Кпд инвертора: Способы повышения КПД и удельной мощности инверторов для солнечных электростанций

Способы повышения КПД и удельной мощности инверторов для солнечных электростанций

28 декабря 2021

телекоммуникацииуниверсальное применениеInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Мустафа Хазреи, Дамиан Зупанчич (Infineon)

Какую элементную базу выбрать для проектирования инверторов для солнечных батарей – новую карбид-кремниевую или традиционную кремниевую? Специалисты Infineon приходят к неожиданному выводу: традиционная кремниевая может помочь достичь КПД 99%. Но для этого следует применить сравнительно новую схему многоуровневого преобразования, которая может оказаться непростой для начинающего разработчика.

В связи с глобальными климатическими изменениями, происходящими на нашей планете, потребность в экологически чистых источниках энергии, к числу которых относятся солнечные электростанции, за последнее десятилетие возросла во много раз. Одним из ключевых параметров электростанций этого типа является величина потерь, возникающая при преобразовании постоянного тока, выработанного фотоэлементами, в переменное напряжение с частотой 50/60 Гц. Кроме того, для домашних систем также важны габариты и стоимость всех элементов, в том числе и инвертора, выполняющего упомянутое преобразование.

Традиционной элементной базой для реализации силовой части инверторов являются кремниевые IGBT. Эти приборы позволяют создавать как однофазные, так и трехфазные системы практически любой мощности. В маломощных однофазных инверторах вместо IGBT могут использоваться кремниевые MOSFET с суперпереходом (SJ MOSFET) с максимально допустимым напряжением 600/650 В, однако такая замена не дает ощутимого улучшения ни КПД, ни удельной мощности.

Еще не так давно считалось, что характеристики инверторов для солнечных электростанций достигли своего технического максимума, и дальнейшее их повышение, из-за недостатков и ограничений существующей элементной базы, маловероятно.

Однако в последнее время в конструировании этого типа устройств появилось два новых направления, причем оба положительно сказываются на всех ключевых характеристиках этих преобразователей, в первую очередь – на величине КПД и удельной мощности. Первый способ заключается в замене традиционных кремниевых транзисторов их аналогами, изготовленными из полупроводников с большей, чем у кремния, шириной запрещенной зоны, например, из карбида кремния. Второй способ направлен на поиск новых схемотехнических решений силовой части, позволяющих создавать преобразователи на основе традиционных низковольтных кремниевых MOSFET, имеющих намного лучшие характеристики, чем их высоковольтные аналоги.

Использование новых решений позволило создавать инверторы, КПД которых может превышать 99%, что при использовании традиционных принципов построения является недостижимым результатом. В статье рассмотрены ключевые особенности обоих подходов, а также вопросы, на которые нужно обращать внимание при выборе того или иного метода.

Особенности замены элементной базы

Ключевым недостатком кремниевых IGBT является высокий уровень динамических потерь, из-за чего в схемах с жесткой коммутацией частота их переключения редко превышает 20 кГц. По сравнению с IGBT, MOSFET имеют лучшие динамические характеристики, однако из-за малой ширины запрещенной зоны кремния приходится увеличивать толщину канала при высоких рабочих напряжениях, что приводит к увеличению сопротивления канала и, как следствие, к увеличению статических потерь. Наличие подобных ограничений приводит к тому, что КПД инверторов для солнечных электростанций, особенно маломощных однофазных, редко достигает 98%.

При изготовлении высоковольтных MOSFET из карбида кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны, нет необходимости в специальном увеличении толщины канала для обеспечения требуемой электрической прочности, поэтому высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы и диоды имеют лучшие параметры, чем их кремниевые аналоги при той же установочной мощности.

Кроме того, паразитные антипараллельные диоды карбид-кремниевых MOSFET имеют меньшее время восстановления, что также положительно сказывается на величине КПД преобразователей, созданных на их основе.

Не так давно компания Infineon выпустила на рынок карбид-кремниевые MOSFET семейства CoolSiC, рассчитанные на использование в системах с напряжением до 650 В. Даже простая замена существующих кремниевых MOSFET и IGBT карбид-кремниевыми аналогами без какого-либо изменения схемотехники инвертора уже позволит увеличить его КПД за счет меньших потерь в силовых ключах. А если учесть, что карбид-кремниевые MOSFET могут работать на более высоких частотах, то подобная модернизация позволит использовать реактивные элементы с меньшей энергетической емкостью, и, соответственно, с меньшими размерами, что, в свою очередь, позволит создавать инверторы для солнечных электростанций с меньшими размерами и массой.

Эффективность от подобной замены хорошо видна на рисунке 1, где приведен сравнительный анализ величин заряда входной (Q_g) и выходной (Q_oss) емкости, а также заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Q_rr) для MOSFET, изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Как видно из диаграмм, при приблизительно равных сопротивлении канала и условиях тестирования карбид-кремниевые транзисторы CoolSiC по всем параметрам значительно превосходят лучшие модели кремниевых MOSFET с суперпереходом, в частности – 600-вольтовые MOSFET семейства CoolMOS с диодами CFD7.

Рис. 1. Сравнительный анализ основных характеристик кремниевых MOSFET семейства CoolMOS и карбид-кремниевых MOSFET семейства CoolSiC

На рисунке 2 приведены результаты анализа величины статических потерь лучших в своих классах моделей транзисторов, в том числе кремниевого IGBT IKW30N65H5 (максимально допустимое напряжение – 650 В), кремниевого MOSFET с суперпереходом IPW60R031CFD7 (максимально допустимое напряжение – 600 В) и карбид-кремниевого MOSFET IMW65R027M1H (максимально допустимое напряжение – 650 В). Как видно из диаграмм, наибольший разогрев кристалла при протекании через него электрического тока наблюдается у IGBT. Эта разница особо заметна при температуре кристалла 25°С, когда сопротивления каналов MOSFET минимальны. Единственной положительной чертой IGBT в этом случае является температурная стабильность – потери проводимости этих транзисторов линейно зависят от величины тока, протекающего через прибор, и остаются приблизительно постоянными во всем температурном диапазоне.

