Инвертор "чистый синус": принцип работы, плюсы и минусы

Где купить

Инвертор — это прибор, который не относится к товарам повседневного спроса, поэтому его нельзя приобрести в простом магазине или супермаркете. Реализацией подобных изделий занимаются специализированные организации и торговые сети, ориентированные на альтернативные виды энергии, используемые для автономного электроснабжения объектов различных типов.

Если у потребителя уже установлена солнечная электростанция или ветровой генератор, то лучше всего приобрести модель того производителя, оборудование которого уже используется. Для этого необходимо найти дилера этой компании и заключить с ним договор поставки.

Если создается новая система автономного электроснабжения и пользователь самостоятельно выполняет ее комплектацию, то можно пойти несколькими путями, это:

Опять же найти дилера компании, производящей подобные устройства и приобрести товар у него.
Обратиться в торговую компанию, реализующую приборы из этой группы товаров.
Поискать необходимое устройство в сети интернет, где представлен достаточно широкий ассортимент подобных устройств.

Как работает инвертор на основе SPWM сигнала

Схема подобного инвертора показана на следующем рисунке.

Как вы видите, мы использовали в схеме два MOSFET транзистора N-типа и полумост для управления трансформатором. Для уменьшения нежелательных шумов и защиты MOSFET транзисторов мы использовали два диода 1N5819, включенных параллельно MOSFET транзисторам. Для уменьшения возможных нежелательных импульсов, формируемых в секции управления, мы использовали резисторы сопротивлением 4.7 Ом, включенных параллельно диодам 1N4148. И, наконец, транзисторы BD139 и BD 140 включены по двухтактной схеме для управления затворами MOSFET транзисторов потому что MOSFET транзисторы имеют очень большое емкостное сопротивление затвора и требуют как минимум напряжения 10V на своем затворе чтобы работать корректно.

Для лучшего понимания принципов работы представленной схемы на следующем рисунке мы привели ее половину. Рассмотрим случай когда MOSFET транзистор в ней открыт – в этой ситуации ток протекает сначала через трансформатор и затем через MOSFET транзистор замыкается на землю, таким образом, магнитный поток возникает в том же самом направлении, в котором течет ток, поэтому сердечник трансформатора передает этот магнитный поток на вторую обмотку и, таким образом, на выходе мы получаем положительную половину цикла синусоидального сигнала.

В следующем цикле ток течет уже в обратном направлении и, следовательно, магнитный поток возникает в этом же самом направлении, поэтому направление магнитного потока в сердечнике трансформатора также изменяется (по сравнению с предыдущим рассмотренным случаем).

То есть теперь мы знаем, что направление магнитного потока в трансформаторе изменяется. Таким образом, включая и выключая оба MOSFET транзистора (они инвертированы по отношению друг к другу) и осуществляя эти переключения 50 раз в секунду, мы будем формировать изменяющееся магнитное поле в сердечнике трансформатора, следовательно, будет изменяться направление тока во вторичной обмотке трансформатора в соответствии с законом Фараде. В этом и заключается основной принцип работы инвертора.

Теперь на следующем рисунке рассмотрим полную схему чистого синусоидального инвертора на основе платы Arduino.

Как вы видите из представленной схемы, переключение циклов работы выше представленной схемы инвертора будет осуществляться с помощью двух цифровых контактов платы Arduino.

Конструкция проекта

В демонстрационных целях мы собрали схему нашего инвертора на стрипборде (Veroboard). На выходе трансформатора схемы будет протекать огромный ток, поэтому в этом месте коннекторы (соединители) необходимо использовать как можно толще.

Полезные рекомендации

Советы по выбору и установке инверторного источника питания:

При использовании преобразователя, подключенного к бортовой сети автомобиля, потребляемая мощность не должна превышать отдачу генератора (с учетом энергопотребления систем освещения и зажигания). В противном случае начнется разрядка аккумулятора, что приведет к остановке двигателя.
Рекомендуется покупать оборудование с алюминиевым корпусом, обеспечивающим отвод тепла. Встречаются устройства с активным охлаждением и стальным кожухом, выдерживающим повышенные нагрузки. Преобразователи с такими корпусами рассчитаны на эксплуатацию в жестких условиях.
При подборе следует учитывать стандарт розетки на преобразователе. Большинство приборов оборудовано штекером европейского формата с контактом заземления, встречаются изделия с универсальной розеткой.

