Генератор инверторного типа что это
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:
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:
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.
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
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.
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
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.
Какой генератор лучше: обычный бензиновый или инверторный?
Сфера применения бензогенераторов расширяется. С их помощью можно, используя автомобильное топливо, питать электроприборы практически любой мощности без сети. Эти устройства используются в качестве источников резервного электроснабжения в частных домах, на дачах, на различных предприятиях, в офисах, медицинских учреждениях и пр. На рынке представлены не только стационарные установки, но и компактные устройства в виде чемоданов, которые можно брать на природу, в туристический поход.
Классические генераторы классифицируются на две большие категории: обычные электростанции и инверторы. Функционируют они по одному и тому же принципу: ДВС вырабатывает механическую энергию, она преобразовывается в напряжение. Различаются модели по механизму стабилизации параметров выходного напряжения. Рассмотрим, чем инверторный генератор отличается от обычного, какой лучше подходит для эксплуатации в тех или других условиях.
Обычные генераторы
Конструкция бензогенератора состоит из комплекта катушек. Выполнены они, как правило, из меди. Устройство продуцирует грубый сигнал. Для стабильного функционирования оборудования мотор должен работать на высоких оборотах вне зависимости от мощности подключенных приборов. Агрегат шумит и потребляет одинаковое количество топлива, когда питает 1 электроприбор или несколько. Чистота переменного электрического тока на выходе оставляет желать лучшего. Поэтому чувствительная к качеству электроэнергии и перепадам напряжения сети техника может давать сбои.
Полезная информация! Ток, который течёт по обмоткам ротора при его вращении, создаёт магнитное поле, необходимое для пускового старта и дальнейшей работы генератора. В современных моделях также предусмотрен конденсатор. Такая деталь генератора может выйти из строя, и в этом случае потребуется замена. Выбор ёмкости нового конденсатора следует осуществлять с учётом выходного напряжения переменного тока.
Не рекомендуется использовать такие генераторы для питания высокоточного электронного оборудования, требовательного к качеству электротока. Но зато стандартные генераторы представлены в огромном ассортименте, можно легко подобрать модель хорошей мощности под любые потребности. А вот агрегатов инверторных на российском рынке пока достаточно мало, и многие из них дорогие.
Принцип работы
Двигатель внутреннего сгорания на бензине, вращает роторный механизм. Снятое со статорной обмотки напряжение переменного тока поступает на панель распределения генератора и выдаётся потребителям с заявленной мощностью.
При увеличении потребления электроэнергии создаётся тормозящее усилие на ротор, вследствие чего снижаются обороты двигателя генератора при его вращении. Это приводит к понижению частоты и амплитуды значения напряжения. Если нагрузка снижается, наблюдается обратный эффект. При этом возникают скачки напряжения.
Для стабилизации двигателя применяется два механизма. Центробежный регулятор отслеживает вращение коленчатого вала и подаёт топливо, ориентируясь на нагрузку. На конденсатор нагружена обмотка для дополнительной стабилизации.
Преимущества
Бензогенератор – это небольшая электростанция, которую можно установить в гараже для выработки электроэнергии. Чаще всего устройства этого типа используются в качестве источников резервного питания. Бензин сгорает, приводя в действие двигатель.Последний запускает генератор, механическая энергия преобразовывается в электрическую. Рассмотрим ключевые преимущества оборудования этого типа:
На рынке представлены устройства различных производителей. Чтобы купить действительно качественный, функциональный генератор, не экономьте, доверяйте продукции проверенных торговых марок.
Недостатки
Минусы также важно учитывать при покупке бензинового генератора:
Двигатель такого генератора должен вращаться с одинаковой скоростью. Также учитывайте, что бензиновые моторы нуждаются в тщательном обслуживании. Отсутствие грамотного ТО и несоблюдение правил эксплуатации приводит к возникновению серьёзных поломок, ускоряет износ комплектующих деталей, сокращает рабочий ресурс оборудования.
Инверторные генераторы
Инверторные генераторы считаются более высокотехнологичными. Здесь применяется альтернатор другого типа. Механизм способен вырабатывать чистый ток со стабильными показателями. Частота оборотов двигателя регулируется в автоматическом режиме. Это обеспечивает экономное расходование топлива, уменьшает износ деталей инверторного агрегата.