Рис. 2. Сравнительный анализ статических потерь лучших моделей транзисторов, изготовленных по разным технологиям

Наименьшие статические потери при комнатной температуре имеют кремниевые MOSFET. Однако с ростом температуры уровень тепловыделения на их кристаллах увеличивается более чем в два раза, и при 125°С он может оказаться даже больше, чем у IGBT. А вот карбид-кремниевые MOSFET хоть и имеют при 25°С немного большее сопротивление канала, чем у их кремниевых аналогов, однако с ростом температуры его значение увеличивается не более чем на 20%, поэтому при высоких температурах уровень статических потерь транзисторов этого типа оказывается наименьшим из всех рассмотренных полупроводниковых приборов. Рисунок 2 дает четкое понимание отличий между разными технологиями изготовления транзисторов и показывает, что при коммутации больших токов и при высокой температуре кристаллов характеристики карбид-кремниевых транзисторов оказываются наилучшими.

Переход на новые схемотехнические решения

Силовая часть инверторов для солнечных электростанций традиционно строится на основе полумостовых каскадов, количество которых зависит от мощности инвертора и количества фаз его выходного напряжения. Одним из недостатков таких схем является возможность формирования на выходе только двух уровней напряжения, что вынуждает использовать в этих схемах IGBT и MOSFET с максимально допустимым напряжением не менее 600 B. Кроме необходимости использования высоковольтных транзисторов, характеристики которых хуже, чем у их низковольтных аналогов, коммутация высокого напряжения приводит к увеличению динамических потерь, что негативно сказывается и на КПД, и на удельной мощности преобразователей.

Однако в последнее время вместо полумостовых каскадов все чаще используются более сложные схемы, формирующие импульсное напряжение, способное принимать больше двух уровней (рисунок 3). Несмотря на повышенную сложность, такой подход позволяет снизить величину напряжения, коммутируемого силовыми транзисторами, что, в свою очередь, позволяет использовать в этих схемах полупроводниковые приборы с максимально допустимым напряжением 60…300 В и, что самое главное, снизить величину динамических потерь. Результаты испытаний многоуровневых схем показывают, что использование в них MOSFET класса среднего напряжения, например, семейства OptiMOS 5, имеющих превосходные метрики качества (R_ds(on)×Q_g, R_ds(on)×Q_rr и R_ds(on)×Q_oss), позволяет довести их КПД до 99%.

Рис. 3. Принцип перехода с классических полумостовых схем на многоуровневые

Уменьшение величины коммутируемого напряжения позволяет использовать в силовой части дроссели и конденсаторы с меньшей энергетической емкостью, а снижение статических и динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах позволяет уменьшить площадь радиаторов системы охлаждения. Более того, количество силовых транзисторов в многоуровневых схемах больше, чем в схемах на основе полумостовых каскадов. Это приводит к тому, что тепло, общая величина которого меньше, чем в традиционных схемах, теперь выделяется на большем количестве кристаллов, то есть более равномерно распределяется по объему прибора. Все это в конечном итоге не только позволяет увеличить удельную мощность инверторов, но и значительно упростить систему охлаждения, вплоть до полного отказа от принудительного обдува радиаторов и использования для охлаждения силовой части естественных конвекционных потоков.

Стоимость полупроводниковых компонентов типового однофазного сетевого инвертора мощностью более 3 кВт составляет приблизительно 15% от его общей стоимости и намного превышает стоимость материалоемких радиаторов и индуктивных компонентов. Увеличение количества полупроводниковых приборов, характерное для многоуровневых инверторов, приводит к перераспределению этого баланса. Однако цены на полупроводниковые компоненты по мере развития технологий их производства постоянно снижаются, в то время как цены на первичные материалы (железо, медь, алюминий, ферриты) в лучшем случае остаются неизменными. Таким образом, для инверторов мощностью более 3 кВт, основная часть стоимости которых приходится на конструктивные элементы и на индуктивные накопители, переход на многоуровневый принцип преобразования позволяет уменьшить размеры конечного устройства и, соответственно, уменьшить его стоимость.

Еще одни преимуществом многоуровневых схем является возможность использования полупроводниковых приборов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, появившаяся благодаря меньшему выделению тепла на их кристаллах. Это позволяет снизить стоимость сборки устройства, поскольку SMD-компоненты можно монтировать на автоматизированных линиях. Кроме того, SMD-корпуса имеют меньшие значения паразитных индуктивностей выводов, что ощутимо снижает уровень нежелательных высокочастотных колебаний, возникающих в процессе коммутации.

Особенностью многоуровневых инверторов является простота масштабирования – конструкция силовой части и компоновка печатной платы мощного инвертора будет мало чем отличаться от его маломощной версии.

Однако многоуровневые схемы имеют и свои недостатки, основным из которых является большее количество полупроводниковых приборов, что требует увеличения количества драйверов и изолированных источников питания. Однако и эту проблему можно решить, например, путем использования недорогих и экономичных маломощных (до 1 Вт) преобразователей, построенных по обратноходовым схемам.

Пример многоуровневого инвертора мощностью 4 кВт, не требующего системы охлаждения

В качестве примера, позволяющего оценить возможности современных технологий, рассмотрим схему демонстрационной платы однофазного инвертора мощностью 4 кВт, построенного по схеме пятиуровневого преобразователя с коммутируемым силовым конденсатором. Особенностью этого решения является полное отсутствие радиаторов и вентилятора принудительного охлаждения, поскольку максимальное значение КПД этой системы достигает 99% и не опускается ниже 98,7% в диапазоне выходных мощностей, начиная от 500 Вт.

