Чистый синус, THD и качество электроэнергии от инвертора

Все гибридные и сетевые инверторы для солнечных станций выдают синусоидальное напряжение с искажениями в единицы процентов — по форме оно не хуже сетевого, а часто лучше. «Модифицированный синус» остался в дешёвых автомобильных преобразователях и простых источниках бесперебойного питания: это ступенчатое напряжение с искажениями 30–48 %, и насосам, двигателям и автоматике котлов оно противопоказано. Но качество электроэнергии от инвертора — не только форма. В островном режиме добавляются провалы напряжения при пуске тяжёлой нагрузки и вопрос частоты. Разберём всё по порядку, с расчётами.

Синус и его параметры

Сетевое напряжение 230 В — это действующее значение. Амплитуда синусоиды больше в √2 раз: 230 × 1,414 ≈ 325 В. Частота 50 Гц означает период 20 мс.

Любое периодическое напряжение можно разложить на сумму синусоид: основную, 50 Гц, и гармоники с кратными частотами — 150, 250, 350 Гц и так далее. Полезную работу в двигателе делает только основная. Коэффициент гармонических искажений (THD) показывает, какую долю от основной составляют все гармоники вместе:

THD = √(U₂² + U₃² + U₄² + …) ÷ U₁,

где U₁ — действующее значение основной гармоники, остальные — гармоник высших порядков.

Пример. Анализатор показал третью гармонику 3 % от основной, пятую 2 %, седьмую 1 %. Тогда THD = √(3² + 2² + 1²) = √14 ≈ 3,7 %. Для сравнения: нормы качества электроэнергии в сетях общего назначения допускают суммарный коэффициент гармоник напряжения до 8 %, так что 3,7 % — хорошее напряжение.

Модифицированный синус: считаем искажения

«Модифицированный синус» — маркетинговое название ступеньки: плюс, пауза, минус, пауза. Её THD легко посчитать, зная действующее значение всей формы и действующее значение первой гармоники.

Пусть импульс занимает 120° из 180° полупериода, амплитуда A. Действующее значение: A × √(120 ÷ 180) = 0,816 A. Первая гармоника: 0,9 × A × sin 60° = 0,780 A. Всё, что не первая гармоника, — искажения: √(0,816² − 0,780²) = √(0,667 − 0,608) ≈ 0,243 A. THD = 0,243 ÷ 0,780 ≈ 31 %. Это лучший случай для ступеньки. Если импульс занимает половину полупериода, а амплитуда равна сетевым 325 В, THD получается около 48 % — столько же, сколько у простого меандра.

Форма напряжения	THD	Амплитуда при 230 В	Где встречается
Синус	единицы процентов	325 В	сеть, гибридные и сетевые инверторы, ИБП двойного преобразования
Ступенька, импульс 120°	около 31 %	282 В	лучшие из преобразователей с «модифицированным синусом»
Ступенька, импульс 90°	около 48 %	325 В	дешёвые автомобильные преобразователи, простые ИБП
Меандр	около 48 %	230 В	старые преобразователи

Побочное следствие для измерений. Недорогой мультиметр измеряет не действующее значение, а среднее, и пересчитывает его в предположении, что форма синусоидальная. На ступеньке с импульсом 120° при настоящих 230 В он покажет около 209 В. Для любых замеров на выходе преобразователей нужен прибор с пометкой True RMS.

Чем ступенька вредит технике

• Асинхронные двигатели и насосы. Гармоники не создают полезного момента, но ток от них течёт по обмоткам и греет их. Двигатель гудит, работает горячее и быстрее стареет.
• Однофазные двигатели с рабочим конденсатором — циркуляционные и скважинные насосы, вентиляторы. Сопротивление конденсатора падает с частотой. У конденсатора 10 мкФ на 50 Гц оно равно 1 ÷ (2 × 3,14 × 50 × 0,00001) ≈ 318 Ом, а для пятой гармоники, 250 Гц, — всего 64 Ом. Гармоники идут через конденсатор и вспомогательную обмотку почти без ограничения и перегревают их.
• Автоматика газового котла. Контроль пламени по току ионизации рассчитан на синус и на определённое положение фазы относительно заземлённого нуля. На ступеньке котёл может уходить в блокировку. Нюансы — в статье о питании котла от зарядной станции.
• Блоки питания с выпрямителем и конденсатором. Конденсатор заряжается до амплитуды. При ступеньке 282 В вместо 325 В электроника получает на 13 % меньше постоянного напряжения и может работать нестабильно.
• Простые блоки питания с гасящим конденсатором — дешёвые светодиодные лампы, реле времени. Крутые фронты ступеньки дают броски тока через конденсатор, и такие устройства выходят из строя.
• Нагреватели и лампы накаливания форму напряжения не замечают: им важна только действующая величина.

Что выдают современные гибридные инверторы

В паспорте инвертора искажения напряжения на резервном выходе указаны строкой THD или THDv, обычно это несколько процентов при линейной нагрузке. Точное значение смотрите в паспорте своей модели. Не путайте со строкой THDi: это искажения тока, который инвертор отдаёт в сеть, другой параметр.

Оговорка «при линейной нагрузке» важна. Выпрямители без корректора мощности — старые компьютерные блоки, драйверы светильников, частотные преобразователи — берут ток короткими импульсами у вершины синусоиды. Внутреннее сопротивление инвертора больше, чем у сети, и вершина слегка «срезается». Искажения при этом вырастают до 5–10 %; для бытовой техники это не проблема.

