отключиться, поскольку имеет защиту по выходному току и при максимальных его значениях отключается.
По сути все типы инверторов будут работать с такой нагрузкой одинаково, потому что вся разница будет происходить из-за наличия или отсутствия систем защиты, но не из-за вида самого устройства.
Различия в работы инверторов можно найти только благодаря выходному напряжению, проведя его анализ. Например, синусоидальная форма напряжения на выходе имеет только основную гармонику 50Гц, модифицированная – высшие нечетные гармоники повышенной амплитуды. Ток на выходе подвержен тем же законам и повторяет форму, заданную на входе.
На практике увидеть, а точнее услышать разницу в работе инвертора можно по акустическому эффекту, производимому прибором. Он может появляться не только в самом инверторе, но и, например, в потребителе, в проводах, т.е. на любой участке цепи. На слух можно определить гул (низкочастотный шум) от чистого синуса, тембрально звучит модифицированная синусоида (стучит).
Работа инвертора с электроприборами индуктивной нагрузки
Если приборы имеют неактивную, т.е. индуктивную нагрузку или характер сопротивления, то с ними инверторы работают по-другому. К таким приборам относятся электрические двигатели, бытовые насосы, осветительные устройства с балластами и т.д.
В приборах сочетается активная нагрузка и индуктивность. Такое соотношение влияет на выходной ток, который входит из преобразователя инвертора. Описать его можно посредством модели с коэффициентом мощности, определяющим отношение частичной мощности по активной нагрузке к полной мощности.
если нагрузка чисто индуктивная, то этот коэффициент меньше единицы. Поэтому полная мощность будет больше активной, она же, как правило, указана в паспорте или на самом электроприборе как номинальная.
Для инвертора индуктивная (не активная) нагрузка сложнее для работы, так как ток на выходе должен быть распределен между активной мощностью и реактивной. Поэтому энергия в инверторе при работе с такими потребителями теряется значительно больше, нежели при работе с приборами только с активной нагрузкой.
Важность этой составляющей (потери энергии) вытекают как тепловая мощность, т.е. попросту перегрев инвертора. Этот параметр может быть основным для правильной работы прибора.
Разные типы инверторов по-разному работают с индуктивной нагрузкой, поскольку путь напряжения на выходе у приборов разный и захватывает разное количество блоков преобразователя.
Если рассмотреть с этой точки зрения все вышеперечисленные инверторы, то их можно разделить на две группы: одно и двухкаскадные. Трансформаторный инвертор – это однокаскадный прибор. Ток на выходе проходит через всю конструкцию и выходит через трансформатор, ключи и источник напряжения. Все элементы цепи нагреваются, поэтому потери в таких инверторах особенно высоки.
Двухкаскадные инверторы (чистый синус и модифицированная синусоида) имеют одно отличие – внутренний элемент постоянного тока. У всех этих инверторов есть накопитель энергии при выходе преобразователя, поэтому часть реактивного тока пропускается именно через него. Через преобразователь на входе и сам источник входного напряжения протекает меньшая часть переменного тока, тем самым не перегревая соответствующие элементы инвертора. Благодаря наличию накопителя двухкаскадные инверторы имеют больший показатель КПД.
Чтобы потребитель с не активным характером нагрузки работал эффективно, для него важно не только наличие эффективного напряжения на входе, но и среднее его значение за весь временной отрезок работы. Поэтому при работе с разными типами инверторов одни приборы будут работать по максимуму, а другие не так хорошо (лампы тускнеют, вибрации уменьшаются и т.д.)
Чтобы избежать такой неэффективной работы, следует знать, что чистый синус необходим для работы потребителей с активной нагрузкой. Если через модифицированную синусоиду подключить прибор, который должен работать от сети 220В, то его мощность при работе снизится на 15-16%, ток на 9%.
Работа инвертора с электроприборами емкостной нагрузки
Приборов, которые бы имели только сопротивление емкостного характера, практически не существует. Возможно их применение в качестве законченного единого блока, но чаще всего они являются составной частью других электрических устройств. К таким приборам относятся компенсаторы для электродвигателей и т.п.
Другие нагрузки (активные, индуктивные) уже рассмотрены, поэтому подробнее стоит остановиться на работе инверторов с реальной емкостью. Такая модель представляет собой конденсатор и резистор, которые подключены последовательно. Идеальный конденсатор работает с эмулирующим сопротивление выводов резистором. В итоге, таким образом, учитываются потери.
Если с реальной емкостью работает инвертор чистого синуса, то все процессы будут похожи на работу прибора от 220В. Здесь конденсатор – это чистая реактивная нагрузка, в которой нагрузка циркулирует от сети к инвертору и потребителю по полной мощности, и совсем небольшая ее часть расходится на потери энергии. Полезный эффект также создается реактивной мощностью, а нагревается инвертор из-за активной мощности.
Если инвертор имеет модифицированную синусоиду и через него проводится такая же емкостная нагрузка, то конденсатор будет заряжаться от импульсного напряжения, скорость которого высока, а сопротивление низкое. Отсюда будут велики и потери энергии.
Можно говорить о том, что при работе инвертора с модифицированной синусоидой мощность потерь не будет зависеть от сопротивления, потери будут напрямую зависеть от величины конденсатора.
Работа инверторов чистого синуса и модифицированного синуса с такой нагрузкой приводит к высокому уровню токов и мощности потерь. Такой «симбиоз» нежелателен и для нагрузки, и для инвертора.
Если не разбираться в виде нагрузки, то ее вполне можно определить по акустическому эффекту, который выдает инвертор при работе с ней. Модифицированная синусоида создает достаточно громкие звуковые эффекты, когда инвертор подключен к емкостной нагрузке. Это определяется большими энергетическими потерями и пиковыми токами. На слух работа инвертора воспринимается очень сложно.