Схема демонстрационной платы показана на рисунке 4, а ее основные характеристики приведены в таблице 1. Особенностью данной схемы является использование в силовой части 150-вольтовых транзисторов BSC093N15NS5 семейства OptiMOS 5 (сопротивление канала в открытом состоянии – 9,3 мОм) при напряжении питающей шины, равным 400 В. Несмотря на повышенную сложность и большое количество силовых транзисторов, энергетические характеристики и удельная мощность этого решения намного (на несколько порядков) превосходят аналогичные устройства, построенные по традиционным схемам на основе кремниевых IGBT или MOSFET с суперпереходом.

Рис. 4. Схема однофазного пятиуровневого инвертора с коммутируемым конденсатором

Таблица 1.  Основные характеристики пятиуровневого инвертора

Входное напряжение	400 В
Тип нагрузки	Активно-индуктивная
Силовые ключи	Два параллельно соединенных транзистора BSC093N15NS (150 В, 9,3 мОм), управляемых драйверами 2EDF7275F (всего 48 транзисторов и 12 драйверов)
Частота пульсаций выходного напряжения	40 кГц
Ключ питания	Два параллельно соединенных транзистора IPT60R022S7
Максимальная выходная мощность (в течение длительного времени)	4000 ВА

Результаты измерений КПД этой схемы показаны на рисунке 5. Как видно из графиков, максимальное значение этого параметра (приблизительно 99,1%) достигается при выходной мощности около 2 кВт. При увеличении нагрузки до 4 кВт КПД уменьшается до 98,7%, однако при этом оно все равно остается достаточно высоким для того, чтобы схема могла на протяжении длительного времени работать при естественном охлаждении, а сами транзисторы были смонтированы непосредственно на плате без использования радиаторов.

Рис. 5. Зависимость КПД пятиуровневого инвертора от величины выходной мощности

Заключение

Развитие технологий преобразования электрической энергии поставило инженеров перед сложным выбором. Какую технологию для повышения характеристик инвертора теперь использовать: старые проверенные схемы, но на новой карбид-кремниевой элементной базе или новые схемы, но на традиционных кремниевых MOSFET с пониженным напряжением?

Конечно, проще всего перейти на карбид-кремниевую элементную базу – ведь при этом можно использовать уже существующие наработки и отлаженный технологический процесс. Однако при этом энергетический эффект может казаться не таким впечатляющим, и для работы инвертора все равно потребуются и радиаторы, и система принудительного охлаждения (особенно при выходной мощности более 5 кВт).

А вот для перехода на многоуровневый принцип преобразования потребуется больше времени и сил, поскольку эта технология пока еще является относительно новой, и для ее освоения, возможно, придется даже провести некоторые дополнительные исследования. Однако конечный результат в виде КПД, равного 99%, повышенной удельной мощности и меньшей стоимости системы, наверное, стоит затраченных усилий. Поэтому в новых разработках инверторов для солнечных электростанций все-таки рекомендуется обратить пристальное внимание именно на схемы, использующие многоуровневый принцип преобразования.

Оригинал статьи

                                   Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Что надо знать при выборе инвертора для системы резервного или автономного питания.

Инвертор является «сердцем» системы резервного или автономного питания. От его выбора зависит как долго и качественно будет работать вся система. Ниже рассмотрим параметры инвертора, на которые стоит обратить внимание при выборе оборудования.

Форма выходного сигнала – синусоидальный или псевдосинусоидальный?

Это зависит от типа вашей нагрузки – если в ее составе только простые потребители (освещение, компьютер, телевизор), то можно использовать и псевдосинусоидальную форму выходного сигнала. Если что-то более сложное, то только «чистый синус». Это любые потребители, где есть моторы (например, холодильник, пылесос, насосы отопления) или мощная реактивная нагрузка (например, СВЧ печи). Но если еще 5-7 лет назад разница между инверторами с чистым синусом и псевдосинусом была значительна, то сейчас она минимальна. Поэтому нет смысла брать несинусоидальные инверторы.

Напряжение аккумуляторных батарей

Напряжения АКБ необходимо выбирать исходя из мощности инвертора. Чем выше напряжение блока АКБ, тем меньше потерь на проводах к АКБ и более «легкая» работа для инвертора. На данный момент, оптимальным соотношением стоит считать следующее:

— для систем мощностью до 800-1000 Вт, стоит применять группу АКБ на 12В.

— для систем мощностью 1000 до 3000 Вт, стоит применять группу АКБ на 24В.

— для систем мощностью выше 3000 Вт, стоит применять только группу АКБ на 48В.

Номинальная выходная мощность

Выходная мощность должна быть достаточной для питания выбранных вами нагрузок, а также учитывать их тип. Важно чтобы номинальная выходная мощность инвертора была больше чем сумма всех ваших нагрузок, т.к. они могу включиться одновременно.

Пиковая выходная мощность

Также надо знать, что некоторые потребители требуют намного большую мощность в течение нескольких первых секунд работы – обычно это насосы и компрессоры. Например, холодильник при включении компрессора потребляет в 10 раз больше, чем написано в его характеристиках. А для запуска насоса водоснабжения пиковая мощность включения выше в 3-5 раз, чем номинальная. Если инвертор не выдаст эту мощность, такой потребитель не включится, а инвертор отключится по защите от перегрузок или может даже сгореть. Поэтому необходимо посчитать пиковую мощность, необходимую для запуска ваших нагрузок.

КПД

КПД является важным параметром для инвертора, который используется в автономных системах – чем он выше, тем меньше он будет расходовать запасенной в «драгоценных» АКБ энергии. Для бесперебойных систем КПД также важен, но не является определяющим. Если КПД не указан или ниже 92%, то это означает что инвертор не стоит брать для долговременной автономной работы.

