Высокочастотный или линейный инвертор

Инвертор — это ключевой компонент автономной электрической системы, в которой используется электроинструмент, компрессор, кондиционер, кухонные и бытовые устройства. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное и позволяет использовать для питания оборудования аккумуляторную батарею тогда, когда стационарная электрическая сеть не доступна. Комбинированный с зарядным устройством инвертор, который иногда называют гибридным, кроме преобразования постоянного напряжения в переменное способен выполнять обратное действие — получать из переменного напряжения постоянное и поэтому может заряжать аккумуляторы

Принцип работы

По способу преобразования постоянного напряжения инверторы делятся на высокочастотные и линейные (низкочастотные).

Основой линейного инвертора служит мощный трансформатор, первичная (низковольтная) обмотка которого соединена с положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи через две группы рассчитанных на высокий ток полевых транзисторов. Группы попеременно включается и выключается со скоростью, задаваемой кварцевым генератором, который поддерживает очень стабильную частоту. В результате такого переключения полярность напряжения на выводах первичной обмотки трансформатора меняется, а ток от аккумуляторной батареи течет через нее сначала в одном, а затем в другом направлении.

Скорость переключения полевых транзисторов определяет частоту переменного напряжения. В линейном инверторе каждая группа транзисторов включается и выключается пятьдесят раз в секунду, поэтому частота напряжения в первичной обмотке трансформатора совпадает с частотой в стационарной электрической сети. Но поскольку напряжение на первичную обмотку подается от аккумуляторной батареи, его величина существенно ниже сетевого. Трансформатор, повышает низкое напряжение первичной обмотки до требуемого значения на вторично

Линейные инверторы, комбинированные с зарядными устройствами

В высокочастотном инверторе переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора также возникает благодаря переключающимся транзисторам. Но теперь транзисторы включаются и выключаются тысячи раз в секунду, поэтому частота этого напряжения составляет 20 кГц и выше. Низкое напряжение высокой частоты повышается трансформатором до 300 Вольт, выпрямляется, а затем подается на другую группу транзисторов, которые переключаясь на частоте сети дают на выходе переменное напряжение правильной величины и частоты.

Поскольку площадь поперечного сечения трансформатора обратно пропорциональна частоте подаваемого на него переменного напряжения, то с увеличением частоты переключения транзисторов на первом этапе, размеры и вес трансформатора, необходимого для передачи заданной мощности, существенно уменьшаются. Если же вместо одного трансформатора, использовать несколько соединенных параллельно, то их габариты и вес сократятся еще сильнее.  Созданный по такой технологии инвертор получается мощным, легким и компактным.

В обоих описанных устройствах полевые транзисторы всегда либо включены, либо выключены, поэтому форма создаваемого ими напряжения, представляет собой ступенчатую прямоугольную волну, которую называют «модифицированной синусоидой». Чтобы получить напряжение синусоидальной формы контроллер инвертора быстро открывает и закрывает транзисторы несколько раз в каждом цикле по определенному шаблону. Каждый импульс напряжения имеет разную длительность, поэтому результирующее напряжение принимает форму синусоиды.

Достоинства и недостатки

Линейный и высокочастотный инверторы по-разному преобразуют постоянное напряжение в переменное. Поэтому у каждого из них есть свои плюсы и минусы, а выбор того или иного устройства зависит от предполагаемых вариантов его использования.

Первое, что сразу бросается в глаза, при сравнении устройств двух видов – это разница в весе и габаритах. Линейный инвертор мощностью 2000 Вт весит 17 кг и имеет размеры 510х245х135 мм. Его высокочастотный аналог немного компактнее — 403х256х99 мм и в три с половиной раза легче

Высокочастотные инверторы, особенно недорогие модели неизвестных производителей, с большей вероятностью создают радиочастотные помехи. Кроме того, их электрическая схема сложнее и в ней используется больше количество электронных компонентов, из-за чего повышается вероятность отказа и увеличивается сложность ремонта.

Линейные инверторы легко запустить «в обратном направлении», чтобы использовать для зарядки аккумуляторов, когда к устройству подключается другой источник переменного напряжения. Производители этим активно пользуются и большинство линейных инверторов выпускаются в одном корпусе с мощным зарядным устройством и автоматическим переключателем источника питания. Ток 100-150 А – это норма для зарядного в составе комбинированного инвертора. Высокочастотное преобразование постоянного напряжения сложнее «обратить», поэтому комбинированные устройства, выполненные по высокочастотной технологии, встречаются реже

Высокочастотные инверторы менее эффективны, чем линейные. Как правило максимальный КПД первых около 90%, а у вторых – 93-94%. Причем КПД высокочастотных инверторов с модифицированной синусоидой выше, чем у моделей с чистой. У высокочастотных устройств более высокое собственное потребление в режиме ожидания (инвертор включен, но не питает нагрузку). Эта характеристика важна для транспортных средств с ограниченной емкостью аккумулятора. Если инвертор должен оставаться включенным в течение многих часов, то его собственное потребление становится значительной частью общей нагрузки в бортовой системе постоянного напряжения.

Но определяющей характеристикой, отличающей линейные инверторы от высокочастотных, является пиковая мощность. Для обоих типов устройств в спецификации может быть указано, что она равна 200% от номинальной. Однако само значение пиковой мощности не имеет никакого смысла без информации о том, как долго устройство способно ее обеспечивать. Высокочастотный инвертор выдерживает нагрузку, превышающую номинальную в два раза в течение 5 миллисекунд, в то время как линейная модель течение нескольких секунд или даже нескольких десятков секунд.

Какую модель выбрать

О пиковой мощности приходится задумываться, когда в автономной электросистеме есть устройства с электродвигателями – насосы, электроинструмент, стиральная машина, кондиционер, а также кухонное оборудование — холодильник, микроволновая печь или посудомоечная машина. У индуктивной нагрузки пусковой ток в 4-6 раз превышает рабочий и, хотя протекает он в течении 20-100 миллисекунд, высокочастотный инвертор часто не может его обеспечить. Зато линейная модель делает это легко

Высокочастотные инверторы с чистой синусоидой

Благодаря хорошей перегрузочной способности, высокому КПД и низкому собственному потреблению линейный инвертор широко распространен в автономных электрических системах с несколькими источниками переменного напряжения. В таких установках комбинированный с зарядным устройством инвертор или полностью заменяет бензиновый (дизельный) генератор или работает совместно с ним. В последнем случае для питания бортового оборудования можно использовать генератор гораздо меньшей мощности, а значит уменьшаются его стоимость и занимаемое место.

Становится очевидно, что линейный инвертор – это более универсальный и надежный источник переменного напряжения на транспортном средстве, чем высокочастотный. Однако не всегда его выбор оправдан. Способность выдерживать высокие пиковые нагрузки, и повышенная надежность отражается на цене – линейные инверторы стоят дороже.

Высокочастотный инвертор лучше подойдет тогда, когда переменное напряжение на борту необходимо только для зарядки аккумуляторов телефонов, ноутбука, электроинструмента или питания небольшого чайника. Если же на транспортном средстве запланирована установка мощного электрооборудования и предполагается, что стационарная сеть будет не всегда доступна, необходима линейная модель. В сочетании с правильно подобранными солнечным контроллером и DC-DC зарядным устройством линейный инвертор способен полностью заменить стационарную сеть, вырабатывая электричество такого же качества. Поскольку линейные инверторы ломаются крайне редко, покупка такого устройства становится выгодным долгосрочным вложением, многократно окупающимся за годы эксплуатации