Инверторы для систем электроснабжения

Что такое инвертор?

Солнечный инвертор, резервный инвертор, бесперебойник, UPS, инвертор с зарядным устройством, инвертор с чистым синусом, автомобильный инвертор… Запутались? Какой именно инвертор вам нужен? Информация ниже поможет вам разобраться в вопросе выбора «правильного» инвертора!

Инвертор — это устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный. Инверторы могут преобразовывать постоянный ток от аккумуляторов, солнечных батарей или других источников постоянного тока (например, ветрогенераторов или микроГЭС, генерирующих напряжение постоянного тока — электрической машиной постоянного тока или после полупроводникового выпрямителя). Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины. 

Таким образом, инвертор — это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной.

Зарядные устройства выполняют обратное преобразование из 220В переменного тока в напряжение постоянного тока для заряда аккумуляторной батареи.

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

Принцип действия

До появления надежной силовой электроники в качестве инверторов применялись электромашинные преобразователи, состоявшие из двигателя постоянного тока, который вращал синхронный или асинхронный генератор переменного тока. Это были шумные тяжелые устройства, которые применялись, в основном, на предприятиях и электростанциях. 

Сейчас применяются электронные статические преобразователи, которые не имеют вращающихся частей, надежны и высокоэффективны.  Основными переключающими элементами являются кремниевые управляемые выпрямители или силовые транзисторы. Они расположены по мостовой схеме и включаются (и выключаются в случае транзисторов) таким образом, что получается колебательный сигнал. Некоторые инверторы работают совместно с другими устройствами, задающими системную частоту. Они называются линейными коммутируемыми. Другие инверторы имеют возможность самостоятельно устанавливать частоту. Они называются самокоммутируемыми.

Основным блоком инвертора является коммутатор, с заданной частотой изменяющий полярность подключения нагрузки к источнику постоянного тока, что и создает в нагрузке переменный ток. Кроме коммутатора, инвертор обязательно содержит электронную схему управления коммутатором (в современных приборах реализуемую часто с использованием микропроцессоров), а также может содержать трансформатор для повышения или понижения выходного напряжения, фильтры, приближающие форму выходного напряжения к синусоидальной, а также различные устройства защиты, стабилизации и т.д.

Классификация инверторов

Инверторы можно классифицировать по:

1. назначению,
2. принципу действия, схемотехнике,
3. величине входного и выходного напряжения,
4. форме выходного напряжения,
5. формфактору исполнения.

Рассмотрим более подробно, как можно разделить инверторы по этим признакам. Переходите по ссылкам в списке выше для быстрого перехода к соответствующей информации.

Назначение инверторов

По назначению можно выделить следующие инверторы:

• батарейные (или аккумуляторные), которые преобразуют энергию от аккумуляторов
• солнечные фотоэлектрические инверторы, которые преобразуют постоянный ток от солнечных батарей
• инверторы для ветрогенераторов и микроГЭС
• гибридные инверторы, которые могут сочетать в себе функции вышеперечисленных инверторов
• комбинированные инверторы, которые в одном корпусе содержат инвертор, зарядное устройство от сети, солнечный контроллер, и т.п. Такие инверторы часто ошибочно называют гибридными, хотя они таковыми не являются.

Перейдите по ссылкам на названиях в списке выше для более подробной информации. 

Принцип действия и схемотехника

По принципу действия можно выделить низкочастотные и высокочастотные преобразователи. Отличие состоит в том, на какой частоте работают повышающие напряжение трансформаторы. Соответственно, есть разница в напряжениях и токах, при которых работают силовые ключи. В низкочастотных инверторах силовые ключи работают на низком напряжении, поэтому для обеспечения одинаковой мощности преобразования требуются ключи на бОльшие токи. В высокочастотных инверторах ключи высоковольтные, но на меньший ток. Обычно транзисторы на низкое напряжение и большой ток дороже, чем транзисторы на высокое напряжение и малый ток.

Как работает низкочастотный инвертор?

Низкочастотный инвертор сначала преобразует мощность постоянного тока в низкочастотную мощность переменного тока низкого напряжения, а затем повышает ее до напряжения переменного тока 220 В, 50 Гц через низкочастотный трансформатор.

Его преимущество в том, что конструкция проста и различные функции защиты могут быть реализованы при более низком напряжении. Поскольку между источником питания инвертора и нагрузкой установлен низкочастотный трансформатор, инвертор работает стабильно и надежно, обладает высокой перегрузочной способностью и стойкостью к импульсным нагрузкам, а также может подавлять гармонические компоненты высокого порядка в форме сигнала.

Однако низкочастотные трансформаторы также имеют проблемы: они громоздки и дороги, а их эффективность относительно низка. Номинальная эффективность нагрузки небольшого низкочастотного преобразователя, изготовленного в соответствии с текущим уровнем, обычно не превышает 90%. В то же время потери в железе низкочастотного трансформатора практически не изменяются, когда низкочастотный трансформатор работает при полной и небольшой нагрузке, поэтому его можно эксплуатировать при небольшой нагрузке. Потери на холостом ходу больше, а КПД ниже.

