Для чого потрібний перетворювач напруги (інвертор)

Для чого потрібний перетворювач напруги (інвертор)

У сучасному світі ми настільки звикли до комфорту, який забезпечує електроенергія, що навіть короткочасне її відключення здатне паралізувати наше звичне життя. Раптово ми розуміємо, що без електрики не працює не лише освітлення та побутова техніка, а й системи опалення, водопостачання, зв'язку та безпеки.

Перебої з електропостачанням можуть статися через різні причини - аварії на підстанції, ремонтні роботи, стихійні лиха або просто застаріла інфраструктура. І якщо у місті наслідки зазвичай ліквідуються досить швидко, то жителі віддалених районів чи власники заміських будинків можуть залишатися без світла годинами чи навіть днями.

Як же забезпечити автономність та стабільність електроживлення навіть у таких форс-мажорних ситуаціях? Рішенням може стати інвертор (перетворювач напруги) - пристрій, який перетворює постійний струм від акумулятора або сонячних батарей на змінний струм напругою 220В, придатний для живлення більшості побутових електроприладів.

Що таке інвертор та принцип його роботи

Інвертор (або перетворювач напруги) - це електронний пристрій, який перетворює постійний струм (DC) низької напруги 12В, 24В або 48В змінний струм (AC) напругою 220В і частотою 50Гц, як у стандартній побутовій електромережі.

Основна функція інвертора – забезпечити роботу електрообладнання, розрахованого на мережеву напругу 220В, в умовах автономного електропостачання від акумуляторів або сонячних батарей. Завдяки цьому пристрою можна використовувати звичні побутові прилади навіть там, де немає доступу до централізованих електромереж.

Принцип роботи інвертора базується на перетворенні постійного струму на змінний за допомогою електронних ключів (транзисторів або тиристорів), які швидко включають і вимикають струм у первинній обмотці трансформатора. При цьому на вторинній обмотці індукується змінна напруга, яка фільтрується і стабілізується до необхідних параметрів.

Залежно від типу вихідної напруги, що формується, інвертори діляться на кілька видів.

Інвертори із чистою синусоїдою. Вони генерують змінний струм, формою максимально наближений до ідеальної синусоїди, як у побутовій мережі. Такий струм підходить для живлення будь-яких типів навантажень, у тому числі чутливої ​​електроніки, електродвигунів, компресорів тощо. Інвертори із чистою синусоїдою мають ККД до 90-95% та забезпечують найкращу якість електроенергії.

Інвертори із модифікованою синусоїдою. Вони формують змінний струм, який формою нагадує сходинки чи трапеції. Така напруга придатна для живлення найпростіших активних навантажень - ламп розжарювання, нагрівальних елементів, деяких зарядних пристроїв. Однак, при роботі з реактивними навантаженнями (двигуни, трансформатори) інвертори з модифікованою синусоїдою можуть створювати додатковий шум та нагрівання обладнання. Їх переваги - простота конструкції та доступніша ціна.

Крім формування вихідної напруги, сучасні інвертори виконують низку додаткових функцій:

• Захист підключеного обладнання від перевантажень, короткого замикання, перегріву
• Регулювання вихідної частоти (50/60Гц) та напруги (220/230В)
• Заряджання та захист акумуляторних батарей від надмірного розряду
• Автоматичне перемикання на зовнішню мережу за її появи (у гібридних моделях)
• Моніторинг параметрів роботи та видача інформаційних повідомлень

Конструктивно інвертор складається з наступних частин:

1. Акумулятор - джерело постійного струму, від якого живиться інвертор. Це може бути одна або кілька з'єднаних послідовно або паралельно АКБ з номінальною напругою 12В, 24В або 48В та ємністю від декількох десятків до кількох сотень ампер-годин.
2. Зарядний пристрій забезпечує заряд акумуляторів від зовнішнього джерела (мережі 220В, генератора, сонячних батарей). Може бути вбудованим інвертором або окремим блоком. Потужність зарядного пристрою визначає час заряджання АКБ.
3. Блок силової електроніки - безпосередньо здійснює перетворення постійного струму змінний за допомогою мостової схеми ключів (транзисторів або тиристорів) і трансформатора. Від надійності та якості цього вузла залежать усі основні параметри інвертора – вихідна потужність, форма синусоїди, ККД.
4. Система управління та захисту – відповідає за контроль та регулювання параметрів роботи інвертора, захист від позаштатних режимів, індикацію стану. Зазвичай реалізується з урахуванням мікроконтролера з набором датчиків струму, напруги, температури.
5. Корпус та система охолодження - забезпечують захист компонентів від впливу навколишнього середовища та відведення надлишкового тепла. Можуть оснащуватись радіаторами, вентиляторами або герметичним виконанням корпусу.

