принцип работы, плюсы и минусы

Инвертор — это необходимый элемент в системе автономного дома, который приспосабливает параметры вырабатываемой альтернативными источниками энергии к параметрам, необходимым для питания технических приборов. Почитайте подробнее об опыте выстраивания такой системы здесь.

Принцип работы

Инвертор — это прибор для преобразования напряжения. Например, он может преобразовать постоянный ток с напряжением в 12 Вольт (полученный при помощи солнечной панели) в переменный с напряжением в 220 Вольт (подходит для питания бытовых устройств). Без этого небольшого устройства практически невозможно полноценное использование энергии гелиопанелей и ветряков для домашних нужд.

Инверторы бывают разные. В зависимости от конструкции прибора и его предназначения он выдает выходной сигнал разной формы:

• синусоида;
• квазисинусоида;
• импульсный.

Увидеть форму можно, если подключить к цепи специальный измерительный прибор — осциллограф. Он как бы разворачивает сигнал во времени: по оси Х мы видим временной интервал, а по оси У — уровень напряжения.

Самое качественное напряжение, близкое по параметрам к внешней электросети, выдает инвертор «чистый синус». Принцип его работы заключается в следующем:

• При подаче энергии с аккумулятора на инвертор, она изменяется с 12 Вольт на 220 Вольт.
• Преобразованная электроэнергия попадает на мостовой инвертор, где постоянный ток превращается в переменный.
• Высокочастотный фильтр низких частот определяет форму чистой синусоиды у напряжения на выходе.

Плюсы и минусы

Если вы планируете превратить свое жилище в умный дом или поэкспериментировать с отдельными источниками альтернативной энергии, то рано или поздно вы придете к проблеме выбора инвертора для вашей системы. Иначе вы просто не сможете запитать бытовые приборы от сгенерированной и накопленной энергии.

Плюсы использования устройства с чистым синусом:

• Параметры выходного напряжения близки параметрам внешней электросети.
• Возможность безопасного подключения сложных устройств, которые требовательны к качеству напряжения.
• Улучшаются условия использования сетевой нагрузки: меньше шумов, перепадов напряжения и так далее.
• Бытовые приборы и устройства, питаемые от инвертированной энергии, дольше служат.

К минусам прибора можно отнести лишь его высокую стоимость по сравнению с инверторами, выдающими выходное напряжение другого вида. Но с этим недостатком можно бороться, если сделать прибор самостоятельно. Составляющие элементы стоят значительно дешевле готового устройства.

Самодельный инвертор с чистым синусом

Цена ценой, но это достаточно сложный прибор. Поэтому за самостоятельное его изготовление стоит браться только при наличии определенного опыта. Пригодятся уверенные знания схемотехники, а также навыки и опыт пайки, монтажа схем, использования измерительных приборов и настройки элементов микросхемы.

Инвертор «чистый синус»: схема

Рассмотрим эту простую, но популярную даже в промышленности схему чуть подробнее. Сигналы генерируются при помощи микросхемы КП1114ЕУ. Два транзистора IRFZ44N используются как ключи. Конденсатор служит фильтром высокочастотного шума, а трансформатор обеспечивает выходное напряжение в 220 Вольт.

В первый раз схему лучше собрать на макетной плате. Для получения чистого синуса многие элементы придется подбирать или дополнительно настраивать (ориентируясь на показания осциллографа). Неопытным схемотехникам потребуется изрядная доля терпения, поэтому лучше заранее найти специалиста, у которого можно будет попросить совета или помощи.

Преобразователь 12/220В с синусом на выходе.

РадиоКот >Схемы >Питание >Преобразователи и UPS >

Преобразователь 12/220В с синусом на выходе.

Предисловие.
Около месяца назад я искал в нете схему простого преобразователя 12/220в с «чистым» синусом на выходе и к своему удивлению обнаружил, что её нет. Всё что обычно предлагается, сводится либо к получению псевдосинуса путём преобразования без использования низкочастотного повышающего трансформатора, либо к совету использовать усилитель D-класса, управляемый опорным синусоидальным напряжением. В качестве устройства управления и генерации синусоиды предлагается применять микроконтроллер. Либо даётся ссылка на смартапс. В общем, получается не слишком просто. Пришлось потратить довольно много отпускного времени, чтобы разработать схему более отвечающую требованиям простоты и «чистоты» синуса.

