Инверторы DC/AC, ИБП (UPS) - чистый синус. Преобразователи напряжения DC/DC.
Продажа печатных плат в сборе (OEM).
Инновационная компания A-electronica.ru Инвертор 12/24/220 с чистой синусоидой 
( inverter DC/AC, true sine wave)

Серийное производство силовой электроники

Исследования Разработка Производство
ИК "A-electronica.ru", г. Новосибирск, т.89138915104, info@a-electronica.ru
Главная О компании Каталог Прайс Интернет-магазин Почта Технологии Партнёры Наши статьи F.A.Q.

Энергетическая эффективность работы инверторов

г. Новосибирск
01 октября 2011 года
Инновационная компания "A-electronica.ru"

При применении инверторов для решения практических задач часто возникает вопрос об энергетической эффективности преобразования электрической энергии. Инвертор является одним из звеньев в цепи преобразования энергии для решения конечной задачи и это преобразование происходит с потерями. То есть лишь часть энергии, потребляемой инвертором, поступает на его выход, остальная же часть теряется в виде тепла, и это ненужный, паразитный эффект. Для количественного описания этого эффекта используется показатель КПД, равный отношению выходной мощности (или энергии) к потребляемой. Чем меньше энергии теряется относительно проходящего через инвертор потока энергии, тем больше эта цифра. Если потерь энергии нет, то КПД равен 1, но это теоретическое значение, а в практических инверторах КПД всегда меньше 1. Для инверторов величина КПД приводится в документации и является одной из важных характеристик. Чем больше КПД инвертора при равных других условиях, тем меньше относительных потерь энергии, то есть инвертор более эффективен. Однако нужно заметить, что это потери энергии - это неизбежный процесс, и при решении практической задачи необходимо стремиться не к абсолютной минимизации потерь, а к тому, чтобы практическая задача имела простое решение.
Само по себе значение КПД не дает полной информации о величине потерь энергии в инверторе в конкретной задаче, так как режим использования инвертора может отличаться от того, в котором производилось измерение КПД.
Эффективность преобразования энергии зависит как от выбора применяемого инвертора, так и от режима его использования.
Целью данной статьи является освещение технологии оценки эффективности инверторов в практических задачах. Рассмотрен также и обратный вопрос о требованиях к эффективности инвертора исходя из поставленной практической задачи.
В практике применяется два основных режима использования инвертора - непрерывный и периодический. Расчет энергетической эффективности инвертора для этих режимов производится по разным методикам. Так, для оценки эффективности в непрерывном режиме используется показатель КПД. В периодическом же режиме показатель КПД не отражает картину потребления энергии. В моменты времени, когда инвертор не используется, его выходная мощность равна нулю, соответственно равен нулю и КПД. Однако мощность от источника все равно потребляется, и ее количество может быть различным, соответственно показатель КПД в данном случае неинформативен. Поэтому эти разные режимы работы рассматриваются в отдельных разделах статьи.
Непрерывный режим работы

В непрерывном режиме работы инвертор постоянно работает на нагрузку. Мощность этой нагрузки может изменяться во времени согласно практической задаче. Важно, чтобы инвертор работал эффективно во всем диапазоне нагрузок, требуемом практической задачей.
Рассмотрим для примера такую практическую задачу, как автономная работа инвертора от аккумулятора определенной емкости. Оценим влияние КПД инвертора на длительность автономной работы. Обозначим:
E-доступная энергия аккумулятора
Po- мощность нагрузки
Pi- потребляемая от аккумулятора мощность
n- показатель КПД.
Тогда:



Таким образом, время автономной работы пропорционально КПД. Так, если в идеальном случае при n=100% время автономной работы составляет 10 часов, то при реальном значении КПД 80% время работы уменьшается на 20% и составит 8 часов.

Для того, чтобы решать задачу выбора оборудования, надо выбрать критерий эффективной работы. Для выбранной задачи можно в качестве критерия эффективности использовать относительное время работы от аккумулятора, то есть отношение реального времени работы к идеальному, т.е. для случая без потерь. Из предыдущих расчетов можно сделать вывод, что это относительное время равно по значению показателю КПД. Чтобы однозначно говорить о применимости конкретного оборудования к данной задаче, необходимо выбрать некий порог допустимых потерь nп. Этот порог выбирается исходя из практической задачи. Для примера в этой статье будет использоваться порог в 80%. Это значит, что инвертор, обеспечивающий относительное время работы в 80% и более во всем диапазоне применяемых нагрузок, считается эффективным. И наоборот, инвертор, имеющий относительное время работы менее 80% при какой-либо нагрузке из диапазоне применяемых, считается неэффективным.
Для того, чтобы оценивать эффективность работы инвертора в практических задачах необходимо (хотя бы приближенно) знать показатель КПД при произвольной мощности нагрузки. Обычно эта информация не приводится в документации на инвертор, однако ее можно приближенно рассчитать с помощью некой энергетической модели инвертора. То есть с помощью модели можно задачу выбора инвертора решить с помощью расчетов, а не практических опытов.
Чтобы модель соответствовала конкретному инвертору, она должна содержать некоторые параметры, которые можно рассчитать исходя из доступных характеристик инвертора.
Итак, рассмотрим предлагаемую линейную энергетическую модель инвертора. Данная модель является неким упрощением реальных процессов, происходящих в инверторе, соответственно показатель КПД, получаемый с помощью модели, имеет какую-то погрешность. Однако эта погрешность невелика, и полученный параметр вполне может использоваться в практических расчетах. Ценность данной модели в том, что ее параметры можно рассчитать исходя из того минимума документации на инвертор, которая обычно доступна. Для определения параметров модели нужны лишь следующие данные:
1) КПД на какой-то определенной мощности
2) Потребление мощности на холостом ходу.

