Инверторы - это электронные устройства, преобразующие постоянное низкое напряжение от аккумуляторов в переменное напряжение 220 В. В аккумуляторы энергия закачивается заранее зарядным устройством, часто включенным в состав того же инвертора, или, например, с помощью бортовой сети автомобиля. При подборе автономной или резервной систем электроснабжения крайне важно уделить выбору инвертора особое внимание, т.к. он является «сердцем» этих систем. Цена и возможности инверторов могут сильно отличаться, хотя выходная мощность будет одинаковой.
Основные варианты применения инверторов:
- Бесперебойное электропитание при пропадании в сети 220 В. Обычно такая система из инвертора и аккумуляторов ставится в загородном доме или на ответственных промышленных объектах.
- Бесперебойное электропитание при пропадании в сети 220 В с возможностью приоритетного использования энергии солнца и/или ветра вместо энергии от сети. Это может заметно сократить счета за электричество, но и первоначальные вложения в систему относительно большие.
- Автономное электропитание при проживании в удаленности от промышленных электросетей.
- Автономное электропитание в походных условиях.
Существует огромное количество типов инверторов: с модифицированной синусоидой на выходе и с чистым синусом, изготовленные по высокочастотной и низкочастотной технологии, с возможностью заряда аккумуляторов и без встроенного зарядного устройства, подключаемые к 12-ти, 24-х и 48 В аккумуляторам батареям, с богатыми функциональными возможностями и без них. Среди низкочастотных, в свою очередь, выпускаются инверторы на обычных трансформаторах и продвинутые модели на трансформаторах в форме тора. Некоторые инверторы встречаются со встроенной функцией стабилизатора напряжения, в других бывают установлены солнечные контроллеры. Кроме того, инверторы бывают сетевые и гибридные. Самые высококлассные модели инверторов имеют программное обеспечение, позволяющее видеть графики всех событий на экране компьютера, а также отправлять СМС по событиям или запросу.
Модифицированный и чистый синус
Одним из важнейших показателей качества электроэнергии является график напряжения электрического сигнала, который должен иметь правильную синусоидальную форму. Для такого графика часто используют определение «чистый синус». Вид графика напряжения выходного сигнала инвертора зависит от типа и конструкции данного устройства. Большинство обычных компьютерных ИБП генерируют на выходе сигнал, называемый «модифицированный синус» или «меандр».
Эффективность работы двигателей, насосов, светодиодных ламп, кондиционеров, холодильников, СВЧ-печей и некоторых других приборов сильно зависит от формы напряжения питания. Если их запитать модифицированным синусом, они будут больше греться, сильнее гудеть и выдавать меньшую мощность. Бывают даже устройства, которые не смогут работать от модифицированного синуса, например, отопительные котлы.
Почему же до сих пор выпускают инверторы с модифицированным синусом? Дело в том, что они значительно дешевле инверторов с чистым синусом, и есть нагрузки, которым не важна форма питающего напряжения 220 В. Это, прежде всего, электроинструмент, компьютеры лампы накаливания, телевизоры, утюги и другое оборудование.
Но сегодня вряд ли кто будет покупать инвертор в расчете только на определённую нагрузку. Ведь если его установить в доме и применять при аварии в электросетях или для приоритетного использования солнечной энергии, то ограничивать своё потребление, думать, как будет работать тот или иной электроприбор от модифицированного синуса, это как-то не соответствует жизни в 21 веке… Только чистый синус обеспечит работу 100% устройств. Как говорится – «Чистота, - залог здоровья!», и не только физического.
Совет CLIMAG.RU:
Используйте инверторы с чистым синусом.
Высокочастотные и низкочастотные инверторы
Для питания устройств с малым энергопотреблением, таких как ноутбук, маленький пылесос, дрель небольшой мощности и другие, используют маломощные инверторы. Часто их называют автомобильными инверторами. Они сделаны по высокочастотной технологии.
