Інверторні електрогенератори завойовують дедалі більшу популярність. Воно й зрозуміло — їхній асортимент збільшується, а вартість наближається до звичайних генераторів. Про їхні переваги над класичними чули багато хто, хто хоч трохи цікавився автономними електростанціями. То в чому ж полягають їхні переваги і наскільки вони хороші насправді?
Інверторний електрогенератор — що це?
В основі електрогенераторів покладено принцип вироблення електричної енергії завдяки перетворенню механічної енергії двигуна внутрішнього згоряння в електричну шляхом обертання генератора змінного струму — альтернатора.
У побутових моделях найчастіше застосовують синхронні генератори змінного струму. Генератор складається зі статора і ротора. На статорі розташовані обмотки, з яких знімається змінна напруга, що виробляється генератором. На роторі ж — кілька полюсів із магнітами. Це можуть бути як електромагніти, так і постійні магніти, наприклад, потужні неодимові. Ротор обертається, створюючи змінне магнітне поле, яке пронизує обмотку статора, внаслідок чого в останній з’являється електрорушійна сила, або, простіше кажучи, напруга.
Схема класичного електрогенератора без інверторної технології
Що ж таке інверторні електростанції? Інвертор — це електронний пристрій, призначений для перетворення постійного струму в змінний. Таким чином, в інверторних електростанціях вихідну змінну напругу отримують не безпосередньо від генератора змінного струму, а від інверторного перетворювача. Але допитливий читач, ймовірно, помітив, що інвертор перетворює постійний струм на змінний. А де ж його взяти, якщо з обмоток статора знімається змінна напруга? Все правильно, від генератора змінного струму виходить змінна напруга. Для отримання ж постійної напруги використовують випрямлячі.
Схема електрогенератора з використанням незалежного формувача вихідної напруги
Якщо в електростанції відсутній інверторний перетворювач (далі називатимемо такі електростанції класичними), то необхідну напругу знімають безпосередньо з обмоток статора.
Навіщо ж так все ускладнювати, якщо можна просто під’єднати необхідне електрообладнання до обмотки статора генератора змінного струму і завести двигун. На те є, як мінімум, три вагомі причини:
- Потрібна не аби яка змінна напруга, а з цілком певними контрольованими характеристиками.
- А ще потрібен легкий і компактний пристрій загалом.
- І було б дуже непогано, щоб цей пристрій поглинав якомога менше пального.
Здається, що ці причини варті того, щоб трохи заморочитися. Почнемо з найважливішого — характеристик змінної напруги, необхідної для живлення електроприладів.
Характеристики змінної напруги
Якими ж характеристиками має володіти електричний струм, одержуваний від автономної електростанції?
Підемо простим логічним шляхом — якщо до електростанції планують під’єднувати побутові електроприлади, то електрична напруга, яку отримують від автономної електростанції, має мати такі самі характеристики, що й напруга у звичайній розетці.
Згідно з ДСТУ 32144-2013 «Норми якості електроенергії в системах електропостачання загального призначення», основні характеристики напруги в побутовій електромережі повинні задовольняти таким значенням:
- номінальне значення напруги — 220 Вольт,
- допустиме відхилення від номінальної напруги — ±10%,
- номінальне значення частоти напруги — 50 Гц,
- допустиме відхилення частоти — ±5 Гц (для автономних систем електропостачання).
Форма напруги має бути синусоїдальною з мінімальними спотвореннями. «Якість» синуса визначається рівнем гармонійних спотворень.
Допустимий рівень гармонійних спотворень за напругою не повинен перевищувати 8 %. Найчастіше саме спотворення форми напруги, яку видають автономні електростанції, є причиною поганої роботи, а то й зовсім непрацездатності під’єднаного електрообладнання.
Синусоїдальний сигнал «високої якості» можна подивитися на екрані осцилографа, під’єднавши його до виходу спеціального генератора сигналів, який призначений для тестування різних пристроїв.
Синусоїдальний сигнал частотою 50 Гц на екрані осцилографа Hantek DSO5202P, отриманий зі спеціального генератора сигналів
Можна оцінити і частотний спектр цього сигналу. Наприклад, використовуючи програму SpectraPlus і звукову карту Sound Blaster X-Fi Xtreme Audio SB0790, можна одержати ось такий графік і значення коефіцієнта гармонік, що в цьому разі не перевищує 0,03 %.
