Инвертор для домашней солнечной электростанции

В энергетике весьма часто возникает необходимость преобразования одних величин в другие потому, что электрическую энергию производят источники переменного или постоянного тока. Для них создаются соответствующие потребители: электродвигатели, трансформаторные устройства, бытовые приборы.

Во многих отраслях деятельности, как и в альтернативной энергетике, возникает необходимость эксплуатации потребителей от комбинированных источников. Аккумуляторные батареи заряжают, а радиотехнические приборы, компьютерные устройства питают постоянным током или выпрямленным от генераторов электроэнергии с вращающимся электромагнитным полем.

Обратную задачу работы электродвигателей синусоидальных гармоник бытовых электроприемников от источников постоянного тока решают преобразованием электроэнергии в переменную с помощью специально разработанных сложных электрических конструкций, которые называют инверторами.

Назначение и задачи инвертора

По способу подключения к солнечной станции, потребителям и аккумуляторам инверторы подразделяются на:

• сетевые,

• автономные,

• гибридные.

Сетевые модели с обозначением “on grid” работают от солнечной электростанции на нагрузки общественной электрической сети. Они больше всего используются в системах с мощностями, превышающими 10 кВт, характерны для применения в странах Европы. В условиях России положения «Зеленого тарифа» не дают право частным лицам на использование этого метода.

Автономные инверторы обозначают “off grid”. Их подключают к домашним бытовым потребителям, а запитывают от аккумуляторных батарей , подзаряжаемых солнечными модулями через контроллеры.

Гибридные конструкции используют оба метода подключения. Они хорошо сочетаются со схемами источников бесперебойного питания , могут посредством автоматики контроллера работать от аккумуляторной батареи и/или солнечного модуля при необходимости.

Принципы работы инвертора

Во время эксплуатации небольшая часть приложенной энергии теряется на нагрев элементов схемы и побочные процессы. Поэтому выходная мощность всегда ниже затраченной. Эффективность хорошей конструкции определяется КПД с величиной 90 — 95%.

Инвертор принято считать генератором периодического напряжения, которое по форме очень близко к синусоидальным гармоникам или значительно отличается от него формой выходного сигнала.

Графики синусоидального колебания и его аналога, вырабатываемого инвертором

На графике представлены принципиальные виды синусоиды и близкого к ее виду напряжения на выходе инвертора, которое принято называть «Меандр». В зависимости от сложности конструкции с возможностями реализации ею различных функций форма меандра может быть еще больше приближена к характеристикам синуса или загрублена, напоминая на каждой полуволне своим видом обыкновенные трапеции или даже прямоугольники.

Упрощенная форма меандра больше подходит для устройств без индуктивных нагрузок, потребляющих активную составляющую электрической мощности. Это различные теплоэлектрические нагреватели (обозначение «ТЭН»), лампы накаливания систем освещения и подобные резистивные конструкции.

На устройства электродвигателей переменного тока и трансформаторные сборки бытовых приборов форма меандра может оказывать определенное влияние. Идеальное решение при их работе — чистый синус. Поэтому сложные инверторы, вырабатывающие напряжение выходного сигнала очень близкое к синусоидальным гармоникам более привлекательны для оборудования. Но стоимость их производства выше.

Особая точность приближения меандра к синусоиде важна для высокоточных измерительных приборов, медицинской техники, профессиональных аудиосистем, телекоммуникационной аппаратуры.

Конструктивные особенности

Для домашних солнечных электростанций в России наибольшим спросом пользуются схемы, создающие одну фазу переменного напряжения с величиной 220 вольт.

Для преобразования постоянного тока инвертор может работать по трансформаторной схеме или без нее. Наличие трансформатора значительно утяжеляет конструкцию, но позволяет создавать высококачественный выходной сигнал.

Система охлаждения устройства может использовать принудительно работающий вентилятор. В дорогих конструкциях уделяется внимание:

• бесшумности,

• использованию нескольких режимов работы, зависимых от нагрузки (особенно при перегреве).

Выпускаемые промышленностью инверторы могут из однофазных систем объединяться в трехфазные устройства повышенной мощности. Они способны выполнять различные задачи вплоть до передачи излишек вырабатываемой электроэнергии в промышленную сеть.

Основные правила выбора инвертора

Бытовые приборы постоянного тока и аккумуляторы эксплуатируют стандартные значения напряжений 12/24/36/48 вольт в зависимости от своей конструкции. Производители инверторов под каждый указанный вид напряжения выпускают свое оборудование. Это следует анализировать при выборе модели.

При эксплуатации инвертора следует учитывать:

• пиковую мощность энергопотребления,

• четыре фазы работы: пусковой режим, стадию длительного преобразования электроэнергии при номинальной мощности, холостой ход, перегрузки.

Пиковая мощность потребителей измеряется за определенный момент времени при создании критических нагрузок, может значительно превышать номинальные величины стандартной сети ~220V/50Hz.

В пусковом режиме инверторы способны отдавать завышенные мощности в течение короткого времени запуска электродвигателей (несколько миллисекунд) и ввода в работу емкостных нагрузок. Такой режим характерно проявляется при включении холодильников, стиральных и посудомоечных машин.

Режим длительной работы должен соответствовать номинальным характеристикам выбираемой конструкции.

Потребляемая мощность устройства без нагрузки на выходе не должна превышать 1% номинальной у качественных моделей.

При фазе перегрузки отдельные виды инверторов могут надежно передавать мощности, превышающие до 50% номинального значения в течение получаса. Но эта способность у каждой модели прибора выполнена по-разному.

Определить величину идеальной нагрузки весьма проблематично. Поэтому инверторы подбирают с созданием резерва мощности, обладающего запасом до 20% от расчетных величин.

В разветвленной домашней сети нагрузка может постоянно колебаться в большом диапазоне значений. При таком ее характере рекомендуется приобретать не один мощный инвертор, а рассчитать оптимальное количество ступеней используемых мощностей для приобретения нескольких моделей, поочередно коммутируемых схемой автоматики для экономичного, оптимального использования ресурса оборудования.

Наличие встроенных защит характеризует качество инвертора, который должен выводиться из работы при:

• отклонении питающего напряжения по верхнему и нижнему уровню,

• возникновении коротких замыканий в выходной цепи,

• перегрузках по току и температуре.

В случаях снижения нагрузки до минимальных величин схема автоматики может переводить инвертор в режим ожидания. Но эта функция присуща не всем моделям.

Прочность и надежность механической конструкции

На выбор места установки инвертора влияет качество изготовления его корпуса. Для условий открытого воздуха используют герметичные модели, классифицируемые индексом «IP65» (сокращение от Ingress Protection Rating) — системы анализа степеней защиты корпусов электрического оборудования от попадания воды и твёрдых частиц по международным стандартам. Он допускает тяжелые условия эксплуатации при любых атмосферных осадках.

На качество монтажных работ и погрузочно-разгрузочных операций влияет конфигурация корпуса и полнота комплектующих деталей, поставляемых совместно с основным оборудованием.

Рекомендации по монтажу схемы

Вначале рекомендуется подключать все потребители к выходным цепям инвертора, только после этого заниматься коммутацией питающих цепей.

При холостом ходе на аккумуляторных батареях и солнечных модулях присутствует более 20 В, что послужит причиной появления высокого напряжения на электролитических конденсаторах . А они, в свою очередь, при манипуляциях в выходных цепях станут импульсно разряжаться.

Продолжение статьи: Как устанавливать и эксплуатировать солнечные батареи