Преимуществом высокочастотных инверторов являются малый размер и вес (около 1 - 5 кг), и соответственно, цена. Преобразование напряжения от аккумуляторов они производят на высокой частоте, порядка 20000 - 30000 Гц, поэтому используются маленький трансформатор, маленькие конденсаторы. Но, как говорится, у каждой медали, есть и оборотная сторона. Высокочастотные инверторы сильно «фонят», т.е. излучают больше электромагнитных помех. У них редко встречается встроенное зарядное устройство, потому что в сети используется низкая частота, а низкочастотного трансформатора в них нет. Если же в некоторых из таких инверторов и встречается зарядное устройство, то его мощность обычно мала. При больших мощностях нагрузки высокочастотные инверторы становятся ненадёжны. Их стандартный модельный ряд находится в диапазоне мощностей 100 – 1500 Вт.
С дрелью мощностью 300 Вт большинство моделей высокочастотных инверторов ещё могут работать, а, например, с холодильником смогут справиться уже только старшие модели. Почему же холодильник, потребляющий всего 150 Вт, может запустить относительно мощный инвертор?
Существует понятие пусковой мощности. Для некоторых электроприборов пусковая мощность не отличается от номинальной рабочей мощности. Например, при включении обогревателя броска тока не происходит, они сразу начинают потреблять ровно столько, сколько и написано на их шильдике. У других устройств, например, у электроинструмента, пусковая мощность не очень сильно превышает рабочую. Но есть такое оборудование, у которого пусковая мощность в разы превышает рабочую. Это холодильники, кондиционеры, глубинные насосы, асинхронные двигатели, компрессоры, СВЧ-печи и др.
Поэтому для пуска холодильника необходим инвертор, способный хотя бы кратковременно выдать 1,2 – 1,5 кВт, а для скважинного насоса необходимо кратковременно обеспечить до 7 кВт!!!
В настоящее время выпускаются и более мощные высокочастотные инверторы, мощностью до 6 кВт, предназначенные для резервирования электропитания в доме. Эти устройства лёгкие, и относительно не дорогие. Однако, если их использовать на мощностях близких к максимальным, их надёжность в целом будет меньше чем у низкочастотных инверторов. А запараллеливание таких инверторов удваивает цену.
К сожалению, КПД большинства высокочастотных инверторов низкое, всего 85%. Некоторые производители встраивают в свои высокочастотные инверторы относительно мощные зарядные устройства и/или солнечные контроллеры.
В низкочастотных инверторах используется низкая частота преобразования энергии от аккумуляторов, равная частоте промышленной сети 50 Гц. На такой частоте работают относительно большие и тяжёлые трансформаторы. Подобный трансформатор является промежуточным буфером между электроникой инвертора и нагрузкой, что увеличивает надёжность устройства.
Плюсы данного решения очевидны – возможность построения надёжных мощных систем (даже на десятки тысяч ватт) и наличие по умолчанию мощного быстрого заряда аккумуляторов от сети. Ведь в сети 50 Гц, а значит, энергию от сети можно напрямую подать на тот же самый мощный трансформатор, который электроника заставит работать в обратную сторону. К недостаткам низкочастотных инверторов можно отнести их размер, вес и, как следствие, цену.
Понятно, что большой вес (обычно от 12 до 56 кг, что в среднем, в 5 - 8 раз больше за единицу мощности, чем у высокочастотных инверторов) образуется не за счёт того, что инвертор набили камнями, а из-за использования дорогой меди в трансформаторах и алюминия в больших радиаторах. Отсюда вытекает и цена. И если бы высокочастотные инверторы могли сравниться по параметрам и надёжности с низкочастотными, то последние давно бы «вымерли как мамонты».
Совет CLIMAG.RU:
- Если суммарные мощности потребления с учетом пусковых токов будут до 1000 Вт и мощного заряда не нужно, покупайте высокочастотные инверторы.
- Если суммарное потребление всех электроприборов с учётом пусковых мощностей более 3000 Вт, лучше остановить свой выбор на инверторе, сделанном по низкочастотной технологии.
- Если мощность нагрузки находится в промежуточной зоне, т.е. между 1000 и 3000 Вт, то решение стоит принимать, исходя из предпочтений покупателя и конкретных условий эксплуатации. Например, важна низкая стоимость или же необходима высокая надёжность, отдаётся предпочтение малому весу, или нужно пониженное излучение помех, необходимо наличие зарядного устройства или оно не нужно.
