Инвертор: синусоида или модифицированная синусоида?
Одним из обязательных устройств системы резервного электроснабжения вашего дома является инвертор. Это устройство предназначено для преобразования постоянного тока от аккумуляторов в переменный напряжением 220 В с частотой 50 Гц, т. е. обеспечивает аналогичное сетевому питание электроприборов вашего дома. Попутно инвертор может решать дополнительные задачи. Такие, например, как отключение нагрузки при критическом разряде аккумуляторов. Бывают инверторы включающие в свой состав контроллер заряда.
Обратите внимание, что обязательным это устройство является для резервного электроснабжения, т.к. основное питание осуществляется сетевым напряжением 220 В переменного тока с частотой 50 Гц. Поскольку резервное электроснабжение необходимо в моменты отключения основного питания оно и должно обеспечивать те же параметры, что и сетевое.
В случае же автономного электроснабжения, инвертор может использоваться, а может и не использоваться. Это зависит от вашего выбора схемы электроснабжения. Если вы используете в доме обычные бытовые приборы, питание которых рассчитано на напряжение 220 В переменного тока, то инвертор вам необходим. Некоторые являются сторонниками использования электроприборов питающихся от 12 В, тогда они обходятся без инвертора. И в том и другом случае есть свои достоинства и свои недостатки.
При выборе же инвертора прежде всего надо определиться какого характера нагрузка в вашем доме. Дело в том, что инверторы условно можно разделить на два типа.
Первый – инверторы синусоида, обеспечивающие на выходе синусоидальную форму напряжения. Инвертор, так называемый инвертор с чистой синусоидой, обеспечит питание любых ваших бытовых приборов. Его форма напряжения ни чем не отличается от формы напряжения централизованной сети.
Второй же – инверторы, имеющие на выходе квазисинусоиду (как бы синусоиду), или модифицированную синусоиду. И вот эти инверторы использовать надо с осторожностью. Их можно эксплуатировать тогда, когда среди потребителей нет приборов с трансформаторными входами, электродвигатели и другие устройства представляющие индуктивный характер нагрузки.
Чем это грозит? Грозит это преждевременным выходом из строя ваших бытовых приборов, т.к. при питании их несинусоидальным током происходит, в лучшем случае, потеря мощности, а в худшем перегрев. С электронными приборами, отслеживающими качество напряжения, это может привести к отказам.
В чем проблема? Бери инвертор первого типа и не ломай голову. Проблема в разнице их стоимости. Инверторы синусоида дороже в 2 иногда в 2,5 раза. Поэтому есть смысл разобраться со своими потребителями до выбора инвертора.
Аппроксимированная синусоида – что это и как с ней бороться
Для чего нам нужна аппроксимированная синусоида и что она может дать? Какими бы надежными ни были линии электропередач, снабжающие нас энергией от ГРЭС (КЭС), АЭС и ТЭС, всегда может случиться авария или рядовая поломка, что приведет к обесточиванию жилья и/или предприятия, организации, учреждения. И вот здесь зачастую потребитель переключается на автономные источники питания – ИБП или генератор (если они есть).
На первый взгляд все просто: при отключении света автоматически или вручную запускается какой-то дизельный или другой генератор и подача электроэнергии возобновляется, но это не совсем так. Загвоздка в том, что не все инверторы способны выдавать синусоидальное переменное напряжение, необходимое для бытового и промышленного оборудования. Конечно, в любом случае оно будет переменным, но без чистой синусоидальной формы. Если еще проще, то источник бесперебойного питания, предназначенный для лампы накаливания, не подойдёт для любого котла отопления.
О синусоиде
Давайте разберемся, чем чистая синусоида отличается от аппроксимированной, и для этого посмотрите на изображение вверху. Вы видите, что у чистого синуса линия ровная, без каких-либо сдвигов. Это очень важно, потому что большинство электродвигателей, индукционных катушек, дросселей и т.п. могут работать только в том случае, если форма выходного напряжения имеет чистый, гладкий синус. Конечно, идеально ровным он не может быть и на деле коэффициент гармонии должен быть менее 8%, но об этом чуть ниже.
Если на каком-либо ИБП или генераторе вы видите английский текст «Total Harmonic Distortion», а после него число с процентами, значит, вы столкнулись с добросовестным производителем. Дело в том, что приборы с аппроксимацией синусоиды зачастую продаются без информации об этом факте, так как такое устройство проще продать неосведомленному покупателю. А вот на устройствах или их документах с чистой синусоидой обязательно будет подтверждение, что это так и есть.
