Меню

Преобразователь мощности для генератора



Стоит-ли переплачивать за инверторные генераторы?

Многие мои клиенты перед покупкой портативного генератора, стараются самостоятельно вникнуть в технические тонкости различных моделей и брендов. Это самый правильный подход, ведь принцип: «Хочешь сделать что-то хорошо — сделай это сам!» остается актуальным и по сей день даже в условиях рыночной экономики. Изучая форумы и статьи (где обсуждаются варианты оборудования, технические преимущества и недостатки тех или иных моделей) зачастую возникает множество вопросов. Отвечаю на самые частозадаваемые в этой статье:

Что из себя представляет инверторный генератор?

Инверторные генераторы (ИГ) являются портативными электростанциями со средней номинальной мощностью от 1 до 7 кВт (еще их часто называют цифровыми, т.к. в конструкции используются сложные электронные схемы для выработки тока высочайшего качества). Внешне такие электростанции как правило отличаются малыми габаритами и шумозащитным обтекаемым кожухом с удобной ручкой. Инверторные электрогенераторы стали надежными помощниками у любителей активного образа жизни: их удобно брать в дорогу, на рыбалку или барбекю. Низкий уровень шума делает комфортным использование ИГ на отдыхе.

Чем отличается инверторный генератор от обычного?

Принято считать, что обычный портативный бензиновый / дизельный генератор при работе вырабатывает менее стабильнное напряжение на выходе по сравнению с инверторными моделями.

Дело в том, что принцип работы ИГ основан на так называемом двойном преобразовании. Простыми словами, переменный ток на выходе альтернатора с помощью специального блока (преобразователя) и регулятора сначала преобразуется в постоянный высокого качества, и далее происходит обратное преобразование тока в переменный, но с высокими (чистыми) параметрами на выходе. Такая схема дает практически идеальную синусоиду, которая не превышает 2-2,5 % колебаний. Дополнительно на выходе располагается цепь обратной связи, которая контролирует стабильность частоты и качество напряжения. Благодаря такому решению осуществляется контроль оборотов двигателя в зависимости от нагрузки. По итогу: качество напряжения на выходе у инверторной электростанции гораздо выше по сравнению с обычным генератором.

Правда-ли что инверторные генераторы потребляют меньше топлива?

Принято считать, что у ИГ есть ещё одно немаловажное преимущество — это способность регулировать количество оборотов двигателя в зависимости от подключаемой нагрузки и тем самым снижать потребление топлива. В следствии чего двигатель нагружен меньше, а работает дольше.

Для ответа на этот вопрос, давайте рассмотрим простой пример: имеется генератор мощностью 4 кВт и мы подключаем к нему нагрузку, например 2 кВт . Инверторная электростанция автоматически подстроится под нагрузку и станет работать в режиме на 50 % меньше. Это поможет значительно сэкономить топливо (до 30- 40%), двигатель не будет работать в надрыв, что несомненно будет положительно влиять на срок его службы, а при низких оборотах двигателя уровень шума будет гораздо меньше. Соответсвенно при увеличении нагрузки обороты будут увеличиваться автоматически прямопропорционально. Что же касается обычного генератора? В настоящее время практически все современные электростанции оснащены системой автоматического регулирования оборотов (или AVR), которая выполняет ту же функцию: автоматически регулирует частоту оборотов электростанции в зависимости от подключаемой нагрузки.

Вывод: Если при выборе генератора важным параметром является возможность экономии топлива, то каких-то особенных преимуществ у инверторных моделей в этом аспекте нет. А вот когда вопрос доходит до качества напряжения на выходе, то тут как раз таки бесспорным лидером является инвертор.

Для каких приборов, техники и электроинструментов необходим инверторный генератор?