Залежно від призначення та умов експлуатації інвертори можуть працювати в різних режимах:

1. Тривалий – робота на номінальній потужності протягом необмеженого часу. Цей режим визначає основну потужність інвертора.
2. Короткочасний (пусковий) - робота на підвищеній потужності (в 1,5-2 рази вище за номінальну) протягом обмеженого часу (1-2 хв). Цей режим необхідний для запуску електродвигунів та інших приладів із високими пусковими струмами.
3. Максимальний (пік) – гранична потужність, яку інвертор може видати протягом кількох мілісекунд. Цей режим захищає інвертор від короткочасних навантажень і дозволяє запускати важкі навантаження.

Наявність кількох режимів роботи дозволяє оптимально підбирати інвертор під конкретні потреби, не завищуючи номінальну потужність та, відповідно, вартість пристрою.

Види інверторів

Інвертори розрізняються за принципом роботи, призначенням та технічними характеристиками. Розглянемо основні види цих пристроїв докладніше.

За принципом роботи інвертори поділяються на:

1. Автономні інвертори. Вони працюють виключно від акумуляторів і не потребують підключення до зовнішньої мережі. Такі інвертори перетворять постійну напругу АКБ 12В, 24В або 48В змінну напругу 220В. Автономні інвертори використовують у системах резервного чи мобільного електропостачання - у заміських будинках, автомобілях, яхтах тощо.
2. Мережеві інвертори. Ці пристрої працюють паралельно із зовнішньою мережею і служать для перетворення енергії від сонячних батарей або вітрогенераторів на змінний струм, синхронізований з параметрами мережі. Мережеві інвертори не мають акумуляторів і не можуть працювати автономно. Їхнє завдання – передавати вироблену "зелену" енергію в загальну мережу для власного споживання або продажу за "зеленим тарифом".
3. Гібридні інвертори. Вони поєднують у собі функції автономного та мережевого інвертора. Гібридні моделі можуть працювати як від АКБ, так і паралельно з мережею, заряджаючи акумулятори у разі надлишку сонячної енергії та перемикаючись на них при відключенні мережі. Це найбільш універсальне та перспективне рішення для автономних та резервних систем електропостачання.

За призначенням інвертори поділяються на:

1. Інвертори для опалювальних котлів. Вони забезпечують безперебійне живлення газових та електричних котлів при відключенні центральної мережі. Такі інвертори повинні мати чисту синусоїду напруги та потужність від 300 Вт для газових казанів до 3-6 кВт для електричних. Також важлива наявність функції плавного пуску для захисту компресора та насосів котла.
2. Інвертори для сонячних панелей Ці пристрої перетворюють постійний струм від сонячних батарей потужністю від 100 Вт до кількох кіловат на змінний струм для живлення автономних споживачів або передачі в мережу. Інвертори для сонячних систем повинні мати високий ККД (95-98%), широкий діапазон вхідних напруг (12-48В) та захист від перегріву та перевантажень.
3. Автономні інвертори для дому. Вони служать для резервного електропостачання окремих приладів або всього будинку у разі відключення центральної мережі. Потужність таких інверторів варіюється від 300 Вт до 10-15 кВт в залежності від кількості і типу навантаження, що підключається. Для живлення всього будинку необхідні інвертори із чистою синусоїдою та автоматикою перемикання на зовнішню мережу.
4. Зварювальні інвертори. Це спеціалізовані пристрої, які перетворять змінний струм мережі на постійний струм високої частоти (до 100 кГц) та напруги (20-300В) для живлення зварювальної дуги. Зварювальні інвертори компактніші та економічніші за традиційні трансформаторні апарати. Вони дозволяють регулювати силу струму в діапазоні 5-500А та працювати з різними видами електродів.
5. Автомобільні інвертори. Компактні пристрої потужністю 100-1000 Вт, які підключаються до бортової мережі автомобіля (12/24В) через прикурювач або безпосередньо до клем АКБ та забезпечують живлення ноутбука, телевізора, холодильника та інших приладів напругою 220В. Зручні для мандрівок, відряджень, далеких перевезень.

Як вибрати інвертор

При виборі інвертора необхідно враховувати низку ключових параметрів, від яких залежить його функціональність, надійність і сумісність з вашими споживачами. Розглянемо основні критерії докладніше.