Низкочастотные инверторы с трансформатором обычным и в виде тора
Трансформатор в виде тора, по сравнению с обычным, имеет больший КПД, следовательно, размер его тоже меньше. Кроме того, тор даёт меньше наводок, т.к. всё электромагнитное поле концентрируется вокруг этого «бублика». Обычный же трансформатор излучает помехи перпендикулярно обмоткам. Трансформатор в виде тора имеет меньшее потребление энергии на холостом ходу.
Единственный недостаток торообразного трансформатора – большая цена, т.к. в изготовлении он заметно сложнее. Однако, самые именитые и дорогие мировые бренды, используют в своих инверторах только низкочастотные трансформаторы в виде тора из-за их непревзойдённых параметров.
Совет CLIMAG.RU:
При наличии достаточных средств лучше предпочесть низкочастотный инвертор с трансформатором в виде тора.
Инверторы с напряжением по аккумуляторному входу на 12, 24 и 48 В
Большинство выпускаемых инверторов рассчитаны на 12, 24 или 48 В. Очень редко можно встретить модели на 96 В, т.к. такое напряжение уже считается опасным.
Существуют аккумуляторы с напряжением 2, 4, 6 или 12 В. Для увеличения напряжения однотипные аккумуляторы последовательно соединяют в батарею. В бортовой сети автомобиля используется постоянное напряжение 12 В, в автобусах и на яхтах - 24 В.
Конечно, любое из этих напряжений может использоваться инвертором для бесперебойного питания части электрооборудования дома, или всего дома. Однако низкое напряжение технически не позволяет получить большую мощность. Так, например, из 12-и вольт невозможно получить мощность более 3-х кВт, из 24 –х вольт – более 9 кВт, а из 48-и В – более 18 кВт.
Высокочастотные инверторы мощностью до 3-х кВт обычно рассчитаны на 12 В и используются в автомобилях, а мощные низкочастотные инверторы мощностью от 3 кВт и выше представлены моделями на 24 или 48 В и рассчитаны на применение в доме или здании.
Но бывают и исключения, когда, например, высокочастотные инверторы, прежде всего за счёт своей низкой цены, пытаются занять свою нишу в домашнем сегменте, а инверторы, сделанные по низкочастотной технологии с тором достаточно малой мощности, имеющие относительно большой вес и цену, пытаются занять нишу в сегменте высокочастотных инверторов за счёт таких своих качеств, как надёжность, мощные зарядные возможности и широкий функционал.
Совет CLIMAG.RU:
Если инвертор нужен для автомобиля, походных условий или в доме для резервирования нагрузки средней мощностью до 2 кВт (например, отопительного котла) – выбирайте инверторы с входным напряжением 12 В. Во всех остальных случаях, при средней нагрузке до 4-5 кВт, лучше использовать либо инвертор на 24 В, либо на 48 В. При нагрузке 5 кВт и выше – лучше ориентироваться на инверторы 48 В.
О встроенных функции стабилизатора и солнечном контроллере
Стабилизатор напряжения - устройство, позволяющее выравнивать напряжение промышленной сети в широком диапазоне и с хорошей точностью, если оно очень низкое или высокое. Качественный стабилизатор позволяет поднять до 220 В сетевое напряжение, даже если в сети всего 120 В. Или наоборот, понизить сетевое напряжение, допустим, с 270 В до тех же 220 В. Качественные стабилизаторы выполнены на долговечных и быстродействующих симисторах, имеют минимум 8 переключающихся порогов.
Стабилизатор в составе инвертора обычно имеет только 2 или 3 порога, в нем используются не симисторы, а реле. В итоге имеем малую долговечность и узкий диапазон выравнивая сетевого напряжения. К тому же инверторы со встроенным стабилизатором мало подходят для использования в условиях автономии совместно с большинством обычных бензо- или дизель-генераторов.
Посудите сами. Генератор при увеличении нагрузки, чтобы удержать напряжение в районе 220 В, автоматически прибавляет обороты. При снижении нагрузки он снижает обороты. Теперь рассмотрим цепочку генератор – стабилизатор – инвертор - меняющаяся нагрузка. Допустим, что-то включили, например, электрочайник мощностью 2 кВт. От работающего генератора на нагрузку подастся 220 В, проходящие через стабилизатор. Напряжение в первую долю секунды начнёт проваливаться. Как Вы думаете, кто среагирует первым, стабилизатор или генератор? Правильно, стабилизатор, так как генератор более инерционен, обороты мгновенно не поднимешь.
