Гибридный инвертор для солнечных батарей: выбор и принципы устройства

Как работает 3-х фазный инвертор

В состав силовой части трехфазного инвертора входят транзисторные ключи с маркировкой от VT1 до VT6 в количестве шести элементов и диоды обратного тока VD1–VD6, также шесть штук. Диоды соединяются в общий мост и подключаются параллельно с источником питания.

Силовая трёхфазная цепь инверторов может быть построена разными способами. При постоянной структуре цепи, подача управляющих сигналов происходит одновременно сразу к трем силовым транзисторам. Таким образом, ее структура остается неизменной. В случае использования переменной структуры, количество транзисторов для подачи управляющих сигналов нередко бывает менее трех.

Продолжительность переключений, выполняемых транзисторными ключами и частота напряжения на выходе, зависит от используемой системы управления. В интервале, включающем в себя один период, переключения на выходе транзисторов анодной и катодной групп может происходить от одного до множества раз.

Конфигурация тока на выходе получается в соответствии с характеристиками нагрузки. Если нагрузка активно-индуктивная, получается форма в виде ломаной кривой, разделенной на четыре части, расположенные на половине периода. Эффект от токовой нагрузки определяется интегрированием наиболее характерных участков токовой кривой. Необходимая форма нагрузки, в том числе и синусоидальная, получается при многократном включении и отключении управляемых вентилей в пределах одного периода.

Регулировка выходного напряжения в инверторе осуществляется при помощи широтно-импульсной модуляции – ШИМ. Сформированная модуляция в виде прямоугольника, получила название широтно-импульсного регулирования – ШИР. Такое регулирование выходного напряжения выполняется за счет изменяющейся продолжительности подключения нагрузки к источнику питания. Данная схема применяется в момент паузы между импульсами, когда происходит запирание двух одинаковых силовых транзисторов.

В случае групповых переключений в нагрузочном напряжении возникает определенная пауза. Это происходит при изменении током своего знака в тот момент, когда два транзистора начинают запираться. Если же ток к этому времени не изменит своего знака или нагрузка окажется слишком продолжительной, то формирования паузы в напряжении на выходе не получится. При использовании ШИР, структура тока и напряжения на выходе в диапазоне малых частот и напряжений, значительно ухудшается. Для того чтобы избежать этого негативного явления, ШИР приходится выполнять на действующих несущих частотах.

Плюсы и минусы инверторной сварки

Эксплуатация инвертора при сварке имеет множество положительных сторон:

устройство обладает высоким КПД, который достигает 90 %;
прибор имеет компактные размеры и небольшой вес, что позволяет перемещать его без применения особых усилий;
полученный в результате использования инверторной сварки шов имеет высокую прочность и защищен от коррозии;
сварочный шов, выполненный инвертором
производить сварку можно в горизонтальном, вертикальном положениях, а также под углом;
при высокой мощности и производительности такие приборы экономно расходуют потребляемую энергию;
при сваривании металла удается избежать разбрызгивания расплавленного материала;
искрообразование минимально;
сварочный ток в аппарате указанного типа регулируется плавно;
требуется небольшое количество электродов;
большое количество моделей инверторов позволяет выбрать оптимально подходящую для запланированных работ;
квалификация лица, осуществляющего сварку инвертором, не имеет значения, поскольку это оборудование простое в управлении и имеет ряд дополнительных опций.

К минусам использования сварочных аппаратов инверторного типа можно отнести:

чувствительность техники к воздействиям внешней среды. При работе на открытой местности аппаратуру следует защитить от пылевых частиц, грязи, низких температур, воздействия влаги. Для хранения техники необходимо будет использовать закрытую отапливаемую площадку.
Высокая стоимость качественных инверторов относительно сварочных трансформаторов, а также дорогой ремонт.

Обнаружение неисправностей инвертора

Перечисленные простые схемы имеют две наиболее распространенных неисправности – либо на выходе трансформатора отсутствует напряжение, либо оно слишком мало.