Тип інвертора

Залежно від ваших потреб та умов використання слід вибрати автономний, мережевий або гібридний інвертор. Для резервного живлення будинку чи дачі краще підійде автономний інвертор, для продажу сонячної енергії у мережу – мережевий, а для комбінованої системи – гібридний.

Потужність інвертора

Це головний параметр, який визначає, які навантаження зможе живити інвертор. Потужність вимірюється у Ват (Вт) або кіловат (кВт) і вказується в характеристиках інвертора як номінальна (тривала) і пікова (короткочасна).

Для розрахунку необхідної потужності потрібно скласти потужності всіх споживачів, які одночасно підключатимуться до інвертора, і додати 20-30% запасу на випадок пускових струмів і перевантажень.

Наприклад, якщо ви плануєте підключати до інвертора холодильник (150 Вт), телевізор (100 Вт), ноутбук (60 Вт) та кілька ламп (20 Вт), то сумарна потужність складе 150+100+60+20=330 Вт. З урахуванням запасу оптимальна потужність інвертора буде 330 * 1,3 ≈ 430 Вт.
Для живлення всього будинку необхідно розраховувати пікову потужність з урахуванням одночасного включення найпотужніших приладів - електрочайника (1,5-2 кВт), пральної машини (1,5-2 кВт), НВЧ-печі (1-1,5 кВт), пилососа (1-1,5 кВт) тощо. У такому разі може знадобитися інвертор потужністю 3-5 кВт і більше.

Напруга АКБ

Інвертори розраховані працювати від акумуляторів з певним напругою - 12В, 24В чи 48В. Чим вище напруга, тим менше струми та переріз проводів між АКБ та інвертором. Для потужних інверторів (3 кВт) рекомендується використовувати АКБ на 24-48В.

Тип акумуляторів

Від типу АКБ залежить час автономної роботи та термін служби системи. Найбільш поширені свинцево-кислотні АКБ (AGM, GEL), які відрізняються доступною ціною та гарною ємністю (50-200 А*год). Для більш компактних систем застосовуються літій-іонні (Li-Ion) та літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) АКБ з високою щільністю енергії та великим ресурсом циклів заряду-розряду.

Форма вихідної напруги

Для живлення чутливої ​​електроніки та побутової техніки необхідно використовувати інвертори із чистою синусоїдою напруги. Вони забезпечують якість електроенергії не гірше, ніж у центральній мережі. Простіші і доступніші інвертори з модифікованою синусоїдою підійдуть для освітлення, нагрівачів та електроінструменту.

Кількість фаз

Більшість інверторів видають однофазну напругу 220В, як у звичайній розетці. Але для трифазних споживачів (потужні насоси, верстати) потрібні трифазні інвертори на 380В. Їх можна зібрати із трьох однофазних інверторів або купити готовий пристрій.

Система охолодження

За тривалої роботи на великій потужності інвертори виділяють багато тепла, яке необхідно ефективно відводити. Для цього застосовуються радіатори та вентилятори примусового охолодження. Чим потужніший і компактніший інвертор, тим більш продуктивною має бути система охолодження.

Захисні функції

Для безпечної та надійної роботи інвертор повинен мати цілий набір захисту:

• від короткого замикання та перевантаження на виході
• від перегріву силових елементів
• від підвищеної та зниженої напруги АКБ
• від неправильної полярності підключення АКБ

Наявність цих захистів продовжує термін служби як самого інвертора, і підключеного до нього устаткування.

Додаткові можливості

Сучасні інвертори можуть оснащуватися цілим набором корисних функцій:

• РК-дисплей або індикатори для відображення режимів роботи та параметрів електромережі
• USB-роз'єми для заряджання гаджетів
• Дистанційне керування за допомогою пульта або мобільного додатка
• Таймери увімкнення/вимкнення навантаження за часом
• Синхронізація кількох інверторів для нарощування потужності

Ці опції не є обов'язковими, але можуть суттєво підвищити зручність використання та можливості вашої системи електропостачання.
У разі вибору інвертора обов'язково зверніть увагу на гарантійні зобов'язання виробника. Солідні бренди дають гарантію на свої пристрої від 1 до 5-10 років в залежності від моделі. Це говорить про впевненість у надійності та якості продукту.

Підсумовуючи, можна сказати, що для правильного вибору інвертора потрібно визначитися з його типом та потужністю виходячи з ваших потреб та бюджету. Потім потрібно підібрати модель з відповідним набором функцій та характеристик – чистою синусоїдою, системою охолодження, захистами. Ну і звичайно, потрібно вибирати перевірені бренди з гарною репутацією та гарантійною підтримкою.