Потребление холостого хода

Собственное потребление инвертора при отсутствии нагрузки (так называемый «холостой ход») не должно быть высоким. Потребление «Х.Х» зависит от напряжения АКБ: для современного инвертора на 12В  – это не должно быть более чем 10-20Вт, на 24В – более чем 20-30Вт, на 48В  – не выше 45-55Вт. Этот параметр показывает насколько эффективно будет расходоваться энергия из АКБ при отсутствии внешнего питания.

Для снижения собственного потребления холостого хода, производители инверторов используют функцию «энергосбережения» или «дежурный режим». В этом режиме потребление инвертора снижается 3-10 раз (до 5-10Вт), что дает значительную экономию. Но, к сожалению, не все потребители совместимы с таким режимом, поэтому его применение возможно в крайне ограниченных случаях.

Защита от нештатных ситуаций.

Для того, чтобы оборудование и ваши потребители служили долго и не выходили из строя раньше времени, а также для вашей личной безопасности, в инверторах реализовано множество защит. Ниже предлагаем минимальный список того, что должен контролировать и от чего должен защищать инвертор:

— от высокого и низкого напряжения на АКБ,

— от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке,

— от перегрузки,

— от перегрева.

Рабочий температурный диапазон.

В случае, если Вы планируете использовать инвертор в не отапливаемом помещении, необходимо обратить внимание на рабочий температурный диапазон выбранной модели. Широкий температурный диапазон обычно указывает на то, что его можно использовать на транспорте. Для бытового применения широкий температурный диапазон не так важен – будет достаточно от -10С до +50С.

Время переключения

Этот параметр важен для чувствительной нагрузки. Обычно под ней подразумеваются медицинские приборы жизнеобеспечения, мощные компьютеры и т.д. Обычные современные бытовые приборы включая ТВ, ноутбуки и котлы обогрева, не очень чувствительны к этому параметру. Если время переключения равно 20 или 10 мс, то этого обычно достаточно. Но для важных потребителей выбирайте онлайн-преобразователи – у них время переключения 0 мс.

Дисплей и коммуникационные порты

Если ранее инверторы имели минимальный набор настроек и отображений параметров, то сейчас практически нет устройств без дисплеев. Постепенно инверторы становились все сложнее и обычные дисплеи уже не могут обеспечить необходимый набором настроек и отображений параметров. Поэтому в инверторы добавили коммуникационные порты и создали программы для компьютера, с помощью которых стало возможно отображение полной информации и установка тонких настроек оборудования.

Мониторинг и удаленное управление.

С удешевлением беспроводной связи и интернета стали доступны такие опции как удаленный мониторинг и управление системой через Интернет. Более того, беспроводные коммуникации позволяют отказаться от простых дисплеев и коммуникационных портов – на экран смартфона и через интернет все это реализуется лучше и проще. Эти опции перешли из разряда «дорогих игрушек» в необходимость, теперь они обязательны в любом современном инверторе.

Производитель и гарантия.

Инвертор приобретается на длительное время, поэтому важно быть уверенным в том, что он прослужит долго. Современный инвертор — это мощный и сложный прибор с микропроцессорным управлением. Производитель таких приборов должен иметь большой опыт в их создании, хорошую историю и сервисные центры для обслуживания оборудования. Проверьте отзывы о производителе и выбранных моделях перед покупкой.

6.

5. Эффективность инверторов | EME 812: Солнечная энергия и ее концентрация

Печать

6.5. Эффективность инверторов

Эффективность инвертора показывает, сколько энергии постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока. Часть мощности может быть потеряна в виде тепла, а также часть мощности в режиме ожидания потребляется для поддержания инвертора в режиме питания. Общая формула эффективности:

ηinv=PACPDC

(11.3)

где P _AC – выходная мощность переменного тока в ваттах, а P _DC — потребляемая мощность постоянного тока в ваттах.

Высококачественные синусоидальные инверторы имеют КПД 90-95%. Модифицированные синусоидальные инверторы более низкого качества менее эффективны — 75-85%. Высокочастотные инверторы обычно более эффективны, чем низкочастотные.

Эффективность инвертора зависит от нагрузки инвертора.

Рисунок 11.8. Типичная общая кривая эффективности инвертора. Ниже 10-15% выходной мощности эффективность довольно низкая. При высокой выходной мощности КПД устойчиво высок с небольшими отклонениями.

Авторы и права: Марк Федкин

Поведение на рис. 11.8 частично обусловлено тем фактом, что потери инвертора в режиме ожидания одинаковы для всех уровней выходной мощности, поэтому КПД при более низких выходных мощностях больше влияет на эффективность.

Существует три типа рейтинга эффективности, используемых для инверторов. Вы можете встретить эти цифры, изучая различные модели и производителей. Вот эти три типа:

1. Пиковая эффективность (показана стрелкой на рис. 11.8) указывает производительность инвертора при оптимальной выходной мощности. Он показывает максимальную точку для конкретного инвертора и может использоваться как критерий его качества.
2. Европейская эффективность – это взвешенное значение, учитывающее, как часто инвертор будет работать на разных выходных мощностях. Иногда это более полезно, чем пиковая эффективность, так как показывает, как работает инвертор при различных уровнях выходной мощности в течение солнечного дня.
3. Калифорнийская энергетическая комиссия (CEC) эффективность также является взвешенной эффективностью, аналогичной европейской эффективности, но в ней используются другие допущения относительно взвешивающих факторов.

Основное различие между эффективностью Европы и CEC заключается в том, что предположения о важности каждого уровня мощности для конкретного инвертора основаны на данных для Центральной Европы в первом случае и Калифорнии во втором. Следовательно, для расчета этих значений используются разные формулы: +0,05η20%+0,12η30%+0,21η50%+0,53η75%+0,05η100%

(11,5)

Эти методы расчетов необходимо учитывать при использовании спецификаций инвертора (Martin, 2011).

