Для чего нужен преобразователь напряжения (инвертор)

В современном мире мы настолько привыкли к комфорту, который нам обеспечивает электроэнергия, что даже кратковременное ее отключение способно парализовать нашу привычную жизнь. Внезапно мы понимаем, что без электричества не работает не только освещение и бытовая техника, но и системы отопления, водоснабжения, связи и безопасности.

Перебои с электроснабжением могут произойти по разным причинам - аварии на подстанции, ремонтные работы, стихийные бедствия или просто устаревшая инфраструктура. И если в городе последствия обычно ликвидируются достаточно быстро, то жители отдаленных районов или владельцы загородных домов могут оставаться без света часами или даже днями.

Как же обеспечить автономность и стабильность электропитания даже в таких форс-мажорных ситуациях? Решением может стать инвертор (преобразователь напряжения) - устройство, которое преобразует постоянный ток от аккумулятора или солнечных батарей в переменный ток напряжением 220В, пригодный для питания большинства бытовых электроприборов.

Что такое инвертор и принцип его работы

Инвертор (или преобразователь напряжения) - это электронное устройство, которое преобразует постоянный ток (DC) низкого напряжения 12В, 24В или 48В в переменный ток (AC) напряжением 220В и частотой 50Гц, как в стандартной бытовой электросети.

Основная функция инвертора - обеспечить работу электрооборудования, рассчитанного на сетевое напряжение 220В, в условиях автономного электроснабжения от аккумуляторов или солнечных батарей. Благодаря этому устройству вы можете использовать привычные бытовые приборы даже там, где нет доступа к централизованным электросетям.

Принцип работы инвертора базируется на преобразовании постоянного тока в переменный с помощью электронных ключей (транзисторов или тиристоров), которые быстро включают и выключают ток в первичной обмотке трансформатора. При этом на вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение, которое затем фильтруется и стабилизируется до необходимых параметров.

В зависимости от типа формируемого выходного напряжения, инверторы делятся на несколько видов.

Инверторы с чистой синусоидой. Они генерируют переменный ток, по форме максимально приближенный к идеальной синусоиде, как в бытовой сети. Такой ток подходит для питания любых типов нагрузок, в том числе чувствительной электроники, электродвигателей, компрессоров и т.д. Инверторы с чистой синусоидой имеют КПД до 90-95% и обеспечивают наилучшее качество электроэнергии.

Инверторы с модифицированной синусоидой. Они формируют переменный ток, который по форме напоминает ступеньки или трапеции. Такое напряжение пригодно для питания простых активных нагрузок - ламп накаливания, нагревательных элементов, некоторых зарядных устройств. Однако, при работе с реактивными нагрузками (двигатели, трансформаторы) инверторы с модифицированной синусоидой могут создавать дополнительный шум и нагрев оборудования. Их преимущества - простота конструкции и более доступная цена.

Кроме формирования выходного напряжения, современные инверторы выполняют ряд дополнительных функций:

Защита подключенного оборудования от перегрузок, короткого замыкания, перегрева
Регулировка выходной частоты (50/60Гц) и напряжения (220/230В)
Зарядка и защита аккумуляторных батарей от чрезмерного разряда
Автоматическое переключение на внешнюю сеть при ее появлении (в гибридных моделях)
Мониторинг параметров работы и выдача информационных сообщений

Конструктивно инвертор состоит из следующих частей:

Аккумуляторная батарея - источник постоянного тока, от которого питается инвертор. Это может быть одна или несколько соединенных последовательно или параллельно АКБ с номинальным напряжением 12В, 24В или 48В и емкостью от нескольких десятков до нескольких сотен ампер-часов.
Зарядное устройство - обеспечивает заряд аккумуляторов от внешнего источника (сети 220В, генератора, солнечных батарей). Может быть встроенным в инвертор или отдельным блоком. Мощность зарядного устройства определяет время заряда АКБ.
Блок силовой электроники - непосредственно осуществляет преобразование постоянного тока в переменный с помощью мостовой схемы ключей (транзисторов или тиристоров) и трансформатора. От надежности и качества этого узла зависят все основные параметры инвертора - выходная мощность, форма синусоиды, КПД.
Система управления и защиты - отвечает за контроль и регулировку параметров работы инвертора, защиту от нештатных режимов, индикацию состояния. Обычно реализуется на базе микроконтроллера с набором датчиков тока, напряжения, температуры.
Корпус и система охлаждения - обеспечивают защиту компонентов от воздействия окружающей среды и отвод избыточного тепла. Могут оснащаться радиаторами, вентиляторами или герметичным исполнением корпуса.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации, инверторы могут работать в разных режимах:

Длительный - работа на номинальной мощности в течение неограниченного времени. Этот режим определяет базовую мощность инвертора.
Кратковременный (пусковой) - работа на повышенной мощности (в 1,5-2 раза выше номинальной) в течение ограниченного времени (1-2 мин). Этот режим необходим для запуска электродвигателей и других приборов с высокими пусковыми токами.
Максимальный (пик) - предельная мощность, которую инвертор может выдать в течение нескольких миллисекунд. Этот режим защищает инвертор от кратковременных перегрузок и позволяет запускать тяжелые нагрузки.

Наличие нескольких режимов работы позволяет оптимально подбирать инвертор под конкретные потребности, не завышая номинальную мощность и, соответственно, стоимость устройства.

Виды инверторов

Инверторы различаются по принципу работы, назначению и техническим характеристикам. Рассмотрим основные виды этих устройств подробнее.

По принципу работы инверторы делятся на:

Автономные инверторы. Они работают исключительно от аккумуляторных батарей и не требуют подключения к внешней сети. Такие инверторы преобразуют постоянное напряжение АКБ 12В, 24В или 48В в переменное напряжение 220В. Автономные инверторы используются в системах резервного или мобильного электроснабжения - в загородных домах, автомобилях, яхтах и т.д.
Сетевые инверторы. Эти устройства работают параллельно с внешней сетью и служат для преобразования энергии от солнечных батарей или ветрогенераторов в переменный ток, синхронизированный с параметрами сети. Сетевые инверторы не имеют аккумуляторов и не могут работать автономно. Их задача - передавать выработанную "зеленую" энергию в общую сеть для собственного потребления или продажи по "зеленому тарифу".
Гибридные инверторы. Они сочетают в себе функции автономного и сетевого инвертора. Гибридные модели могут работать как от АКБ, так и параллельно с сетью, заряжая аккумуляторы в случае избытка солнечной энергии и переключаясь на них при отключении сети. Это наиболее универсальное и перспективное решение для автономных и резервных систем электроснабжения.

По назначению инверторы подразделяются на:

Инверторы для котлов отопления. Они обеспечивают бесперебойное питание газовых и электрических котлов при отключении центральной сети. Такие инверторы должны иметь чистую синусоиду напряжения и мощность от 300 Вт для газовых котлов до 3-6 кВт для электрических. Также важно наличие функции плавного пуска для защиты компрессора и насосов котла.
Инверторы для солнечных панелей. Эти устройства преобразуют постоянный ток от солнечных батарей мощностью от 100 Вт до нескольких киловатт в переменный ток для питания автономных потребителей или передачи в сеть. Инверторы для солнечных систем должны иметь высокий КПД (95-98%), широкий диапазон входных напряжений (12-48В) и защиту от перегрева и перегрузок.
Автономные инверторы для дома. Они служат для резервного электроснабжения отдельных приборов или всего дома при отключении центральной сети. Мощность таких инверторов варьируется от 300 Вт до 10-15 кВт в зависимости от количества и типа подключаемой нагрузки. Для питания всего дома необходимы инверторы с чистой синусоидой и автоматикой переключения на внешнюю сеть.
Сварочные инверторы. Это специализированные устройства, которые преобразуют переменный ток сети в постоянный ток высокой частоты (до 100 кГц) и напряжения (20-300В) для питания сварочной дуги. Сварочные инверторы компактнее и экономичнее традиционных трансформаторных аппаратов. Они позволяют регулировать силу тока в диапазоне 5-500А и работать с различными видами электродов.
Автомобильные инверторы. Компактные устройства мощностью 100-1000 Вт, которые подключаются к бортовой сети автомобиля (12/24В) через прикуриватель или напрямую к клеммам АКБ и обеспечивают питание ноутбука, телевизора, холодильника и других приборов напряжением 220В. Удобны для путешествий, командировок, дальних перевозок.

Как выбрать инвертор

При выборе инвертора необходимо учитывать ряд ключевых параметров, от которых зависят его функциональность, надежность и совместимость с вашими потребителями. Рассмотрим основные критерии подробнее.