Последние достижения схемотехники позволили улучшить эффективность преобразования низкочастотных инверторов. Применение тороидальных трансформаторов и высокоэффективных режимов работы MOSFET транзисторов позволили поднять КПД до 90-95%. Тороидальные трансформаторы применены в инверторах Studer, SMA, МАП-Энергия, TBS Electronics, Victron Energy. А эффективность работы Mosfet в инверторах Studer Xtender настолько высока, что транзисторы в них работают без радиаторов (и, соответственно, практически без потерь энергии).  

Как работает высокочастотный инвертор?

Преобразование постоянного тока в переменный в высокочастотном инверторе обычно проходит в два этапа:
1. высокочастотное DC-DC преобразование постоянного тока низкого напряжения  в постоянный ток высокого напряжения.
Первая ступень высокочастотного инвертора использует технологию высокочастотного преобразования постоянного тока в постоянный. Сначала 
напряжение постоянного тока низкого напряжения преобразуется в высокочастотный переменный ток низкого напряжения. Затем напряжение повышается с помощью высокочастотного трансформатора. После выпрямления с помощью высокочастотной схемы выпрямления и фильтрации он становится постоянным током высокого напряжения, обычно выше 300 В.

2. высокое напряжение постоянного тока преобразуется в переменный ток. На этом этапе формируется переменное напряжение низкой частоты  220 В , которое и подается на нагрузку через низкочастотный фильтр.

Поскольку в высокочастотном инверторе используются малогабаритные и легкие материалы с высокочастотным магнитным сердечником, плотность мощности схемы значительно улучшается, поэтому потери источника питания инвертора на холостом ходу невелики, а эффективность инвертора выше. Обычно пиковая эффективность преобразования высокочастотных инверторов, используемых в фотоэлектрических системах малого и среднего размера, может достигать более 90%.

Преимущества для низкочастотного инвертора:

1. Высокая пиковая мощность: низкочастотные инверторы могут выдерживать пиковые нагрузки до 300% их номинальной мощности в течение нескольких секунд. Поэтому они могут надежно запускать различные двигатели и другую индуктивную нагрузку, в то время как высокочастотные инверторы легче сгорают при работе с индуктивными нагрузками.
2. Надежность: в этих инверторах на выходе используются массивные трансформаторы, которые надежнее и прочнее, чем полевые МОП-транзисторы высокочастотного инвертора, которые используют электронное переключение и более подвержены повреждениям, особенно при высоких уровнях мощности и скачках тока нагрузки.

Преимущества для высокочастотного инвертора:

1. Цена высокочастотного инвертора меньше, чем на низкочастотного
2. Объем и вес высокочастотного инвертора намного меньше, чем у низкочастотного инвертора. Как следствие, меньше стоимость доставки и меньше требуется места для установки.
3. Высокочастотный инвертор имеет высокую эффективность преобразования. 

Низкочастотный инвертор имеет ряд преимуществ, но он дороже, а из-за наличия массивного железного сердечника в трансформаторе он намного больше и тяжелее по сравнению со своим высокочастотным аналогом.

Двигатели, компрессоры или насосы, которые имеют большие пусковые токи (до 5-7 кратных от номинального) лучше запускаются от низкочастотного инвертора, потому что в них имеется запас энергии в электромагнитном поле силового трансформатора. Высокочастотные инверторы имеют на выходе электронные ключи, которые могут быть легко повреждены пиковыми токами нагрузки, поэтому обычно в таких инверторах имеется программное ограничение выходной мощности и они отключаются при превышении нагрузки над номинальной. Часто такая защита не срабатывает и силовые ключи выходят из строя при резких скачках нагрузки. 

В высокочастотном инверторе почти в два раза больше компонентов по сравнению с низкочастотными инверторами, однако в целом они все же меньше и легче из-за отсутствия большого силового трансформатора. Они не очень хорошо работают с промышленными нагрузками, и поэтому, если требуется работа большого насоса, двигателя или кондиционера, лучшим вариантом будет низкочастотный преобразователь.

Высокочастотный инвертор использует МОП-транзисторы для электронного переключения. Эти МОП-транзисторы необходимо охлаждать и прикреплять к радиаторам. 

Какой из них лучше? 
Лучший инвертор – это низкочастотный инвертор. Это связано с тем, что он может выдерживать большую импульсную мощность и более надежен, особенно при питании нагрузки с большой реактивной составляющей, таких как двигатели переменного тока. 
Высокочастотный инвертор будет достаточно хорош, если у вас есть чисто резистивная нагрузка, такая как освещение и электроника.