Принцип работы
Механизм действия инверторного генератора такой же, как и у стандартных вариантов. Электрическая энергия вырабатывается по такому же принципу. Однако выходное напряжение поступает потребителям не сразу. Сначала оно превращается в постоянное, выпрямляется и сглаживается, только после этого подаётся на инвертор и преобразовывается в переменное. Инверторы комплектуются транзисторными ключами, которые управляются схемой на микроконтроллере.
Схема построения электрического тока в инверторных генераторах имеет такие достоинства:
Экономичный расход бензина – это один из главных плюсов. В инверторных агрегатах отсутствует необходимость поддерживать нужную частоту вращения коленчатого вала и роторного механизма. Выходное напряжение сначала подвергается выпрямлению. Если нагрузка на агрегат незначительная, двигатель работает на сниженных оборотах, потребляя минимальное количество топлива. В конструкции инверторного генератора есть аккумуляторная батарея, которая заряжается от вырабатываемой альтернатором энергии. Включается АКБ с целью компенсации пиковых всплесков или в тех случаях, если агрегат нагружается минимально.
В конструкции инверторного генератора есть аккумуляторная батарея, которая заряжается от вырабатываемой альтернатором энергии. Включается АКБ с целью компенсации пиковых всплесков или в тех случаях, если агрегат нагружается минимально.
Преимущества
Вырабатываемая инверторным генератором электрическая энергия не поступает сразу потребителям. Вследствие сгорания бензина продуцируется высокочастотный переменный ток, который преобразовывается в постоянный и накапливается в аккумуляторе. Инверторы характеризуются рядом преимуществ по сравнению с обычными генераторами.
В чем отличие инверторного генератора от простого для потребителей? Применение инверторов повышает безопасность эксплуатации электрических приборов, защищает их от скачков напряжения, увеличивая срок их службы.
Недостатки
О недостатках тоже стоит упомянуть. Инверторные генераторы выпускаются в ограниченном количестве, так как спрос на них ниже, чем на устройства, работающие по традиционной схеме.
Все комплектующие элементы инверторного генератора имеют свой рабочий ресурс. Детали подвергаются износу, истиранию, со временем выходят из строя. Самостоятельно делать ремонт не стоит во избежание более сложных поломок. Ремонт и техническое обслуживание оборудования должны проводиться в условиях специализированного сервисного центра.
В чём разница
В чём за заключается разница между обычными бензогенераторами и бензиновыми генераторами инверторного вида? По каким основным причинам пользователи делают выбор в пользу того или иного варианта: классического и привычного либо более современного и усовершенствованного? Рассмотрим самую важную отличительную особенность. Основное отличие классического бензогенератора от генератора инверторного типа заключается в специфике технологии соединения двигателя непосредственно с подающим электроэнергию генератором. В системе обычного агрегата двигатель соединяется с электрогенератором напрямую, и таким образом происходит выработка переменного тока. В генераторе инверторном переменный продуцированный ток не сразу поступает к потребителю, а сначала проходит этап преобразования, попадая в специальный преобразователь. В данном элементе системы ток переменного типа как бы выравнивается и разглаживается, превращается в постоянный, который накапливается в аккумуляторной батарее. Далее постоянный ток подаётся в инвертор, где снова трансформируется в переменный. И к такой электроэнергии пользователь уже может подключать приборы. Из принципа работы инверторного и бензинового классического генератора вытекают другие различия:
Какие факторы учитывать при выборе
Чтобы сделать выбор в пользу обычного бензинового/дизельного генератора либо бензогенератора инверторного типа, требуется знать такие моменты:
Заключение
Пора сделать выводы, чтобы принять окончательное решение. И обычный, и инверторный генератор имеет минусы и плюсы, поэтому подбор требует ответственности и серьёзного подхода. Разница существенная, поэтомувыбор бензогенератора зависит от целей и условий применения. Если нужна мощная работающая на бензиновом топливе станция для питания и электроснабжения оборудования на строительной площадке, в жилом помещении, есть смысл рассмотреть обычную модель, а не инверторный вид. Даже при постоянной эксплуатации с максимальными загрузками агрегат прослужит долго. Дляувеличение рабочего ресурса устройства не забывайте менять масло и фильтрующие элементы, использовать качественное топливо. Если надо обеспечить электроэнергией жилой дом, где много высокочувствительных приборов, выберите инверторный вид. Стоит онне так мало и гораздо дороже классического, но зато обеспечивает технике надёжную и постоянную защиту от скачков напряжения. Инверторные модели подойдут для питания насосов в скважинах, бытового сложного оборудования, компьютеров, отопительных котлов.