Первый случай – это либо одновременный отказ обоих плеч преобразователя, что маловероятно, либо отказ ШИМ-генератора. Для проверки воспользуйтесь светодиодным пробником, какой можно приобрести в любом магазине радиодеталей. Если ШИМ работает, на затворах транзисторов Вы увидите наличие сигнала по быстрым пульсациям свечения диода (особенно хорошо это заметно в низкочастотных схемах). При наличии управляющего сигнала проверьте, нет ли обрывов в соединениях трансформатора и целостность его обмотки.
Большое падение напряжения – это явный признак отказа одного из силовых плеч инвертора. Найти отказавший транзистор можно простейшим образом – его радиатор останется холодным. Замена ключа вернет инвертору работоспособность.

Особенности подключения инвертора

Эффективность всей солнечной системы зависит от правильного подключения солнечного инвертора. Самое главное соблюдать правило: кабель, передающий постоянный ток, должен иметь минимально допустимую длину и максимальное сечение.

Если потребитель находится далеко от солнечных батарей, электрический кабель, по которому транспортируется переменный ток 220 В, следует удлинить, нарастив его. Длина провода между инвертором и солнечной панелью должна варьироваться в пределах 3 м и не более.

Оптимальный вариант, когда инвертор находится рядом с солнечной панелью. Особенно строгие условия должны быть соблюдены при подключении инверторов мощностью более 0,5 кВт.

Соединение проводов должно быть надежным, т.к недостаточное соединение приведет к искрам, которые могут стать причиной пожара. При установке автономного преобразователя для обеспечения бесперебойного электроснабжения установки цепь постоянного тока должна быть оборудована автоматическими выключателями.

Лучшим решением при подключении к преобразователю является использование лампы гибридного типа как для постоянного, так и для переменного тока. Принцип основан на особой последовательности включения инвертора. Он включает контроллер солнечной панели после зарядки аккумуляторов.

Это решение повышает качество оборудования. В регионах, где часто отключают электричество, или в домах, расположенных в районах с преобладающей пасмурной погодой, этот вариант работает очень хорошо.

Выбор инвертора

Рассмотрим, как надо выбирать сетевой солнечный инвертор. Оптимальный вариант — приобретение готового комплекса приборов с подобранными параметрами. Выбор отдельного инвертора представляет собой задачу, довольно сложную для неподготовленного человека. Однако, часто приходится покупать прибор под готовый набор солнечных модулей.

Принято руководствоваться следующими показателями:

согласование входного напряжения и мощности
способы защиты
диапазон рабочих температур
наличие нескольких режимов
КПД

Необходимо иметь в виду, что многие потребителя в момент запуска создают повышенную пусковую нагрузку. Если мощность инвертора подобрана неправильно, пиковые значения быстро выведут прибор из строя

Кроме этого, надо обращать внимание на допустимые значения температуры, так как инвертор чувствителен к этому показателю

Мощность прибора

Номинал «солнечного» инвертора подбирается из расчета максимальной нагрузки на сеть и предполагаемого времени автономной работы. В пусковом режиме преобразователь способен отдавать кратковременное повышение мощности на момент ввода в эксплуатацию емкостных нагрузок.

Такой период характерен при включении посудомоечных, стиральных машин или холодильников.

При использовании ламп освещения и телевизора подойдет маломощный инвертор на 500-1000 Вт. Как правило, требуется расчет суммарной мощности эксплуатируемой техники. Нужная величина указывается непосредственно на корпусе прибора или в сопроводительном документе.

Полученное значение желательно увеличить на 20-30% – это и будет требуемая выходная мощность инвертора. Например, суммарная мощность оборудования составляет 500 Вт/ч, срок автономной работы – 5 ч. Расчет: 500 Вт/ч*5ч*1,2=3000 Вт/ч

Уровень защиты

Качественный солнечный инвертор должен иметь несколько ступеней защиты. Возможные варианты: система принудительного охлаждения, предупреждение короткого замыкания, защита от провалов и выбросов напряжения в сети.