Особенности работы низкочастотных и высокочастотных преобразователей напряжения

Параметр	Низкочастотный инвертор	Высокочастотный инвертор
Пиковая нагрузка	Запасают энергию в силовом трансформаторе. Выдерживают до 3 кратной перегрузки в течение нескольких секунд, мгновенное отключение при 5-кратной перегрузке	Не запасают энергию, нужен запас по мощности силовых ключей. Выдерживают 1,5-кратную перегрузку до 2 секунд, при 2-кратной мгновенное отключение
Передача мощности через трансферное реле	Ограничено только пределами трансферного реле, может быть больше номинальной в несколько раз	В режиме трансфера передают номинальную мощность инвертора, при превышении — отключаются с ошибкой
Вес и объем	Большие из-за массы и объема силового трансформатора	Малые, так как высокочастотные трансформаторы той же мощности намного меньше и легче
Частота преобразования напряжения	50 Гц	несколько кГц
Напряжение формирования синусоиды	Форма напряжения формируется на низком напряжении, и затем повышается выходным силовым трансформатором	Низкое напряжение сначала преобразуется в переменное высокой частоты, затем повышается высокочастотными трансформаторами. После фильтрации высоких гармоник процессор формирует выходной напряжение
Качество синусоиды	Выходной трансформатор сглаживает синусоиду, низкий коэффициент гармонических искажений на выходе	После формирования выходного напряжения низкой частоты требуется применение фильтров для снижения гармонических искажений
Эффективность (КПД) преобразования напряжения	Для работы силового трансформатора требуется много энергии, так как неизбежно часть электромагнитной энергии теряется	Малые потери в высокочастотных трансформаторах, КПД может быть выше
Потребление на холостом ходу	Высокое, так как для «раскачки» трансформатора требуется постоянно затрачивать энергию**	Низкое, так как потери в трансформаторах меньше
Запуск в работу	Медленнее, так как требует «раскачать» мощный низкочастотный трансформатор (закачать в него энергию)	Малая инерция, почти мгновенный запуск в работу
Параметры силовых ключей	Низкое напряжение, большой общий ток	Высокое напряжение, малый общий ток
Цена	обычно выше	обычно ниже
Надежность	Обычно выше	Обычно ниже
Срок службы	обычно больше	обычно меньше
Пример исполнения
Ремонтопригодность	Благодаря меньшему количеству электронных элементов ремонт низкочастотных инверторов проще и дешевле.	Количество электронных элементов примерно в 2 раз больше, без руководства ремонт сложнее
Применение	Эти инверторы больше подходят для автономных систем, где ожидаются большие нагрузки и экстремальные условия, например, в промышленных установках или в удаленных местах с суровыми условиями окружающей среды.	Применение в местах с мягкими условиями эксплуатации. Эти инверторы лучше подходят для автономных систем с меньшими нагрузками и более стабильными условиями эксплуатации, таких как бытовые солнечные или небольшие автономные установки.

Примечания.
**Благодаря новым технологиям, реализованным в силовых инверторах, низкочастотный инвертор теперь может соответствовать или даже превосходить высокочастотный преобразователь по потреблению в режиме ожидания и максимальному коэффициенту нелинейных искажений.

Применение высокочастотных преобразователей

Высокочастотные инверторы широко используются в приложениях, требующих портативности, высокой эффективности и быстрого реагирования благодаря своим преимуществам: небольшому размеру, легкому весу, высокой эффективности, а также быстрой скорости реакции. Например, в аэрокосмической, военной технике, транспортных средствах на новой энергии и в других областях предъявляются высокие требования к объему, весу и эффективности инверторов, поэтому высокочастотные инверторы имеют широкий спектр перспектив применения в этих областях. Кроме того, высокочастотные инверторы также могут использоваться в областях возобновляемых источников энергии, таких как системы производства солнечной энергии и системы производства энергии ветра, для реализации экологически чистого и экологически чистого преобразования энергии.

Применение низкочастотного инвертора

Благодаря стабильной форме выходного сигнала и низкому уровню электромагнитных помех низкочастотный инвертор подходит для применений, требующих высокого качества электроэнергии и чувствительных к электромагнитной среде. Например, прецизионные приборы, медицинское оборудование, оборудование связи и другие области обычно выбирают инверторы ПЧ в качестве оборудования для электропитания. Кроме того, низкочастотные инверторы также являются хорошим выбором для приложений, требующих длительной стабильной работы и не требующих большого объема и веса.

Величина входного и выходного напряжения

Обычно входное напряжение инвертора определяется величиной напряжения на аккумуляторе. Так как исторически наиболее распространенными аккумуляторами были свинцово-кислотные, то входное напряжение обычно кратно 12В — то есть обычно 12, 24, 48В реже применяются инверторы на напряжение 36, 72, 96В. Мощные инверторы (от нескольких десятков кВт и выше) обычно работают от аккумуляторов высокого напряжения 220-800В DC.   

Входное напряжение инвертора обычно выбирается исходя из его мощности. Определены оптимальные диапазоны мощности инвертора для каждого входного напряжения на аккумуляторе. Чем ниже входное напряжение для инверторов одинаковой мощности, тем больше ток в проводах, значит  необходимо кратно увеличивать сечение кабелей, использовать более дорогие защитные устройства и коммутационное оборудование. 

При выборе инвертора нужно стараться, чтобы номинальный ток от аккумулятора до инвертора был не превышал 130-150А, в редких случаях возможно до 300А. В последнее время ограничение на выходной ток аккумуляторов накладывается BMS литиевых аккумуляторов — чем больше ток, тем они дороже.

Про выбор напряжения инверторов также есть ответ в разделе «Вопросы и ответы«.

Выходное напряжение инвертора обычно составляет 230В (220-240В) 50 Гц. В США и некоторых других странах применяется другое напряжение и частота (120В и 60 Гц). Для того, чтобы получить трехфазное напряжение 380/400В необходимо применять 3 инвертора, которые синхронизируют свою выходную частоту со сдвигом фаз на 120 градусов. Иногда 3 инвертора помещают в один корпус и называют его «Трехфазным инвертором», но все равно в этом корпусе будет 3 однофазных инвертора. Дешевые инверторы не могут синхронизироваться по частоте (со сдвигом или без), поэтому из них нельзя собрать 3-фазную систему. В нашем Интернет-магазин есть фильтр по этой функции, вы можете легко выбрать инверторы из нашего ассортимента, которые могут работать параллельно для наращивания выходной мощности, или со сдвигом фаз для питания 3-фазной нагрузки.