Характеристики:
Входное напряжение 12…14В

Выходное напряжение 50Гц 220+/-2В
Максимальная мощность 50Вт
КПД 84…90%.

Работа.
Задающий генератор, источник опорного напряжения и компаратор собраны на DA2. Внешние элементы DD1 и DD2 повторяют внутреннюю структуру TL494, в той её части, которая неустойчиво работает на низких частотах (ложные срабатывания D-триггера).
Далее с помощью ФНЧ подавляются верхние гармонические составляющие ШИМ. ФНЧ состоит из двух частей. Первая- DA1.1, ФНЧ с гладкой характеристикой АЧХ. Второй- DA1.2 режекторный фильтр с частотой подавления 150Гц. Анализ показывает, что в ШИМ содержаться только первая и нечётные гармоники, потому такого фильтра оказывается достаточно, чтобы сформировать «красивый» синус (осциллограмма 2). А, поскольку уровень первой гармоники практически линейно зависим от скважности, то получаем хорошо управляемый синус с точной постоянной составляющей, равной +2,5В. Далее, дополнительно получаем инверсную синусоиду (вывод 14 DA1.4).

На DA3, DA5, VT1, VT2 собран первый канал УНЧ класса D. Второй канал соответственно собран на DA4, DA7, VT3, VT4. На выходе первого и второго канала УНЧ формируются противофазные синусоиды (осциллограмма 3).
С выхода трансформатора, через диодный мост подаётся обратная связь по выходному напряжению. Таким образом выходное напряжение стабилизируется.

Конструкция и детали.
Трансформатор TV1 это доработанный ТП60-2, который применялся в знаменитом видеомагнитофоне «Электроника ВМ-12». С трансформатора сматываются все вторичные обмотки, и вместо них наматывается одна обмотка, содержащая 33 витка обмоточного провода диаметром 0,7мм, сложенного всемеро. Можно использовать и медную шину, подходящую по площади сечения. При подаче напряжения 220В на вторичной (в преобразователе она первичная) обмотке трансформатора, на холостом ходу, напряжение составляет 6,5В.
Дроссели L1 и L2 наматываются на ферритовых кольцах типоразмера 24*13*9,7мм и содержат 22 витка обмоточного провода диаметром 1,5мм. К сожалению марка и магнитная проницаемость этих ферритовых колец мне неизвестна. Они используются во вторичных цепях импульсных компьютерных блоков питания типа ATX.

Транзисторы и микросхемы драйверов DA5, DA7 можно найти на материнских платах.
Все транзисторы устанавливаются на один радиатор площадью 15…20см2. Для их изоляции от радиатора используются слюдяные прокладки.
Конденсаторы С21…С24 типа К73-17 на напряжение 63В.
Конденсатор С25 типа К73-17 на напряжение 630В.
Диоды можно использовать любые, с максимальным обратным напряжением не менее 400В.
Резисторы R44, R45 мощностью не менее 0,25Вт.

Настройка.
1. Отсоединить первичную обмотку трансформатора.
2. Резистором R9 установить частоту следования импульсов 100Гц на выходе DA2 (осциллограмма 1).

3. Проверить наличие синусоидального сигнала (осциллограмма 2) на выводах 7 и 14 DA1. Сигналы должны быть противофазны, но одинаковы по форме.
4. Резисторами R22 и R31 установить сигнал на выходе первого канала УНЧ согласно осциллограмме 3. Тоже проделать со вторым каналом (R24 и R34).
5. Установить подвижный контакт резистора R4 в верхнее по схеме положение.
6. Подключить к выходу преобразователя эквивалент нагрузки. Можно использовать лампу накаливания мощностью 25Вт.
7. Подключить первичную обмотку трансформатора.
8. Резистором R4 установить напряжение 220В на выходе преобразователя.