Немаловажно – наличие герметичного укрепленного корпуса, предупреждающего попадание вовнутрь частиц пыли, влаги. Показатель защиты электрооборудования нормируется согласно стандартизации IEC-952. Индекс обозначается как IP AB, где А – уровень защищенности от проникновения посторонних частиц вовнутрь устройства, В – выносливость к воздействию влагой

Индекс обозначается как IP AB, где А – уровень защищенности от проникновения посторонних частиц вовнутрь устройства, В – выносливость к воздействию влагой

Для условий эксплуатации на открытом воздухе подойдут модели с индексом «IP65» – прочность и надежность инвертора допускает его применение во внешней атмосфере.

Рабочая температура и габариты

Широкий интервал значений – показатель достойного качества сборки инвертора. Величина показателя особо актуальна при размещении преобразователя в неотапливаемом помещении.

В «облегченных» моделях отсутствие трансформатора может стать причиной поломки инвертора при подаче высокого пускового тока.

Согласно наблюдениям, один килограмм веса солнечного преобразователя соответствует выходной мощности 100 Вт. Габариты инвертора определяют способ его монтажа

Коэффициент полезного действия

Специалисты рекомендуют приобретать «конвертеры» тока с КПД от 90%. Только с таким параметром работа гелиосистемы будет эффективной, а ее обустройство целесообразным. Потеря 10% солнечной энергии – недопустимая «роскошь».

К полезным и необходимым «девайсам» относятся:

автоматическое добавление инверторной мощности к электроэнергии сети;
регулировка периода зарядки аккумуляторной батареи;
выбор приоритетного источника тока;
поддержание работы с аккумуляторами разного типа (щелочными, литий железно-фосфатными, гелиевыми, AGM, кислотными);
возможность комбинированной работы с сетевым преобразователем;
установка показателя напряжения – предупреждение «скачков» сетевого напряжения;
возможность модернизации инвертора за счет обновления прошивок.

Современные преобразователи могут подключаться к ПК для программирования и мониторинга.

Для отслеживания работы оборудования и электросетей компании производители предлагают бесплатное программное обеспечение. Интересная опция – возможность отправки СМС-оповещения о состоянии системы по запросу пользователя

Различия между одно- и трехфазными инверторами

Существуют принципиальные отличия однофазного от трехфазного инвертора. В основном они связаны с их конструктивными особенностями. Это наглядно видно на примере устройств, используемых с солнечными батареями. Схема однофазного инвертора использует 1 или 2 трекера МРРТ, выполняющих слежение за максимальной отметкой мощности панели.

Далее в цепь включается инвертор, выполняющий преобразование тока и синхронизирующий его с сетью. Электроэнергия, полученная от этого инвертора, поступает непосредственно в сеть. К каждому трекеру подключается своя солнечная панель. При наличии двух трекеров можно подключить на выбор 1 или сразу 2.

Трехфазный инвертор напряжения может иметь в своей схеме от 1 до 4 трекеров, в зависимости от мощности каждого преобразователя. Они также выполняют слежение за точкой максимальной мощности и направляют постоянный ток от солнечной панели к входу инвертора. В свою очередь, преобразователь соединяется с сетевыми фазами и синхронизирует их сдвиг на все 3 фазы.

Таким образом, основное отличие между обоими устройствами заключается в разнице распределения полученной энергии. Распределение электричества трехфазным прибором осуществляется равномерно между всеми фазами. Если же для этой цели используется три однофазных инвертора, то выходная мощность каждого из них будет колебаться в соответствии с мощностью, выдаваемой солнечной панелью.

