Что такое инвертор: разновидности и прицип работы

Дополнительная защита

Современный инвертор должен обладать защитой от короткого замыкания. В нем устанавливается предохранитель от случайного воздействия на предмет посторонних вмешательств, особенно если это касается детей.

Защита от перегрузки должна срабатывать своевременно, чтобы не произошло перегревания проводки и последующего возгорания. Блок защиты осуществляет предохранение преобразователя от короткого замыкания и большого значения входного напряжения. Для этого существуют индикаторы, которые показывают состояние электрической сети.

Дополнительные датчики и установленные вольтметры помогут выявить соответствующую неисправность. Расположенные на радиаторе охлаждения указатели температуры системы позволят осуществить управление вентилятором, когда показания превысят допустимое значение.

Короткие носки

Для чего нужны автомобильные инверторы

Классификация инверторов

Инверторы могут быть очень большими и массивными, особенно если они имеют встроенные батарейные блоки, поэтому они могут работать автономно. Они также генерируют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы. Самые маленькие инверторы — это более портативные коробки размером с автомобильное радио, которое вы можете подключить к гнезду прикуривателя, чтобы произвести AC для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Так же, как приборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности, которую они производят. Как правило, чтобы быть в безопасности, вам понадобится инвертор, рассчитанный на четверть выше максимальной мощности устройства, которое вы хотите использовать. Это позволяет предположить, что некоторые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют максимальную мощность при первом включении

Хотя инверторы могут обеспечивать максимальную мощность в течение коротких периодов времени, важно отметить, что они не предназначены для работы на пиковой мощности в течение длительного времени

По принципу действия инверторы делятся на:

• Автономные.
• Инверторы напряжения (АИН).
• Инверторы тока (АИТ).
• Резонансные инверторы (АИР).
• Зависимые (инверторы, ведомые сетью).

Здоровенные приборы в наших домах, которые используют большое количество энергии (такие вещи, как электрические нагреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники), не очень заботятся о том, какую форму волны они получают: все, что они хотят, это энергия и как можно больше. Электронные устройства, с другой стороны, намного более суетливы и предпочитают более плавный вход, который они получают от синуидальной волны.

• Многие инверторы работают как автономные устройства с аккумулятором, которые полностью независимы от сети.
• Другие, так называемые утилитарно-интерактивные инверторы или инверторы с привязкой к сетке, специально разработаны для подключения к сети все время. Как правило, они используются для передачи электроэнергии от чего-то вроде солнечной панели обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.

Это прекрасно, если ваша главная цель — создать собственную силу. Но это не так полезно, если вы хотите иногда быть независимыми от сети, или вам нужен резервный источник питания в случае сбоя, потому что если ваше соединение с сетью опускается, и вы не производите электричество самостоятельно (например, это ночное время, и ваши солнечные панели неактивны), инвертор тоже опускается, и вы полностью без энергии, независимо от того, генерируете ли вы свою силу или нет.

По этой причине некоторые люди используют бимодальные или двунаправленные устройства, которые могут работать как в автономном, так и в сетчатом режиме (хотя и не одновременно). Поскольку у них есть дополнительные части, они, как правило, более громоздки и дороже.

Крупные коммутационные устройства для применений передачи энергии, установленные до 1970 года, преимущественно использовали ртутно-дуговые клапаны. Современные инверторы обычно являются твердотельными (статические инверторы). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в конфигурации моста H. Этот дизайн также довольно популярен среди небольших потребительских устройств.

Используя трехмерную печать и новые полупроводники, исследователи из Национальной лаборатории Oak Ridge Департамента энергетики создали инвертор мощности, который мог бы сделать электромобили более легкими, более мощными и более эффективными.

Принцип работы инверторных устройств

Современные технологические схемы, связанные с преобразованиями электроэнергии, предполагают использование инверторов в качестве промежуточного звена совместно с другими устройствами. Их основной функцией является преобразование напряжения с высокой частотой трансформации, составляющей несколько десятков или даже сотен килогерц.

Подобная задача с технической точки зрения в настоящее время решается достаточно легко, поскольку принцип работы инверторов основан на полупроводниковых ключах, устойчивых к высоким токам. Специально для этих устройств были разработаны магнитопроводы с нужными параметрами и различные типы электронных микроконтроллеров.