P.S.
По моему схема легко поддаётся масштабированию в сторону увеличения мощности. В принципе, схема, с соответствующими доработками пригодна и для получения других выходных частот. Например, 60Гц или 400Гц.
КПД, можно несколько увеличить, если заменить дроссели L1 и L2 на более мощные.

Есть и недостатки. К ним можно отнести отсутствие гальванической развязки между входным и выходным напряжением, что несколько сужает область применения преобразователя. Впрочем, этот недостаток можно исправить, если использовать развязку обратной связи по напряжению с помощью оптопары. Другой неприятной особенностью является некоторый дрейф частоты. По моим наблюдениям дрейф составляет до 1,5 Гц при прогреве.
Буду благодарен за доработку схемы, а также за трассировку платы, если кто-нибудь возьмётся её сделать.

Вопросы, как всегда в Форум.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Мощный авто преобразователь с чистым синусом на выходе – Поделки для авто

Как-то этот инвертор выслали мне почтой в сломанном виде, а с меня требовалось его отремонтировать. Сегодня рассмотрим все то, что с ним связано , стоит купить, какие достоинства и недостатки.

Этот инвертор имеет заявленную мощность в 2500 ватт и пусковую мощность в 5000 ватт, настоящий зверь…

Имеет защиту от коротких замыканий и перегрузки на выходе, функцию мягкого старта, термозащиту и активное охлаждение в виде кулера, охлаждение работает исходя от нагрева корпуса, т.е терморегулировка.
На этом защиты не закончились. По входу инвертор имеет защиту от пониженного и повышенного входного напряжения, защиту от переполюсовки питания.

Внутри 5 предохранителей по 40 Ампер, суммарный ток их срабатывания составляет аж 200 Ампер.

Схема тут обычная, 4 силовых трансформатора, по 4 ключа на раскачку каждого, всего ключей 60. Задающий генератор построен на К7500, рабочая частота 45кГц. Высокое напряжение с выхода трансформаторов (а они все подключены последовательно) выпрямляется мостом из быстрых диодов. Дальше питание поступает на фильтрующие конденсаторы, общая емкость батареи конденсаторов 440 мкФ, а их напряжение 450 Вольт.

Далее питание поступает на мощные IGBT транзисторы, на базе которых собран мост. Синус формируется специальной платой, микросхемой EG810, на этой же плате имеется драйверные микросхемы IR2110  для управления мостом из IGBT ключей. Ключи тут аж на 40 Ампер (40N60).

Дальше для получения идеального синуса на выходе имеется LC фильтр в виде двух громоздких дросселей и пленочного конденсатора на 4,7мкФ.

В конце стоит еще один дроссель, но уже фильтрующий, с двумя независимыми обмотками на одном сердечнике.

Большой кулер отвечает за охлаждение, выдувает отработанный воздух из-под корпуса, ну сам корпус сделан из алюминия и проблем с нагревом никак не может быть, даже при максимальной выходной мощности, хотя термозащита у инвертора также предусмотрена.

На счет мощности – заявленных 2500 ватт тут нет (что и стоило ожидать), защита от перегрузки срабатывает при мощности около 1700-1800 ватт, но резерв у схемы есть. По входу имеется конденсаторная батарея, суммарная емкость составляет около 30,000 мкФ. Толстые силовые провода и комплект с запасной партией предохранителей идет в комплекте.

Силовая разводка на высоком уровне, хотя и флюс не смыт с завода, но это можно понять. На счет работы – все как и должно быть, напряжение на выходе стабилизировано за счет ОС по напряжению, держится на уровне 215-225 Вольт в зависимости от входного напряжения.

Такой вариант инвертора имеет входное напряжение 12 Вольт, следовательно, предназначено для работы от бортовой сети автомобиля, но тут то было!