Довольно часто возникает вопрос, что выгоднее использовать, одно- или трехфазный инвертор? Решение принимается индивидуально, исходя из конкретных условий эксплуатации. Несмотря на 1 корпус вместо 3-х, он может оказаться слишком дорогим, поэтому сравнение нужно делать по тем или иным известным моделям. То же самое касается VHHN-трекеров, количества силовых ключей и других важных компонентов.

Конструкция сварочного TIG-аппарата

Устройство для аргонодуговой сварки представляет собой источник тока и специальную горелку.

Первый нужен для генерации электрической дуги, а также поддержания ее величины в нормальных параметрах. Огромное количество металлов и сплавов, с которыми можно работать таким образом, подразумевает множество регулировок. Сегодня для этого применяют полупроводниковые инверторные агрегаты. Это сварочный инвертор TIG. Принцип работы не отличается от обычного инвертора, но выход такого устройства комбинированный. Постоянный ток применяют для работы с нержавеющими сталями, медными сплавами. Переменный же подойдет для магния, алюминия и других подобных сплавов. Режим работы, когда подаются прерывистые токи, используется для сварки тонких деталей. Также в конструкции имеется горелка. Что она собой представляет?

Это специальное устройство, в котором устанавливают вольфрамовый электрод. Оно имеет сопло, через которое осуществляется подача аргона. В отличие от традиционных сварочных полуавтоматов, в горелку для сварки TIG подача газа начинается до того, как разожжется дуга. Это позволяет избежать выгорания металлов.

Так что же выбрать

Ассортимент преобразователей достаточно широк, чтобы принять правильное решение.

Помимо уже вышеперечисленных популярных моделей, приведем еще несколько вариантов для разных целей.

Дом:

AXIOMA energy IS-800 — однофазный гибридный с КПД 98%, диапазон напряжения 140 – 275В, выходное U 220V±3% и частота 50/60 ± 0,3 Гц, номинальная мощность 0.5 кВт. Напряжение АКБ 12В. Китай.
Solis RHI-5K-48ES — входное U 330В, выходное 220В, напряжение АКБ 48В, мощность 0.5 кВт, диапазон работ 90-520В. Китай.
Stark InfiniSolar 3kW — диапазон входного U 250-450/170-280 В, выходного 208/220/230/240В. Мощность 3 кВт, напряжение АКБ 48В. Китай.
Imeon Energy IMEON6 — КПД 95.5%, диапазон входного U 120-450В, выходного 220В, напряжение АКБ 48В. Франция.
Fronius Symo GEN24 3.6 plus — Мощность 3.6 кВт, КПД 97,6%, номинальное входное напряжение 400В, поддерживаемый диапазон от 80 до 1000 В, выходное – 220В. Страна производитель – Австрия.
FSP Library MKS 2000VA — мощность 1.6 кВт, входное U 170 – 280В, интерфейсы DB9/RS-232 (COM), USB, форма выходного сигнала «Синусоида». Страна производитель Китай (Тайвань).

Дача:

IR 5048 5 кВт — однофазный, мощность 5 кВт, входное U 155 – 272 В, выходное 220В, вес 43 кг. Страна производитель – Китай.
GROWATT HYBRID 10000 HYP — мощность 10 кВт, зарядный ток 2000А, напряжение АКБ 48В, КПД 96%.
SILA V 1000P (PF0) — ток заряда 50А, настройки и мониторинг с ПК, мощность выходная 1 кВт (2 кВт кратковременно), входное напряжение 90 – 280В, выходное 230 ±5%.

Бизнес:

FSP Xpert Solar 3000VA PWM — мощность 2.4 кВт, пусковая – 4.8 кВт, ток заряда 50А, входное U 170 – 280В, КПД 93%, напряжение АКБ 24В.
VL MPPT BF 5000 Вт — выходная мощность 5 кВт (максимальная кратковременная – 10 кВт), КПД 98.5%, U АКБ 48В, ток заряда 80А, U холостого хода солнечных батарей 5000В, выходное U 230В. Китай.
Victron Energy Quattro 48/8000/110 — мощность 6.5 кВт (пиковая 16 кВт), входное U от 187 до 265В, выходное – 230±2%В. Напряжение от АКБ 48В. Страна производитель – Нидерланды.