Форма выходного напряжения

На рынке обычно представлены два типа инверторов для бытового использования. Это инверторы с чистой синусоидой и модифицированной синусоидой. Различия между ними весьма существенны с точки зрения общей полезности и стоимости.

Качество синусоиды на выходе инвертора влияет на способность инвертора питать конкретную нагрузку. Потребители, которые имеют электронные платы, требуют инвертора с чистой синусоидой. Инверторы с модифицированной синусоидой могут создавать недопустимый уровень помех по питающим цепям, которые могут нарушить правильную работу электроники.

Самая простая форма переменного напряжения — меандр, или прямоугольная. Такая форма практически не применяется в серийно выпускаемых инверторах из-за огромных гармонических искажений. 

Дешевые инверторы обычно имеют на выходе так называемую квазисинусоиду. Синусоидальная форма напряжения получается благодаря использованию принципа широтно-импульсной модуляции, который широко применяется системах телекоммуникации и высокоточном электронном оборудовании.

Чистая синусоида позволяет снизить коэффициент гармонических искажений, она приближена к форме напряжения в стандартной розетке от электрических сетей.  При использовании инвертора с чистой синусоидальной волной чувствительная электроника в целом будет работать лучше, с более эффективными процессами и меньшим слышимым шумом. Существуют некоторые типы электроники, которые вообще не работают с модифицированной синусоидальной волной.

Инверторы с модифицированной синусоидой на выходе обычно намного дешевле, чем инверторы с чистой синусоидой. Однако снижение цен связано с уменьшением эффективности. Они будут надежно работать с оборудованием, которое не чувствительно к форме напряжения, — например электронагреватели или потребители с импульсными блоками питания. Но, кроме эффективности, при питании от таких инверторов может возникнуть гул и шум и другие звуки. Также, помехи, вызванные модифицированной синусоидой, могут быть неприемлемо высокими при питании компьютеров, принтеров, медицинской техники, радиотелевизионного оборудования и т.п.

Про методы формирования выходного сигнала в инверторах напряжения вы можете почитать здесь (сторонний сайт).

Нужен ли вам инвертор с чистой синусоидой на выходе?

Для любого применения инвертора вы должны решить, нужен ли вам инвертор с чистой синусоидой или вам достаточен намного более дешевый инвертор с модифицированной синусоидой на выходе.

Что же дают синусоидальные инверторы в процессе их эксплуатации и стоит ли переплачивать в два раза (а то и больше), по сравнению с меандровыми инверторами? Для этого нужно разобраться, какие приборы мы планируем подключать в этим инверторам. Если это, допустим, будут осветительные приборы или бытовые нагревательные приборы, то вполне вероятно, что покупка инвертора с чистым синусом формы напряжения будет не обязательна.

Многие люди начинают с инвертора с модифицированной синусоидой, потому что такие инверторы примерно в 2 раза дешевле. К сожалению, в большинстве случаев, такие инверторы не подходят для большинства потребителей энергии.

Но если же вы планируете получать переменное напряжение от инвертора к электроустройствам, которые чувствительны к форме напряжения (это может быть дорогая аудио- или видеоаппаратура, стиральные машины, холодильники и т.п.), то очень желательно иметь инвертор синусоидального типа. Дело в том, что при резкой смене полярности часто случаются довольно неприятные эффекты в подключенных электроприборах, которые сокращают срок их службы и могут привести в преждевременному выходу из строя. Поэтому, в данном случае экономия на инверторах будет неоправданна, так как впоследствии придется или покупать новую электротехнику или нести ее в ремонт раньше срока.

Более того, синусоидальным током лучше питать нагрузку, которая использует при своей работе различные электромагнитные процессы — т.е. синхронные и асинхронные двигатели, низкочастотные трансформаторы. К такой нагрузке относятся холодильники, различные насосы, стиральные машины и т.п.

Если питать такую нагрузку от квазисинусоидальным током, то нужно инвертор брать с почти 3-х кратным запасом по мощности. А нагрузку (двигатели, компрессоры, насосы и т.п.) тоже обязательно нужно выбирать с запасом по мощности процентов на 30. При питании от несинуса двигатели теряют мощность процентов на 20-30 и вся эта потеря преобразуется в тепло (т.е. они греются гораздо сильнее). Также наблюдается повышенное «гудение» двигателей.

Многие современные электронные устройства используют сложные схемы управления, которые требуют питания от источника с чистой синусоидальной формой напряжения. Примеры — компьютеры, лазерные принтеры, некоторые зарядные устройства для смартфонов, электроинструмент, современные стиральные машины и т.п. Даже несмотря на то, что большинство ноутбуков питается от собственной батареи, при заряде ее от сети лучше питать зарядное устройство от синусоидального источника — это будет надежнее и эффективнее.

Дополнительную информацию о влиянии формы напряжения инвертора на работу нагрузки и о различных формах напряжения инверторов вы можете почитать в разделе Библиотека нашего сайта. Обратите внимание на статьи Источники бесперебойного питания 220В и Как выбрать блок бесперебойного или резервного питания.

Другое важное отличие между синусоидальным и несинусоидальным инверторами — это их собственное потребление.

