Инверторный генератор — как устроен и работает

Вопросы резервирования электропитания по-прежнему остаются популярными в среде пользователей электроэнергии. Для этих целей производители сейчас массово выпускают электрические генераторы различных видов и мощностей. Среди всех конструкций подобных приборов особое место отводится элитным моделям, работающим по принципу выработки электроэнергии повышенного качества.

Для этого в их алгоритме реализован метод инверторного преобразования основных параметров электрических сигналов. За счет этого они получили название инверторных генераторов.

Их могут выпускать с различной мощностью, но наибольшей популярностью у населения пользуются модели от 800 до 3000 ватт.

Источником энергии для питания двигателя может служить:

Как устроен инверторный генератор

В конструкцию прибора, заключенную в единый корпус, входят:

двигатель внутреннего сгорания,

генератор переменного тока:

блок инверторного преобразования;

разъемы для подключения выходных цепей;

органы управления и контроля отслеживания технологических процессов.

Для подключения электроприборов используется общепромышленный вывод электроэнергии через три силовых контакта обычной стандартной розетки переменного тока 220 вольт.

Помимо переменного напряжения, генератор выдает постоянный ток, который можно использовать для зарядки различных аккумуляторов, например, применяемых для стартерного запуска двигателя автомобиля. Для этого в комплекте поставки предусмотрены специальные зажимы для подключения е его входными клеммами.

Генератор снабжен защитами, которые автоматически размыкают цепь питания при подключении к выходным контактам чрезмерной нагрузки. Также защиты контролируют техническое состояние двигателя, особенно достижение критического уровня масла. Когда его станет недостаточно для смазки всех движущихся узлов, то двигатель от действия защит автоматически остановится. Чтобы этого не произошло необходимо следить за уровнем масла в картере.

Подобные генераторы оборудуются, как правило, четырехтактным двигателем с верхним расположением клапанов.

Принцип работы инверторного блока

Схема взаимосвязей различных технологических процессов, происходящих при инвертировании сигналов, пояснена рисунком.

Двигатель внутреннего сгорания раскручивает обычный генератор, вырабатывающий электрическую энергию синусоидальной формы. Ее поток направляют на выпрямительный мост, состоящий из силовых диодов, расположенных на мощных радиаторах охлаждения. В результате на его выходе производится пульсирующее напряжение.

После моста работает конденсаторный фильтр, сглаживающий пульсации до стабильной прямой линии, характерной для цепей постоянного тока. Специальная конструкция электролитических конденсаторов подобрана для надежной работы с напряжением выше 400 вольт.

Запас сделан для исключения воздействия пульсирующих пиков амплитуды действующего напряжения 220 V: 220∙1,4=310 V. Емкость конденсаторов рассчитывают по мощности подключаемой нагрузки. На практике она составляет величину от 470 мкФ и выше для одного конденсатора.

Инвертор получает выпрямленный стабилизированный постоянный ток и из него вырабатывает качественную гармонику промышленной частоты.

Для работы инвертора разработаны различные алгоритмы технологических процессов, но лучшей формой сигнала обладают мостовые схемы с трансформатором.

Основным элементом, формирующим сигнал синусоиды, выступает полупроводниковый транзисторный ключ, собранный на элементах IGBT или MOSFIT.

Для образования синусоиды используется принцип создания многократно повторяющейся периодичности широтно-импульсных модуляций. Чтобы его реализации каждый полупериод колебания напряжения формируется срабатыванием определенной пары транзисторов в режиме высокочастотных импульсов с соответствующей амплитудой, меняющейся во времени по закону синуса.

Окончательное выравнивание синусоиды и сглаживание пиков импульсов производится высокочастотным фильтром нижних частот.

Таким образом, инверторный блок служит для преобразования электроэнергии, вырабатываемой обмотками генератора в стабилизированную величину с точными метрологическими характеристиками, обеспечивающими установившуюся частоту 50 гЦ и напряжение 220 вольт.