Видео описание
Обман от производителей инверторов.
Вот какими могут быть коэффициенты по отклонениям (обозначаются в процентах):
- идеально чистая синусоида – 0%;
- близкая к идеальной —
Источников бесперебойного питания существует немало – их производят почти во всех странах мира, но, по большому счету все приборы можно классифицировать только по трем типам:
- Приборы, которые используют в качестве резервного питания — off-line;
- Линейно-интерактивные бесперебойники — line-interactive;
- Источники, у которых есть двойной преобразователь – on-line.
В сопроводительных документах или на наружной маркировке (на корпусе) резервных ИБП (1) можно встретить обозначение «Back», но если оно двойное и выглядит, как «Back-UPS», то о гладкой синусоиде можно забыть. Здесь технические параметры полностью зависимы от инвертора, а в недорогих моделях такого типа встроенного преобразователя попросту не может быть. Если инвертор все-таки есть, то стоимость прибора значительно возрастет.
Когда вы выбираете линейно-активный источник бесперебойного питания line-interactive (2), то возможность купить прибор с преобразователем на чистый синус значительно увеличивается. По визуальным признакам наличие такого инвертора можно определить, если в документах или на наружной маркировке (на корпусе) увидите обозначение «Smart», но это только предположение, так как «Back-UPS» тоже стали порой использовать эти символы. Более точно вы сможете узнать у продавца или при тщательном изучении технических характеристик от завода-изготовителя.
И, наконец, модели on-line (3), в которых обязательно есть двойной инвертор на чистую синусоиду. Неоспоримое преимущество такого прибора в том, что он работает на выравнивание аппроксимированной синусоиды не только во время отключения ЛЭП (от аккумуляторов), но и в обычном режиме. Главный недостаток on-line модификаций, это их высокая цена.
Примечание: ИБП с двойным преобразователем позволяют производить подключение внешнего питания, что в значительной степени увеличивает автономный ресурс агрегата.
Видео описание
Как проверить форму напряжения ИБП без осцилографа.
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.
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.
Видео описание
Чистый и модифицированный синус. В чем отличие.
Заключение
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.
Инверторы с чистым и модифицированным синусом для сети 220В и их работа с различными электроприборами
1. Вступление. Описание рассматриваемых типов инверторов: трансформаторный, с вч преобразованием, с синусоидальной формой напряжения.
2. Виды электроприборов с активным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
3. Виды электроприборов с индуктивным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
4. Виды электроприборов с емкостным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
5. Виды электроприборов с выпрямителем на входе и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
6. Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с различными типами нагрузок. Заключение.
1. Вступление. Описание рассматриваемых типов инверторов: трансформаторный, модифицированный синус, чистый синус.
Инвертор- прибор преобразующий постоянное напряжение в переменное. Потребность в инверторах существует для решения задачи питания устройств для бытовой сети 220В 50Гц от источников постоянного напряжения, например аккумуляторов. С развитием электроники эта задача решалась все более сложными методами, дающими более качественные параметры выходной электроэнергии. Однако на практике применяются как современные, так и более архаичные приборы, поэтому рассмотрим основные типы инверторов в историческом порядке.
Первыми появились инверторы на основе трансформаторов работающих на частоте сети 50Гц. Блок-схема инвертора приведена на рис. №1.
Рис. №1. Блок-схема трансформаторного инвертора.
Источник энергии постоянного тока, в самом распространенном случае аккумулятор 12В, подключается к трансформатору через трехпозиционный коммутатор. Коммутатор представляет собой набор электронных ключей, обеспечивающий 3 состояния: к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания положительной полярностью, к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания отрицательной полярностью и состояние когда первичная обмотка закорочена. Последовательно переключая эти состояния, на первичной обмотке формируется переменное напряжение частотой 50Гц и амплитудой 12В. На вторичной обмотке трансформатора при этом формируется напряжение с той же частотой и формой, однако эффективное напряжение составляет 220В. Графики напряжения на трансформаторе приведены на рис. №2. Выходное напряжение снимается с вторичной обмотки, поэтому имеет такие же параметры.
