Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
Не возить же с собой повсюду бензоэлектрогенератор — громоздкий, тяжелый, который требует запаса топлива, да и время готовности у него, мягко говоря, не маленькое.
Выручат в этих случаях инверторы — преобразователи энергии, превращающие постоянное напряжение 12 В в переменное 220 В (частотой 50 Гц).
Главное условие для их работы — наличие автомобильного аккумулятора достаточно большой емкости (от 10 А/ч и выше). Инверторы с допустимой мощностью потребителей до 2 кВт подключаются с помощью соответствующего разъема к гнезду прикуривателя автомобиля, более мощные модели (свыше 200 Вт) — непосредственно к клеммам АКБ с помощью кабеля большого сечения с аккумуляторными зажимами на конце.
В ранних версиях (первых моделях) инверторах мощный генератор напряжения частотой 50 Гц работал на низкочастотный повышающий трансформатор.
Со вторичной обмотки трансформатора снималось выходное напряжение 220 В. В более поздних версиях (см. рис. 2.13) высокочастотный генератор (частота — от 20 до 100 кГц) работает на импульсный повышающий трансформатор. С выхода трансформатора напряжение выпрямляется, фильтруется и далее уже коммутируется мощными транзисторами с частотой 50 Гц.
Первый тип преобразователя напряжения имеет большие габариты и вес из-за массы низкочастотного трансформатора, но надежен, имеет хорошую перегрузочную способность и ремонтопригодность. Второй — значительно дешевле и легче.
Кроме того, инверторы различаются по форме генерируемого переменного напряжения. Многие из них выдают так называемую «модифицированную синусоиду», скорее напоминающую меандр (рис. 2.19).
Рис. 2.19. Форма импульсов «модифицированной синусоиды»
Такие инверторы подойдут для питания большинства обычных бытовых приборов: утюгов, электрических плиток, электроинструмента и т. д. В качестве примера можно привести линейку преобразователей серии «Саг».
Их параметры приведены в табл. 2.8.
Таблица 2.8. Инверторы модельного ряда Саг
Но существуют приборы, требовательные к форме напряжения (телевизоры, аудиотехника и пр.).
Для них выпускаются инверторы с синусоидальным выходным напряжением, максимально приближенным по форме к напряжению в бытовой электросети. Конечно, эти инверторы сложнее в производстве и, соответственно, дороже.
Чтобы преобразователь смог обеспечить работу подключаемых в качестве нагрузки приборов, необходимо хотя бы приблизительно рассчитать суммарную нагрузку и выбрать инвертор необходимой мощности. Потребляемую мощность электроприбора обычно маркируют на задней панели или указывают в технической документации. В расчетах следует учесть, что при одновременном подключении нескольких приборов (через тройник или удлинитель) общая потребляемая мощность суммируется.
Электроприборы по характеру нагрузки можно разделить на две группы.
Первая группа — это приборы, мощность которых практически постоянна. К ним относятся лампы накаливания, нагреватели, телевизоры, компьютеры и т. п.
Для приборов этой группы можно выбирать инвертор с максимально допустимой мощностью, немного превышающей номинальную мощность приборов.
Вторая группа характеризуется тем, что стартовая нагрузка электроприборов при включении может превышать постоянную нагрузку в несколько раз (холодильники, насосы, электродвигатели, мощные энергосберегающие лампы с встроенным преобразователем и др.).
Современные преобразователи напряжения имеют защиту от перегрузок, которая постоянно срабатывает при включении таких и подобных им электроприборов, если мощность инвертора выбирается исходя из номинальной мощности нагрузки.
Следовательно, для такого оборудования лучше ориентироваться на двойной или тройной запас по мощности инвертора.
Следует учитывать и то обстоятельство, что мощность, указанная на инверторе, — величина весьма приблизительная.
Подключение нагрузки к инвертору имеет некоторые особенности, поэтому важно, чтобы инвертор имел функцию автоматического отключения при достижении на входе (клеммах АКБ) минимально допустимого напряжения (10,5±0,5 В).
В табл. 2.9 приведена требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и типа инвертора.