Варианты применения ИБП с аппроксимированной синусоидой

Как вы уже поняли, можно допускать применение инверторов ИБП: синусоидальная аппроксимация присутствует и с чистой синусоидой. Все зависит от оборудования, которое будет получать электроэнергию через такие источники.

Где ступенчатая синусоида не мешает

Если оборудование не имеет в своей схеме диммеров (электронных приборов регулировки), конденсаторов, индуктивных катушек и использует активную нагрузку, то оно не восприимчиво к той или иной синусоиде. Таких приборов не очень много, но они все-таки есть, и мы их широко используем в быту:

обычные лампы накаливания;
простые электроплиты;
утюги, фены, паяльники;
электрообогреватели типа каминов;
электробойлеры (не все).

Негативное влияние аппроксимации

В Сети иногда проскакивает мнение, что все осветительные приборы могут функционировать от ИБП с аппроксимированной синусоидой, но это только полуправда. В большинстве случаев мы не используем не «лампочку Ильича», а более современные светильники с преобразователем напряжения ≈220-230 V. Подавляющее большинство людей даже не задумываются над принципами работы таких осветительных приборов, но посмотрите результаты теста некоторых из них, которые представлены в таблице ниже.

Отклонение от чистоты линии должно быть менее 8%Источник mykharkov.info

В таблице сравниваются параметры разных моделей светильников при подключении к обычной сети ≈220-230 V и к источнику бесперебойного питания, где присутствует ступенчатая аппроксимация синусоиды. Для эксперимента был использован ИБП компании APC с мощностью 500 V*A.

Даже неискушенный пользователь заметит, что электрические характеристики приборов освещения становятся другими при модифицированной синусоиде и эти изменения происходят с негативом – потребляемый ток возрастает, а КПД (яркость) падает. Возможна также ещё одна реакция, например, когда для ограничения мощности добавляют конденсатор, он соберет все реактивные токи, что одновременно будут делать диоды, и мощность, конечно же, увеличится в несколько раз, но это очень быстро выведет лампу из строя. Но при подключении к другому автономному ИБП 12/220 V такой картины не наблюдается, и лампа работает нормально.

Отсюда можно сделать вывод: подключение светодиодов или люминесцентных ламп на квази-синус зависит от случая: может сгореть, но может функционировать в нормальном режиме. Если говорить о правильной работе приборов, где в значительной степени присутствуют реактивные токи, а также для устройств, которые чувствительны к помехам, то придется использовать только источники типа on-line, выдающих чистую синусоиду.

Среди агрегатов, которым в любом случае противопоказана аппроксимированная синусоида можно назвать:

все котлы отопления с электрическим циркуляционным насосом и электронным управлением;
насосы для водоснабжения, в том числе гидрофоры и погружные модели;
вентиляторы промышленного и бытового типа;
вся техника с трансформаторами.

Чистый и модифицированный синус. В чем отличие.

Подводя итоги можно сказать, что использование ступенчатой синусоиды для приборов, генерирующих реактивные токи, в лучшем случае обернется невозможностью их запуска, а худшие варианты – это падение коэффициента мощности и даже быстрый выход из строя. Потому источники бесперебойного питания типа on-line, где на выходе чистый синус, это лучший вариант бесперебойника как на промышленном, так и на бытовом уровне.

Модифицированная синусоида, аппроксимация, чистый синус своими руками. Инвертор, солнечная батарея

Синус, иными словами количество энергии в одном полупериоде, чем острее и тоньше волна или полупериод, тем меньшее в нём количество энергии.

Для сетевого напряжения этот показатель равен 0,8. Для генератора, инвертора, источника бесперебойного питания синус равен ~ 0,6.

В некоторых описаниях инверторов и ИБП, можно встретить академическую браваду и туман с целью придания сверх научно-технической значимости и технологичности из таких терминов как аппроксимация синусоиды, улучшенная магнитострикция и пр.
На самом деле здесь ничего сверхъестественного нет, только туман и желание продать простое за сложное.
Подобные термины используются для китайского электротехнического металлолома, когда нет возможности удивить качеством и надёжностью.
Уважающие себя и потребителя фирмы стараются писать доступным пониманию языком.
Так аппроксимация синусоиды всего лишь — приближенная к синусоиде, подобие синусоиды или модифицированная синусоида.