Тип инвертора

В зависимости от ваших потребностей и условий использования, следует выбрать автономный, сетевой или гибридный инвертор. Для резервного питания дома или дачи лучше подойдет автономный инвертор, для продажи солнечной энергии в сеть - сетевой, а для комбинированной системы - гибридный.

Мощность инвертора

Это главный параметр, определяющий, какие нагрузки сможет питать инвертор. Мощность измеряется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) и указывается в характеристиках инвертора как номинальная (длительная) и пиковая (кратковременная).

Для расчета необходимой мощности нужно сложить мощности всех потребителей, которые будут одновременно подключаться к инвертору, и добавить 20-30% запаса на случай пусковых токов и перегрузок.

Например, если вы планируете подключать к инвертору холодильник (150 Вт), телевизор (100 Вт), ноутбук (60 Вт) и несколько ламп (20 Вт), то суммарная мощность составит 150 + 100 + 60 + 20 = 330 Вт. С учетом запаса, оптимальная мощность инвертора будет 330 * 1,3 ≈ 430 Вт.

Для питания всего дома необходимо рассчитывать пиковую мощность с учетом одновременного включения самых мощных приборов - электрочайника (1,5-2 кВт), стиральной машины (1,5-2 кВт), СВЧ-печи (1-1,5 кВт), пылесоса (1-1,5 кВт) и т.д. В таком случае может потребоваться инвертор мощностью 3-5 кВт и более.

Напряжение АКБ

Инверторы рассчитаны на работу от аккумуляторов с определенным напряжением - 12В, 24В или 48В. Чем выше напряжение, тем меньше токи и сечение проводов между АКБ и инвертором. Для мощных инверторов (от 3 кВт) рекомендуется использовать АКБ на 24-48В.

Тип аккумуляторов

От типа АКБ зависит время автономной работы и срок службы системы. Наиболее распространены свинцово-кислотные АКБ (AGM, GEL), которые отличаются доступной ценой и хорошей емкостью (50-200 А*ч). Для более компактных систем применяются литий-ионные (Li-Ion) и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) АКБ с высокой плотностью энергии и большим ресурсом циклов заряда-разряда.

Форма выходного напряжения

Для питания чувствительной электроники и бытовой техники необходимо использовать инверторы с чистой синусоидой напряжения. Они обеспечивают качество электроэнергии не хуже, чем в центральной сети. Более простые и доступные инверторы с модифицированной синусоидой подойдут для освещения, нагревателей и электроинструмента.

Количество фаз

Большинство инверторов выдают однофазное напряжение 220В, как в обычной розетке. Но для трехфазных потребителей (мощные насосы, станки) необходимы трехфазные инверторы на 380В. Их можно собрать из трех однофазных инверторов или купить готовое устройство.

Система охлаждения

При длительной работе на большой мощности инверторы выделяют много тепла, которое необходимо эффективно отводить. Для этого применяются радиаторы и вентиляторы принудительного охлаждения. Чем мощнее и компактнее инвертор, тем более производительной должна быть система охлаждения.

Защитные функции

Для безопасной и надежной работы инвертор должен иметь целый набор защит:

от короткого замыкания и перегрузки на выходе
от перегрева силовых элементов
от повышенного и пониженного напряжения АКБ
от неправильной полярности подключения АКБ

Наличие этих защит продлевает срок службы как самого инвертора, так и подключенного к нему оборудования.

Дополнительные возможности

Современные инверторы могут оснащаться целым набором полезных функций:

ЖК-дисплей или индикаторы для отображения режимов работы и параметров электросети
USB-разъемы для зарядки гаджетов
Дистанционное управление с помощью пульта или мобильного приложения
Таймеры включения/отключения нагрузки по времени
Синхронизация нескольких инверторов для наращивания мощности

Эти опции не являются обязательными, но могут существенно повысить удобство использования и возможности вашей системы электроснабжения.

При выборе инвертора обязательно обратите внимание на гарантийные обязательства производителя. Солидные бренды дают гарантию на свои устройства от 1 года до 5-10 лет в зависимости от модели. Это говорит об уверенности в надежности и качестве продукта.

Подводя итог, можно сказать, что для правильного выбора инвертора нужно определиться с его типом и мощностью исходя из ваших потребностей и бюджета. Затем нужно подобрать модель с подходящим набором функций и характеристик - чистой синусоидой, системой охлаждения, защитами. Ну и конечно, нужно выбирать проверенные бренды с хорошей репутацией и гарантийной поддержкой.

Рекомендуемые товары

Код: 155819