Частотний спектр сигналу, отриманого зі спеціального генератора
З погляду поціновувачів гарного звуку цю форму напруги не можна назвати ідеальною, а ось інженер-електрик напевно вважатиме таку форму напруги зразковою.
Деякі електронні прилади та електрообладнання допускають електроживлення з гіршими характеристиками, ніж зазначено в Держстандарті, але якщо потрібен «універсальний» електрогенератор, до якого можна було б під’єднати будь-які пристрої, не замислюючись про наслідки, то характеристики його напруги мають бути максимально наближеними до вимог Держстандарту.
А що діється у звичайній розетці?
Щоб розуміти, про що йдеться і які в реальності основні параметри напруги в побутовій електромережі, було проведено їх вимірювання.
Форма напруги частотою 50 Гц у побутовій електромережі
Спектр напруги в побутовій електромережі
За результатами вимірювань коефіцієнт гармонік (рівень гармонійних спотворень) за напругою в побутовій електромережі становив близько 3.4 %, що повністю вкладається у вимоги ГОСТу. Зміни напруги протягом двох годин не перевищували допуски, зазначені в ГОСТі.
Зміна напруги в побутовій електромережі протягом двох годин
Зміни частоти напруги в побутовій електромережі мінімальні і не перевищують 0,05 Гц.
Зміна частоти напруги в побутовій електромережі протягом 1 години
Така точність необхідна більшою мірою для синхронізації промислових електрогенераторів, встановлених на ТЕЦ, ГЕС, АЕС та інших електростанціях. Для побутових споживачів електроенергії така точність, як правило, надлишкова. Тому в ГОСТі окремо вказані допуски на відхилення частоти для автономних систем електропостачання, значення яких становлять ±5 Гц.
З якістю електричної енергії розібралися, повернемося до електрогенераторів.
Класична автономна електростанція
Для того, щоб отримати напругу з необхідними характеристиками, у класичній електростанції необхідно виконати кілька умов.
У синхронних генераторів частота вихідної напруги пропорційна частоті обертання ротора. Якщо обертати ротор зі швидкістю 1500 обертів на хвилину, то на виході отримаємо напругу частотою 50 Гц. При цьому ротор має бути двополюсним, тобто мати два магніти, закріплені на протилежних сторонах осі ротора. Для двигуна внутрішнього згоряння 1500 об/хв — це оптимальне значення, тому вісь ротора безпосередньо з’єднується з віссю колінчастого вала двигуна. Тепер потрібно ретельно стежити за оборотами двигуна і підтримувати їх на заданому рівні для забезпечення стабільної частоти одержуваної змінної напруги.
Потрібну частоту отримали, тепер розберемося з напругою на виході. Альтернатор, по суті, є джерелом струму, а не напруги, тому вихідна напруга за умови сталості обертів залежатиме від величини навантаження. Що більше навантаження, то менша напруга.
А ще вихідна напруга залежить від величини обертового магнітного поля, яке створюють магніти на роторі. Силу магнітного поля можна змінювати, якщо встановити на роторі електромагніти. Тепер, змінюючи струм в обмотках електромагнітів, можна регулювати вихідну напругу альтернатора. Оскільки ротор обертається, то для подачі струму в його обмотки застосовують ковзаючі контакти — щітки. Пристрій, який підтримує вихідну напругу генератора на рівні 220-230 В шляхом безперервного регулювання струму в обмотках ротора, називається автоматичним регулятором напруги (automatic voltage regulator — AVR). Без AVR синхронні генератори в автономних електростанціях не застосовуються. Ці пристрої найчастіше встановлюють у корпусі альтернатора, вони мають приблизно такий вигляд.
Автоматичний регулятор напруги (AVR)
А ось такий вигляд має типовий альтернатор, встановлений на класичній автономній електростанції.
Типовий синхронний альтернатор потужністю 2,2 кВт. Зверху зі знятою задньою кришкою і демонтованим AVR, знизу вид збоку з орієнтовними розмірами
Як видно на фото, конструкція досить громіздка. Альтернатор можна порівняти за розмірами із застосовуваним двигуном внутрішнього згоряння. За частоти вихідної напруги в 50 Гц і використовуваного принципу підтримання вихідної напруги на належному рівні зменшити габарити альтернатора практично не можливо.