Рис. №2. Графики напряжения на трансформаторе
Данная форма напряжения называется «модифицированная синусоида» и широко применяется в инверторах для сети 50Гц, поэтому параметры, описывающие ее, рассмотрены более подробно. Вообще параметры, задающие форму модифицированной синусоиды, это амплитуда выходного напряжения и коэффициент заполнения, показывающий отношение длительности импульса к периоду сигнала. Эти параметры задаются при конструировании инверторов. Из соображений того, что инвертор должен заменять сеть 220В 50Гц, обычно выбирается амплитудное значение напряжения модифицированной синусоиды такое же, как и в сети, то есть 311В. При этом, чтобы обеспечить эффективное напряжение 220в, такое же как и в сети, коэффициент заполнения получается 0.5. Однако в инверторе этого типа амплитуда выходного напряжения получается зависящей прямо пропорционально от напряжения источника. Если в качестве источника энергии используется аккумулятор, а это самый распространенный случай, то его напряжение при разряде понижается, и амплитуда модифицированной синусоиды на выходе преобразователя также понижается, соответственно понижается и эффективное значение напряжение на выходе преобразователя. Для того чтобы улучшить качество энергии на выходе преобразователя в этих условиях часто применяют схемы управления, которые изменяют коэффициент заполнения выходного напряжения таким образом, чтобы поддерживать эффективное напряжение неизменным. Например, инвертор, рассчитанный на напряжение источника 12В, работает от разряженного аккумулятора с напряжением 10В. При этом амплитудное напряжение на выходе снижается пропорционально до 259В. Схема управления изменяет коэффициент заполнения выходного напряжения до 0.72, при этом эффективное напряжение остается равным 220В. Однако форма напряжения и его амплитуда меняется, что может быть недопустимо для некоторых нагрузок, что будет показано далее.
Так как основным элементом инвертора этого типа является трансформатор 50Гц, возможности по миниатюризации, уменьшении материалоемкости и повышении эффективности работы инвертора весьма ограничены. Поэтому на основе современной элементной базы были разработаны инверторы с вч преобразованием. Блок-схема такого инвертора приведена на рис. №3.
Рис. №3. Блок-схема инвертора с вч преобразованием.
Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного преобразователя постоянного напряжения (dcdc преобразователь). Данный блок преобразует входное напряжение в напряжение, соответствующее амплитуде сетевого напряжения, 311В. Это преобразование происходит с помощью трансформатора, работающего на повышенной (десятки и сотни килогерц) частоте, поэтому габариты и материалоемкость инвертора значительно уменьшились. Выходное напряжение преобразователя подается на коммутатор, аналогичный коммутатору в инверторе трансформаторного типа. График выходного напряжения коммутатора имеет такой же вид, как и напряжение на выходе коммутатора в трансформаторном инверторе, однако амплитуда напряжения достигает 311В. Выход коммутатора является выходом инвертора, и график выходного напряжения соответствует напряжению на вторичной обмотке трансформатора в трансформаторном инверторе (рис.2). Соображения насчет формы выходного напряжения, изложенные выше, справедливы и для данного типа инвертора. Изменение же формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения может происходить либо нет, это зависит от топологии dcdc преобразователя. Если преобразователь стабилизированный, то при изменении входного напряжения выходное напряжение преобразователя не изменяется. При этом также форма и амплитуда выходного напряжения инвертора не изменяется. Однако существуют и более простые разновидности dcdc преобразователей, которые не являются стабилизированными, и выходное напряжение которых пропорционально входному. Для инверторов, собранных на основе таких преобразователей, справедливы заключения насчет изменения выходного напряжения для трансформаторных инверторов.
С развитием электроники появилась возможность создать инверторы с синусоидальной формой напряжения на основе вч преобразования электрической энергии. С помощью данных инверторов возможно получение выходного напряжения, удовлетворяющего стандартам на качество электроэнергии в энергетике, что невозможно для преобразователей ранее рассмотренных типов. Блок-схема инвертора приведена на рис. №4.
Рис. №4. Блок-схема инвертора с синусоидальным выходным напряжением.
Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного преобразователя постоянного напряжения, как и в инверторе с вч преобразованием, рассмотренном ранее. Выходное напряжение инвертора может быть различным в зависимости от конструкции, однако оно должно быть выше амплитудного напряжения сети, то есть выше 311В. Выходное напряжение преобразователя поступает на вч инвертор (dc/ac), представляющий собой управляемый понижающий импульсный преобразователь. Данный преобразователь может устанавливать на своем выходе напряжение по сигналу от схемы управления в диапазоне от нуля до напряжения питания, то есть до напряжения больше 311В. Вч инвертор обычно содержит два таких канала по мостовой схеме, таким образом, напряжение между их выходами может достигать от -311В до +311В, как и в сети 220В. Графики выходного напряжения по обоим выходным проводам и результирующее выходное напряжение инвертора представлены на рис. №5. Из графиков следует, что схема управления подает особый сигнал на каждый канал вч преобразователя, изменяющийся во времени таким образом, что выходное напряжение каждого канала вч преобразователя изменяется по синусоидальному закону с частотой 50Гц, и смещено по фазе на 180? между каналами. Напряжение же между выходами представляет собой синусоиду без постоянной составляющей амплитудой 311В. Изменение формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения не происходит вследствие того что либо dc/dc преобразователь либо вч инвертор исполняются стабилизированными, то есть выходное напряжение не зависит от входного.
Рис. №5. Графики напряжения на выходах инвертора.
2. Виды электроприборов с активным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
Электрические приборы с активным характером сопротивления распространены повсеместно. К ним относятся различные виды нагревательных приборов, а также осветительные приборы на основе ламп накаливания. Также распространены комбинированные нагрузки, в которых кроме основного потребителя с активным характером сопротивления присутствуют другие потребители с различным характером сопротивления, однако мощность этих потребителей значительно ниже. Например, нагревательный элемент со схемой контроля температуры. Такие нагрузки также можно считать приближенными к активными, степень приближения определяется отношением мощностей основной активной нагрузки и дополнительной не активной. Вообще активная нагрузка является наиболее простым видом нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора в любой момент времени, то есть при любом мгновенном значении выходного напряжения, ограничен и определяется законом Ома. Поэтому допустима любая форма выходного напряжения инвертора, например модифицированная синусоида. Также весь выходной ток инвертора идет на создание выходной активной мощности, поэтому эффективность работы (величина коэффициента полезного действия) инверторов любого типа будет максимальна при данном типе нагрузки.
Для корректной работы активных нагрузок важно лишь среднеквадратичное значение напряжения, а все рассмотренные ранее типы инверторов способны выдавать такое же среднеквадратичное напряжение, как и сеть 220В. Однако потенциально важным моментом для работы с активной нагрузкой является способность инвертора выдавать постоянное среднеквадратичное напряжение при изменяющемся напряжении питания. Все рассмотренные ранее типы инверторов имеют такую возможность при соответствующих функциях системы управления, однако каждая конкретная модель инвертора может иметь или нет подобную функцию.
Также нагрузки с активным характером сопротивления могут быть линейными или нелинейными, то есть сопротивление нагрузки может быть постоянным или меняющимся во времени. Типичным примером нелинейной нагрузки является лампа накаливания, причем отличие в сопротивлении в горячем и холодном состоянии может достигать 10 раз. При работе инвертора с таким типом нагрузки может возникать кратковременное, но значительное увеличение тока нагрузки. В этом случае возможна потеря работоспособности инвертора из-за срабатывания защиты по максимальному выходному току. Однако работа схемы защиты не зависит от типа преобразователя, поэтому различия между работой различных моделей инверторов будут происходить из-за различия в системах защиты, а не из-за принципиального различия в типах инверторов.
Различие между типами инверторов с различной формой выходного напряжения можно оценить с помощью частотного анализа по гармоническому составу выходного напряжения. Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения содержат в спектре выходного напряжения только основную гармонику 50Гц. Инверторы же с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды содержат в спектре выходного напряжения также высшие нечетные гармоники значительной амплитуды. Так как форма выходного тока при активной нагрузке повторяет форму напряжения, то подобные заключения будут справедливы и про спектр выходного тока. Практически оценить различия в форме выходного тока можно по производимому им акустическому эффекту. Акустический эффект может иметь различную физическую природу, например сила Ампера, вынуждающая колебаться проводники с током, или магнитострикционный эффект в материалах, находящимся в магнитном поле, возбуждаемом током. Акустический эффект может возникать во всех участках последовательной выходной цепи, например в потребителе или соединительных проводах, или в самом инверторе. Человек способен на слух различать гармонический состав производимого акустического эффекта. Так, звук от инвертора с синусоидальной формой выходного напряжения ощущается как однотонный гудящий (низкочастотный) шум. А звук от инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды более тембрально окрашен, с выраженными обертонами, более походящий на стук.