Представьте, что случится с автомобильным аккумулятором при максимальной мощности инвертора? Он может кушать токи около 150-180 Ампер (с учетом КПД), а при пуске …

В общем если решили в машине запускать сварочные аппараты, бетономешалки и т.п – инвертор может и прокатит, но аккуму придет конец и не зависимо от того заведена машина или нет. Устройство в большей степени подходит для автономных систем, например ветровой или солнечной станции и может эксплуатироваться  совместно со стационарными аккумуляторами большой емкости, но это уже другая история…

И ещё хочу отметить один момент, многие ищут на свои иномарки дефлекторы на боковые окна, вот тут есть всё. Заходите и заказывайте на свой автомобиль и не надо больше лазить и искать где купить.

Автор; АКА Касьян.

Похожие статьи:

Формирователь синуса — ЭЛЕКТРОНИКА — Обзоры

​

Товар  можно купить тут

Эта плата представляет из себя формирователь чистой синусоиды из постояннки, внедряется в повышающие преобразователи напряжения. 

 

 

Купил для своего инвертора, который будет серьезно переделан, можно сказать соберу с нуля, выкину вторичную цепь, заменю драйвер низковольтной цепи, добавлю еще одну пару трансформаторов с ключами для раскачки и поставим эту платку, чтобы получить инвертор с чистым синусом . в общем будет крутая доработка.

 

 

Отвечу на популярный вопрос — зачем чистый синус в инверторе. 
Дело в том, что некоторые нагрузки, как например железные трансформаторы и асинхронные двигатели нуждаются в чистой синусоиде, работать будут и от модифицированной, но при этом будут издавать своеобразный звук, который связан с формой импульсов напряжения и нагреваться гораздо больше допустимого, что сокращает их срок службы, а также теряется полезная мощность, поскольку часть будет уходить на ненужный нагрев. 
Давайте вернемся к плате.  
Должен заметить, что она довольно дорогая, стоит 70 с лишним долларов, брал у хорошего продавца, с которым пообщался и попросил сделать скидку, тот любезно снизил цену на 7 долларов, немного, но все же  деньги, особенно для меня. 
Плата самая мощная, которую можно встретить на просторах алиэкспресс, она на 3000 ватт.  Удобна тем, что с ее помощью можно дешевый инвертор с мод. синусоидой превратить в хороший инвертор с чистой синусоидой. 
Качество на высоте, китайцы не поленились почистить ее от флюса, силовые дорожки дополнительно усилены, никаких торчащих контактов, все ровно отрезано. Со стороны компонентов тоже самое — все ровно, аккуратно и красиво.

 

Плата двухсторонняя, имеет черную паяльную маску, металлизация отверстий — материал стеклотекстолит. 

 

Бросается в глаза большой радиатор 

 

Единственное, в чем поленился производитель — установка термодатчика, он зажат  ребрами радиатора, хотя имеет отверстие для болтика и можно было просто прикрутить его, но сверлить отверстие между  ребрами видимо поленились, ну и ладно — это не минус. 

 

К радиатору укреплены мощные IGBT транзисторы 47N60 количеством 8 штук. Каждый ключ изолирован от радиатора, имеется также термопаста — жирный плюс. 
Радиатор прикручен к плате двумя шурупами, они имеют дополнительную прокладку. 

 

На входе стоят два конденсатора подключенных параллельно, каждый из них имеет емкость в 150мкФ и рассчитан на напряжение в 450 вольт, производитель — рубикон, это довольно неплохой производитель, хотя не самый лучший. 

Емкость конденсаторов небольшая, но основная емкость будет находиться на плате DC-DC повышающего преобразователя, так, что тут тоже все норм. 
Имеем три аккуратно впаянных шунта. 

Плата формирователя чистой синусоиды почти стандартная, стоит традиционный чип EG8010 и два драйвера IR2110, которые и управляют силовыми транзисторами. 

 

Имеется подстроечный резистор для регулировки выходной частоты, она может быть от 50 до 60 герц. 

 

Низковольтное Питание для схемы управление поступает по маломощному диодному мосту, туда в принципе можно подать и переменку и постоянку, напряжение можно от 12 до 20 Вольт, все ровно оно будет стабилизировано до нужного уровня. 