Как в солнечных батареях, подмена понятий аморфный и поликристаллический кремний на мультикристаллический. С целью фонетической схожести с более качественными монокристаллическими солнечными батареями.

Магнитострикция — изменение размера и формы магнито зависимых материалов, деформация в магнитном поле.

Проще говоря акустический фон в трансформаторных изделиях. Трансформаторы, как известно показали себя с этой стороны. В инверторах, источниках бесперебойного питания практически незаметный.

Что касается модифицированной синусоиды, то предложений по чистому синусу практически нет.

Отсюда высокая цена инвертора с чистым синусом. Учитывая повышенную сложность изделия и ненадёжную элементную базу, вероятность на отказ увеличивается в разы.

Этим объясняется высокая цена и естественное отсутствие спроса.

А нет спроса — нет предложения.

Тем не менее ситуацию можно частично менять в каждом конкретном случае. Подбором соответствующего стабилизатора, но как показала практика не совсем удачные варианты.

Продолжение..

* Подключают к аккумулятору последним, отключают первым. В режиме холостого хода солнечные батареи генерируют напряжение более 20 вольт, в результате электролитические конденсаторы исполняют Баха.

Как сделать своими руками

При желании изготовить инвертор типа «чистый синус» своими руками, необходимо помнить, что это достаточно сложное электронное устройство. При самостоятельном изготовлении необходимо не только уметь работать с паяльником, а также нужно знать, как правильно монтировать микросхемы и прочие электронные комплектующие. Уметь работать с электронными приборами, с помощью которых можно отслеживать форму выходного сигнала, а также подстраивать элементы схемы, обеспечивающие соответствие формы и силы выходного сигнала, предъявляемым требованиям.

Ниже, приведена одна из схем, используя которую, можно самостоятельно собрать подобный прибор. Это достаточно простая схема, но тем не менее, она широко используется и промышленными производителями таких устройств.

В качестве генератора сигналов используется микросхема КР1211ЕУ1, а в качестве ключей — транзисторы IRL2505. Повышающий трансформатор повышает напряжение на выходе до 220 вольт, а снижение высокочастотных помех осуществляет конденсатор.

Мощность устройства, собранного по этой схеме – до 0,5 кВт, в зависимости от мощности трансформатора.

Классификация

Основными критериями классификации этих приборов являются мощность, форма тока и входное напряжение. Выбор конкретной модели зависит от целей, с которыми приобретается устройство.

Для подключения к автомобильному прикуривателю используются простейшие компактные преобразователи небольшой мощности. От них могут получать питание гаджеты с низким потреблением электроэнергии (телефоны, ноутбуки, вентиляторы, фонарики).

Мощность инвертора, включаемого в прикуриватель, не должна превышать 150 Вт. В противном случае можно вывести из строя всю электропроводку автомобиля.

Преобразователи для питания приборов мощностью от 150 Вт присоединяют напрямую к клеммам аккумулятора. Чтобы снизить потери КПД, не рекомендуется использовать «крокодильчики», которые входят в комплектацию некоторых моделей. Для стабильного и надёжного подключения больше подойдут медные клеммы с винтовым соединением.

Номинальная и пиковая мощность

При выборе преобразователя следует суммировать мощность всех потребителей, которые будут к нему подключены. К полученному результату прибавляют ещё 20%, так как прибор не сможет долго работать на пределе возможностей. Кроме того, возможны потери вследствие плохого контакта в соединениях или низкого качества кабеля. Также нужно учитывать ёмкость аккумулятора.

Рассчитывать мощность инвертора необходимо по двум характеристикам: номинальной и пиковой. Первая из них определяет нагрузку, под которой прибор может работать длительное время. У бытовых моделей она обычно составляет от 60 до 1000 Вт. Однако существуют модификации, у которых этот показатель превышает 1 кВт. С их помощью можно обустроить мобильную мини-электростанцию. Их целесообразно покупать, например, для подключения электроинструментов.