Практика показывает, что несинусоидальные инверторы малой мощности потребляют меньше энергии для собственных нужд. Это связано с намного более простой схемой управления силовыми ключами. У синусоидальных инверторов потребление на управление выше, т.к. нужно больше ступеней формирования синусоиды. Однако это отличие сглаживается при увеличении мощности, и при мощностях в несколько киловатт собственное потребление обоих типов инверторов примерно одинаково.

Но вот эффективность нагрузки при питании от квазисинусоиды (и тем более от меандра) намного ниже. Поэтому общий КПД «инвертор+нагрузка», скорее всего, будет гораздо выше при применении синусоидального инвертора.

Поэтому, вы получите меньше полезной энергии от вашего аккумулятора, если будете питать нагрузку через дешевый квазисинусоидальный инвертор. Это значит, что вы глубже будете разряжать аккумуляторы для обеспечения того же самого времени работы нагрузка. Глубокие разряды аккумулятора ведут к его преждевременному выходу из строя и замене — и никакой экономии от покупки более дешевого несинусоидального инвертора у вас в итоге не будет, — а будет лишняя трата денег на раннюю замену аккумулятора. Это явилось одной из причин, по которой мы практически полностью исключили квазисинусоидальные инверторы из нашего ассортимента — мы заботимся о наших клиентах и хотим, чтобы они не были разочарованы в оборудовании, которое у нас купили.

Тип корпуса

Инверторы могут иметь следующие типы корпусов:

Мощность и количество фаз

Существуют однофазные и трехфазные инверторы. Для подавляющего большинства потребителей в доме достаточно однофазного инвертора.

Диапазон мощностей для несинусоидальных инверторов обычно составляет от 150 Вт до примерно 5 кВт. Диапазон мощностей для синусоидальных инверторов — обычно от 300 Вт до 20 кВт (есть инверторы мощностью и до 36 кВт, но это, скорее, исключение из правил). При мощностях более 10 кВт требуется повышенное (48В и более) напряжение на аккумуляторах, иначе ток от аккумуляторов становится очень большим и требуются очень толстые провода для исключения потерь в них. Например, при мощности 10 кВт ток потребления от аккумулятора 48В составляет более 200А! См. наши советы по выбору сечения кабеля для соединения инвертора с аккумуляторами.

По мощности инверторы разделяются на:

Основные параметры инверторов

При выборе инверторов необходимо обращать внимание не только на их цену в расчете на единицу мощности, но и на несколько других параметров. В автономных и солнечных энергосистемах очень важны надежность инвертор, КПД инвертора, уровень электромагнитных помех, уровень помех, которые он отдает в сеть и в нагрузку, реактивная мощность инвертора, уровень собственного потребления (без нагрузки и с нагрузкой). Ниже рассмотрим некоторые из этих параметров.

Номинальная и пиковая мощность инвертора

Номинальная выходная мощность инвертора — это непрерывная выходная мощность. Это мощность, которая может выдаваться непрерывно и стабильно в течение длительного времени. Пиковая мощность, также известная как максимальная мощность, относится к максимальному значению мощности, которое инвертор может выдать за очень короткое время (обычно в значение пиковой мощности дается для интервалов от 20 мс до 5 с). Пиковая мощность обычно в 2–3 раза превышает номинальную мощность.

Пиковая мощность определяет мощность, которую может выдать инвертор для запуска нагрузки. Некоторые потребители имеют очень высокие требования по мощности при старте. Например, небольшой холодильник может потреблять около 300 Вт. Однако для запуска его компрессора потребуется в 4 или даже 7 раз большая мощность! И эту мощность в течение нескольких секунд должен обеспечить ваш инвертор — иначе компрессор не запустится, а инвертор выключится по перегрузке и отключит все ваши потребители от питания.

При выборе мощности инвертора важно не запутаться в этих ваттах — номинальных, пиковых, стартовых и т.п. Например, есть инвертор мощностью 1 кВт и перегрузочной способностью в 2 кВт. Если ваш кондиционер имеет мощность в 800 Вт и пусковые токи в 5 раз больше номинальных, но данный инвертор не сможет его запустить. 

Здесь многие люди делают ошибку при выборе инвертора, так как не могут понять, что некоторые потребители требуют намного большую мощность, чем написано в их технических характеристиках. От сети эту пусковую мощность можно получить легко, а вот от инвертора — нет.

Еще один пример — насосы для подъема воды. Их очень тяжело запустить под нагрузкой, т.к. им нужно поднять воду с большой глубины. Обычно пусковая мощность погружного насоса в 5-7 раз  больше, чем его номинальная. Исключение составляют насосы с системой плавного запуска, но стоимость такой системы может быть сравнима со стоимостью инвертора.

Поэтому, для питания небольшого холодильника или насоса мощностью в 600 Вт вам потребуется инвертор, который может выдавать кратковременно до 3000-4000 Вт. Учитывая, что обычно пиковая мощность инвертора составляет 2-кратную от номинальной, то нужно выбирать инвертор с номинальной мощностью 1,5-2 кВт. 

С другой стороны, если вы покупаете чрезмерно мощный инвертор (например, 5 кВт) для питания нагрузки 600 Вт — у вас есть риск того, что энергия от вашей АКБ будет расходоваться быстро и неэффективно. Это происходит потому, что КПД инвертора — это обычно доля от его номинальной мощности. Более того, максимальный КПД, указанный в спецификациях на инвертор, обычно достигается при его загруженности в 60-85%. При мощностях потребления меньше или больше этого оптимума, КПД ниже. См. график типичного КПД инвертора.