Характеристики напруги в класичному електрогенераторі
Форма вихідної напруги класичної автономної електростанції номінальною потужністю 2.2 кВт показана на трьох осцилограмах нижче за потужностей навантаження 100 Вт, 900 Вт і 1700 Вт відповідно.
Навантаження 100 Вт Навантаження 900 Вт Навантаження 1700 Вт
Форма вихідної напруги на виході класичної автономної електростанції номінальною потужністю 2.2 кВт
Неважко помітити, що форма напруги відрізняється від «ідеальної» синусоїди. Частотні спектри сигналів і значення коефіцієнта гармонік показано нижче на графіках.
Навантаження 100 Вт Навантаження 900 Вт
Навантаження 1700 Вт
За потужностей навантаження 900 і 1700 Вт коефіцієнт гармонік перевищує вимоги ГОСТу.
Далі показано залежність вихідної напруги від величини навантаження.
Залежність вихідної напруги від величини навантаження
Що цікаво, при збільшенні навантаження вихідна напруга генератора навіть трохи підвищується. Це особливості роботи AVR. Загалом значення вихідної напруги досить стабільне. Тут деяку заклопотаність викликають короткочасні сплески напруги в моменти підключення навантаження. Особливо це помітно, якщо до ненавантаженого генератора відразу під’єднати доволі потужне навантаження. У цьому разі в момент під’єднання до генератора навантаження в 1700 Вт відразу спостерігається провал напруги на 9-10 вольт, потім короткочасний підйом на 11-12 вольт. Це результат роботи системи AVR і системи автоматичної підтримки обертів двигуна, які мають природну інерційність і не можуть миттєво здійснювати регулювання.
А ось так змінюється частота вихідної напруги при підключенні навантаження різної потужності.
Залежність частоти вихідної напруги від величини навантаження
Під час роботи електростанції без навантаження або при малому навантаженні частота напруги трохи завищена відносно номінального значення (50 Гц), це зроблено навмисне, тому що при номінальному навантаженні оберти двигуна в будь-якому разі впадуть, навіть за умови задіяного автоматичного регулювання обертів. А для електрообладнання незначне підвищення частоти живильної напруги менш шкідливе, ніж її зниження, особливо для пристроїв із трансформаторним живленням. При зниженні частоти у трансформаторів збільшується струм холостого ходу, а значить і нагрівання.
Хай там як, характеристики напруги досліджуваної класичної електростанції цілком задовольняють вимогам ГОСТу, за винятком гармонійних спотворень вихідної напруги. Але для більшості обладнання це цілком допустимо.
Інверторна автономна електростанція
В інверторних електростанціях теж використовується синхронний генератор змінного струму. Але його конструкція відрізняється від тих, які використовують у класичних електростанціях.
Які ж вимоги висуваються до генератора змінного струму інверторної електростанції, щоб отримати напругу з необхідними характеристиками? А вимоги ці дуже лояльні, оскільки формуванням потрібних характеристик вихідної напруги займається інверторний перетворювач, а не альтернатор. У цьому і криється ключова відмінність інверторних електростанцій від класичних.
Найцікавіше полягає в тому, що стає не важливо, яка частота напруги буде на виході альтернатора, оскільки напруга буде перетворена на постійну, а в неї частота як параметр відсутня в принципі. Це дає можливість застосування багатополюсного генератора із зовнішнім ротором, обмотки якого працюють на підвищеній частоті (приблизно 400-600 Гц).
Відпадає необхідність у роторі з обмоткою для створення електромагніту. Блок AVR теж стає зайвим. Адже рівень напруги, необхідний для живлення інвертора, можна регулювати, змінюючи оберти двигуна. Тому на роторі можна встановити постійні магніти. Усі ці конструктивні особливості значно зменшують розміри та вагу альтернатора.
Синхронний багатополюсний альтернатор із зовнішнім ротором на постійних магнітах потужністю 1,25 кВт
Показана на фото інверторна електростанція має в складі два багатополюсні генератори змінного струму, які встановлені по обидва боки колінчастого вала. У результаті паралельної роботи двох альтернаторів номінальна потужність електростанції становить 2,5 кВт.
А ось такий вигляд має типовий блок формувача вихідної напруги, у складі якого встановлено випрямляч і, власне, інвертор. Розміри цього блоку 175х130х80 мм.