Технические характеристики и физические свойства инверторов примерно такие же, как и у других компонентов, в том числе и силовых устройств. Они отличаются надежностью, высоким коэффициентом полезного действия, минимальной массой и габаритными размерами. Каждый такой прибор должен выдерживать все параметры входного напряжения. Импульсные помехи на выходе находятся в разумных пределах и не создают проблем потребителям.

Изготовление своими руками

Получение самодельного сварочного инвертора вполне доступно для любого сколько-нибудь разбирающегося в физике и технике человека. Необходимо только умение понимать электрическую принципиальную схему, а готовые детали продаются совершенно свободно. В подавляющем большинстве случаев аппарат рассчитывают на 220 В. Но без особых проблем можно сделать и устройство, варящее стабильно на напряжении 380 В.

Важнейшую роль играет трансформатор. Он обеспечивает подачу систематического напряжения. Предусматривается обычно 4 обмотки:

• на 100 витков ПЭВ 0,3 мм;
• на 15 оборотов ПЭВ 1 мм;
• 15 витков ПЭВ 0,2 мм;
• 20 линий намотки такого же провода сечением 0,3 мм.

Дополнительно помещают конструкцию в экранирующий провод. Все витки полностью изолируются им. Направление двух уровней изоляции должно быть строго одинаково! Чтобы стабилизировать напряжение на уровне 20—25 В, можно применить обычный электронный резистор.

Преобразование переменного тока в постоянный достигается при помощи диода «косой мост». Желательно предусмотреть радиатор, потому что иначе происходит перегрев конструкции. Диодный мост ориентируют точно так же, как и вывод транзистора. Соединительный провод может быть не длиннее 15 см. Лист из металла располагают точно посередине – между блоком питания и инверторным блоком.

Силовой блок трансформатора выполняется на основе сердечников. Зазор создается при помощи газетной бумаги. Термическую изоляцию обеспечивает, что любопытно, лента из кассового аппарата. Вторичная обмотка может быть сформирована из 3 медных полос. Для взаимной изоляции их применяют фторопластовую ленту.

Важно учесть, что:

• обмотка толстой медью является типичной технической ошибкой;
• правильнее применять для обмотки проводник с широкой поверхностью;
• если нет кассовой ленты, можно применять и простую бумагу — вся разница только в характерном потемнении;
• желательно применять высокочастотный силовой транзистор с открытием-закрытием канала;
• если критически важен электрический шум, то можно вместо 1 мощного транзистора использовать 2 умеренных по силе;
• рекомендуется дополнять радиатор еще и вентилятором.

О том, как сделать мощный сварочный инвертор своими руками, смотрите в следующем видео.

Популярные модели

Современный рынок предлагает большой выбор гибридных инверторов.

Выделим несколько популярных моделей:

1. Прогресс 48-6000-Hybrid — надежный инвертор для альтернативных источников питания. Работает автономно с возможностью подключения параллельно бытовой сети. Имеет мощное зарядное устройство до 80 А. Производитель — А-электроника. Рабочее напряжение АКБ от 38 до 67 В. Выходное U 200 — 240V. КПД 92%. Предусмотрена защита выхода от перегрузки и выгода от КЗ. Имеется предохранитель в цепи АКБ. Имеется гальваническая развязка. Вес — 4,6 кг. Мощность (долговременная / пусковая) — 5 кВт.
2. Прогресс 24-6000-Hybrid — еще ода модель нового поколения, умеющая работать параллельно с сетью и в автономном режиме. Комплектуется зарядным устройством до 100 А. Мощность устройства (долговременная и пусковая) — 4 и 6 кВт соответственно. Напряжение на входе и выходе — 100-270 В и 19-33 В. Потребляемый ток в режиме сна — 20 мА. Устройство работает с КПД в 92%. Габариты составляют 11,5х14,5х42,5 см, а вес — 4,6 кг. Предусмотрена защита выхода от КЗ и перегрузка. Стоит предохранитель в цепи АКБ на 160 А. Имеется гальваническая развязка.
3. Прогресс 12-5000-Hybrid — качественный инвертор гибридного типа с возможностью автономной работы, в том числе параллельно с сетью. Имеет мощность 3 и 6 кВт для долговременной и пусковой характеристики. Подключается к напряжению от 100 до 270 В переменного тока. Рабочее U от 9,5 до 16 В. Потребляемый ток 20 мА. Устройство работает с КПД 92%. Способно выдерживать температурный режим от -40 до +40 градусов Цельсия. Есть защита выхода от перегруза и КЗ, а также от перезаряда аккумулятора. Размеры — 11,5х14,5х42,6 см, вес — 4,2 кг.
4. ИС2-24-300 — продукт компании СибКонтакт. Не относиться к гибридным, но про него стоит упомянуть. Изделие рассчитано на входное напряжение от 21 до 30 В с выдачей на выходе 220 В (50 Гц). Рабочая мощность — 300 Вт, а максимальная — 60 Вт. Рабочая температура от -40 до +40 градусов Цельсия. КПД — 92%. К устройству можно подключить любое оборудование, рассчитанное на питание от бытовой сети. Имеется защита от повышения напряжения, КЗ, перегрузки и перегрева. Имеется режим энергосбережения и от полной зарядки.
5. SILA PV 4000P — солнечный гибридный инвертор, мощностью 4000 Вт, сочетающий в себе опции контроллера заряда АКБ, инвертора и ЗУ для аккумулятора на 220 В. Работает в диапазоне напряжений от 180 до 270 В. Номинальное U — 48 В. Температурный режим — от 0 до +55 градусов Цельсия. Размеры — 46,8х29,75х12,5 см.