Пиковая мощность характеризует максимальную нагрузку, которую инвертор может выдержать в течение короткого промежутка времени. Она варьируется в пределах 150 – 10000 Вт. Ток, потребляемый некоторыми электроприборами при начале работы, в несколько раз превышает номинальное значение

Выбирая преобразователь, нужно обязательно обратить внимание на этот момент, иначе подключенное к нему оборудование может не запуститься

Мнение эксперта
Кузнецов Василий Степанович

Если устройство используется при работающем двигателе автомобиля, ток его нагрузки не должен быть выше тока, вырабатываемого генератором.

Для бытовых нужд (например, путешествий на автомобиле) обычно бывает достаточно инвертора мощностью до 600 Вт. Этого хватит, чтобы включить холодильник, зарядить телефон, ноутбук или фонарик. Ток нагрузки такого прибора составляет примерно 50 А, что значительно меньше показателей современных автомобильных генераторов.

Форма тока

Важным критерием выбора преобразователя является форма тока, получаемая на выходе. От этого параметра зависит, какие приборы к нему можно подключить.

Существует два вида формы:

Чистая (непрерывная) синусоида. Диаграмма тока представляет собой ровную синусоиду. Такие приборы обеспечивают безопасное подключение любого оборудования. В схему этих устройств входят дорогостоящие комплектующие, поэтому цена на них достаточно высока.
Модифицированная (изменённая) синусоида. Диаграмма тока – ступенчатая. Такие инверторы нельзя использовать для подключения электроинструмента с асинхронными двигателями, компрессоров и приборов, восприимчивых к помехам. Оборудование либо вообще не запустится, либо будет работать в экстремальном режиме, что приводит к снижению КПД и сокращению срока службы. Преобразователи с модифицированной синусоидой подходят для питания ламп, обогревателей, коллекторных двигателей, телефонов, ноутбуков, телевизоров. Повысить качество работы можно за счёт дополнительной установки устройства плавного пуска.

Стоимость инверторов с чистым синусом достаточно высока. Приобретать их целесообразно только при необходимости подключить оборудование, несовместимое с модифицированной синусоидой.

Нужен ли инвертор с чистым синусом?

Попробуем разобраться с вопросом о форме выходного напряжения у ИБП и инверторов.

Очень часто встречаются рекомендации, что если нужно организовать питание (резервное питание) каких-то бытовых приборов и устройств, то нужен инвертор с «чистым» синусом. Эти рекомендации зачастую подтверждаются теоретическими доказательствами и размышлениями. Но что показывает практика применения инверторов с модифицированной синусоидой? А практика показывает то, что практически все (любые) электроприборы и устройства нормально работают от модифицированной синусоиды. Теоретики заявляют, что электродвигатели не работают от модифицированной синусоиды или начинают перегреваться, но на практике это не так. На самом деле, все, у кого не запустился электродвигатель от модифицированной синусоиды допустили ошибку в выборе мощности инвертора. Так как, например, компрессор бытового холодильника мощностью всего 100 Ватт при старте имеет очень большой пусковой ток. И может гарантированно запуститься только от инвертора, способного обеспечить мощность не менее 1000 Ватт (то есть в 10 раз больше).

Или при подключении циркуляционного насоса, насос начинает работать с непривычным звуком… Потребитель пугается и ошибочно воспринимает этот непривычный звук признаком неправильной работы насоса. Но ничего кроме непривычного звука в работе насоса не меняется. Насос работает и выполняет всё, что от него требуется…

И так практически с любым прибором или устройством. От инвертора с модифицированной синусоидой работает практически всё. Но всё же с некоторыми исключениями. Так, например от инвертора могут не работать котлы отопления. И связано это вовсе не с модифицированной синусоидой, а с тем, что некоторые котлы европейских производителей требуют соблюдения фазировки напряжения. У инвертора напряжение на выходе не фазное (отсутствуют ноль и фаза). И из за этого электроника котла неправильно определяет горение пламени и выдаёт ошибку. Для таких котлов нужны инверторы с пробросом нуля.