Эти 2 фактора означают, что вместо заявленного КПД питания нагрузки от инвертора в 80-90%, вы получите максимум 30-40%. При этом может оказаться, что инвертор потребляет на собственные нужны столько же энергии, сколько и ваша нагрузка. Например, для того же случая питания нагрузки 600Вт от 5 кВт инвертора. Собственное потребление хорошего инвертора такой мощности составляет около 50-80Вт (это уже 10% от мощности нагрузки). Пиковый КПД обычно заявляется на уровне 80-85%, но реально при питании нагрузки в почти 1/10 от номинальной мощности, КПД будет около 60-65%. Т.е. в инверторе вы потеряете еще около 600*0,4=240Вт.

Поэтому очень важно выбирать мощность инвертора соответствующей мощности вашей нагрузки!

Кривая эффективности инвертора

КПД преобразования инвертора зависит от типа инвертора (низкочастотный или высокочастотный), его схемотехники, качества применяемых электронных компонентов, качества выполнения трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности и т.п. В общем случае кривая эффективности зависит от входного напряжения инвертора и от его загруженности. Чем ниже входное напряжение, тем ниже КПД, особенно заметно снижение КПД при напряжении 24 В и ниже. Максимальный КПД имеют инверторы, у которых напряжение на входе от аккумуляторов близко к напряжению на выходе переменного тока.

В спецификациях инверторов обычно указывается его максимальный КПД. Такой КПД бывает при определенной загруженности инвертора. Типичный график зависимости КПД от загруженности приведен на рисунке ниже.

Также см графики эффективности сетевых инверторов (на примере немецких инверторов SMA) в зависимости от входного напряжения. Чем выше входное напряжение, тем больше КПД инвертора.

Поэтому получается, что общие потери в инверторах с питающим напряжением 12 В будут больше, чем в инверторах с напряжением 48В. Это не считая того, что для подключения низковольтных инверторов нужно сечение кратно больше, чем для высоковольтных. А кабель сейчас тоже стоит недешево. Также, защитное устройство (предохранитель или автоматический выключатель), который устанавливается между аккумулятором и инвертором, также должен быть рассчитан на кратно больший ток (при той же мощности), и поэтому это устройство также будет намного дороже для низковольтного инвертора.

Вот две причины, по которым вам следует взглянуть на эти кривые перед покупкой инвертора для резервной или солнечной энергосистемы.

Причина № 1: проверить, что ваши солнечные панели не работают в худшем диапазоне кривой напряжения.

Как вы можете видеть из графика ниже, если ваш инвертор регулярно работает на мощности ниже 20% от номинальной, ваша эффективность снижается! Почему так? Представьте себе, что это кривая для инвертора мощностью 4,5 кВт. Это означает, что 100% мощность равна 4,5 кВт. Теперь представьте, что у вас есть панели мощностью всего 1,5 кВт. (Многие клиенты почему-то недогружают свои инверторы). Когда ваша система работает с такой мощностью, вы будете работать только на 33% от максимальной мощности инвертора. В правильно спроектированной системе мощность не должна сильно падать, чтобы вы могли двигаться влево по кривой эффективности и не доходить до того порога, когда эффективность резко падает. Это может легко произойти в облачные или пасмурные дни и т. д.

Так что это одна из веских причин опасаться продавцов солнечного оборудования, которые пытаются всучить вам инвертор большого размера, который намного больше, чем вам нужен для того количества панелей, которые вы покупаете!

Из приведенной выше кривой вы также можете видеть, что от 30% до 70% от номинальной мощности кривая КПД довольно пологая и эффективность составляет около 95%.

Итак, первое, что нужно проверить на кривой эффективности, это то, что вы будете работать в достаточно плоской точке кривой. Ожидайте, что кривая будет плоской примерно до 20% от номинальной мощности вашей солнечной панели.

Причина №2: Нужно убедиться, что инвертор с максимальным КПД по спецификации действительно является самым эффективным в реальных условиях вашей эксплуатации. Нужно проверить, что инвертор с более высоким «максимальным КПД» действительно будет работать лучше, чем другой с немного более низким КПД. Возьмите две кривые эффективности инвертора ниже. Инвертор A имеет более высокий максимальный КПД, но инвертор B на самом деле будет работать лучше, поскольку он имеет более высокий КПД в более широком диапазоне выходной мощности:

Зависимость мощности инвертора от температуры

Мощность и КПД инвертора также обычно зависят температуры окружающей среды. Подавляющее большинство инверторов снижают мощности при повышении температуры. Номинальная мощность обычно указывается для 20°С, иногда в спецификациях указывается также мощность при 45°С.  Типичная зависимость мощности от температуры приведена на графике ниже. Нужно смотреть характеристики конкретного инвертора для точной информации о снижении мощности от температуры инвертора.

Уровень электромагнитных помех инвертора

Инвертор, как любое электронное устройство, является источником электромагнитных помех. Эти помехи могут искажать работу чувствительной радио- аудио- и видеоаппаратуры. Поэтому для подавления электромагнитных шумов в инверторах применяются фильтры, которые уменьшают помехи, как по питающим проводам, так и по воздуху. Почти все дешевые инверторы дают существенные помехи, в то время как дорогие инверторы известных производителей такой проблемы не имеют. Например, известно, что для питания hi-end акустической аппаратуры нужно применять инверторы европейских производителей (хорошо зарекомендовали себя инверторы Studer innotec).