При желании можно выбрать и другие модели — Solax X3-Hybrid-6.0-D-E, Solax X1-1.1, Solax X3 20KW, Solax X1-Hybrid-3.7-D-E, ИС2-12-300, Сибвольт 4024 и другие. Главное — внимательно подойти к изучению характеристик.

Принцип работы инвертора

С технической точки зрения каждый инвертор по своей сути является преобразователем. Эти устройства относятся к комплексным источникам бесперебойного питания, обеспечивающим преобразование постоянного напряжения в переменное. Получаемые на выходе 220 вольт, обеспечивают нормальную работу приборов и бытовой техники, имеющихся в доме.

В качестве источников питания для инверторов используются наборы промышленных аккумуляторов повышенной емкости, в количестве нескольких единиц. К ним же подключено и все домашнее электрооборудование. При отключения напряжения в центральной сети, вся бытовая техника тут же переходит на электроснабжение от аккумуляторных батарей. При возобновлении основного питания, инвертор автоматически переходит в режим зарядки аккумуляторов, а домашнее оборудование начинает работать от центральной сети. Таким образом, обеспечивается бесперебойное электроснабжение частного дома.
Подключение инвертора осуществляется на входе домашней электрической сети, поэтому через него проходит вся основная нагрузка. При падении или скачков напряжения, а также при полном его отсутствии, вся нагрузка сразу же переключается на инвертор. Существенным преимуществом современных преобразователей является возможность смены настроек или конфигурации. В результате, можно значительно повысить эффективность всей системы автономного электроснабжения. По одной фазе инверторы обладают широким диапазоном мощности – от 2 до 30 кВт, что позволяет использовать их не только в частных домах, но и в офисах, торговых точках, предприятиях сервиса и других областях.

Следует отдельно рассмотреть процессы накопления и хранения электроэнергии в инверторной системе. Нормальный рабочий цикл обеспечивается благодаря использованию специальных аккумуляторов повышенной мощности, обладающих емкостью от 200 ВА и выше. В отличие от обычных батарей, эти устройства изготавливаются по самым современным технологиям. Например, в аккумуляторах, изготовленных по технологии GEL, используется гелевый электролит, а не жидкостный. Сухим электролитом заполнены батареи, сделанные по технологии AGM. В последнем случае применяется специальная ткань, пропитанная электролитом и прочно запрессованная в пластины аккумулятора.

В случае повреждения из батареи может выпасть только пыль, не опасная для окружающих, что делает резервное электроснабжение инверторного типа экологически чистым и безопасным. Они могут свободно устанавливаться в жилых помещениях любого назначения. Сами аккумуляторы являются расходным оборудованием инверторных систем. Их срок службы составляет в среднем от 8 до 12 лет, после чего требуется замена поскольку дальнейшая эксплуатация приведет к потере мощности.

Где используется и как включается

Применительно к солнечной энергетике автономный инвертор как устройство, которое выполняет в первую очередь функции выбора одного из возможных источников электроснабжения, устанавливается между выходом солнечной батареи и вводным щитком.

Место установки диктуется простыми соображениями: потребитель электричества не должен знать, от какого источника он получает электроэнергию в данный конкретный момент времени, а необходимое качество этой энергии, в т.ч. в момент переключения между источниками, определяется выбором соответствующих схемных решений и используемой элементной базы.