Работой инверторного блока занимается система управления, контролирующая посредством обратных связей все технологические процессы генератора от различных состояний двигателя внутреннего сгорания до формы синусоиды напряжения и величины нагрузки, подключенной к выходным цепям.

При этом ток, приходящий с обмоток генератора на блок преобразования, может значительно отличаться по частоте и форме сигнала от номинальных величин. В этом и состоит основное отличие инверторных моделей от всех остальных конструкций.

Применение инверторов позволяет добиться значительных преимуществ по сравнению с обычными генераторами:

1. Они обладают повышенной экономичностью из-за автоматической настройки числа оборотов двигателя при работе и создании оптимального режима для него по действующей величине нагрузки.

Чем большее усилие приложено на двигатель, тем быстрее начинает вращаться его вал при условиях, когда расход количества топлива строго сбалансирован системой управления. У традиционных же генераторов расход топлива слабо зависит от приложенной нагрузки.

2. Инверторные генераторы выдают практически идеальную синусоиду при питании потребителей под нагрузкой. Такой ток высокого качества очень важен для работы чувствительного цифрового оборудования.

3. Габариты элитных моделей отличаются компактным расположением, легким весом по сравнению с обычными устройствами при одинаковой мощности.

4. Надежность инверторных генераторов настолько высока, что их производители гарантируют им удвоенный срок эксплуатации по сравнению с простыми аналогами.

Инверторные генераторы создаются для использования в трех режимах:

1. длительной эксплуатации под номинальной нагрузкой, не превышающей заявленную производителем выходную мощность;

2. кратковременной перегрузки не более получасового периода;

3. запуска двигателя и выхода генератора на рабочий режим, когда требуется преодолевать большие усилия противодействия раскрутки ротора и емкостной нагрузки в схеме силовой части.

В третьем режиме инвертор может противостоять значительной величине противодействующей моментальной мощности, но время его работы ограничено всего несколькими миллисекундами.

Как запустить двигатель

Для этого необходимо выполнить ряд операций. Рассмотрим их последовательность на примере одной из доступных моделей генератора ER 2000 i. Очередность действий:

1. проверить уровень масла, ибо без него запуска не произойдет благодаря блокировке защитами и очень высокой вероятности поломки;

2. залить топливо — без него двигателю неоткуда будет получать энергию для создания вращательного движения;

3. открыть клапан крышки топливного бака;

4. переключить дроссель в положение «Запуск»;

5. установить рукоятку крана топлива в положение «Работа»;

6. запустить генератор ручной раскруткой с помощью шнура.

При первоначальном запуске двигателя кратковременно загорается лампочка перегрузки, а затем длительно — индикатор напряжения нормального режима, горение которого свидетельствует об оптимальных условиях работы.

После запуска двигателя генератор работает на холостом ходу и имеет оптимальные электрические параметры. Напряжение и частота, показанные на картинке, соответствуют нормальным величинам.

После проверки характеристик холостого хода подключаем нагрузку к генератору, например, используя мощный промышленный фен.

Мощность подключенного прибора не изменила напряжение и частоту на выходе устройства, а по индикации рабочего тока можно судить о потребляемой феном мощности.

После этого эксперимента подключаем к выходу постоянного тока цифровую вычислительную технику и видим, что она надежно работает. При использовании обычных генераторов без инверторного блока часто наблюдаются сбои микропроцессорных цифровых устройств из-за низкого качества напряжения питания.

Рекомендации по безопасной эксплуатации

Инверторные генераторы относятся к аппаратуре, использующей микропроцессорные устройства и сложную электронную базу. Правильное соблюдение условий эксплуатации, а также бережная транспортировка и обеспечение условий температурно-влажностного режима при хранении являются гарантией его длительной работоспособности.

При постоянном нахождении в зимнее время в условиях неотапливаемого гаража на всех внутренних частях может образоваться конденсат, который станет причиной выхода из строя электронных компонентов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое инверторный генератор и как он применяется?