Чтобы узнать больше об эффективности инвертора, перейдите к следующему чтению.

Задание для чтения

Глава книги : Mertens, K and Hanser K.F., Photovoltaics: Fundamentals, Technology and Practice , Chapter 7, Section 7.2. 4 Efficiency of Inverters, pp. 177-181.

Пожалуйста, ответьте на следующие вопросы для самопроверки на основе вышеприведенного материала.

Проверьте свои знания

Вопрос 1

Каков КПД инвертора, который выдает 2000 Вт переменного тока, используя 2200 Вт постоянного тока?

Вопрос 2

Вопрос 3

Посмотрите, можете ли вы оценить европейский КПД для инвертора со следующими данными кривой КПД: при выходной мощности 5% η=85%, при 10% η=91% , при 20% — η=96%, при 30% η=97%, при 50% η=96%, при 100% мощности η=95%. Введите свое значение ниже, сравните с ответом.

‹ 6.4. Инверторы: принцип работы и параметры вверх 6.6. Коммутационные устройства ›

Что такое инвертор: характеристики инвертора, эффективность и многое другое

 Инвертор является одним из самых важных и сложных компонентов в независимой энергетической системе. Чтобы выбрать инвертор, вам не нужно разбираться в его внутренней работе, но вы должны знать некоторые основные функции, возможности и ограничения. В этой статье вы найдете некоторую информацию, необходимую для выбора правильного инвертора и его разумного использования.

Зачем нужен инвертор

Независимые системы электроснабжения не привязаны к общей электросети. Они различаются по размеру от крошечных дворовых фонарей до отдаленных домов, деревень, парков, медицинских и военных объектов. Они также включают мобильные, портативные и аварийные системы резервного копирования. Их общей связью является аккумуляторная батарея, которая поглощает и высвобождает энергию в виде электричества постоянного тока (DC).

В противоположность этому коммунальная сеть обеспечивает вас электроэнергией переменного тока. Переменный ток — это стандартная форма электричества для всего, что «подключается» к электросети. DC течет в одном направлении. AC меняет свое направление много раз в секунду. Переменный ток используется для обслуживания сети, потому что он более практичен для передачи на большие расстояния.

Инвертор Magnum

Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, а также изменяет напряжение. Другими словами, это адаптер питания. Это позволяет системе на основе батареи запускать обычные приборы через обычную домашнюю проводку. Есть способы напрямую использовать постоянный ток, но для современного образа жизни вам понадобится инвертор для подавляющего большинства, если не для всех ваших нагрузок (нагрузки — это устройства, потребляющие энергию).

Между прочим, существует еще один тип инвертора, называемый сетко-интерактивным. Он используется для подачи солнечной (или другой возобновляемой) энергии в дом, подключенный к сети, и для подачи избыточной энергии обратно в коммунальную сеть. Если в такой системе не используются батареи для резервного хранения, она не является независимой от сети и не входит в сферу применения данной статьи.

Непростое устройство

Внешне инвертор выглядит как коробка с одним или двумя переключателями на ней, но внутри находится небольшая вселенная динамической активности. Современный домашний инвертор должен справляться с широким спектром нагрузок, от одиночного ночника до большого скачка напряжения, необходимого для запуска скважинного насоса или электроинструмента. Напряжение батареи солнечной или ветровой системы может варьироваться на 35 процентов (в зависимости от состояния заряда и активности).

При этом инвертор должен регулировать качество своей продукции в узких пределах с минимальными потерями мощности. Это не простая задача. Кроме того, некоторые инверторы обеспечивают резервную зарядку аккумуляторов и могут даже подавать избыточную мощность в сеть.

БЕСПЛАТНОЕ руководство по солнечному инвертору

Узнать больше »

Определите свои потребности

Чтобы выбрать инвертор, вы должны сначала определить свои потребности. Тогда вам нужно узнать о инверторах, которые доступны. Производители инверторов печатают все, что вам нужно знать, в своих спецификациях (обычно называемых «спецификациями»). Вот список факторов, которые вы должны учитывать.

Среда применения

Где должен использоваться инвертор? Инверторы доступны для использования в зданиях (включая дома), для транспортных средств для отдыха, лодок и портативных устройств. Будет ли он каким-то образом подключен к коммунальной сети? Электрические соглашения и стандарты безопасности различаются для различных приложений, поэтому не импровизируйте.

Электрические стандарты

Входное напряжение постоянного тока должно соответствовать напряжению электрической системы и аккумуляторной батареи. 12 вольт больше не являются доминирующим стандартом для домашних энергосистем, за исключением очень маленьких и простых систем. Сейчас стандартом являются 24 и 48 вольт. Система с более высоким напряжением пропускает меньший ток, что делает проводку системы дешевле и проще.

Выходная мощность переменного тока инвертора должна соответствовать обычной мощности в регионе, чтобы обеспечить работу доступных на месте приборов. Стандарт для коммунальных услуг переменного тока в Северной Америке составляет 115 и 230 вольт при частоте 60 герц (циклов в секунду). В Европе, Южной Америке и большинстве других мест это 220 вольт при 50 герцах.

Сертификат безопасности

Инвертор должен быть сертифицирован независимой испытательной лабораторией, такой как UL, ETL, CSA и т. д., и иметь соответствующую печать. Это ваша гарантия того, что он будет безопасным, будет соответствовать спецификациям производителя и будет одобрен при проверке электрических характеристик. Существуют разные стандарты проектирования и оценки для различных сред применения (здания, транспортные средства, лодки и т. д.). Они также варьируются от одной страны к другой.