Модель можно отобразить в виде электрической схемы, приведенной на рис. 1.

--
Рис. № 1. Электрическая схема модели

Суть схемы заключается в том, что от источника электрической энергии( BATTERY) питается нагрузка, отображаемая сопротивлением Rn. Присутствующие на схеме сопротивления Rs и Rp моделируют потери энергии. Rp моделирует потери холостого хода, а Rs- потери за счет вносимого последовательного сопротивления. Путем математических расчетов, не приведенных в статье, выводится аналитическая зависимость КПД от мощности Po. Типовой график этой зависимости, созданный в программе micro-cap, приведен на рис.2.

Рис. № 2. График зависимости КПД от выходной мощности.

Из анализа графика можно сделать следующие выводы:
1)        График содержит две ветви. То есть одному значению выходной мощности соответствует 2 значения КПД. Это происходит потому, что одному значению выходной мощности соответствует 2 значения сопротивления нагрузки Rn. При этом меньшему сопротивлению нагрузки соответствует меньший КПД и наоборот. Нижняя ветвь соответствует работе инвертора в состоянии перегрузки, когда сопротивление нагрузки меньше сопротивления потерь Rs. Для практической работы нижняя ветвь не представляет интереса, так как при той же выходной мощности, что и для верхней ветви, теряется большая часть энергии источника.
2)        В начале координат находятся 2 крайних режима работы инвертора- холостой ход (Rn=off) и короткое замыкание (Rn=0). КПД в этих режимах равен нулю.
3)        На верхней ветви графика имеется максимум КПД. Этот максимум образуется потому, что в области как малых, так и в области больших мощностей КПД снижается из-за определенных факторов.

Рассмотрим работу инвертора в области больших и малых мощностей более подробно Для упрощения расчетов рассмотрим эти случаи как отдельные режимы.
В области малых мощностей влияние потерь в последовательном сопротивлении Rs незначительно. Основные потери связаны с параллельным сопротивлением Rp. Соответственно для данного случая можно упростить модель, исключив сопротивление Rs. Рассчитаем эффективность работы инвертора для данного случая.


Где Pp- мощность потерь в сопротивлении Rp.

Таким образом, если принять порог эффективности 80%, то, подставляя его в формулу, получим значение мощности Pmin, при котором достигается такой КПД.



То есть, для эффективной работы инвертора, мощность нагрузки должна более чем в четыре раза превышать мощность, потребляемую инвертором на холостом ходу. А в диапазоне выходной мощности от нуля до 4-х мощностей холостого хода инвертор работает неэффективно.
В диапазоне же больших мощностей складывается другая ситуация. Мощность потерь Pp становится незначительной по сравнению с выходной, поэтому данный вид потерь можно не учитывать и исключить Rp из схемы. Тогда в качестве источника потерь остается лишь сопротивление Rs. Аналогично вышеприведенным расчетам можно вывести:
Ps- мощность потерь в сопротивлении Rs.


Выразим з через Rn:


Выразим Po через Rn:


Подставляя значение Rn, получаем:


Данное выражение описывает параболу, повернутую на 90* в системе координат. Также как и в предыдущем случае с результатами моделирования, график имеет две ветви, то есть одному значению Po соответствуют 2 значения n. Интересующая нас верхняя ветвь графика является ниспадающей, то есть КПД падает с увеличением выходной мощности. Аналогично с предыдущими расчетами можно подставить пороговый КПД, для получения значения мощности Pmaх, при которой КПД равен 80%:


Однако часто нет необходимости производить математические расчеты для определения диапазона эффективной работы инвертора в области больших мощностей, потому что может быть заведомо известно, что инвертор достаточно эффективен из документации на инвертор. Так, часто КПД инвертора указывают для номинальной мощности. А работать длительно на мощности более чем номинальная инвертор не способен, поэтому указанный КПД на номинальной мощности будет минимальным (в области больших мощностей). Поэтому если указанный КПД больше, чем пороговый, то инвертор заведомо эффективен.
Исходя из проведенного анализа для данных двух граничных режимов, построен аналитический график зависимости КПД от выходной мощности, приведенный на рис.3.