Итак, стабилизатор переключится на повышающую обмотку, чтобы компенсировать провал. Но затем этот провал всё же доходит и до генератора. Генератор со своей стороны тоже повысит напряжение. На это повышение снова среагирует стабилизатор и понизит порог, на стабилизатор опять среагирует генератор и т.д.
Возникнет колебательный процесс, который может пойти в разнос. И тогда одно из двух: либо система будет аварийно отключаться, либо этот колебательный процесс быстро затухнет и всё войдёт в норму. Так вот, всё почти мгновенно «устаканивается» в том случае, если генератор качественный и имеет большой запас мощности. Тогда он на чайник 2 кВт будет реагировать как на «муху, залетевшую в окно», и чайник не сможет раскачать его обороты. Но стоят такие генераторы слишком дорого.
Солнечный контроллер необходим для подключения солнечных панелей к аккумуляторам, к тем самым, к которым подключён инвертор. Солнечный контроллер преобразует энергию от высокого напряжения солнечных панелей в более низкое напряжение аккумуляторов.
Инверторов со встроенным солнечным контроллером не много. Плюсами такого решения является более низкая цена и меньшее количество подключений и проводов.
Теперь о минусах. Во-первых, высококачественные и мощные солнечные контроллеры, имеющие КПД 98%, высокое входное напряжение и управление внешними нагрузками, довольно большие по размеру и внутрь инвертора их не вставишь. Поэтому встроенные инверторы, как и встроенные стабилизаторы, несколько урезаны по своим возможностям. Во-вторых, в случае выхода из строя солнечного контроллера, придётся отдавать в ремонт всё устройство, т.е. лишаться и инвертора, и наоборот.
По большому счету, самые дорогие и качественные брендовые инверторы никогда не содержат в себе ни стабилизаторов, ни солнечных контроллеров. Поэтому, само их наличие в инверторе говорит о уровне изделия и о том, что ради рекламы присутствия эфемерных преимуществ и возможно более низкой цены ввиду наличия двух продуктов в одном устройстве, производитель готов идти на некий компромисс с реальной целесообразностью. Особенно это касается встроенного стабилизатора.
Совет CLIMAG.RU:
Приобретать инверторы со встроенным стабилизатором и/или контроллером можно при стеснении в средствах и при условии отсутствия необходимости их использования совместно с электрогенератором.
Сетевые и гибридные инверторы
Сетевой инвертор является инвертором и солнечным контроллером с технологией МРРТ одновременно. Он принципиально отличается от рассмотренного нами выше обычного, подключаемого к аккумуляторным батареям, высокочастотного инвертора со встроенным солнечным контроллером. У сетевого инвертора совсем другая идеология, имеющая свои истоки в методах стимулирования развития альтернативной энергетики в странах Еврозоны, США и др.
Идеология сетевого инвертора заключается в том, чтобы энергию, полученную от солнечных панелей, соединённых для вырабатывания высокого напряжения, обычно в диапазоне 200 – 600 В, преобразовывать в высокое переменное напряжение 220 В и сразу подавать его в промышленную сеть, синхронизируясь с ней.
Так как напряжение на входе и на выходе высокое, можно обойтись без трансформаторов. Кроме того, сетевой инвертор обходится и без аккумуляторных батарей. Иначе пришлось бы их подсоединять к очень высокому напряжению между узлом солнечного контроллера и узлом инвертора, что весьма опасно. Получается, что вместо аккумуляторов задействуется огромная электросеть. В неё можно закачивать солнечную электроэнергию, выкручивая счётчик в большой минус, а потом, вечером или гораздо позже, в зимний период, возвращать себе обратно то, что отдавали летом. Промышленная электросеть — это гигантский неисчерпаемый аккумулятор, вечный и не имеющий потерь.