3. Виды электроприборов с индуктивным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
Электрические приборы с индуктивным характером сопротивления часто встречаются в технике и в быту. К этим приборам относятся электровибрационные приборы, например бритвы и насосы, осветительные приборы с индуктивными балластами, электромеханические реле, электрические двигатели.
Реальная индуктивная нагрузка представляет собой частично чистую индуктивность и частично активную нагрузку. Для описания индуктивной нагрузки возможно использовать последовательную модель, в которой нагрузка представляется в виде последовательно соединенных индуктивности и сопротивления. Для описания соотношения влияния этих элементов на выходной ток преобразователя используют параметр «коэффициент мощности (КМ)», который определяет отношение активной мощности к полной мощности. При индуктивной нагрузке КМ<1. Таким образом, полная мощность, потребляемая нагрузкой с индуктивным характером сопротивления, будет больше, чем активная мощность, обычно указываемая на электроприборе в качестве номинальной. Поэтому индуктивная нагрузка представляет собой более сложный вид нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора идет как на создание выходной активной мощности, так и на запасание энергии в индуктивности (реактивная мощность). Потери энергии в инверторе при работе на нагрузку с индуктивным характером сопротивления будут больше чем при работе на нагрузку с активным характером сопротивления такой же номинальной (активной) мощности. Это очень важное свойство, поскольку часто при эксплуатации инверторов именно уровень потерь энергии, то есть тепловая мощность, нагревающая инвертор, является определяющей для обеспечения работоспособности. Однако для разных типов инверторов степень увеличения потерь при индуктивной нагрузке разная. Это связано с тем, что при различных топологиях построения инверторов путь выходного тока, нагревающего преобразователь, может быть различен и захватывать разное количество составных блоков преобразователя. Рассмотренные типы инверторов относительно данного вопроса разделяются на два вида: однокаскадные и двухкаскадные. Однокаскадным инвертором является трансформаторный инвертор. Выходной ток инвертора проходит через весь инвертор: через выходной трансформатор, в трансформированном виде через ключи инвертора и через источник входного напряжения. При этом нагреваются все вышеназванные компоненты цепи и потери велики. Отличием двухкаскадных инверторов является наличие внутреннего звена постоянного тока. Инвертор с вч преобразованием, с формой выходного напряжения как модифицированной синусоидой так и с чистым синусом, является двухкаскадным инвертором. Он содержит емкостной накопитель энергии на выходе dcdc преобразователя, через который протекает часть реактивного выходного тока. Поэтому через входную часть преобразователя, то есть через dcdc преобразователь и источник входного напряжения, протекает значительно меньшая величина переменного тока, и соответственно эти блоки инвертора меньше нагреваются. Поэтому двухкаскадные типы инверторов могут иметь КПД выше, чем однокаскадные для данного типа нагрузок.
При работе потребителей с индуктивным характером нагрузки от различных типов преобразователей проявляется различие эффективного тока нагрузки. Данный эффект существует потому что для индуктивной нагрузки кроме эффективного напряжения важно еще и среднее значение напряжения за период. Этот вывод следует из закона электромагнитной индукции, согласно которому размах амплитуды переменного тока на индуктивности пропорционален приложенным вольт — секундам (В*С). А среднее напряжение для синусоиды с эффективным напряжением 220В и для модифицированной синусоиды с пиковым напряжением 311В и эффективным напряжением 220В весьма различно и составляет 198В и 156В соответственно. Для определения численного значения различия эффективного тока и активной мощности нагрузки произведено моделирование в среде micro-cap, результаты которого представлены на рис.№6. В качестве нагрузки при моделировании использовалась RL цепочка с КМ=0.7, т.е. ее активное сопротивление и модуль индуктивного сопротивления равны и составляют по 100Ом (величина индуктивности 318мГ).
Ток в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Активная энергия, выделяющаяся в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Рис. №6. Графики тока и потребления активной энергии при индуктивной нагрузке.
Из графиков следует, что активная энергия более эффективно потребляется при синусоидальном источнике напряжения, причем разница составляет 16%. Такая же разница будет и в активной мощности. То есть, если подключить нагрузку, предназначенную для работы от сети 220В к инвертору с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потребляемая активная мощность снизится на 16% . Эффективный ток при этом снизится на 9% . Для функционирования нагрузок данное понижение активной мощности будет иметь негативные последствия: электровибрационные приборы понизят механическую мощность, осветительные приборы будут светить тусклее.