Рис. №3. Аналитический график зависимости КПД от выходной мощности.


На графике сплошной линией изображена верхняя ветвь зависимости КПД от выходной мощности для модели, приведенной на рис.1. Пунктирными же линиями изображены упрощенные зависимости для областей малой и большой мощности. Можно отметить, что как раз в этих областях пунктирные и сплошная линия сходятся, то есть упрощенные модели достаточно точно отображают исходную.
Исходя из графика, можно отметить, что инвертор способен работать эффективно в некотором диапазоне выходной мощности, ограниченном и снизу и сверху. Причем обычно сверху диапазон выходной мощности ограничен не падением КПД ниже порога, а величиной номинальной мощности. Поэтому в дальнейшем в качестве Pmaх можно использовать номинальную мощность инвертора Pн. Этот диапазон мощностей является важной характеристикой инвертора и показывает, какой мощности можно подключать нагрузку, чтобы оставаться в области эффективной работы инвертора. Данный диапазон можно выразить в относительных единицах, как отношение Pmaх к Pmin. И это отношение будет являться показателем качества инвертора, и показывать во сколько раз может отличаться мощность нагрузки внутри области эффективной работы инвертора. Однако это отношение будет зависеть не только от характеристик инвертора, но и от выбранного порога эффективной работы. Для того, чтобы данное отношение характеризовало только инвертор, нужно использовать величины, пропорциональные Pmin и Pmax, однако не зависящие от величины порога КПД. Для нижней границы области эффективной работы инвертора Pmin такой величиной является величина мощности холостого хода Pp. Таким образом, введенный показатель качества будет рассчитываться как отношение номинальной мощности к мощности холостого хода. По аналогии с другими областями техники назовем этот показатель динамическим диапазоном (ДД).

Для оценки значимости этого показателя рассмотрим два практических примера.
В первом примере имеются два инвертора, А и В, одинаковой номинальной мощности, но с разным ДД, пусть ДД инвертора А больше чем ДД инвертора В. Соответственно Pmin инвертора А будет меньше, чем у инвертора В (при любом пороге качества по КПД). Поэтому инвертор А сможет работать эффективно с некоторыми нагрузками небольшой мощности, а инвертор В- не сможет. Поэтому считаем инвертор А более качественным, чем инвертор В, то есть в данном примере инвертор с большим ДД более качественен чем инвертор с меньшим ДД.
Во втором примере также сравним два инвертора, А и В, с одинаковой мощностью холостого хода, и различным ДД.(Опять ДД инвертора А больше чем ДД инвертора В.) Соответственно Pmax инвертора А будет больше, чем у инвертора В. (при любом пороге качества по КПД). Поэтому инвертор А сможет работать эффективно с некоторыми нагрузками большой мощности, а инвертор В- не сможет. Опять же считаем инвертор А более качественным, чем инвертор В, то есть и во втором примере инвертор с большим ДД более качественен чем инвертор с меньшим ДД. Таким образом, мы сравнили инверторы по эффективности, не применяя напрямую показатель КПД. Это может быть важно в тех случаях, когда КПД неизвестен. Это подчеркивает важность показателя ДД как индикатора качества инвертора.
В завершение данной части статьи приведем пару практических значений ДД. Для инвертора Porto HT-P-1200
http://www.porto-accessories.com/goods/mobile_power/HT-P-1200.html приведена номинальная мощность в 1200Вт и ток потребления холостого хода 0.7А. Соответственно мощность Pp=Ip*U=0.7A*12В=8.4Вт. ДД=Pн/Pp=143. Минимальная мощность нагрузки, при работе с которой КПД выше 80%, составляет Pmin=4*Pp=34Вт. Если же взять для сравнения инвертор ПН7-12-1200 http://a-electronica.ru/news-new-line-product-inverters-PN7.html , то при такой же номинальной мощности ток холостого хода меньше и составляет 0.4А. Соответственно Pp=Ip*U=0.4A*12В=4.8Вт. ДД=Pн/Pp=250. Данный показатель качества для инвертора ПН7-12-1200 выше, чем для ранее рассмотренного. Соответственно, минимальная мощность нагрузки, при работе с которой КПД выше 80%, меньше и составляет Pmin=4*Pp=19Вт. То есть с нагрузками малой мощности этот инвертор работает более эффективно.
Периодический режим работы