 

По идее на мост подается переменка которая берется с дополнительной обмотки повышающего трансформатора трансформатора преобразователя, который будет стоять на плате DC-DC

Предусмотрен также разъем для кулера.

Дальше уже выходная цепь, которая состоит из LC цепочки, конденсаторов две штуки, подключены параллельно, каждый рассчитан на напряжение в 630 вольт, емкость 2,2мкФ

 

Силовой дроссель порадовал, даже очень, намотан чистым медным проводам, в более бюджетных формирователях такого типа он мотается алюминиевым проводом, диаметр провода около 1,8-2мм. 

 

Дроссель закреплен парой пластиковых хамутов, под ним небольшой слой изоляции в виде скотча, все надежно и безопасно. 

 

На выходе стоит дополнительная цепочка для фильтрации, тут дроссель с двумя обмотками и небольшой конденсатор после него.

 

Сегодня тестировать плату на полную катушку не сможем, к сожалению, но некоторые тесты  все же сделаем
Узел управления потребляет всего 60 мА, загорается красный индикатор на плате формирователя чистого синуса, следовательно, должно все работать. 

 

Теперь я подам на вход низковольтное  постоянное напряжение от обычной кроны. 

Видим нашу синусоиду, как и положено. 
Замеры частоты на выходе — 50 Герц, заполнение 50%, все идеально.

 

 
Тоже самое будет  если подключить на вход 380 Вольт постоянки, но выходное напряжение естественно будет побольше 
Мы убедились, что плата отличного качества, и главное — работает, в дальнейшем сделаем тесты под нагрузкой, мне для полной раскачки этой платы будут нужны мощные аккумуляторы и естественно DC-DC повышающий преобразователь с мощностью не менее 3000 ватт. 

 

Всю эту систему я буду использовать в своей солнечной электростанции, по малой покупаю модули, чтоб собрать панели, так дешевле, чем покупать готовые. Тоже самое с инвертором, хороший 3-х киловаттный стоит кучу денег, поэтому будем делать сами. 

Инверторный электрогенератор: идеальная синусоида напряжения | Блог

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.

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.

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.

Схема инвертора с чистой синусоидой

Разработкой схем инвертора с чистой синусоидой заняты не только многие народные умельцы, но и научно-технические центры. Инверторы, или блоки бесперебойного питания, приобрели популярность с развитием компьютерных технологий. Сбои в программном обеспечении, потеря информации при внезапном отключении питания вынудили принять необходимые меры безопасности. Первые устройства выдавали импульсное напряжение прямоугольной формы – меандр. Они обеспечивали небольшой промежуток времени, в течении которого можно было сохранить информацию и выполнить штатное выключение компьютера. Дальнейшие разработки позволили создать усовершенствованные модели преобразователей.

Конструкция инвертора.

Увеличение емкости аккумуляторов, номинальной мощности инверторов позволило не только увеличить время работы компьютеров, но и применить ИБП для работы других устройств и приборов при перебоях в электроснабжении.

Первый опыт эксплуатации показал, что длительная работа оборудования на импульсном напряжении приводит к ускоренному износу и отказу техники. Определенные категории оборудования оказались не способными работать на напряжении, отличающемся от синусоиды. Мощность источников питания не позволяла подключать несколько устройств одновременно.

Возникла необходимость в инверторах с синусоидальной формой напряжения, способных выдержать нагрузку в несколько киловатт. Частичное решение проблемы было найдено. Производители предложили преобразователи с квази – синусом. Такая форма представляет собой синусоиду, состоящую из множества небольших ступенек.

Естественная и искусственная синусоида

Рисунок 1. Схема питания преобразователя.

Синусоидальная форма напряжения, вырабатываемая промышленными генераторами, создается вращением полюсов магнитного поля. Работа электродвигателей основана на создании электроэнергией вращающегося магнитного поля для воздействия на ротор. При форме напряжения, отличающейся от синусоиды, вращение ротора будет происходить неравномерно, с ускорением или замедлением, что отразится на техническом состоянии двигателя и рабочей части.