Зачастую для бытового использования генератора в качестве резервного источника электропитания отлично подходят обычные современные модели электростанций, которые показывают подходящее качество напряжения на выходе. В большинстве бытовых ситуаций (когда надо запитать стандарнтный домашний набор электротехники: холодильники, стиральные машины и т.д.) совсем необязательно сужать свой круг поиска электростанций до инверторных моделей, тем более что в домашних электроприборах уже предусмотрена дополнительная защита от перепадов напряжения. Совсем недавно я видел фургон телевизионщиков работающий от инверторного генератора Honda . Этот как раз тот случай когда ИГ необходит т.к. дорогостоящая телеаппаратура может быть весьма чувствительна к перепадам напряжения, а никому из съёмочной группы не хочется что бы половина техники замкнуло как раз во время острого сюжета. Ниже приведу обобщённый список когда ИГ рекомендован или удобен в использовании:

  • Небольшие коммерческие точки продаж для питания холодильников, кофемашин и т.д.
  • При активном отдыхе на природе (походы, кемпинги, рыбалка и многое другое)
  • На предприятиях и в промышленности для питания дорогостоящих высокоточных приборов
  • В мединцкой сфере (клиники, лаборатори и т.д.)
  • При организации мобильных уличных концертов и выступлений артистов
  • Выездные бригады (скорой помощи, ремонто-строительные, телевизионные итд)

Каковы основные преимущества инверторных электростанций ?

  1. Высокое качество тока. Постоянно развивающийся рынок электротехники и рыночная конкуренция побуждает производителя делать продукт более качественным и сложным. Зачастую любые перепады напряжения являются губительным фактором для такого рода оборудования. Дорогостоящая техника (телевизоры, компьютеры, смартфоны и т.д.) нуждаются в стабильном электрическом токе.
  2. Малые габариты и вес. Удобен при транспартировке и поместится в багажник любого автомобиля.
  3. Низкий уровень шума. Шумозащитный кожух электростанции защитит слух от неприятного шума работы двигателя и создаст комфортные условия при использовании агрегата.
  4. Устойчивость к внешним факторам. Степень защиты таких генераторов соответвствует значению IP23, а это значит, что оборудование будет надежно защищено от попадания снега, влаги и пыли + устойчивость к механическим повреждениям.

Основные недостатки:

  1. Высокая цена. За счет особенностей конструкции и использования «умной» начинки внутри инверторные генераторы обойдутся гораздо дороже обычных.
  2. Ограниченный выбор. По сравнению с общим количеством брендов обычных электростанций — генераторы инверторные представлены в ограниченном количестве. В любом случае найти подходящий генератор не составит особого труда.
  3. Малый диапазон мощностей. Инверторные модели представлены в диапазоне мощностей до 7-8 кВт.
Читайте также:  Генератор для очистки форсунок схема

Давайте резюмируем! Красивые и низкошумные инверторные электрогенераторы , для многих, станут незаменимым помощником совершенно в различных ситуациях. Их небольшой вес и габариты дадут возможность достаточно легко перемещать их с места на место. Стабильное напряжение на выходе надежно защитит дорогостоящую электротехнику, что является самым главным преимуществом для покупателя. Сравнивая цены с классическими моделями можно сделать простой вывод: инверторные станции выше по стоимости. Но при использовании для подключения дорогостоящего оборудования покупка ИГ однозначно оправдана, она окупит себя и не принесёт хлопот с эксплуатацией.

Источник

Инверторный электрогенератор: идеальная синусоида напряжения

Содержание

Содержание

Инверторные электрогенераторы завоевывают все большую популярность. Оно и понятно — их ассортимент увеличивается, а стоимость приближается к обычным генераторам. Об их преимуществах над классическими наслышаны многие, кто хоть немного интересовался автономными электростанциями. Так в чем же заключаются их достоинства и насколько они хороши на самом деле?

Инверторный электрогенератор — что это?

В основе электрогенераторов положен принцип выработки электрической энергии за счет преобразования механической энергии двигателя внутреннего сгорания в электрическую путем вращения генератора переменного тока — альтернатора.