Ещё от инвертора с модифицированной синусоидой могут не работать плазменные телевизоры (не путать с LCD). Ну и некоторая телекоммуникационная аппаратура (в основном профессиональная). Так, что в быту инвертор с модифицированной синусоидой вполне работоспособный вариант чтобы обеспечить электропитанием бытовые приборы в случае кратковременного отсутствия сетевого напряжения.

Где купить

Опять же найти дилера компании, производящей подобные устройства и приобрести товар у него.
Обратиться в торговую компанию, реализующую приборы из этой группы товаров.
Поискать необходимое устройство в сети интернет, где представлен достаточно широкий ассортимент подобных устройств.

Полезные рекомендации

Советы по выбору и установке инверторного источника питания:

При использовании преобразователя, подключенного к бортовой сети автомобиля, потребляемая мощность не должна превышать отдачу генератора (с учетом энергопотребления систем освещения и зажигания). В противном случае начнется разрядка аккумулятора, что приведет к остановке двигателя.
Рекомендуется покупать оборудование с алюминиевым корпусом, обеспечивающим отвод тепла. Встречаются устройства с активным охлаждением и стальным кожухом, выдерживающим повышенные нагрузки. Преобразователи с такими корпусами рассчитаны на эксплуатацию в жестких условиях.
При подборе следует учитывать стандарт розетки на преобразователе. Большинство приборов оборудовано штекером европейского формата с контактом заземления, встречаются изделия с универсальной розеткой.

Сферы применения

Инверторы используются в различных ситуациях:

В дальних поездках обеспечивают возможность подключения к аккумулятору автомобиля
необходимых приборов (холодильника, электрических инструментов и т.д.).
Преобразование энергии, полученной от альтернативных источников (например, от солнечных батарей).

Резервное энергоснабжение дома на случай неожиданного отключения электричества.
Источник энергии на загородных участках при отсутствии централизованной электрификации и т.д.

Для выполнения каждой из этих задач выбирают соответствующие модели преобразователей. Чаще всего инверторы 12/220 используются автомобилистами.

Устройства с входным напряжением 12 В и 24 В не являются взаимозаменяемыми!

Как установить автомобильный инвертор

Несмотря на простоту устройства, для его длительной эксплуатации необходимы грамотное подключение и аккуратное использование. Поэтому не стоит пренебрегать элементарными правилами безопасности при установке и использовании:

проводить установку инвертора необходимо в сухом месте;
если устройство будет подключено к прикуривателю, оно должно быть защищено от прямых солнечных лучей;
устройство не должно находиться вблизи любых обогревательных установок;
инвертор следует держать на отдалении от легковоспламеняющихся вещей.

От перегрузок, замыканий, скачков напряжения хороший, качественный прибор защищает встроенная система безопасности, которая автоматически выключает инвертор в случае обнаружения проблем.

Как выбрать автомобильный инвертор

Статья об автомобильном инверторе — назначение и установка прибора, виды устройств, критерии выбора, наиболее популярные модели. В конце статьи — видео об инверторе.

Автомобиль в современном мире – это не только средство передвижения. Это и второй, весьма комфортный и многофункциональный дом, в котором можно преодолевать большие расстояния или просиживать в многочасовых пробках. Это и мини-офис, где достаточно места и технологий для размещения полезных гаджетов. В конце концов, это просто надежный товарищ, который умеет все. Например, наличие в машине приспособления под названием инвертор позволит сварить кофе или погладить вещи прямо в салоне.

Принцип работы этого устройства прост до гениальности – он заключается в преобразовании имеющегося в автомобиле 12-вольтного напряжения в стандартный переменный ток в 200 вольт.

Что такое синусоидальная ШИМ (SPWM)

SPWM расшифровывается как Sinusoidal Pulse Width Modulation и переводится как синусоидальная ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ранее мы ее уже рассматривали в генераторе синусоидальных и прямоугольных импульсов на Arduino.

Как мы знаем, в ШИМ мы можем изменять ее скважность (коэффициент занятости, duty cycle), то есть соотношение периодов активности (on-time) и неактивности (off-time). Таким образом, изменяя скважность ШИМ, мы изменяем среднее напряжение импульса

Это наглядно показано на следующей картинке.

