Инверторы для котлов отопления

Инверторы для котлов отопления

Из-за подорожания энергии, вырабатываемой традиционными источниками, появляется спрос на различные виды экономии и альтернативы. В быту используют получение энергии от ветрогенераторов, солнечных панелей, даже небольших самодельных гидростанций. В бытовых самодельных и недорогих покупных ветряках часто используют генераторы постоянного тока с выходным напряжением 12-24 В. Это позволяет заряжать аккумуляторы. Для питания бытовых приборов используют инвертор для ветрогенератора, выдающий на выходе 220 В при частоте 50 Гц.

Для котлов отопления, работающих на газе, в том числе и бытовых, в настоящее время требуется сертифицированная автоматика. Это связано с повышенной опасностью газа. При пропадании электроэнергии вынужденно прекращается и работа котлов, со всеми понятными последствиями: холод и опасность перемерзания отопления (механическая котельная автоматика не удовлетворяет всем необходимым современным требованиям ).

Причины трансформации энергии

Все эти ситуации объединяет необходимость преобразования энергии аккумуляторов в напряжение 220 В 50 Гц, так как абсолютно подавляющее большинство приборов как раз на это напряжение и рассчитано. Причем во многих случаях требуется то, что неофициально называется «чистый синус», то есть, напряжение соответствующее ГОСТ 32144–2013, который устанавливает довольно-таки жесткие требования на коэффициент гармоник. Для устройств бесперебойного питания для дома качество энергии должно быть не хуже. Здесь не стоит ориентироваться на компьютерные ИБП для питания электроники – это частный отдельный случай.

Чистый синус

Нужно пояснить людям не в теме, о чем тут идет речь. Например, домашний или офисный компьютерный бесперебойник тоже вырабатывает переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц от аккумулятора. Но форма этого напряжения – прямоугольная в лучшем случае приближается к синусоиде двумя ступеньками. Компьютеру все равно, напряжение в нем сразу же выпрямляется для его собственного источника питания, да и к тому же там стоит корректор коэффициента мощности. Но для питания котельных насосов, которые работают от асинхронных электродвигателей, такое напряжение не подойдет.

Моторы будут гудеть, излишне нагреваться, будут усиленно изнашиваться их подшипники, и немалая доля энергии, которой и так в обрез при питании от АКБ, будет пропадать. Физика, связывающая в этом случае электричество и механику такова: синусоиде соответствует равномерное вращение, а любой другой форме напряжения – вращение рывками, отсюда и появление посторонних звуков.

Еще недавно такое преобразование было невозможным для массового потребителя и использовалось только в промышленности, связи и прочих, «государственных» случаях. Но благодаря успехам силовой электроники, чистый синус становится доступным практически всем.

Устройство инвертора с синусоидальным выходом

Любой инвертор, независимо от числа фаз, содержит две непременные части: мост на IGBT-транзисторах (реже на транзисторах MOSFET), и ШИМ-контроллер, управляющий его работой. С выхода моста снимается сигнал обратной связи тока и напряжения, необходимый ШИМ-контроллеру для стабилизации выходного напряжения и защите по току.

Работа моста подобна работе генератора переменного тока, он переключает подаваемое на его вход постоянное напряжение «меняет плюс с минусом», в результате чего и образуется напряжение переменное. А плавный закон его изменения, очень близкий к синусу, обеспечивает широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Частота модулятора составляет 2–6 кГц, за счет чего удается тонко «нарезать на ломтики» полупериод напряжения с частотой 50 Гц. Регулируя длительность открытого состояния транзисторов к закрытому, в каждом «ломтике» из 20–60 один полупериод, можно точно дозировать изменение тока в цепи и добиться почти синусоидального напряжения на нагрузке.

Но инверторному мосту требуется напряжение около 400 В постоянного тока. Эту задачу решает еще один мостовой преобразователь, который получает питание от 12 или 24 В гелевого аккумулятора. Сначала он преобразует постоянное напряжение в переменное с частотой 30–40 кГц, затем повышает его импульсным трансформатором до необходимой величины, и, наконец, снова выпрямляет для получения постоянного напряжения 400 В. Это напряжение заряжает фильтрующий конденсатор и подается на вход инверторного моста.

Таким образом, синусоидальный инвертор для котла отопления – это довольно сложная техника. Благодаря использованию повышенной частоты, габариты трансформаторов резко уменьшаются, устройство, при всей его сложности, становится очень компактным. Тепловые потери на переключение в современных силовых полупроводниковых приборах сделаны очень небольшими. Все это повышает КПД таких приборов до 98% и выше. Некоторые из них даже охлаждаются самотеком, без вентилятора.

Конфигурации питания с инверторами

Есть три основных способа применения инверторов:

  • автономный (off-line);
  • резервный (on-line);
  • линейный (line-interactive).

Автономный инвертор питается от заряженных аккумуляторов и запускается вручную или автоматически после пропадания напряжения в сети. Аккумуляторы затем заряжаются отдельно. Это наиболее дешевые системы (хотя и они не так уж дешевы).

Работа автономного инвертора

Резервный инвертор работает аналогично предыдущему, но имеет зарядное устройство для аккумуляторов, действующее автоматически. Этот инвертор полностью автоматизирован и работает нормальным образом через байпас, то есть, сетевое напряжение подается в нагрузку, в то время как сам инвертор отключен, работает только подзарядка батарей в режиме хранения. При пропадании сети байпас отключается и инвертор выходит на рабочий режим. Все это происходит за доли секунды, но некоторый провал в питании все же имеется. Это системы среднего ценового уровня. В принципе, такая же схема используется на компьютерных ИБП, только там напряжение весьма далеко от синусодального.

Работа резервного инвертора

Линейный инвертор работает постоянно и питает нагрузку только «от себя». При пропадании сети он работает, сохраняя частоту, напряжение и даже фазу. Питающая электросеть, собственно, обеспечивает лишь баланс тока в аккумуляторе, так что при возобновлении ее работы аккумулятор просто переходит из разряда в заряд, без всяких переключений.

Работа линейного инвертора

Источник питания аккумуляторов имеет значительный запас по мощности, чтобы питать одновременно и нагрузку (входной преобразователь инвертора) и заряжаемые аккумуляторы. Это наиболее дорогостоящие системы. Такая конфигурация применяется в тех случаях, когда надо обеспечить гарантированную надежность: правительственная связь, медтехника для сложных хирургических операций, питание ответственной аппаратуры на ядерных реакторах, и у военных. Между прочим, по такой же схеме работает зарядка смартфонов и ноутбуков, хотя там и нет инвертора.