Кроме искажений и гармоник питающего напряжения также, нужно обращать внимание на реактивную мощность инвертора. Так, известно, что некоторые модели инверторов Voltronic  и Must Power снижают Cos φ c 1 до 0,2-0,5. Это может приводить к шумам и гулу подключенного до или после них оборудования (например, стабилизаторов).

Как определить требуемую мощность инвертора?

Требуемая непрерывная мощность — это мощность, необходимая устройству для непрерывной работы. Стартовая нагрузка, также известная как пиковая нагрузка, представляет собой начальную мощность для запуска устройства. Для запуска различных двигателей (насосы, холодильники, кондиционеры) обычно требуется в 3-5 раз больше мощность, чем номинальная долговременная мощность потребления. У инверторов также есть номинальная и пиковая мощности. Обычно пиковая мощность дается для короткого периода времени и превышает номинальную в 2, иногда 3 раза. При этом, как правило, инверторы с низкочастотным трансформатором лучше выдерживают пиковые нагрузки, чем высокочастотные.  Например, многие популярные модели высокочастотных инверторов держат перегрузку в полтора раза в течение 2-5 секунд, и выключаются сразу при двойной перегрузке.

Чтобы определить требуемую мощность инвертора нужно сложить мощности потребителей, которые могут быть одновременно включены и заложить запас по мощности на 20-30%.  Время работы нагрузки от аккумуляторов определяется не мощностью инвертора, а емкостью аккумулятора. Как рассчитывать емкость аккумулятора, описано в нашей статье, там же есть онлайн-калькулятор емкости аккумулятора.

Где и как используются инверторы?

Системы с возобновляемыми источниками энергии

В обычной системе электроснабжения на основе ВИЭ (солнечной или ветровой) энергия преобразуется в 12, 24 или 48В и заряжает аккумуляторные батареи. Поэтому необходим инвертор для преобразования напряжения от АБ в напряжение 220В переменного тока. Инверторы отличаются по уровню входного напряжения (12, 24, 48В или др.), которое равно номинальному напряжению АБ.

Если вы находитесь в поездке, весьма кстати будет автомобильный инвертор. Его можно подключить к 12В АБ в автомобиле и получить 220В переменного тока для питания различной бытовой нагрузки.

Небольшая солнечная панель также может быть смонтирована на вашем автомобиле или караване и использоваться для подзаряда аккумулятора на стоянке. Аналогично, солнечная панель и/или маленькая ветроустановка может быть установлена и на катере или яхте. Имеет смысл в дополнение к такой системе поставить инвертор, чтобы не ограничиваться только потребителями постоянного тока 12В.

Резервное электроснабжение с инвертором

Даже несмотря на то, что вы можете предпочитать дизельный или бензиновый генератор в качестве резервного источника энергии, всегда имеет смысл иметь инвертор с аккумулятором для обеспечения резервного электропитания, если перерывы в подаче энергии от сети кратковременны. Более того, может оказаться, что топливо закончилось, а с аккумулятором и инвертором вы можете не заметить отсутствия электричества первые несколько часов или даже дней. Даже если с генератором и топливом все в порядке, при длительных авариях в сетях нужно иметь возможность дать генератору отдых (обычно генераторы с воздушным охлаждением не работают более нескольких часов подряд). Также, если мощность потребителей намного меньше мощности генератора, последний будет работать крайне неэффективно. Небольшую нагрузку лучше питать от инвертора.

В то же время, если вы будете питать мощную нагрузку от инвертора, то ваш аккумулятор быстро разрядится.  Поэтому мощную нагрузку лучше все-таки питать от генератора. См. ниже советы по правильному выбору инвертора для ваших потребителей электроэнергии.

В инверторах обычно используется надежная электроника, позволяющая обеспечить работу устройства в течение многих лет. Обычно современные инверторы оснащаются следующими видами защиты:

• предупреждение о глубоком разряде аккумуляторной батареи
• отключение при глубоком разряде
• Отключение при превышении напряжения на АБ
• Отключение при перегрузке
• Отключение при перегреве
• Защита от короткого замыкания в нагрузке
• другие защиты

Разновидности инверторов для систем электроснабжения

Переключаемые и последовательные ББП

По принципу работы блоки бесперебойного питания можно разделить на переключаемые (in-line) и последовательные (on-line). Более подробно см. в статье «3 основных типа ИБП«

Батарейные инверторы

Аккумуляторные, или батарейные, инверторы, преобразуют напряжение DC от аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока 220В AC.  Если в инвертор встроено зарядное устройство для подзаряда аккумуляторов при питании от сети, а также блок слежения за наличием и качеством напряжением в сети, то такое устройство называется блоком бесперебойного питания (ББП). При наличии сети напряжение транслируется напрямую на нагрузку, потерь энергии при этом практически нет. При пропадании напряжения в сети, или выходе его значения за установленные пределы, ББП автоматически переключается на питание от аккумуляторов через инвертор.