Мощность

Какую нагрузку может выдержать инвертор? Его выходная мощность измеряется в ваттах (ватты = амперы x вольты). Существует три уровня номинальной мощности: непрерывная, ограниченная по времени и бросковая. Непрерывный означает количество энергии, которое инвертор может обрабатывать в течение неопределенного периода времени. Когда инвертор рассчитан на определенное количество ватт, это число обычно относится к его непрерывной мощности.

Ограниченный по времени рейтинг — это более высокое количество ватт, которое он может обрабатывать в течение определенного периода времени, обычно 10 или 20 минут. В технических характеристиках инвертора эти характеристики должны определяться в зависимости от температуры окружающей среды (температуры окружающей атмосферы). Когда инвертор становится слишком горячим, он отключается. Это произойдет быстрее в жаркой атмосфере. Третий уровень номинальной мощности, импульсная способность, имеет решающее значение для его способности запуска двигателей и обсуждается ниже.

Некоторые инверторы спроектированы так, чтобы их можно было соединять или расширять по модульному принципу, чтобы увеличить их мощность. Наиболее распространенная схема — «укладка» двух инверторов. Кабель соединяет два инвертора, чтобы синхронизировать их, чтобы они работали как единое целое.

Качество электроэнергии: синусоида в сравнении с «модифицированной синусоидой»

Некоторые инверторы производят «более чистую» мощность, чем другие. Проще говоря, «синусоида» чистая; все остальное грязно. Синусоида имеет естественную гладкую геометрию, подобную траектории качающегося маятника. Это идеальная форма переменного тока. Коммунальная сеть производит энергию синусоидальной волны в своих генераторах и (обычно) доставляет ее потребителю относительно без искажений. Синусоидальный инвертор может обеспечить более чистую и стабильную мощность, чем большинство подключений к сети.

Насколько чиста «синусоида»? Производитель может использовать термины «чистый» или «истинный» для обозначения низкой степени искажения. Факты включены в технические характеристики инвертора. Общие гармонические искажения (THD) ниже 6 процентов должны удовлетворять обычным домашним требованиям. Ищите менее 3 процентов, если у вас есть необычно критическая электроника, как, например, в студии звукозаписи.

Другие характеристики тоже важны. Регулировка среднеквадратичного напряжения обеспечивает стабильное освещение. Оно должно быть плюс-минус 5 процентов или меньше. Регулировка пикового напряжения (Vp) должна составлять плюс-минус 10 процентов или меньше.

Инвертор с «модифицированной синусоидой» дешевле, но он создает искаженную прямоугольную форму волны, напоминающую ход маятника, который бьют туда-сюда молотками. По правде говоря, это вовсе не синусоида. Вводящий в заблуждение термин «модифицированная синусоида» был придуман рекламщиками. Инженеры предпочитают называть это «модифицированной прямоугольной волной».

«Измененная синусоида» отрицательно влияет на многие электрические нагрузки. Это снижает энергоэффективность двигателей и трансформаторов на 10–20 процентов. Теряемая впустую энергия приводит к аномальному нагреву, что снижает надежность и срок службы двигателей, трансформаторов и других устройств, включая некоторые бытовые приборы и компьютеры. Неровная форма сигнала сбивает с толку некоторые цифровые устройства синхронизации.

Около 5 процентов бытовых приборов просто не будут работать на модифицированной синусоиде. Из динамиков почти каждого аудиоустройства будет слышен гул. Раздражающее гудение также будет издаваться некоторыми люминесцентными лампами, потолочными вентиляторами и трансформаторами. Некоторые микроволновые печи гудят или производят меньше тепла. Телевизоры и компьютеры часто показывают на экране бегущие линии. Сетевые фильтры могут перегреваться и не должны использоваться.

Модифицированные синусоидальные инверторы допускались в 1980-х годах, но с тех пор настоящие синусоидальные инверторы стали более эффективными и более доступными. Некоторые люди идут на компромисс, используя модифицированный волновой инвертор для работы своих более крупных электроинструментов или других случайных тяжелых нагрузок, и небольшой синусоидальный инвертор для работы с меньшими, более частыми и более чувствительными нагрузками. Модифицированные волновые инверторы в системах возобновляемой энергии начали уходить в историю.

Эффективность

Невозможно преобразовать мощность, не потеряв часть ее (это как трение). Мощность теряется в виде тепла. Эффективность — это отношение выходной мощности к потребляемой, выраженное в процентах. Если КПД составляет 90 процентов, в инверторе теряется 10 процентов мощности. КПД инвертора зависит от нагрузки. Как правило, она будет максимальной примерно при двух третях мощности инвертора. Это называется его «максимальной эффективностью». Инвертору требуется некоторая мощность только для работы, поэтому эффективность большого инвертора будет низкой при работе с очень маленькими нагрузками.

В обычном доме много часов в день, когда электрическая нагрузка очень низкая. В этих условиях КПД инвертора может составлять около 50 процентов или меньше. Полная история рассказана графиком зависимости эффективности от нагрузки, опубликованным производителем инвертора. Это называется «кривой эффективности». Внимательно прочитайте эти кривые. Некоторые производители обманывают, начиная кривую со 100 Вт или около того, а не с нуля!

Поскольку КПД зависит от нагрузки, не думайте, что инвертор с 93-процентная пиковая эффективность лучше, чем 85-процентная пиковая эффективность. Если блок с эффективностью 85 процентов более эффективен при низких уровнях мощности, он может тратить меньше энергии в течение обычного дня.

Внутренняя защита

Чувствительные компоненты инвертора должны быть хорошо защищены от перенапряжений от молнии и статического электричества, а также от перенапряжений, возникающих от двигателей в условиях перегрузки. Он также должен быть защищен от перегрузок. Перегрузки могут быть вызваны неисправным устройством, неисправностью проводки или просто слишком большой нагрузкой одновременно.