В бытовых моделях чаще всего применяют синхронные генераторы переменного тока. Генератор состоит из статора и ротора. На статоре расположены обмотки, с которых снимается вырабатываемое генератором переменное напряжение. На роторе же — несколько полюсов с магнитами. Это могут быть как электромагниты, так и постоянные магниты, например, мощные неодимовые. Ротор вращается, создавая переменное магнитное поле, которое пронизывает обмотку статора, в результате чего в последней появляется электродвижущая сила, или, проще говоря, напряжение.

Схема классического электрогенераторабез инверторной технологии

Что же такое инверторные электростанции? Инвертор — это электронное устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный. Таким образом, в инверторных электростанциях выходное переменное напряжение получают не напрямую от генератора переменного тока, а от инверторного преобразователя. Но пытливый читатель, вероятно, заметил, что инвертор преобразует постоянный ток в переменный. А где же его взять, если с обмоток статора снимается переменное напряжение? Все правильно, от генератора переменного тока получается переменное напряжение. Для получения же постоянного напряжения используют выпрямители.

Схема электрогенератора с использованиемнезависимого формирователя выходного напряжения

Если в электростанции отсутствует инверторный преобразователь (далее будем называть такие электростанции классическими), то необходимое напряжение снимается напрямую с обмоток статора.

Зачем же так все усложнять, если можно просто подключить необходимое электрооборудование к обмотке статора генератора переменного тока и завести двигатель. На то есть, как минимум, три веские причины:

  1. Требуется не абы какое переменное напряжение, а с вполне определенными контролируемыми характеристиками.
  2. А еще требуется легкое и компактное устройство в целом.
  3. И было бы очень неплохо, чтобы это устройство поглощало как можно меньше горючего.

Думается, что эти причины стоят того, что бы немного заморочиться. Начнем с самого важного — характеристик переменного напряжения, требуемого для питания электроприборов.

Характеристики переменного напряжения

Какими же характеристиками должен обладать электрический ток, получаемый от автономной электростанции?

Пойдем простым логическим путем — если к электростанции планируется подключать бытовые электроприборы, то электрическое напряжение, получаемое от автономной электростанции, должно иметь те же характеристики, что и напряжение в обычной розетке.

Согласно ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», основные характеристики напряжения в бытовой электросети должны удовлетворять следующим значениям:

  • номинальное значение напряжения — 220 Вольт,
  • допустимое отклонение от номинального напряжения — ±10%,
  • номинальное значение частоты напряжения — 50 Гц,
  • допустимое отклонение частоты — ±5 Гц (для автономных систем электроснабжения).

Форма напряжения должна быть синусоидальной с минимальными искажениями. «Качество» синуса определяется уровнем гармонических искажений.

Допустимый уровень гармонических искажений по напряжению не должен превышать 8 %. Зачастую именно искажения формы напряжения, которую выдают автономные электростанции, является причиной плохой работы, а то и вовсе неработоспособности подключаемого электрооборудования.

Синусоидальный сигнал «высокого качества» можно посмотреть на экране осциллографа, подключив его к выходу специального генератора сигналов, который предназначен для тестирования различных устройств.

Синусоидальный сигнал частотой 50 Гц на экране осциллографа Hantek DSO5202P, полученный со специального генератора сигналов

Можно оценить и частотный спектр этого сигнала. Например, используя программу SpectraPlus и звуковую карту Sound Blaster X-Fi Xtreme Audio SB0790, можно получить вот такой график и значение коэффициента гармоник, которое в данном случае не превышает 0,03 %.

Частотный спектр сигнала, полученного со специального генератора

С точки зрения ценителей хорошего звука данную форму напряжения нельзя назвать идеальной, а вот инженер-электрик наверняка посчитает такую форму напряжения образцовой.

Некоторые электронные приборы и электрооборудование допускают электропитание с худшими характеристиками, чем указано в ГОСТе, но если требуется «универсальный» электрогенератор, к которому можно было бы подключать любые устройства, не задумываясь о последствиях, то характеристики его напряжения должны быть максимально приближены к требованиям ГОСТа.

А что творится в обычной розетке?

Чтобы понимать, о чем идет речь и какие в реальности основные параметры напряжения в бытовой электросети, были проведены их измерения.