Использование напряжения искаженной формы пока не прошло достаточных испытаний на практике, поэтому использовать его для питания дорогостоящего оборудования без гарантий производителя нежелательно. Большинство ИБП предназначено для поддержания основных жизненно необходимых функций.

Сетевое напряжение не всегда имеет идеальную форму. Повышающие и понижающие трансформаторные станции, различные виды потребляющего оборудования создают определенные изменения в форму сетевого напряжения. Преобладающее использование индуктивных нагрузок без компенсационных конденсаторных установок создает в сети определенный сдвиг фаз, влияющий на форму синусоиды. Массовое подключение импульсных блоков питания также вносит свою долю искажений, несмотря на наличие фильтров.

Рисунок 2. Установка на выходе фильтра.

Получить чистый синус при использовании радиоэлектронных компонентов довольно сложно. Решение вроде бы лежит на поверхности. Прямоугольный импульс в упрощенном представлении состоит из гармонического ряда синусоид, первая из которых соответствует частоте импульсов. Требуется всего лишь установить на выходе соответствующий фильтр.

Эффективность эксплуатации такого устройства довольно низкая. Значительная часть энергии задержится на элементах фильтра и преобразуется в тепло. Вес и габаритные размеры преобразователя значительно возрастут. Выделить и использовать отфильтрованную энергию для зарядки также довольно сложно. Схема значительно усложнится, возрастет ее стоимость, снизится надежность.

Большинство экспериментаторов сходится во мнении, что модифицированная синусоида вполне приемлема для большинства бытовых и промышленных устройств, приборов.

Вернуться к оглавлению

Схема инвертора с чистым синусом

Питание преобразователя (рис.1) может быть от источника со сложной формой напряжения или постоянного тока. При использовании аккумулятора фильтр Ф и диодный мост М можно не устанавливать. Для работы низковольтной части схемы используется мост М1, собранный на маломощных диодах. Изготовить такую схему своими руками довольно сложно. У исполнителя должен быть определенный опыт выполнения подобных работ.

Рисунок 3. Подгонка катушек под напряжением 220 В.

Схема работает следующим образом. Задающий генератор на микросхеме D5 создает синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц. Его схема представляет собой модифицированный вариант генератора Вина. Изменения внесены для увеличения надежности схемы и уменьшения потребления энергии. Контроллеры D1, D2 модулируют синусоидальный сигнал. Для модуляции на микросхемах используются различные входы: прямой и инвертирующий. Поэтому одна сторона запускается при положительной волне, вторая – при отрицательной. С контроллеров выходной сигнал поступает на микросхемы D3, D4, формирующие сигнал для управления транзисторами.

Силовая часть собрана по принципу мостовой схемы. Нагрузка подключается в одну диагональ моста, питающее напряжение – в другую. При прохождении одного из полупериодов ток проходит от минусовой клеммы через VT4, обмотку L1, нагрузку, VT1, плюсовую клемму источника питания. При другом полупериоде работают транзисторы VT2, VT3.

Защита по превышению максимально допустимого тока собрана на резисторах R17-19, R22 и диодах VD11,12. При превышении падения напряжения на резисторах в силовой цепи разница поступает на соответствующие контакты D1, D2, и схема прекращает работу.

Вернуться к оглавлению

Дополнительный фильтр

Схема чистой синусоиды.

Имеющийся в наличии преобразователь с прямоугольным импульсным напряжением можно модернизировать, установив на выходе фильтр (рис.2), отсеивающий высшие гармоники. Точный расчет и тщательное изготовление деталей помогут снизить потери на фильтре до минимума.

При изготовлении следует учитывать, что устройство используется для силовых цепей. Все элементы и комплектующие должны выдерживать максимально допустимый ток.

В состав входят два LC контура с резонансной частотой 50 Гц. В одном из них емкость с индуктивностью подключены последовательно, во втором – параллельно. Дроссели для контуров рассчитываются и изготавливаются идентично, конденсаторы также должны иметь одинаковые параметры. Оптимальная емкость для конденсаторов 100 мкФ, допустимое напряжение не меньше 300 В. Электролитические полярные конденсаторы использовать нельзя.