Таблица 2.9. Требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и инвертора
Время работы электроприбора Т от инвертора, подключенного к аккумулятору, зависит от потребляемой мощности электроприбора, емкости аккумулятора, коэффициента полезного действия инвертора (КПД) и рассчитывается по формуле:
Т = 12С КПД/Р (час),
где 12 — напряжение аккумулятора, В;
С — емкость аккумулятора, А час;
Р — мощность нагрузки, Вт.
Для приборов, потребляющих постоянную мощность, равную номинальной (обозначенной на них), примерное время работы можно рассчитать по формуле:
Т = 8,5С/Р (час),
где С — емкость батареи, А час;
Р — мощность подключенных устройств, Вт.
Следует помнить еще, что аккумуляторы обладают так называемой «остаточной емкостью». Например, если, используя аккумулятор емкостью 90 А/ч, «погонять» газонокосилку мощностью 1 кВт в течение 45 мин, инвертор выключится, поскольку напряжение АКБ «подсядет». Но, уменьшив нагрузку до 500 Вт (подключив, скажем, электродрель), можно поработать ею столько же по времени. Потом можно подключить нагрузку 300 Вт, затем 130, 60, 30 Вт и т. д.
Конечно, расходование 100 % энергии аккумулятора не рекомендуется, т. к. его ресурс в этом случае заметно сокращается.
При длительном (более 2 часов) подключении инвертора с достаточно мощной нагрузкой к аккумулятору (при неработающем двигателе) он заметно разряжается.
Для примера в табл. 2.9 и 2.10 представлены расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (для полностью заряженной АКБ СТ-55А номинальной емкостью 55 А/ч).
Таблицы 2.10 и 2.11 пригодятся для расчета времени работы системы энергоснабжения от нетрадиционных источников (солнце и ветер) в то время, когда нет ни солнечной активности, ни ветра. Такое состояние в природе иногда происходит — безветренная ночь.
Таблица 2.10. Расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии
Таблица 2.11. Расчетные значения времени разряда мощных АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (продолжение)
Глава 3
Особенности ИИП-преобразователей электроэнергии для нетрадиционных источников питания
Нетрадиционные источники питания получают все большее распространение в России. В Европе такие источники популярны уже лет 30… Приобрести блок солнечных батарей вместе с преобразователями напряжения сегодня может каждый; я — с оказией — сделал это в Финляндии, и такой блок обошелся мне в сумму чуть более четырехсот тысяч — в перерасчете на рубли. Но, учитывая реальную, а не номинальную мощность установки — 8 кВт, притом совмещенной с ветрогенератором, я вполне доволен, поскольку таким образом мне удалось решить вопрос с энергоснабжением на собственной даче. Но радовался я недолго, так как вскоре после монтажа установки встал новый актуальный вопрос: как все это хозяйство сохранить от воров в условиях Российской Федерации? Это вопрос сейчас находится в стадии решения.
И тем не менее, достигнув своих целей и смонтировав установку с нетрадиционными источниками питания — от энергии солнца и энергии ветра, я имею возможность разобрать эти хитрые финские устройства и теперь пояснить предметно их принцип работы.
Как выяснилось на практике, основной проблемой эффективности работы всей установки является периодическое затенение солнечных панелей и другие факторы снижения эффективности их работы.
На рис. 3.1 представлен общий принцип работы нетрадиционных источников питания, получающих энергию от ветра и солнца.
Рис. 3.1. Общий принцип работы нетрадиционных источников питания
Солнечные панели могут затеняться и снижать вырабатываемую мощность по следующим причинам:
1. затенение от рядом стоящего объекта или высокого объекта на удалении (горы, высокий лес) — неудачное расположение;
2. облачность, туман, сильный дождь, снег, пыль, листопад и даже птичий помет.
В связи с этими факторами, разумеется, самым лучшим решением является комплексная установка — и солнечные батареи, и ветрогенератор. Однако, несмотря на это, принцип работы преобразователей энергии для этой установки, рассматриваемый в данной книге, остается неизменным. Его особенности работы представлены ниже.