Читайте также:  Сколько должен выдавать генератор ваз 2109 инжектор

Форма напряжения частотой 50 Гц в бытовой электросети

Спектр напряжения в бытовой электросети

По результатам измерений коэффициент гармоник (уровень гармонических искажений) по напряжению в бытовой электросети составил около 3.4 %, что полностью укладывается в требования ГОСТа. Изменения напряжения в течение двух часов не превышали допуски, указанные в ГОСТ.

Изменение напряжения в бытовой электросети в течение двух часов

Изменения частоты напряжения в бытовой электросети минимальны и не превышают 0,05 Гц.

Изменение частоты напряжения в бытовой электросети в течение 1 часа

Такая точность необходима в большей степени для синхронизации промышленных электрогенераторов, установленных на ТЭЦ, ГЭС, АЭС и прочих электростанциях. Для бытовых потребителей электроэнергии такая точность, как правило, избыточна. Поэтому в ГОСТе отдельно указаны допуски на отклонение частоты для автономных систем электроснабжения, значения которых составляют ±5 Гц.

С качеством электрической энергии разобрались, вернемся к электрогенераторам.

Классическая автономная электростанция

Для того, чтобы получить напряжение с требуемыми характеристиками, в классической электростанции необходимо выполнить несколько условий.

У синхронных генераторов частота выходного напряжения пропорциональна частоте вращения ротора. Если вращать ротор со скоростью 1500 оборотов в минуту, то на выходе получим напряжение частотой 50 Гц. При этом ротор должен быть двухполюсным, то есть иметь два магнита, закрепленных на противоположных сторонах оси ротора. Для двигателя внутреннего сгорания 1500 об/мин — это оптимальное значение, поэтому ось ротора напрямую соединяется с осью коленчатого вала двигателя. Теперь требуется тщательно следить за оборотами двигателя и поддерживать их на заданном уровне для обеспечения стабильной частоты получаемого переменного напряжения.

Нужную частоту получили, теперь разберемся с напряжением на выходе. Альтернатор, по сути, является источником тока, а не напряжения, поэтому выходное напряжение при условии постоянства оборотов будет зависеть от величины нагрузки. Чем больше нагрузка, тем меньше напряжение.

А еще выходное напряжение зависит от величины вращающегося магнитного поля, которое создают магниты на роторе. Силу магнитного поля можно менять, если установить на роторе электромагниты. Теперь, меняя ток в обмотках электромагнитов, можно регулировать выходное напряжение альтернатора. Так как ротор вращается, то для подачи тока в его обмотки применяют скользящие контакты — щетки. Устройство, которое поддерживает выходное напряжение генератора на уровне 220–230 В путем непрерывной регулировки тока в обмотках ротора, называется автоматическим регулятором напряжения (automatic voltage regulator — AVR). Без AVR синхронные генераторы в автономных электростанциях не применяются. Данные устройства чаще всего устанавливаются в корпусе альтернатора и выглядят примерно так.

Автоматический регулятор напряжения (AVR)

А вот так выглядит типичный альтернатор, установленный на классической автономной электростанции.

Типичный синхронный альтернатор мощностью 2,2 кВт. Сверху со снятой задней крышкой и демонтированным AVR, снизу вид сбоку с ориентировочными размерами

Как видно на фото, конструкция довольно громоздкая. Альтернатор сопоставим по размерам с применяемым двигателем внутреннего сгорания. При частоте выходного напряжения в 50 Гц и используемому принципу поддержания выходного напряжения на должном уровне уменьшить габариты альтернатора практически не возможно.

Характеристики напряжения в классическом электрогенераторе

Форма выходного напряжения классической автономной электростанции номинальной мощностью 2.2 кВт показана на трех осциллограммах ниже при мощностях нагрузки в 100 Вт, 900 Вт и 1700 Вт соответственно.

Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт Нагрузка 1700 Вт

Форма выходного напряжения на выходе классической автономной электростанции номинальной мощностью 2.2 кВт

Нетрудно заметить, что форма напряжения отличается от «идеальной» синусоиды. Частотные спектры сигналов и значения коэффициента гармоник показаны ниже на графиках.

Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт

Нагрузка 1700 Вт

При мощностях нагрузки 900 и 1700 Вт коэффициент гармоник превышает требования ГОСТа.

Далее показана зависимость выходного напряжения от величины нагрузки.

Зависимость выходного напряжения от величины нагрузки

Что интересно, при увеличении нагрузки выходное напряжение генератора даже немного повышается. Это особенности работы AVR. В целом значение выходного напряжения достаточно стабильно. Тут некоторую озабоченность вызывают кратковременные всплески напряжения в моменты подключения нагрузки. Особенно это заметно, если к ненагруженному генератору сразу подключить довольно мощную нагрузку. В данном случае в момент подключении к генератору нагрузки в 1700 Вт сразу наблюдается провал напряжения на 9-10 вольт, затем кратковременный подъем на 11-12 вольт. Это результат работы системы AVR и системы автоматического поддержания оборотов двигателя, которые имеют естественную инерционность и не могут мгновенно производить регулировку.

А вот так меняется частота выходного напряжения при подключении нагрузки разной мощности.

Зависимость частоты выходного напряжения от величины нагрузки

При работе электростанции без нагрузки или при малой нагрузке частота напряжения немного завышена относительно номинального значения (50 Гц), это сделано умышлено, так как при номинальной нагрузке обороты двигателя в любом случае упадут даже при задействованной автоматической регулировке оборотов. А для электрооборудования незначительное повышение частоты питающего напряжения менее вредно, чем ее понижение, в особенности для устройств с трансформаторным питанием. При снижении частоты у трансформаторов увеличивается ток холостого хода, а значит и нагрев.

Как бы то ни было, характеристики напряжения исследуемой классической электростанции вполне удовлетворяют требованиям ГОСТа, за исключением гармонических искажений выходного напряжения. Но для большинства оборудования это вполне допустимо.

Инверторная автономная электростанция

В инверторных электростанциях тоже используется синхронный генератор переменного тока. Но его конструкция отличается от тех, которые используются в классических электростанциях.

Читайте также:  Электрические схемы автозапуска генератора

Какие же требования предъявляются к генератору переменного тока инверторной электростанции, чтобы получить напряжение с требуемыми характеристиками? А требования эти очень лояльные, так как формированием нужных характеристик выходного напряжения занимается инверторный преобразователь, а не альтернатор. В этом и кроется ключевое отличие инверторных электростанций от классических.

Самое интересное заключается в том, что становится не важно, какая частота напряжения будет на выходе альтернатора, так как напряжение будет преобразовано в постоянное, а у него частота как параметр отсутствует в принципе. Это дает возможность применения многополюсного генератора с внешним ротором, обмотки которого работают на повышенной частоте (примерно 400–600 Гц).

Отпадает необходимость в роторе с обмоткой для создания электромагнита. Блок AVR тоже становится лишним. Ведь уровень напряжения, необходимый для питания инвертора можно регулировать, изменяя обороты двигателя. Поэтому на роторе можно установить постоянные магниты. Все эти конструктивные особенности значительно уменьшают размеры и вес альтернатора.

Синхронный многополюсный альтернатор с внешним ротором на постоянных магнитах мощностью 1,25 кВт

Показанная на фото инверторная электростанция имеет в составе два многополюсных генератора переменного тока, которые установлены по обе стороны коленчатого вала. В результате параллельной работы двух альтернаторов номинальная мощность электростанции составляет 2,5 кВт.

А вот так выглядит типичный блок формирователя выходного напряжения, в составе которого установлен выпрямитель и, собственно, инвертор. Размеры данного блока 175х130х80 мм.

Характеристики напряжения инверторного электрогенератора

Форма выходного напряжения инверторной электростанции номинальной мощностью 2 кВт показана на трех осциллограммах ниже при мощностях нагрузки в 100 Вт, 900 Вт и 1700 Вт соответственно.