Сердечники для катушек индуктивности должны быть из трансформаторного железа. Для точной подгонки дросселя в железе нужно вырезать зазор. Необходимое количество витков можно рассчитать, используя соотношения для расчета резонансной частоты контура. Для намотки желательно использовать гибкий медный провод. Минимальное сечение должно быть не менее 2,5 мм².

Общую площадь намотки необходимо сравнить с размерами окна в сердечнике. После сборки необходимо выполнить подгонку катушек, подключив сетевое напряжение 220 В (рис.3). Сопротивление нагрузки представляет собой лампу накаливания, измерительный прибор можно использовать любого типа с необходимым диапазоном. Правильная настройка определяется по максимальному напряжению. В зазор нужно уложить прокладки несколько больше расчетной величины. Затем следует убавлять толщину прокладок, контролируя напряжение по вольтметру. Значение должно увеличиваться при изменении толщины зазора, затем снижаться. Зазор при максимальном напряжении является самым оптимальным вариантом. При наладке необходимо стягивать железо сердечника до плотного контакта с прокладочным материалом. После подгонки следует собрать и подключить фильтр.

При наличии осциллографа можно проверить форму напряжения до и после фильтра. При наличии всех необходимых деталей и определенного опыта устройство вполне доступно для изготовления своими руками.

Преобразователь напряжения 12 220 В своими руками

Чтобы подключить к бортовой электросистеме автомобиля бытовые устройства требуется инвертор, который сможет повысить напряжение с 12 В до 220 В. На полках магазинов они имеются в достаточном количестве, но не радует их цена. Для тех, кто немного знаком с электротехникой есть возможность собрать преобразователь напряжения 12 220 вольт своими руками. Две простые схемы мы разберем. 

Преобразователи и их типы

Содержание статьи

Есть три типа преобразователей 12-220 В. Первый — из 12 В получают 220 В. Такие инверторы популярный у автомобилистов: через них можно подключать стандартные устройства — телевизоры, пылесосы и т.д. Обратное преобразование — из 220 В в 12 — требуется нечасто, обычно в помещениях с тяжелыми условиями эксплуатации (повышенная влажность) для обеспечения электробезопасности. Например, в парилках, бассейнах или ванных. Чтобы не рисковать, стандартное напряжение в 220 В понижают до 12, используя соответствующее оборудование.

Преобразователи напряжения есть в достаточном количестве в магазинах

Третий вариант — это, скорее, стабилизатор на базе двух преобразователей. Сначала стандартные 220 В преобразуются в 12 В, затем обратно в 220 В. Такое двойное преобразование позволяет иметь на выходе идеальную синусоиду. Такие устройства необходимы для нормальной работы большинства бытовой техники с электронным управлением. Во всяком случае, при установке газового котла настоятельно советуют запитать его именно через такой преобразователь — его электроника очень чувствительная к качеству питания, а замена платы управления стоит примерно как половина котла.

Импульсный преобразователь 12-220В на 300 Вт

Эта схема проста, детали доступны, большинство из них можно извлечь из блока питания для компьютера или купить в любом радиотехническом магазине. Достоинство схемы — простота реализации, недостаток — неидеальная синусоида на выходе и частота выше стандартных 50 Гц. То есть, к данному преобразователю нельзя подключать устройства, требовательные к электропитанию. К выходу напрямую можно подключать не особ чувствительные приборы — лампы накаливания, утюг, паяльник, зарядку от телефона и т.п.

Представленная схема в нормальном режиме выдает 1,5 А или тянет нагрузку 300 Вт, по максимуму — 2,5 А, но в таком режиме будут ощутимо греться транзисторы.