Инвертор должен иметь несколько цепей датчиков, чтобы отключаться, если он не может должным образом обслуживать нагрузку. Он также должен отключаться, если напряжение питания постоянного тока слишком низкое из-за низкого уровня заряда батареи или другой неисправности в цепи питания. Это защищает аккумуляторы от повреждения при переразряде, а также защищает инвертор и нагрузку. Все эти защитные меры являются стандартными для инверторов, сертифицированных для использования в зданиях.

Питание насоса подачи воды

В удаленных местах водяная скважина или нагнетательный насос часто предъявляют наибольшую нагрузку на инвертор. Он требует особого рассмотрения. Большинство насосов потребляют очень большой ток при запуске. Инвертор должен иметь достаточную пропускную способность, чтобы справиться с ним при работе любых других нагрузок, которые могут быть включены. Важно правильно выбрать инвертор, особенно для того, чтобы справиться с пусковым скачком напряжения. Увеличьте его еще больше, если вы хотите, чтобы он запускал насос, не вызывая затемнения или мигания света. Обратитесь за помощью к своему поставщику, поскольку производители инверторов не предоставили достаточных данных для определения размеров насосов.

В Северной Америке большинство насосов (особенно погружных) работают от 230 вольт, в то время как небольшие приборы и светильники используют 115 вольт. Чтобы получить 230 вольт от инвертора на 115 вольт, либо используйте два инвертора, «уложенных друг на друга» (если они предназначены для этого), либо используйте трансформатор для повышения напряжения.

Если у вас еще не установлен насос, вы можете приобрести насос на 115 вольт, если вам не требуется более 1/2 л.с. Подрядчик по водяным насосам часто поставляет насос большей мощности, чем это необходимо для ресурсосберегающего домохозяйства. Вы можете запросить насос меньшего размера, или может быть целесообразно (и экономично) заменить существующий насос на насос меньшего размера. Вы также можете выбрать один из постоянно растущего числа доступных высокоэффективных насосов постоянного тока, чтобы снять нагрузку с вашего инвертора.

Функции зарядки аккумуляторов

Резервная зарядка аккумуляторов необходима для большинства систем возобновляемой энергии, поскольку возможны случаи, когда естественного источника энергии недостаточно. Некоторые инверторы имеют встроенное зарядное устройство, которое перезаряжает аккумуляторную батарею всякий раз, когда подается питание от генератора переменного тока или от электросети (если батареи еще не заряжены). Это также означает, что инвертор может быть полной аварийной системой резервного питания для нужд сети (просто добавьте батареи).

В инвертор не обязательно встраивать зарядное устройство резервного аккумулятора. Отдельные зарядные устройства в некоторых случаях превосходят встроенные в инверторы. Это особенно верно в случае инверторов с низкой частотой переключения, которым, как правило, требуется генератор увеличенной мощности для обеспечения полного номинального зарядного тока.

Технические характеристики, относящиеся к системам зарядки аккумуляторов, включают максимальную скорость зарядки (ампер) и требования к входной мощности переменного тока. Лучшие зарядные устройства имеют двух- или трехступенчатую регулировку заряда, размещение разных типов аккумуляторов (залитых или герметичных), температурную компенсацию и другие доработки.

Будьте внимательны при подборе генератора в соответствии с требованиями инвертора/зарядного устройства. Некоторые инверторы требуют, чтобы генератор был слишком большого размера (из-за низкого коэффициента мощности, что выходит за рамки этой статьи). Обязательно получите опытный совет по этому поводу, иначе вы можете быть разочарованы результатами.

Индуктивные нагрузки и импульсная способность

Некоторые нагрузки поглощают энергию волны переменного тока с временной задержкой (например, буксировка автомобиля резиновым ремнем). Такие нагрузки называются индуктивными. Двигатели относятся к наиболее индуктивным нагрузкам. Они встречаются в скважинных насосах, стиральных машинах, холодильниках, электроинструментах и ​​т. д. Телевизоры и микроволновые печи также являются индуктивными нагрузками. Подобно двигателям, они потребляют мощность при запуске.

Если инвертор не может эффективно питать индуктивную нагрузку, он может просто отключиться вместо запуска устройства. Если импульсная способность инвертора незначительна, его выходное напряжение будет падать во время выброса. Это может привести к затемнению света в доме, а иногда и к сбою компьютера.

Любая неисправность батареи и кабелей инвертора еще больше ограничит его способность запуска двигателя. Аккумуляторная батарея небольшого размера, в плохом состоянии или с проржавевшими соединениями может быть слабым звеном в цепи питания. Кабели инвертора и соединительные кабели аккумулятора должны быть большими, и я имею в виду ДЕЙСТВИТЕЛЬНО большими, возможно, размером с большой палец! Всплеск постоянного тока через эти кабели составляет многие сотни ампер в момент запуска двигателя. Следуйте руководству по эксплуатации инвертора при выборе размеров кабелей, иначе вы обманете себя. Покройте соединения аккумулятора защитным покрытием, чтобы уменьшить коррозию.

Idle Power

Idle Power потребляет инвертор, когда он включен, но нагрузки не работают. Это «потерянная» мощность, поэтому, если вы ожидаете, что инвертор будет работать в течение многих часов, в течение которых будет очень небольшая нагрузка (как в большинстве жилых помещений), вы хотите, чтобы она была как можно меньше. Типичная мощность холостого хода составляет от 15 Вт до 50 Вт для домашнего инвертора. В спецификации инвертора может быть указан «ток холостого хода» инвертора в амперах. Чтобы получить ватты, просто умножьте амперы на постоянное напряжение системы.

Низкая частота переключения и высокая частота переключения

Есть два способа построить инвертор. Не углубляясь в теорию, просто скажу, что есть различия в весе, стоимости, импульсной емкости, мощности в режиме холостого хода и шуме.