Для нормальной работы современных радиоэлектронных устройств требуется высокое качество электрического тока. К сожалению не все источники электроэнергии способны обеспечить нас высококачественным переменным током, пригодным не только для питания бытовых приборов, но и высокоточной аппаратуры. Даже, привычный для нас, сетевой ток имеет характеристики, далеки от идеала. А из числа источников резервного питания только инверторные генераторы способны давать на выходе почти идеальную синусоиду.

Считается, что синхронные альтернаторы генерируют стабильное выходное напряжение, но и его характеристики несравнимы с параметрами электрического тока, вырабатываемого инверторными генераторами. Электричество асинхронных генераторов может служить источником питания лишь для той бытовой техники, которая не управляется электронными схемами. Среди автономных источников питания наиболее приемлем для работы цифровых устройств инверторный тип генераторов.

Устройство и принцип работы

Основным рабочим органом инверторных электрогенераторов является обычный альтернатор. Но наличие блока инвертора отличает его от обычных генераторов. В остальном устройство бензиновых электростанций, как, впрочем, и дизельных, почти не отличаются, за исключением того, что инверторный бензогенератор более экономичен, а его габариты, при той же мощности, вдвое меньше.

Особенностью конструкции альтернаторов инверторного типа является их компактность и бесшумность в работе. Эти устройства, как правило, закрытого типа, имеют практичные ручки и форму корпуса удобную для перемещения одним человеком.

На рисунке 1 изображён типичный инверторный альтернатор. Его перенести так же легко, как канистру с водой.

Рисунок 1. Инверторный генератор закрытого типа

Бывают, конечно, конструкции открытого типа (рис. 2). Внешне они имеют очертания обычных бензиновых генераторов. Отличительной чертой инверторных устройств является наличие инверторного блока (небольшая пластиковая коробочка, вмонтированная в устройство).

Поскольку современные электронные приборы очень экономичны и потребляют мало электроэнергии, то нет смысла подключать их к мощным автономным источникам питания. Поэтому инверторные конструкции имеют небольшую выходную мощность. Самыми распространёнными являются модели от 1 до 3 кВт. Этого вполне достаточно для питания цифровых устройств и маломощной бытовой техники.

Можно встретить инверторные источники питания с максимальной мощностью до 8 кВт. Обычно, это дизельные станции, предназначены для предприятий, где используется энергоёмкая высокоточная аппаратура. На рисунке 3 изображено такое устройство.

Рис. 3. Дизельный инверторный генератор

Альтернативные источники питания инверторного типа обладают ещё одним важным свойством – способностью управлять расходом топлива двигателя, подсоединённого к ротору генератора. Если максимальную мощность генератора не задействовано, электронный блок подаёт команду на снижение оборотов двигателя, что, естественно, приводит к уменьшению потребления топлива.

Электростанции могут быть оборудованы ручными либо электрическими стартерами. Запуск электростартером может осуществляться с пульта или нажатием кнопки «Старт». При необходимости эти станции можно подключить через систему автоматического пуска.

Принцип действия

Переменное напряжение, вырабатываемое генератором, проходит цепочку преобразований в инверторном блоке:

Электричество от генератора мощным диодным мостом преобразуется в однонаправленный импульсный ток. После этого конденсаторные фильтры сглаживают импульсы, преобразуя их в прямой ток. На последней стадии преобразователь тока формирует почти идеальную синусоиду, лишённую всяких скачков и провалов. Сформированное таким образом выходное напряжение поступает на одну или несколько розеток, расположенных на корпусе установки.

Принцип работы генератора инверторного типа понятен из рисунка 4. Обратите внимание, что контроль над током совершает отдельный микропроцессор. Именно его импульсы используются для управления оборотами двигателя.

Рис. 4. Схема, объясняющая работу инверторного генератора

Преимущества и недостатки

Разумеется, главным достоинством электростанции инверторного типа являются достойные параметры выходного напряжения. По-другому и быть не может – ведь для этого он и разрабатывался.