Работа инвертора с электроприборами с выпрямителем на входе
Практически вся бытовая электроника с трансформаторным блоком питания имеет выпрямитель на входе. Блок питания может быть и импульсным. Работа такой техники будет очень сильно отличаться при подключении любого типа инвертора. Сложность работы заключается в том же, что и при емкостной нагрузке, а именно, конденсатор будет заряжаться от входного напряжения. Если его скорость будет большой, то и потери будут возрастать, как и при подключении инвертора с модифицированной синусоидой.
Потери энергии будут зависеть от амплитуды напряжения в конденсаторе, а также его емкости. Общие потери при модифицированной синусоиде и нагрузке с входным выпрямителем будут в 3 раза больше, нежели потери энергии при работе с инвертором с чистой синусоидой. Поэтому блок питания будет перегреваться в 3 раза больше, так как инвертору придется выделять в 3 раза больше энергии.
Из всего вышеописанного можно сделать вывод, что подключать бытовые приборы с выпрямителем на входе к инверторам с формой напряжения модифицированной синусоиды нецелесообразно. Приборы могут быстро выйти из строя, так как по большей части не имеют запаса прочности по мощности (трехкратного).
Плюс ко всему акустический эффект при работе инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды с нагрузкой с выпрямителем на входе также повышен. Звук получается громким и неприятным. Он может исходить от любого элемента цепи (прибора, инвертора, проводов), поэтому определить несоответствие и несочетаемость двух приборов в принципе просто.
СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ЭНЕРГИЯ ПН-1000
Инвертор Энергия ПН-1000 предназначен для преобразования напряжения 24 вольт постоянного тока в напряжение 220 вольт, 50 герц. Кроме того, в инвертор встроен стабилизатор напряжения с расширенным входным диапазоном, обеспечивающий защиту подключаемого оборудования и электроприборов от нестабильности значений сетевого напряжения, скачков и помех в сети.
Инвертор Энергия ПН-1000 с успехом применяется для обеспечения длительного бесперебойного питания электронных блоков автоматических распашных, откатных, подъёмных ворот, отопительных газовых котлов и другого оборудования, требовательного к качеству электропитания.
Интеллектуальная система зарядки АКБ с режимом тренировки при сульфатации, дает возможность применять в качестве источника питания инвертора обычные автомобильные аккумуляторы (2 шт.). Просто добавляя дополнительные аккумуляторы, можно увеличивать время автономной работы инвертора.
В инверторе Энергия ПН-1000 реализован метод преобразования напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), благодаря чему, на выходе инвертора, формируется напряжение с формой идеальной синусоиды.
Выходной силовой трансформатор обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей, возможность работы всех видов потребителей с любым коэффициентом мощности, включая чисто реактивную нагрузку, низкий уровень импульсных помех и искажений формы выходного напряжения.
Управление всеми системами и функциями осуществляется ЦПУ, оснащенным микропроцессором типа ПЛИС марки MOTOROLA.
Уровень выходного напряжения инвертора Энергия ПН-500 автоматически поддерживается в пределах от 201В до 239В, что соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения» на предельно допустимые значения отклонения напряжения электропитания.
Суммарная полная мощность всех подключаемых к инвертору электроприборов не должна превышать величины 85% максимальной или 100% номинальной мощности прибора, при значениях входного сетевого напряжения в диапазоне от 190 В до 260 В.
В случаях изменения значений входного сетевого напряжения в диапазоне от 160 В до 270 В, суммарная полная мощность всех подключаемых к инвертору электроприборов не должна превышать значения 50% от максимальной мощности инвертора.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
- Марка инвертора: Энергия
- Вид инвертора: для котла, бытовой
- Полная мощность: 1000 ВА
- Активная мощность: 0,6 кВт
- Преобразование напряжения: 12/220 В-В
- Тип синусоиды: Чистая
- Входящее напряжение сети: 155 - 275 В
- Температура эксплуатации: -5...+40 ˚С
- Функция заряда АКБ: Есть
- Габариты: 350х143х210 мм
- Вес: 9,4 кг
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
- ЧИСТЫЙ СИНУС. Энергия ПН даёт на выходе синусоидальную (такую же как в розетке) форму напряжения. Поэтому эти инверторы можно не боясь использовать для питания любой, даже дорогостоящей и чувствительной техники.
- ВСТРОЕННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР. При питании от сети инвертор Энергия ПН будет не только подзаряжать батареи, но и защищать от перепадов напряжения подключенную к нему технику. Входящий диапазон напряжений – 155В – 275В. Встроенный стабилизатор – релейный, поэтому погрешность может быть до 10%. Это, впрочем, входит в допущения по ГОСТу и не оказывает негативного влияния на большинство бытовой техники.
- ФУНКЦИЯ ПОДЗАРЯДКИ АКБ. После того, как напряжение на линии вновь появилось и инвертор переключился на питание от сети, он начинает подзаряжать аккумуляторные батареи, восстанавливать потраченный ресурс. Подзарядка остановится автоматически при полном заряде АКБ.
- ЗАЩИТА. Каждый инвертор защищен предохранителем от короткого замыкания и перегрузки. Принудительное охлаждение защищает от перегрева. Также инверторы оснащены предохранителями для защиты АКБ от глубокого разряда, перезаряда и неправильной полярности подключения.
- УСТАНОВКА. Модели инверторов Энергия ПН, которые популярны среди владельцев газовых котлов (это ПН мощностями 500, 750 и 1000 ВА), для удобства представлены также в навесном варианте. Модели инверторов остальных мощностей – напольные.
© stabilizator