Как используют сетевые инверторы за рубежом? Если нагрузка в доме большая, а солнечной энергии поступает немного, то она вся уходит на домашнее потребление. Если же нагрузки почти нет, а солнце в зените, тогда эта не используемая владельцем энергия закачивается в промышленную энергосеть. Т.е. его счётчик крутится в обратную сторону, сматывая показания.
Но, к сожалению, пока в России есть два фактора, которые сводят на нет все преимущества сетевых инверторов. Во-первых, у нас не разрешено частным лицам что-либо закачивать в сеть. И счётчики, позволяющие вычитать обратную энергию, не используются. Напротив, многие современные счётчики энергию, подаваемую обратно в сеть, приплюсуют к потреблённой, и счета за электричества увеличатся. Во-вторых, если в Европе электричество практически не отключают, и там зачастую можно не иметь резервную систему на аккумуляторах, то в России такие отключения и аварии не редкость. Поэтому аккумуляторные батареи жизненно необходимы не только в случае полной автономии, но и для резерва, даже если сеть 220 В имеется.
Конструкция сетевого инвертора построена так, что сетевое напряжение 220 В является для него опорным и ведущим. И в случае отключения промышленного напряжения 220 В, сетевой инвертор не будет выдавать свои 220 В, даже если светит солнце и энергии в избытке. Это необходимо и по требованиям безопасности, чтобы ничего не подозревающего электрика, отключивший подачу сетевого напряжения, не убило, когда он приступит к ремонту сети голыми руками. Поэтому, при отключении электричества, сетевой инвертор с солнечными панелями не обеспечит резервного питания.
Гибридный инвертор - вершина эволюции инверторов. Это и обычный, то есть батарейный, и сетевой инвертор, объединённые в единое целое, то есть в гибрид!
Гибридный инвертор, как и сетевой, умеет синхронизироваться с промышленной сетью и подкачивать туда энергию как от аккумуляторов, так и от солнечных панелей с солнечным контроллером. Т.е. он умеет делать не только то, что и сетевой инвертор, а гораздо больше. Например, «умощнять» сеть при перегрузках. При необходимости он сможет приплюсовать к выделенной мощности сети мощность от аккумуляторов и/или от солнечного контроллера. Гибрид будет работать и при исчезновении в сети 220 В. Гибрид по вашему желанию может разрешить подкачку солнечной энергии только в домашнюю сеть, либо в домашнюю и во внешнюю сеть. Т.е. проблема со счетчиками, плюсующими отданную энергию к счетам на оплату, снимается.
Гибрид накладывает свой синус на синус сети с чуть большей амплитудой и может перехватывать на себя всю нагрузку или часть нагрузки. Если в меню установлено разрешение подкачки, пока напряжение на 1 аккумуляторе будет выше 12,7 В, что соответствует 100% заряда, то при отсутствии внешнего поступления энергии, например, от Солнца, подкачка прекратится, и далее всё будет питаться только от сети. Появится Солнце - снова продолжится подкачка, настолько, насколько позволит эта энергия солнца, или насколько израсходуют потребители.
Аккумуляторы при наличии сетевого напряжения не расходуются и не портятся, хотя солнечная энергия подкачивается в сеть. Но можно и разрешить небольшой разряд аккумуляторов, что позволит подкачивать накопленное и вечером. Однако, ресурс аккумуляторных батарей тогда будет в небольшой степени сокращаться.
Наличие аккумуляторов в качестве резерва позволяет гибридным инверторам работать в качестве резервного источника питания при исчезновении напряжения в сети.
Ещё одним плюсом гибридов является их способность обеспечить трёхфазное автономное или резервное питание. В этом случае используются три инвертора, каждый на свою фазу. Они связанны между собой дополнительными проводами для обеспечения синхронной работы со смещением фаз на 120 градусов. Естественно, возможна и генерация всех трёх фаз от аккумуляторов, либо регенерация одной или двух исчезнувших фаз.
Получается, что гибридные инверторы — это единственное идеальное решение для России.
Совет CLIMAG.RU:
В России для дома или офиса правильней всего приобретать гибридные инверторы. Исключение – мощные мегаваттные солнечные электростанции, в них используются сетевые инверторы. Также сетевые инверторы могут быть востребованы промышленными предприятиями, потребляющими энергию только днём, при условии, что им не нужно резервирование, и район очень солнечный.