Как видно из представленной картинки, при скважности (коэффициенте заполнения) 100% мы получаем среднее выходное напряжение 5V, при скважности 50% получаем среднее выходное напряжение 2.5V, а при скважности 25% — еще в 2 раза меньше. Синусоидальное напряжение представляет собой аналоговое напряжение, которое изменяет свою амплитуду с течением времени, поэтому мы можем воспроизвести «поведение» синусоидальной волны при помощи непрерывного изменения скважности ШИМ волны (сигнала), что показано на следующем рисунке

Синусоидальное напряжение представляет собой аналоговое напряжение, которое изменяет свою амплитуду с течением времени, поэтому мы можем воспроизвести «поведение» синусоидальной волны при помощи непрерывного изменения скважности ШИМ волны (сигнала), что показано на следующем рисунке

Если вы посмотрите на схемы, представленные ниже в данной статье, вы увидите, что на выход трансформатора подключается конденсатор – он как раз и ответственен за сглаживание подобного сигнала переменного тока.

Используемый входной сигнал будет заряжать и разряжать конденсатор в соответствии с входным сигналом и нагрузкой

Мы будем использовать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ сигнал) высокой частоты, он будет иметь сначала очень маленькую скважность 1%, этот 1% будет заряжать конденсатор совсем чуть-чуть, сигнал со скважностью 5% будет заряжать конденсатор немного больше, скважность 10% будет заряжать конденсатор еще больше и постепенно мы достигнем скважности 100%, а после этого мы будем уменьшать скважность до 1%. С помощью этого процесса будет сформирована очень гладкая кривая, очень похожая на синусоидальную волну

Таким образом, обеспечивая правильные значения скважности на входе, мы получим хорошую синусоидальную волну на выходе.

Тестирование работы инвертора

Для тестирования работы инвертора мы использовали:

Свинцово-кислотная батарея с напряжением 12V.
Трансформатор с отводами 6-0-6 и 12-0-12.
Электрическую лампу на 40 Вт в качестве нагрузки.
Мультиметр Meco 108B+TRMS.
Мультиметр Meco 450B+TRMS.

Выходной сигнал с платы Arduino

После загрузки кода в плату Arduino мы измерили SPWM сигнал на двух ее контактах и получили следующую картину:

Если мы увеличим это изображение, то мы увидим каждый изменяющийся полуцикл ШИМ волны.

На следующем рисунке показан сигнал на выходе трансформатора.

Инвертор в идеальном состоянии

Как вы видите на рисунке, в идеальном состоянии схема инвертора потребляет примерно 13 Вт электроэнергии.

Выходное напряжение без нагрузки

Как вы видите, без подсоединённой нагрузки напряжение на выходе инвертора составляет примерно 245 В.

Потребление энергии на входе инвертора

На представленном рисунке вы можете увидеть входную потребляемую мощность при подключенной нагрузке 40 Вт.

Потребление энергии на выходе инвертора

На представленном рисунке вы можете увидеть выходную потребляемую мощность при подключенной нагрузке 40 Вт.

Более подробно все эти процессы вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.

Плюсы и минусы

К достоинствам инверторов типа «чистый синус» можно отнести их следующие свойства:

Синусоида на выходе близка к форме кривой напряжения бытовой сети 220 Вольт промышленного способа производства электрической энергии.
Форма выходного сигнала позволяет подключать к приборам данного типа различные технические устройства, работа которых зависит от качества напряжения питающей сети.
Использование инверторов типа «чистый синус» увеличивает сроки эксплуатации бытовых приборов и технических устройств, чувствительных к качеству напряжения.
Улучшаются условия эксплуатации подключенной нагрузки: снижается шум при работе циркуляционных насосов и их нагрев, работа различных источников света и электронных устройств, не происходит «зависание» компьютера и электронных гаджетов.

Основным недостатком инверторов «чистый синус» является их высокая стоимость, в сравнении с приборами, выдающими выходной сигнал иной формы.

Инвертор «чистый синус» своими руками (со схемой)

Где купить

Популярные модели

STURM AW98A03

МАП «ЭНЕРГИЯ» 900

TBS POWERSINE PS600-12

MEANWELL 12/220V 1500W

RITMIX RPI-6010 CHARGER

MOBILEN SP-150

LUXEON IPS-2000S