Характеристики напруги інверторного електрогенератора
Форма вихідної напруги інверторної електростанції номінальною потужністю 2 кВт показана на трьох осцилограмах нижче за потужностей навантаження 100 Вт, 900 Вт і 1700 Вт відповідно.
Форма вихідної напруги на виході інверторної електростанції номінальною потужністю 2 кВт
Форма напруги близька до «ідеальної» синусоїди. Вимірювання коефіцієнта гармонік показали відмінні результати. Рівень спотворень менший, ніж у побутовій електромережі, і в кілька разів менший за вимоги ДСТУ.
Навантаження 100 Вт Навантаження 900 Вт
Навантаження 1700 Вт
Рівень гармонік вихідної напруги інверторної електростанції за різних величин навантаження
Далі показано залежність вихідної напруги від під’єднуваного навантаження.
Залежність вихідної напруги від величини навантаження
Під час збільшення навантаження напруга зменшується, але незначно. Спостерігаються провали напруги в моменти підключення навантаження. Найбільше це помітно під час різкого збільшення навантаження з нуля. Такі провали пояснюються конкретними схемотехнічними рішеннями під час розроблення інвертора і в різних реалізаціях можуть відрізнятися за величиною.
А ось якщо подивитися на графік частоти вихідної напруги від навантаження, то побачимо рівненьку горизонтальну лінію. При цьому навантаження до генератора підключали аналогічно попередньому графіку. Такі стабільні параметри є наслідком того, що інверторний перетворювач має свій власний задавальний електронний генератор, і його частота ніяк не залежить від обертів двигуна.
Параметри напруги інверторної електростанції повністю задовольняють вимогам ГОСТу. Відмінною особливістю є малі гармонійні спотворення вихідної напруги і висока стабільність частоти.
У кожній бочці буває ложка…
Не можна не відзначити одну особливість інвертора, якою користуються виробники, щоб здешевити його конструкцію. Річ у тім, що за визначенням інвертор — це пристрій, який перетворює постійну напругу на змінну. При цьому не йдеться про форму цієї змінної напруги. Синусоїдальну форму вихідної напруги чисто технічно отримати дещо складніше, ніж прямокутну. У результаті деякі виробники встановлюють на свої електростанції інвертори, які замість синуса дають прямокутні імпульси частотою 50 Гц, водночас їхню ширину й амплітуду підібрано таким чином, що вони дають середньоквадратичне значення напруги якраз у 220-230 В. Усе це називають ступінчастою апроксимацією синусоїди. Нижче показано форму вихідної напруги інверторної електростанції з вихідною напругою у вигляді якраз тієї самої ступінчастої апроксимації.
Форма вихідної напруги інверторної електростанції зі ступінчастою апроксимацією синусоїди
Так, деяке обладнання цілком стерпно перетравлює таку форму напруги, але називати таку електростанцію універсальною для живлення будь-якого електрообладнання було б необачно. Складно гарантувати стабільну і безвідмовну роботу обладнання, підключеного до такого електрогенератора. Або треба знати, що обладнання, яке підключається, допускає роботу від напруги такої форми.
На жаль, виробники часто замовчують цей параметр, але зате голосно заявляють, якщо їхній виріб видає «чистий» синус.
Що в підсумку?
Основною перевагою інверторних електростанцій є мала вага і габарити. У середньому інверторна електростанція в 1,5-2 рази легша і менша за класичну. Такі показники вдалося досягти завдяки застосуванню багатополюсного генератора змінного струму із зовнішнім ротором на постійних магнітах, що працює на підвищеній частоті. А застосовується такий генератор якраз через незалежний формувач вихідної напруги — інвертор. До всього іншого всі ці технічні рішення збільшують ККД електрогенератора, що зменшує споживання пального двигуном.
Що стосується якості вихідної напруги, то тут незаперечною перевагою інвертора порівняно з класичною електростанцією є низький рівень спотворень форми вихідної напруги. На виході практично ідеальна синусоїда (якщо, звісно, не попався інвертор з апроксимацією). Теж можна сказати і про стабільність частоти. Такі параметри дають змогу використовувати інверторну електростанцію для живлення будь-якого обладнання, не побоюючись негативних наслідків.
Стабільність напруги інверторної електростанції нічим не виділяється на тлі цього ж параметра класичного електрогенератора. І в того, і в іншого пристрою цей параметр перебуває на належному рівні і залежить від застосованих рішень під час розроблення та виготовлення AVR або інвертора.