Виды и особенности

Гибридные инверторы условно отличаются по нескольким критериям — форме сигнала и количеству фаз. Подробно рассмотрим особенности каждого направления.

По форме сигнала на выходе

Инвертор по форме сигнала бывает трех видов:

Чистая синусоида. На выходе выдается почти идеальная кривая, которая мало отличается от формы синусоиды обычной сети. Это лучшее решение, когда необходимо запитать дорогостоящую аппаратуру, к примеру, компрессоры, котлы, электрические двигатели и другую.
Квази-синус. Здесь кривая на выходе имеет неидеальный характер, что может негативно влиять на работу некоторых приборов. Как правило, появляются шумы и помехи, которые в сложных случаях приводят к выходу аппаратуры из строя. Если через гибридный инвертор питаются моторы (синхронные или асинхронные), мощность снижается где-то на треть, а также появляются признаки перегрева.

Устройства «Квази-синус» имеют небольшие размеры и доступную цену. Их рекомендуется использовать для приборов, в которых нет индуктивных нагрузок, к примеру, лампы накаливания, нагреватели и т. д. При покупке нужно смотреть на гармонические коэффициент, который должен быть меньше восьми процентов.

Что касается последней формы (меандр), она почти не применяется. Ее недостатком является резкое изменение полярности, из-за чего возможны сбои в работе и повреждение оборудования.

Автономные инверторы напряжения для солнечных батарей, устройство, принцип работы, как выбрать

По количеству фаз

Следующий критерий для гибридных инверторов — количество фаз.

Здесь доступно два варианта:

Однофазные. На выходе 210-240 В. Используются для бытовой сети. Частота — от 47 до 55 Гц, мощность от 0,3 до 5 кВт. Выпускаются под АКБ с напряжением 12, 24 и 48 В

Для правильной работы важно согласовать мощность устройства и напряжение солнечной батареи.
Трехфазные. Применяются для питания электрических 3-фазных моторов в цехах, промышленности. Имеют мощность от 3 до 30 кВт

Напряжение — 220 или 400 В.

Имеют мощность от 3 до 30 кВт. Напряжение — 220 или 400 В.

Трех фазный Fronius Symo GEN24 6.0 plus

При желании можно купить комбинированный вариант. Особенность модели — возможность питать одно- или трехфазную нагрузку за счет смещения фаз.

Инверторы сетевого типа

Характерной особенностью сетевых преобразователей является то, как они работают по отношению к сети.

Устройство этого типа устанавливается в цепи между солнечной панелью и сетью 220/380 В. Преобразователь сети означает, что солнечная электростанция работает без накопителей энергии (аккумуляторов), при этом электроэнергия, вырабатываемая солнечными модулями, используется для питания отдельных потребителей, подключенных непосредственно к преобразователю, а излишки поступают в сеть. Такое устройство работает только днем, когда доступен солнечный свет.

Преимущества использования гибридных инверторов по сравнению с сетевыми и автономными:

возможность заряжать аккумуляторные батареи и использовать их энергию ночью (недоступно для сетевых инверторов)
программирование режимов потребления, аккумуляции и сброса электроэнергии
возможность питания бытовой сети преимущественно альтернативным источником энергии с подмешиванием из стационарной сети
отпуск в сеть выработанной электроэнергии по зеленому тарифу (недоступно для автономных инверторов)
независимость от стационарной сети (недоступно для сетевых инверторов)
в случае падения напряжения в сети (как это у нас часто бывает вечером) аккумуляторно-инверторный комплекс стабилизирует напряжение до нужных параметров.

Единственным недостатком гибридного инвертора является более высокая цена по сравнению с сетевым и автономным инвертором. Однако возможность использования функций двух инверторов в одном устройстве с лихвой компенсирует эту разницу.