Преобразователь напряжения 12 220 В: схема преобразователя на основе ШИМ-контролллера

Построена схема на популярном ШИМ-контроллере TLT494. Полевые транзисторы  Q1 Q2 надо размещать на радиаторах, желательно — раздельных. При установке на одном радиаторе, под транзисторы уложить изолирующую прокладку. Вместо указанных на схеме IRFZ244 можно использовать близкие по характеристикам IRFZ46 или RFZ48.

Частота в данном преобразователе 12 В в 220 В задается резистором R1 и конденсатором C2. Номиналы могут немного отличаться от указанных на схеме. Если у вас есть старый нерабочий беспербойник для компьютера, а в нем — рабочий выходной трансформатор, в схему можно поставить его. Если трансформатор нерабочий, из него извлечь ферритовое кольцо и намотать обмотки медным проводом диаметром 0,6 мм. Сначала мотается первичная обмотка — 10 витков с выводом от середины, затем, поверх — 80 витков вторичной.

Как уже говорили, такой преобразователь напряжения 12-220 В может работать только с нагрузкой, нечувствительной к качеству питания. Чтобы была возможность подключать более требовательные устройства, на выходе устанавливают выпрямитель, на выходе которого напряжение близко к нормальному (схема ниже).

Для улучшения выходных характеристик добавляют выпрямитель

В схеме указаны высокочастотные диоды типа HER307, но их можно заменить на серии FR207 или FR107. Емкости желательно подобрать указанной величины.

 

Инвертор на микросхеме

Этот преобразователь напряжения 12 220 В собирается на основе специализированной микросхемы КР1211ЕУ1. Это генератор импульсов, которые снимаются с выходов 6 и 4. Импульсы противофазные, между ними небольшой временной промежуток — для исключения одновременного открытия обоих ключей. Питается микросхема напряжением 9,5 В, который задается параметрическим стабилизатором на стабилитроне Д814В.

Также в схеме присутствуют два полевых транзистора повышенной мощности — IRL2505 (VT1 и VT2). Они имеют очень низкое сопротивление открытого выходного канала — около 0,008 Ом, что сравнимо с сопротивлением механического ключа. Допустимый постоянный ток — до 104 А, импульсный — до 360 А. Подобные характеристики реально позволяют получить 220 В при нагрузке до 400 Вт. Устанавливать транзисторы необходимо на радиаторы (при мощности до 200 Вт можно и без них).

Схема повышающего преобразователя напряжения 12-220 В

Частота импульсов зависит от параметров резистора R1 и конденсатора C1, на выходе установлен конденсатор C6 для подавления высокочастотных выбросов.

Трансформатор лучше брать готовый. В схеме он включается наоборот — низковольтная вторичная обмотка служит как первичная, а напряжение снимается с высоковольтной вторичной.

Возможные замены в элементной базе:

• Указанный в схеме стабилитрон Д814В можно заменить любым, выдающим 8-10 V. Например, КС 182, КС 191, КС 210.
• Если нет конденсаторов C4 и C5 типа К50-35 на 1000 мкФ, можно взять четыре 5000 мкФ или 4700 мкФ и включить их параллельно,
• Вместо импортного конденсатора C3 220m можно поставить отечественный любого типа на 100-500 мкФ и напряжение не ниже 10 В.
• Трансформатор — любой с мощностью от 10 W до 1000 W, но его мощность должна быть минимум в два раза выше планируемой нагрузки.

При монтаже цепей подключения трансформатора, транзисторов и подключения к источнику 12 В надо использовать провода большого сечения — ток тут может достигать высоких значений (при мощности в 400 Вт до 40 А).

Инвертор с чистым синусом а выходе

Схемы денных преобразователей сложны даже для опытных радиолюбителей, так что сделать их своими руками совсем непросто. Пример самой простой схемы ниже.

Схема инвертора 12 200 с чистым синусом на выходе

В данном случае проще собрать подобный преобразователь из готовых плат. Как — смотрите в видео.

В следующем ролике рассказано как собирать преобразователь на 220 вольт с чистым синусом. Только входное напряжение не 12 В, а 24 В.

А в этом видео как раз рассказано, как можно менять входное напряжение, но получать на выходе требуемые 220 В.