Периодический режим работы инвертора заключается в том, что часть времени инвертор работает с потребителями, а часть- простаивает без нагрузки. В практических задачах такой режим работы инвертора используется очень часто. Например, когда инвертор питает группу потребителей, и управление потребителями происходит с помощью выключателей питания на каждом потребителе. В этом случае инвертор должен быть постоянно включен, даже если все потребители выключены, чтобы обеспечить такую же логику питания, как и от обычной сети переменного тока. Другой пример- подключение потребителей, которые самостоятельно управляют своим включением, например компрессорно- ресиверные агрегаты или холодильники.
Во время простоя инвертор не питает нагрузку, однако расходует энергию на собственное потребление. То есть часть энергии источника теряется, уменьшая эффективность инвертора. Доля этой энергии в общих потерях может быть различна, но в некоторых случаях, например при относительно больших временах простоя эффективность инвертора может быть весьма невелика.
Для расчетов эффективности необходимо разбить периодический режим работы на две фазы, легко рассчитываемые отдельно. Первой фазой является работа инвертора на нагрузку, и она рассчитывается как для непрерывного режима работы инвертора. Вторая же фаза- это простой инвертора без нагрузки. Для объяснения порядка расчетов служит следующий пример.
Произведем расчет для типичного случая – задачи питания холодильника. В примере используется небольшой холодильник с следующими параметрами: средняя мощность потребления - 20Вт, относительное время включенного состояния – 1/4, то есть в течении часа компрессор находится во включенном состоянии 15мин. Для питания используем инвертор Porto HT-P-1200, параметры которого приведены в первой части статьи. Расчеты эффективности в данном случае проще проводить не через мощности, а через энергии, потребляемые за какое-то определенное время, например 1 час. КПД тогда определяется по формуле:


, где
Eo- полезная энергия
E-энергия, потребляемая от источника
Ep- общая энергия потерь
Энергия потерь в данном случае считается как сумма энергий потерь, происходящих во время работы инвертора с нагрузкой и во время простоя инвертора. Для работы инвертора с нагрузкой:

, где
t- время работы инвертора с нагрузкой (1/4 часа в нашем случае)
ni- КПД инвертора при работе с нагрузкой (0.85 из документации)
Р- мощность холодильника при работе(20Вт средней мощности делим на относительное время работы и получаем мощность компрессора холодильника 80Вт)
Таким образом, энергия потерь за время работы компрессора с нагрузкой составит 3.5Вт*ч.
Энергия же потерь во время простоя инвертора определяется как произведение времени простоя( 3/4 часа для нашего случая) и мощности потерь инвертора на холостом ходу (8.4Вт из расчетов в предыдущей части статьи). Что дает 6.3Вт*ч . Полезная же энергия равна произведению средней мощности потребления холодильника на интервал измерения энергии, и составляет 20Вт*ч. Таким образом, эффективность использования энергии в данном примере получается n=67%. Данный КПД ниже порога эффективности, принятого в предыдущей части статьи. Хотя КПД самого инвертора при работе выше этого порога. Данное падение общей эффективности объясняется большими потерями энергии за время простоя инвертора- в этом примере они в почти 2 раза больше потерь во время работы инвертора на нагрузку.
Данный пример показывает важность уменьшения потерь во время простоя инвертора. Эти потери можно уменьшить, выбирая инвертор с меньшим током холостого хода. Для инверторов одинаковой номинальной мощности это означает больший ДД. То есть показатель качества инвертора, предложенный в предыдущей части статьи для непрерывного режима работы, оказывается применим и к периодическому режиму работы.
Однако потребление инвертора на холостом ходу является важной технической характеристикой инвертора, и на данном уровне технологий уменьшить его получается лишь за счет ухудшения каких-либо других параметров. Для преодоления этого ограничения существуют различные технологии экономии энергии при простое инвертора. Они основаны на том, что в моменты простоя инвертора он отключается и потребляет меньше энергии. В предыдущем примере был использован инвертор без подобной функции. В следующем же примере применим для питания той же нагрузки другой инвертор- ПН7-12-1200. Данный инвертор обладает функцией экономии энергии при простое (режим сна). При активации этого режима ток потребления при простое составляет лишь 15мА. Произведя расчеты, подобные предыдущему примеру, получаем значение энергии потерь простоя в 0.135Вт*ч. Что более чем в 40 раз меньше аналогичного параметра для предыдущего примера. И более, чем на порядок меньше потерь энергии во время работы инвертора на нагрузку. Это позволяет потери энергии во время простоя инвертора вообще не принимать во внимание и производить расчеты как для непрерывного режима работы. То есть не учитывать падение эффективности инвертора за счет его простоя, так как оно незначительно. Можно сказать, что использование такой эффективной, как в инверторе ПН7-12-1200, функции экономии энергии при простое позволяет практически полностью исключать потери, связанные с холостой работой инвертора в данном примере.
г. Новосибирск_________2003 - 2011 год
Rambler's Top100