Второй важный момент: пока сеть есть, гибридный инвертор пропускает её на нагрузку транзитом. Напряжение в розетке — сетевое, со всеми его отклонениями, инвертор его не исправляет и стабилизатором не является. Форму и величину напряжения он задаёт сам только в островном режиме, когда сети нет. Про защиту от плохой сети — в уроке о реле контроля напряжения.

Провалы напряжения при пуске в островном режиме

Сеть «жёсткая»: ток короткого замыкания в ней — сотни и тысячи ампер, и пуск насоса она не замечает. Инвертор «мягкий»: его ток ограничен электроникой. Провал складывается из двух частей.

Ограничение тока инвертора. Инвертор 5 кВт рассчитан на 5 000 ÷ 230 ≈ 21,7 А. Если паспорт допускает двукратную перегрузку на несколько секунд, это около 43 А. Насос с номинальным током 8 А при пуске берёт в 5–7 раз больше: 40–56 А. Добавим 5 А остальной нагрузки дома — получается 45–61 А, больше пикового тока. Инвертор ограничивает ток, напряжение на доли секунды проседает: мигает свет, перезагружается электроника, отпадают контакторы. Если пуск затянулся — отключение по перегрузке. Подробный разбор с решениями — в уроке про пусковые токи насоса и компрессора.

Падение в кабеле. Линия до насоса — 30 м медного кабеля 2,5 мм². Сопротивление двух жил: 2 × 30 × 0,0175 ÷ 2,5 = 0,42 Ом. При рабочих 8 А падение 8 × 0,42 ≈ 3,4 В, при пусковых 40 А — 40 × 0,42 ≈ 17 В, то есть 7 %. Эта просадка добавляется к просадке самого инвертора, и двигатель, которому при пуске нужен полный момент, получает заметно меньше. Сечение для длинной линии можно проверить в калькуляторе сечения кабеля.

Из «мягкости» инвертора следует ещё одно. Автомату с характеристикой C на 16 А для мгновенного отключения нужен ток в 5–10 раз больше номинала, 80–160 А. Инвертор 5 кВт такого тока не даст. При коротком замыкании в островном режиме первой сработает защита самого инвертора, и он отключит весь резервный выход, а не одну линию.

Частота в автономном режиме

В острове частоту задаёт сам инвертор по кварцевому генератору. Она держится с точностью до сотых долей герца и не зависит от нагрузки — в отличие от бензинового генератора, у которого обороты проседают при набросе нагрузки и частота гуляет на несколько герц.

Есть случай, когда инвертор меняет частоту намеренно. Если к его выходу подключён сетевой инвертор или микроинверторы, а батарея уже полна и нагрузка мала, излишки девать некуда. Гибрид поднимает частоту до 51–52 Гц, и сетевой инвертор по этому сигналу снижает мощность. Это штатное поведение, а не неисправность; схема описана в уроке о подключении накопителя к готовой сетевой станции.

С генератором ситуация обратная: гибрид примет его как источник, только если напряжение и частота укладываются в окно, заданное в настройках. Генератор с плавающими оборотами инвертор будет раз за разом отбрасывать. Об этом — статья про накопитель и дизель-генератор.

Как проверить на объекте

1. Отключите вводной автомат и убедитесь, что станция перешла в островной режим.
2. Мультиметром True RMS измерьте напряжение на резервной группе без нагрузки и с обычной нагрузкой дома. Запишите оба значения.
3. Измерьте частоту — большинство мультиметров это умеют.
4. Включите на мультиметре запись минимума и по очереди запустите насос, холодильник, другие двигатели. Запишите минимальное напряжение при каждом пуске и посмотрите, нет ли записей о перегрузке в журнале инвертора.
5. Если есть клещи или анализатор с функцией THD — измерьте искажения напряжения под нагрузкой. Обычный щуп осциллографа к сети подключать нельзя, нужен дифференциальный пробник.
6. Результаты внесите в протокол пусконаладки: через год будет с чем сравнить.

Типичные ошибки

• Питать котёл или насос от автомобильного преобразователя с «модифицированным синусом», потому что «по мощности проходит».
• Измерять ступеньку дешёвым мультиметром и делать выводы о напряжении.
• Считать гибридный инвертор стабилизатором сетевого напряжения.
• Выбирать инвертор по сумме мощностей приборов без учёта пусковых токов.
• Тянуть к насосу длинную линию минимального сечения и удивляться, что от сети он стартует, а от батареи нет.
• Принимать 51–52 Гц в островном режиме с сетевым инвертором на выходе за поломку.
• Сравнивать в паспортах THD напряжения одной модели с THD тока другой.

Частые вопросы

Чистый синус нужен всем приборам?

Нет. Нагревателям и большинству импульсных блоков питания форма безразлична. Он нужен двигателям, насосам, котлам, технике с трансформаторами и всему, что отсчитывает время по сетевой частоте.

Может ли напряжение от инвертора быть лучше сетевого?

Да. В островном режиме на линейной нагрузке инвертор держит 230 В и 50 Гц точнее, чем сеть в конце длинной сельской линии. Но запас по току у него несравнимо меньше.

Почему при работе от батареи мигает свет, когда включается насос?

Пусковой ток насоса близок к пиковому току инвертора, и напряжение на долю секунды проседает. Помогает плавный пуск или частотный преобразователь на насосе, более толстый кабель, инвертор с большим запасом. Проверить свой набор нагрузок можно на тренажёре подбора инвертора.

Компьютерный ИБП с «аппроксимированной синусоидой» годится для котла?

Нежелательно. Это та же ступенька: насос будет греться, а автоматика может не запуститься. Для котла нужен источник с синусоидальным выходом.

Урок модуля «Как это работает». Следующая тема — почему одни инверторы весят втрое больше других и легче переносят пуски: трансформаторный и бестрансформаторный инвертор.