Из соображений обеспечения максимальной эксплуатационной гибкости внутридомовой проводки подключение внешнего ввода физически также может осуществляться на домовой вводной щиток, что отдельно выделено на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема взаимодействия внешней сети, автономного инвертора, вводного щитка и потребителей в штатном режиме работы

При этом данный ввод снабжается всеми необходимыми аксессуарами и автоматами для защиты от короткого замыкания, чрезмерно больших токов утечки и аналогичных им.

Сильная сторона такого подхода заключается в том, что позволяет в случае необходимости, без проблем простой перекоммутацией буквально нескольких выводов перейти на типовую схему электроснабжения, в которой отсутствуют альтернативные источники.

Отличия обычного электрического конвектора от инверторного

Обычным электрическим конвектором (в народе их называют просто «обогреватели») наверняка хоть раз пользовался каждый. Принцип его работы такой: при достижении заданной температуры воздуха термостат выключает нагревательный элемент, а когда становится холоднее — снова включает

Причем неважно, механическое управление или электронное, просто в первом случае у вас будет олдскульная «крутилка», а во втором — красивый дисплей с указанием температуры и кнопки. Вот только такой режим работы нельзя назвать энергоэффективным: по сути, обычный конвектор функционирует по принципу включения/выключения

Инверторные конвекторы работают иначе. Как только устройство нагревает помещение до заданной температуры, его «мозги» дают команду уменьшить мощность обогрева. Конвектор не отключает обогрев, вместо этого он начинает снижать интенсивность работы нагревательного элемента. Последний продолжает работать только на поддержание желаемой температуры, поэтому инверторный конвектор потребляет меньше энергии.

Разница между электрическим и инвенторным конвектором

Эффект усиливается за счет высокой чувствительности термостата, позволяющей стабильно держать заданную температуру с точностью 0,1 градуса Цельсия.

Гибридный тип инвертора

Особенность гибридного инвертора состоит в конструктивных особенностях. Внутри установлена схема, позволяющая преобразовывать постоянное напряжение и параллельно работать с источником электричества.

На устройство параллельно подходит напряжение от бытовой сети и солнечной батареи. Приоритет отдается «зеленому» тарифному плану (постоянному току).

Особенности гибридных типов инвертора:

1. Подача напряжения. Устройство представляет собой емкий АКБ со 100-процентной эффективностью. Лишнее электричество никуда не девается, а продается в общую сеть по «зеленой» тарификации.
2. Бесперебойность. В случае потери питания от любого из источников происходит перенастройка системы в автономный режим. При этом потребители надежно защищены от изменений напряжения.
3. Увеличение ограничения сетевой мощности при повышенной нагрузке. Этого удается достичь, благодаря своевременному подключению аккумуляторно-инверторного оборудования.

В случае снижения потребления устройство переводится на подзаряд, чтобы через время снова отдавать напряжение.

Принцип добавления мощности, следующий:

1. Если мощность потребления ниже максимального лимита, параллельно с питанием электроприемников дома заряжается и АКБ.
2. При потере питания напряжение берется с аккумуляторной батареи, благодаря преобразованию гибридного инвертора.
3. Если нагрузка выше максимально доступной мощности, дефицит компенсируется электричеством от солнечной батареи.

Гибридные инверторы поддерживают такой принцип работы, что делает их одним из лучших решений для бесперебойного питания.

Виды по способу переключения тока

Отдельно выделенный на схеме рисунка 3 формирователь выходного напряжения 220 или 380 В, который обязательно присутствует в составе любого инвертора, реализуется только по импульсной схеме.

Выгодность такого решения определяется тем, что при нахождении ключевого полупроводникового элемента в полностью открытом и полностью закрытом состоянии за счет минимального напряжения или, соответственно, минимального тока достигается значительное снижение мощности бесполезных потерь энергии.

Все это позволяет нарастить общий КПД устройства до значений свыше 90%, рисунок 4.

Рисунок 4. Мгновенное и среднее КПД инвертора импульсного типа

Фактически основные потери происходят в момент перехода их одного состояния в другое, что определяет наличие дополнительных высоких требований к ключевым элементам устройства и их быстродействия.

Особенность импульсных схем состоит в том, что в отличие от аналоговых, выходное напряжение представляет собой не чистую, а т.н. аппроксимированную синусоиду.