Что такое гибридный инвертор

В последнее время возникла путаница в определении этого понятия, так как многие производители называют свои инверторы гибридными, хотя на самом деле они таковыми не являются.

Инвертор может включать в себя контроллер для заряда аккумуляторов от источника постоянного тока — солнечных батарей или ветроустановок. Очень часто и такие инверторы производителя называют «гибридными». Основанием для этого является тот факт, что в этом инверторе совмещены 2 различных устройства — инвертор и контроллер для солнечных панелей или ветрогенератора. Однако такие устройства лучше называть «комбинированными«, а не гибридными.

Особенностью гибридного инвертора является именно возможность параллельной работы с источником переменного тока — сетью или генератором — в режиме инвертора. Гибридный инвертор может использовать энергию от аккумуляторов, заряжаемых от возобновляемого источника энергии, одновременно с энергией от сети/генератора, не отключаясь от сети. При этом должна быть возможность выставлять приоритет для источника постоянного или переменного тока; например, при выставлении приоритета для источника постоянного тока в первую очередь нагрузка питается от аккумуляторов, а недостающая энергия берется от источника переменного тока. Часто имеется возможность ограничивать ток или мощность, которые берутся от сети или генератора.

Приоритет для источника постоянного тока возможен только путем полного отключения сети от входа и переходом на работу полностью от аккумуляторов. Это приводит к «дерганной» работе системы и дополнительному циклированию аккумуляторов. Хорошо, если имеется возможность выбирать напряжение, при которых сеть отключается и подключается. Но во многих недорогих ББП такой возможности нет и пороговые напряжения жестко заданы без возможности регулирования.

Некоторые гибридные инверторы имеют функцию добавления мощности инвертора к мощности источника переменного тока. Эта функция очень полезна, если источник переменного тока имеет ограниченную мощность, которая недостаточна для электроснабжения пиковой нагрузки. В этом случае в ББП устанавливается максимальный ток, который можно брать от сети или генератора, а недостающая мощность берется от аккумуляторов и подмешивается к сетевой. Таким образом можно питать нагрузку мощностью, равной сумме мощностей инвертора и источника переменного тока (сети или генератора). Различные производители называют эту функцию по разному — например, в инверторах Studer Xtender она называется Smart Boost, в инверторах Schnieder Electric Conext XW — Power Shaving, в инверторах Outback G(V)FX — Grid support и т.п.

Сравнение блока бесперебойного питания и гибридной установки

Некоторые компании непроизвольно вводят потребителя в заблуждения, именуя блок бесперебойного питания (ББП) гибридным инвертором. Казалось бы, оба прибора выполняют схожие задачи, но есть существенное отличие.

ББП представляет собой инвертор с зарядным приспособлением. Модуль в первую очередь обеспечивает расходование энергии от фотоэлектрической установки, а при ее недостатке – переключается на потребление от сети.

ББП не способен выполнять функцию «подмеса» накопленной электроэнергии от аккумуляторных батарей с сетевой. Приоритетное потребление от источника DC реализовано путем отключения от сети и переходом на работу от аккумулятора

Функционирование системы в «дерганом» режиме провоцирует дополнительное циклирование аккумулятора и ускоряет его износ. В большинстве недорогих ББП пороговое напряжение установлено без возможности регулирования.

В моделях гибридных инверторов для солнечных батарей подобные скачки исключены – агрегат подстраивается под требуемую мощность и работает одновременно с разными источниками тока.

Можно самостоятельно выбирать приоритетное потребление. Как правило, упор делается на расходование энергии от солнечных батарей. В некоторых гибридных агрегатах предусмотрена опция ограничения мощности, поступающей от городской сети.

Сравнение функций популярных модификаций гибридных «конвертеров» и ББП. В серии моделей Victron предусмотрена возможность увеличения инверторной мощности за счет сетевой