К другим преимуществам относятся:

Устройство работает настолько тихо, что его журчание не вызывает раздражения и не слышно в соседней комнате. В городской квартире его можно установить на открытом балконе. В закрытых нежилых помещениях инверторный генератор допускается устанавливать при условии обеспечения беспрепятственного отвода выхлопных газов на улицу.

Единственный минус – цена устройства. По сравнению с обычными бензиновыми или дизельными станциями стоимость их выше, но вложения окупаются исправностью работы дорогой электронной аппаратуры. Ремонт дорогостоящих цифровых устройств иногда может сравниться со стоимостью инверторного генератора.

Что лучше: инверторный генератор или обычный?

Казалось бы, ответ очевиден – инверторный генератор лучше обычного. Но это зависит от того, для каких целей его применяют. Использовать устройства такого типа в качестве источника для питания электроинструментов, нагревательных приборов, освещения – это всё равно, что микроскопом колоть орехи. Результат будет, однако, эффективность от такой работы минимальная.

Конечно, если хватает мощности инверторного генератора, приобретённого для обеспечения электроэнергией электроники, к нему можно подключить электродрель или чайник, но покупать для этого такие установки специально вряд ли стоит. С такими задачами успешно справляются даже самые дешёвые асинхронные станции.

Применение

Самым популярным способом применения является использование инверторного генератора в качестве резервного источника питания бытовой и офисной техники в период перебоев в подаче электричества. Для этих целей используют электростанции с чистой синусоидой.

Инверторные электростанции этого типа применяют для питания оборудования, которое оснащено системами микропроцессорного контроля:

Существуют более дешёвые инверторные генераторы с модифицированной синусоидой: у таких устройств выходное напряжение имеет не идеальную синусоиду, а трапециевидную. Большинство бытовых электронных приборов не слишком противятся такому току и стабильно с ним работают. Такие альтернаторы могут питать энергией телевизоры, зарядные устройства, маломощную бытовую электротехнику. Однако компьютеры, принтеры, и другие цифровые устройства лучше подключать к электростанциям с чистой синусоидой.

Генераторы с модифицированным сигналом полюбились рыбакам, охотникам и другим любителям отдыха на природе. Их легко транспортировать, они не боятся дождя, обеспечивают энергией все электроприборы, используемые отдыхающими.

Отдельного внимания заслуживают сварочные инверторы. Эти устройства отлично держат уровень напряжения и величину тока. Электроды не залипают и обеспечивают ровный шов. Конструкции инверторных сварочных аппаратов имеют скромные габариты, они довольно лёгкие, поскольку управляются электронными схемами, и не нуждаются в увесистых трансформаторах.

Советы по выбору

Критерии выбора определяются целями, для которых вы планируете использовать инверторный генератора. От этого зависит конфигурация синусоиды и мощность установки. Для бытовых нужд обычно хватает 3 кВт мощности и модифицированной синусоиды.

Если вы предполагаете обеспечить непрерывным питанием только вашу оргтехнику и электронный блок управления газовым котлом, то киловаттный генератор вам подойдёт. Но всё же, лучше купить электростанцию с некоторым запасом мощности. Такую электростанцию вы сможете взять с собой на природу, и его энергии вполне хватит для комфортного отдыха.

Для обеспечения бесперебойной работы большого офиса – подумайте о более мощных станциях. Так как офисная техника довольно требовательна к качеству тока – выбирайте инверторные генераторы с чистой синусоидой.

Что касается типа двигателя, то от него мало зависит качество тока. С этой точки зрения одинаково хороши как бензиновые, так и дизельные станции. Оба типа двигателей без проблем запускаются и обладают приличным ресурсом.

Ручной стартер всегда безотказный. Но если вы желаете повысить комфорт запуска, то можете купить генератор с электростартером. Данный тип запуска обязателен при оборудовании системы автоматического включения станции в случае перебоев в энергосети.

Установки закрытого типа подойдут для работы на открытом воздухе. В помещениях можно использовать открытые генераторы.

Форма, цвет корпуса, дизайн – зависят от ваших вкусов и предпочтений. Бренд производителя является важным аспектом выбора, но он не решающий.

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:

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.

Источник