Качество формирования этой синусоиды и степень ее близости к нормальной во многом определяется быстродействием и сопротивлением в открытом и закрытом состояниях ключевых полупроводниковых приборов.

В качестве таковых могут выступать:

• мощные транзисторы, в т.ч. IGBT-типа;
• тиристоры различной структуры.

Ключевые компоненты, построенные на мощных транзисторах, находят применение преимущественно в маломощных инверторах.

При переходе к средним и, тем более, высоким мощностям начинает сказываться такое недостаток транзистора, как несколько повышенная по сравнению с тиристорами величина падения напряжения в открытом состоянии, что сопровождается быстрым падением КПД.

В инверторах средней и высокой мощности полупроводниковые ключи реализуют на одно и двухоперационных тиристорах, которые за счет внутренней положительной обратной связи позволяют заметно уменьшить длительность переходного процесса от открытого до запертого состояния и наоборот.

По своим параметрам эти приборы могут считаться достаточно близкими аналогами, но двухоперационный вариант тиристора за счет передачи части управляющих функций непосредственно на полупроводниковую структуру позволяет получить более простые схемные решения с меньшим количеством компонентов и, соответственно, отличается большей надежностью.

Принцип работы генератора двухтактного типаВторой ключевой (после коммутатора) компонент инвертора – генератор переменного напряжения.

В схемотехнике автономных инверторов наибольшее распространение получило построение такого генератора по двухтактной (балансной) схеме.

Вне зависимости от разновидности используемого в ней ключевого элемента (транзистор тиристоры) для получения переменного выходного напряжения используют балансную схему, основные компоненты которой приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Упрощенная схема двухтактного (балансного) генератора однофазного переменного напряжения автономного инвертора

Схема функционирует следующим образом. Постоянное напряжение, создаваемое источником «И» (его функции в зависимости от режима работы могут выполнять солнечная батарея, выпрямитель бензогенератора или сетевого ввода, аккумулятор) прикладывается к ключевым элементам «К», которые включены параллельно, и средней точке первичной обмотки выходного трансформатора.

За перевод ключевых элементов «К» из одного состояние в другое отвечает схема управления «СУ», которая собрана таким образом, чтобы ключевые элементы «К» работали только в противофазе и создавали отмеченные на схеме токи I1 и I2, которые имеют противоположное направление.

Верхний элемент «К» отвечает за формирование положительной полуволны напряжения, а нижний – отрицательной.

Выходной трансформатор обеспечивает симметричное относительно нуля силовое переменное напряжение, а также позволяет получить требуемую по правилам электробезопасности гальваническую развязку отдельных блоков силовой сети.

Схема управления может реализовывать различные стратегии, в т.ч. использовать хорошо отработанную и удобную со схемотехнической точки зрения ШИМ-модуляцию.

Что такое гибридный инвертор, принцип действия

Начнем с теоретической части и разберемся с особенностями оборудования.

Гибридный инвертор — устройство, позволяющее параллельно использовать напряжение от источников постоянного (DC) и переменного (AC) тока. Приоритет отдается какому-то одному источнику, а второй находится «на подхвате» и подключается в случае потери напряжения.

Основная функция — преобразование постоянного тока в переменный с дальнейшим подключением к электрической сети дома для бесперебойного электроснабжения.

В качестве источника DC может выступать солнечная батарея, небольшая гидроэлектростанция, ветряная мельница и т. д.

Принцип действия гибридного оборудования зависит от времени суток:

1. День. В этот период энергия солнца попадает на фотоэлемент, преобразуется в электричество и подается к инвертору для преобразования. На выходе получается напряжение, максимально подходящее для бытовой сети. После этого устройство питает электрическую сеть дома, заряжает АКБ, а при чрезмерном заряде сбрасывает «лишнее» в общую сеть по «зеленому» тарифу.
2. Вечер, ночь. С учетом выбранного режима гибридный инвертор подает напряжение на дом от АКБ или от бытовой сети.

Благодаря переключению режимов, обеспечивается круглосуточная подача электричества в бытовую сеть без сбоев (даже при потере одного из источников питания).

В зависимости от применяемой модели гибридный инвертор может иметь следующие возможности:

• «подмешивание» энергии от АКБ;
• добавление мощностей оборудования и электросети;
• регулировка частоты тока на выходе;
• подключение сетевых фотоэлектрических инверторов;
• автоматическое переключение цепи питания потребителей и т. д.