Форма выходного напряжения на выходе инверторной электростанции номинальной мощностью 2 кВт

Форма напряжения близка к «идеальной» синусоиде. Измерения коэффициента гармоник показали отличные результаты. Уровень искажений меньше, чем в бытовой электросети и в несколько раз меньше требований ГОСТа.

Нагрузка 100 Вт Нагрузка 900 Вт

Нагрузка 1700 Вт

Уровень гармоник выходного напряжения инверторной электростанциипри разных величинах нагрузки

Далее показана зависимость выходного напряжения от подключаемой нагрузки.

Зависимость выходного напряжения от величины нагрузки

При увеличении нагрузки напряжение уменьшается, но незначительно. Наблюдаются провалы напряжения в моменты подключения нагрузки. Более всего это заметно при резком увеличении нагрузки с нуля. Такие провалы объясняются конкретными схемотехническими решениями при разработке инвертора и в разных реализациях могут отличаться по величине.

А вот если посмотреть на график частоты выходного напряжения от нагрузки, то увидим ровненькую горизонтальную линию. При этом нагрузка к генератору подключалась аналогично предыдущему графику. Такие стабильные параметры являются следствием того, что инверторный преобразователь имеет свой собственный задающий электронный генератор, и его частота никак не зависит от оборотов двигателя.

Параметры напряжения инверторной электростанции полностью удовлетворяют требованиям ГОСТа. Отличительной особенностью являются малые гармонические искажения выходного напряжения и высокая стабильность частоты.

В каждой бочке бывает ложка…

Нельзя не отметить одну особенность инвертора, которой пользуются производители, чтобы удешевить его конструкцию. Дело в том, что по определению инвертор — это устройство, которое преобразует постоянное напряжение в переменное. При этом речь не идет о форме этого переменного напряжения. Синусоидальную форму выходного напряжения чисто технически получить несколько сложнее, чем прямоугольную. В результате некоторые производители устанавливают на свои электростанции инверторы, которые вместо синуса дают прямоугольные импульсы частотой 50 Гц, при этом их ширина и амплитуда подобраны таким образом, что дают среднеквадратическое значение напряжения как раз в 220–230 В. Все это называют ступенчатой аппроксимацией синусоиды. Ниже показана форма выходного напряжения инверторной электростанции с выходным напряжением в виде как раз той самой ступенчатой аппроксимации.

Форма выходного напряжения инверторной электростанции со ступенчатой аппроксимацией синусоиды

Да, некоторое оборудование вполне сносно переваривает такую форму напряжения, но называть такую электростанцию универсальной для питания любого электрооборудования было бы опрометчиво. Сложно гарантировать стабильную и безотказную работу оборудования, подключенного к такому электрогенератору. Либо надо знать, что подключаемое оборудование допускает работу от напряжения такой формы.

К сожалению, производители зачастую умалчивают об этом параметре, но зато громко заявляют, если их изделие выдает «чистый» синус.

Что в итоге?

Основным преимуществом инверторных электростанций является малый вес и габариты. В среднем инверторная электростанция в 1,5-2 раза легче и меньше классической. Такие показатели удалось достичь благодаря применению многополюсного генератора переменного тока с внешним ротором на постоянных магнитах и работающего на повышенной частоте. А применяется такой генератор как раз из-за независимого формирователя выходного напряжения — инвертора. Ко всему прочему все эти технические решения увеличивают КПД электрогенератора, что уменьшает потребление горючего двигателем.

Что касается качества выходного напряжения, то тут неоспоримым преимуществом инвертора по сравнению с классической электростанцией является низкий уровень искажений формы выходного напряжения. На выходе практически идеальная синусоида (если, конечно, не попался инвертор с аппроксимацией). Тоже можно сказать и о стабильности частоты. Такие параметры позволяют использовать инверторную электростанцию для питания любого оборудования, не опасаясь негативных последствий.

Стабильность напряжения инверторной электростанции ничем не выделяется на фоне этого же параметра классического электрогенератора. И у того, и другого устройства этот параметр находится на должном уровне и зависит от применяемых решений при разработке и изготовлении AVR или инвертора.

Источник