Еще одна разновидность батарейных инверторов — это online ББП. В таких ББП сначала стоит преобразователь переменного тока в постоянный и зарядное устройство для аккумуляторов, а после них — инвертор. В такой схеме  происходит постоянное двойное преобразование сначала из переменного в постоянный ток, а затем из постоянного в переменный. Более подробно про inline и online ББП вы можете почитать в статье 3 основных типа ИБП — как выбрать правильный?

Для использования в автономных и резервных системах электроснабжения мы предлагаем различные инверторы, как российские, так и импортные.

Наиболее высокое качество имеет продукция фирм Studer Innotec, Schneider Electric, SMA, Outback Power, Victron Energy, TBS Electronics. У этих инверторов чистая синусоида на выходе, высочайшая надежность, большой срок службы и гибкие настройки режимов работы.

Российские инверторы представлены продукцией московского производителя Микроарт и новосибирских предприятий «СибКонтакт» и А-Электроника. Цена у российских инверторов намного ниже, чем у импортного высококачественного оборудования, однако они уступают в надежности западным производителям.

Хорошим уровнем надежности обладают некоторые азиатские инверторы. Мы предлагаем высокоэффективные инверторы и блоки бесперебойного питания Deye, Must Power, Voltronic Power, Rich Electric. 

Гибридные инверторы

Гибридные инверторы могу питать нагрузку одновременно и от источника переменного тока (сеть или генератор), и от аккумуляторных батарей. Именно такие инверторы считаются гибридными. Некоторые производители называют «гибридными» инверторы, в которых встроены контроллеры для солнечных батарей или ветрогенераторов — такие инверторы мы, для избежания путаницы, не называем гибридными, а называем «инверторами со встроенным контроллером заряда» для СБ или ВГ.

Гибридные инверторы позволяют максимизировать использование энергии солнечных батарей не отключаясь от сетей централизованного электроснабжения. Такие инверторы уменьшают потребление от сети, если солнечная батарея или ветрогенератор вырабатывают достаточно энергии для питания нагрузки. При этом отключения от сети не происходит, что обеспечивает гладкую работу системы без скачков напряжений.

Ассортимент гибридных инверторов в нашем Интернет-магазине.

Сетевые инверторы

Инверторы могут преобразовывать напряжение постоянного тока от возобновляемого источника энергии и направлять ток сразу в сети централизованного электроснабжения. Такие инверторы называются «сетевыми«.

Сетевые инверторы обычно ставятся между солнечными батареями и сетью переменного тока. Сетевые инверторы синхронизируют свое выходное напряжение с напряжением в сети. Выдаваемое ими напряжение на доли вольта выше, чем напряжение в сети, поэтому энергия перетекает от солнечных батарей через сетевой инвертор в сеть, и далее потребляется ближайшим к точке подключения сетевого инвертора потребителем. Поэтому в первую очередь используется энергия от солнечных батарей, а недостающая часть потребляется от централизованной сети.

По соображениям безопасности при отключении сети такие инверторы также перестают генерировать энергию. Эта функция называется anti-islanding. Поэтому никакой опасности для работающих на линии электропередач электриков сетевые инверторы не представляют. 

Более подробно про принцип работы сетевого инвертора читайте в нашей статье «Сетевой инвертор — это просто!«. Дополнительная информация про различные виды сетевых инверторов и правила их выбора в разделе Сетевые инверторы.

Ассортимент сетевых инверторов вы можете посмотреть в нашем Интернет-магазине.

Работа сетевых инверторов при авариях в сети

Как же обеспечить работу резервной системы электроснабжения при наличии солнечных батарей и авариях в централизованной сети? Ведь при отсутствии опорного напряжения сетевые инверторы не работают. Выход есть — подключить сетевой инвертор к выходу гибридного инвертора, который в этом случае будет обеспечивать опорное напряжение для сетевого инвертора.

Перед таким подключением нужно обязательно проверить, можно ли подключать к выходу батарейного инвертора сетевой. Такой функцией обладают только гибридные инверторы и даже из гибридных — далеко не все. У нас в Интернет-магазине есть фильтр по такой возможности. Но даже в этом случае нужно смотреть, как батарейный инвертор управляет генерацией сетевого инвертора.

В лучшем случае гибридный батарейный инвертор должен уметь изменять частоту на своем выходе. Современные сетевые инверторы при повышении частоты начинают снижать свою генерацию от солнечных батарей. Это сделано для того, чтобы защитить электрические машинные генераторы электросетей — при снижении нагрузки их частота немного повышается.  Эту особенность можно использовать для управления сетевыми инверторами — при повышении батарейным инвертором частоты на выходе на 0,5-2Гц можно снизить генерацию сетевым инвертором и даже полностью ее отключить. Нагрузка такое изменение частоты обычно даже не замечает. 

Некоторые гибридные инверторы не изменяют частоту выходного напряжения и могут управлять сетевыми только по сигнальному кабелю. В этом случае батарейный и сетевой инверторы должны быть одного производителя и управляться по внутреннему коммуникационному протоколу.

См. также разделы «Вопросы и ответы — Инверторы«, «Основы-Силовая электроника«. Вся информация нашего сайта об инверторах и блоках бесперебойного питания приведена на странице «Путеводитель по теме «Инверторы«

Дополнительные ссылки

1. Power Inverters: What Are They & How Do They Work?
2. Power Inverter Basics

3. High Vs Low Frequency Inverters/UPS Comparison

Эта статья прочитана 15913 раз(а)!

Продолжить чтение