4. Виды электроприборов с емкостным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
Электрические приборы с емкостным характером сопротивления редко применяются как законченный блок, однако часто встречаются как часть других электроприборов, например емкостные компенсаторы реактивной мощности или фазосдвигающие емкостные цепи для электродвигателей. Так как остальные виды нагрузок рассматриваются в других разделах, имеет смысл рассмотреть отдельно работу инверторов различных типов на реальную емкость. Модель реальной емкости учитывает потери энергии в сопротивлении выводов применяемых конденсаторов и представляет собой последовательно включенные идеальный конденсатор и эмулирующий сопротивление выводов резистор.
Сначала рассмотрим работу инвертора с формой выходного напряжения в виде чистой синусоиды на реальную емкость. Процессы, протекающие в этой цепи аналогичны процессам при работе такой же нагрузки от сети 220В. Как известно, конденсатор в цепи переменного тока представляет собой реактивную нагрузку, то есть полная мощность нагрузки большей частью состоит из циркулирующей от нагрузки к сети и обратно реактивной мощности и лишь небольшая часть полной мощности представляет собой активную мощность потерь. При этом полезный эффект нагрузки создает именно реактивная мощность, а активная мощность представляет собой паразитный эффект, нагревающий как саму нагрузку так и инвертор. Величина активной мощности, выделяющейся в инверторе, пропорциональна выходному сопротивлению инвертора.
Теперь же рассмотрим работу на такую же нагрузку инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды. Для получения наглядных результатов использовалось моделирование в среде micro-cap. Модель инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды представляет собой источник напряжения с формой модифицированной синусоиды и последовательно включенного сопротивления потерь Rг. Для сравнения использовалось моделирование схемы с той же самой нагрузкой, но работающей от источника переменного напряжения 220В 50Гц с таким же выходным сопротивлением. Схемы для моделирования представлены на рис. №7. Номиналы элементов типичны для обычных применений и составляют: Сн=10мкФ, Rн=Rг=1Ом.
Рис. №7. Схемы для моделирования в среде micro-cap
Результаты моделирования представлены на рис. №8. Из графиков тока нагрузки видно, что форма и амплитуда токов весьма различны. Ток нагрузки с синусоидальным источником напряжения имеет также синусоидальную форму и амплитуду 977мА, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 152А и весьма короткой (десятки микросекунд) длительностью. Такие различия обусловлены тем, что в случае с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды конденсатор заряжается от импульсного источника напряжения с высокой скоростью изменения напряжения, для которого конденсатор имеет низкое сопротивление. Поэтому напряжения на сопротивлениях потерь Rг и Rн в импульсе заряда велики и соответственно велики потери. Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 0.95Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 98Вт, то есть отличается в сто раз.
Ток в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Рис. №8. Графики тока и энергии потерь для различных видов источников напряжения.
Можно показать, что мощность потерь при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды не зависит от сопротивления потерь, а только от величины конденсатора. Однако распределение потерь между инвертором и конденсатором пропорционально их внутренним сопротивлениям. Но в любом случае, такой высокий уровень пиковых токов и мощности потерь нежелателен как для инвертора, так и для нагрузки. Немногие типы конденсаторов для сети 220В способны работать с внутренними потерями в 100 раз большими, чем номинальные.
Также высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на емкость весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух.
5. Виды электроприборов с выпрямителем на входе и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
Электрические приборы с выпрямителем на входе повсеместно встречаются в технике и в быту. К этим приборам относится бытовая электроника с трансформаторным или импульсным блоком питания. Эквивалентная схема подключения такой нагрузки представлена на рис №9. Источник питающего напряжения, в данном случае инвертор, представлен в виде генератора напряжения Vг с сопротивлением потерь Rг. Сам электрический прибор питается выпрямленным напряжением и представлен сопротивлением Rн. Блок питания электроприбора состоит из мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора Сн. Неидеальность конденсатора моделируется последовательным сопротивлением Rк. Сопротивление выпрямителя, входных проводников и трансформатора питания (в случае трансформаторного блока питания) моделируется последовательным сопротивлением Rп.
Рис. №9. Эквивалентная схема подключения электроприбора с выпрямителем на входе.