Инвертор с низкой частотой переключения большой и тяжелый (обычно около 20 фунтов (10 кг) на киловатт) и дороже. Он обладает высокой импульсной мощностью (в четыре-восемь раз больше непрерывной мощности), необходимой для запуска больших двигателей. Остерегайтесь акустического гула, который издают инверторы с низкой частотой переключения. Если вы установите его рядом с жилым помещением, вы можете быть недовольны шумом.

Инвертор с высокой частотой переключения намного меньше и легче (обычно около 5 фунтов (2,5 кг) на киловатт), а также дешевле. Он имеет меньшую пиковую емкость, обычно примерно в два раза превышающую непрерывную емкость. Он производит мало или совсем не слышимый шум. Мощность на холостом ходу обычно выше. Если инвертор слишком велик для запуска двигателя, его мощность холостого хода будет еще выше и может быть непомерно высокой. В большинстве домов, где есть скважинный насос или другие двигатели мощностью более 1 л.с., более экономичным будет инвертор с низкой частотой переключения.

Оба типа инверторов имеют свои достоинства. Некоторые люди «разделяй и властвуй», разделяя нагрузку и используя два инвертора. Это добавляет меру избыточности. Если один когда-нибудь выйдет из строя, другой может служить в качестве резервного.

Автоматическое включение/выключение

Работа инвертора на холостом ходу может быть существенной нагрузкой для небольшой энергосистемы. Большинство инверторов, предназначенных для домашних энергосистем, имеют автоматическое определение нагрузки. Инвертор выдает короткий импульс мощности примерно каждую секунду (более или менее). Когда вы включаете нагрузку переменного тока, она определяет потребляемый ток и включается. У производителей есть разные названия для этой функции, включая «требование нагрузки», «спящий режим», «энергосбережение», «автозапуск» и «режим ожидания».

Автоматическое включение/выключение может усложнить жизнь, поскольку малая нагрузка может не привести к включению инвертора или остаться включенным. Например, стиральная машина может делать паузы между циклами, когда работает только таймер. Таймер потребляет менее 10 Вт. «Порог» включения инвертора может быть 10 или 15 Вт. Инвертор выключается и не включается снова, пока не увидит дополнительную нагрузку от какого-то другого устройства. Возможно, вам придется оставить свет включенным во время стирки.

Некоторые люди не могут приспособиться к таким ситуациям. Поэтому инверторы с автоматическим включением/выключением также имеют настройку постоянного включения. С его помощью вы можете управлять маломощными ночными светильниками, часами, факсом, автоответчиком и другими небольшими нагрузками без потери непрерывности. В этом случае хороший проектировщик системы добавит мощность инвертора в режиме ожидания в расчет нагрузки (24 часа в сутки). Стоимость системы питания будет выше, но она будет соответствовать ожиданиям современного человека.

Фантомные нагрузки и нагрузки на холостом ходу

Высокотехнологичные потребители (большинство из нас — американцы) застряли с гаджетами, потребляющими энергию всякий раз, когда они подключены к сети. Некоторые из них используют энергию, чтобы вообще ничего не делать. Например, телевизор с пультом дистанционного управления. Его электрическая система глаз работает днем ​​и ночью, наблюдая за вашим сигналом включения экрана. Каждое устройство с внешним настенным трансформатором потребляет электроэнергию, даже когда оно выключено. Этих маленьких демонов называют «фантомными нагрузками», потому что их тяга к силе является неожиданной, невидимой и легко забываемой.

Аналогичная проблема — «холостой ход». Это устройства, которые должны быть включены все время, чтобы функционировать, когда это необходимо. К ним относятся детекторы дыма, системы сигнализации, датчики движения, факсимильные аппараты и автоответчики. Системы центрального отопления имеют трансформатор в цепи термостата, который остается включенным все время. Беспроводные (перезаряжаемые) приборы потребляют энергию даже после полной зарядки аккумуляторов. Если сомневаетесь, пощупайте устройство. Если он теплый, это указывает на потраченную впустую энергию. Сколько у вас фантомных или холостых нагрузок?

Есть несколько способов справиться с фантомными и холостыми нагрузками:

• Вы можете избежать их (в маленьком салоне или в простой жизненной ситуации).
• Вы можете свести к минимуму их использование и отключать их, когда они не нужны, с помощью внешних переключателей (таких как переключаемые вставные планки или розетки).
• Вы можете обойти их, изменив определенное оборудование, чтобы полностью отключить его (например, контуры термостата центрального отопления).
• Вы можете использовать некоторые устройства постоянного тока.
• Вы можете доплатить за достаточно мощную систему питания, чтобы справиться с дополнительными нагрузками плюс ток холостого хода инвертора.

Будьте осторожны и честны, если хотите избежать всех фантомных и холостых нагрузок. Вы не всегда можете предвидеть будущие потребности или поведение человека.

Качество окупается

Хороший инвертор — это устройство промышленного качества, которое доказало свою надежность, сертифицировано по безопасности и может служить десятилетиями. Дешевый инвертор может вскоре оказаться на свалке и даже стать пожароопасным. Считайте свой инвертор основным компонентом. Купите хороший, который позволит в будущем расширить ваши потребности.

Ваш окончательный выбор

Выбор инвертора не является сложной задачей. Определите, где он будет использоваться. Определите, какие типы нагрузок (приборов) вы будете запитывать. Определите максимальную мощность, которую инвертор должен выдерживать. Критично ли качество электроэнергии? Имеет ли значение размер и вес? Таблица выбора инвертора поможет вам определить, какой тип инвертора лучше всего подходит для вас.

Ваш следующий шаг — узнать, какие инверторы доступны на рынке. Изучите рекламу и каталоги или спросите у своего любимого дилера.