Работа такой нагрузки сильно отличается при использовании инверторов с различными видами выходного напряжения. Причина этого такая же, как и для емкостной нагрузки и заключается в том, что фильтрующий конденсатор Сн заряжается от входного источника напряжения. Если скорость изменения напряжения велика, как при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потери в элементах цепи увеличиваются многократно. Можно аналитически показать, что при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды общие потери энергии будут зависеть лишь от амплитуды переменной составляющей напряжения на конденсаторе Сн и величины емкости этого конденсатора, и не зависеть от величины сопротивлений Rг, Rп и Rк. От величины этих сопротивлений будет зависеть только распределение потерь среди элементов схемы.
Для получения наглядных результатов снова использовалось моделирование в среде micro-cap. Для сравнения использовалось моделирование схемы с одной и той же нагрузкой, но работающей от инвертора с синусоидальной формой напряжения 220В 50Гц и от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды. Номиналы элементов схемы для моделирования составляют: Rн=500Ом, Сн=47мкФ, Rг=Rп=Rк=1Ом. Такие номиналы типичны для блока питания бытовой электроники мощностью 150Вт, например телевизора. Результаты моделирования представлены на рис. №10. Из графиков выходного тока инвертора видно, что форма и амплитуда токов весьма различны для инверторов с различными видами выходного напряжения. Ток инвертора с синусоидальным источником напряжения имеет плавную форму и амплитуду 3.1А, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 20.2А и весьма короткой (сотни микросекунд) длительностью. Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 3.5Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 9.4Вт. Таким образом, общая мощность потерь при работе нагрузки от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды почти в 3 раза больше чем при работе той же нагрузки от инвертора с синусоидальной формой напряжения. Так как сопротивления потерь включены последовательно, распределение мощности потерь на каждом конкретном элементе будет тоже сохраняться, поэтому например сам инвертор будет выделять мощности в 3 раза больше, конденсатор и трансформатор блока питания также будут греться в 3 раза больше. Элементы бытовых приборов могут не иметь трехкратного запаса по выходной мощности и выйти из строя в результате питания от инверторов с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды.
График тока в нагрузке. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный — при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Рис. №10. Графики выходного тока инвертора и энергии потерь для различных видов инверторов.
Как и для емкостной нагрузки, для нагрузки с выпрямителем на входе, высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на нагрузку с выпрямителем на входе весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух. При этом производить звуковой эффект может любой элемент схемы, через который протекает выходной ток инвертора, этот элемент может находиться в инверторе или в подключаемом электроприборе, или в соединительных проводах.
6. Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок. Заключение.
Для того чтобы систематизировать выявленные в предыдущих частях статьи отличия в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок была составлена табл. №1. Для сравнения акустического эффекта, тепловых потерь в нагрузке и эффективной мощности для одинаковых нагрузок в качестве отсчета была выбрана сеть переменного напряжения 220В 50Гц. Для сравнения потерь в инверторе разных типов, но с одинаковым выходным сопротивлением, в качестве отсчета был выбран инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения.
Табл. №1. Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок.
| . | . | Виды инверторов | ||
|---|---|---|---|---|
| Виды нагрузок | Параметры | Трансформаторный | ВЧ модиф. синус | Вч чистый синус |
| Активная | Эффективная мощность | Как при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| . | Акустический эффект | Больше, чем при работе от сети 220В | Больше, чем при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| Индуктивная | Эффективная мощность | Меньше чем в сети 220В | Меньше чем в сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| Емкостная | Потери в нагрузке | Больше, чем при работе от сети 220В | Больше, чем при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| . | Потери в инверторе | Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения | Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения | . |
| . | Акустический эффект | Больше, чем при работе от сети 220В | Больше, чем при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| С выпрямителем | Потери в нагрузке | Больше, чем при работе от сети 220В | Больше, чем при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
| . | Потери в инверторе | Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения | Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения | . |
| . | Акустический эффект | Больше, чем при работе от сети 220В | Больше, чем при работе от сети 220В | Как при работе от сети 220В |
Как следует из таблицы, применять для питания всевозможных типов нагрузки, не опасаясь негативных эффектов возможно только инверторы с выходным напряжением в виде чистой синусоиды. Инверторы с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды, возможно применять без опасений для питания активных нагрузок при невысоких требованиях к акустическому эффекту.