Трансформаторный и бестрансформаторный инвертор: в чём разница для станции

Бестрансформаторный инвертор легче, дешевле и на 2–4 % эффективнее трансформаторного, поэтому сетевые инверторы и вход панелей у гибридов сегодня почти всегда устроены именно так. Плата за это одна: массив панелей не изолирован от сети. Из неё вытекают три практических следствия — ёмкостный ток утечки и требования к УЗО, запрет заземлять плюс или минус массива и опасность прикосновения даже к одному полюсу. Тяжёлые низкочастотные инверторы с трансформатором остаются там, где важнее всего запас по пусковым токам.

Три схемы преобразования

Параметр	Низкочастотный трансформатор	Высокочастотная развязка	Без трансформатора
Как устроен	мост на напряжении батареи и трансформатор 50 Гц на выходе	преобразователь с ферритовым трансформатором на десятках килогерц и выходной мост	повышающий преобразователь, мост и фильтр; прямая электрическая связь входа с выходом
Гальваническая развязка	есть	есть на той стороне, где стоит трансформатор	нет
КПД, ориентир	88–94 %	93–96 %	97–98,5 %
Масса на киловатт, ориентир	6–10 кг	3–5 кг	1,5–3 кг
Кратковременная перегрузка	до 2–3 номиналов на секунды	обычно до 2 номиналов на секунды	небольшая
Потребление на холостом ходу	десятки ватт	меньше	минимальное
Где применяется	автономные системы с тяжёлыми пусками	батарейная сторона низковольтных гибридов	сетевые инверторы, вход панелей гибридов, высоковольтные системы

Цифры в таблице — ориентиры по классу, точные значения дают паспорта. Важно, что один прибор может сочетать две схемы. У низковольтного гибрида батарея 48 В, как правило, отделена высокочастотным трансформатором, а вход панелей связан с сетью напрямую. Поэтому вопрос «трансформаторный он или нет» нужно задавать отдельно для батареи и отдельно для массива. Ответ — в паспорте, в строке о топологии или изоляции.

КПД и холостой ход в киловатт-часах

Станция 10 кВт в Минске вырабатывает около 10 × 1 012 = 10 120 кВт·ч в год. Разница в КПД между 97,5 % и 94 % — 3,5 процентных пункта: 10 120 × 0,035 ≈ 354 кВт·ч в год, или 354 × 0,3037 ≈ 108 рублей по тарифу для домов с газом. За 20 лет набегает больше 7 000 кВт·ч.

Холостой ход важен для автономных систем, где инвертор включён круглые сутки. Если прибор потребляет 50 Вт без нагрузки, за год это 50 × 24 × 365 = 438 кВт·ч — годовая выработка 438 ÷ 1 012 ≈ 0,43 кВт панелей, целый модуль работает только на инвертор. Зимой картина жёстче: в декабре киловатт панелей даёт 19,1 ÷ 31 ≈ 0,62 кВт·ч в сутки, а холостой ход съедает 50 × 24 = 1,2 кВт·ч. Два киловатта панелей в декабре только кормят инвертор. Реальное потребление своей модели берите из паспорта и считайте так же.

Ток утечки: откуда он берётся и сколько его

Массив панелей — это большой конденсатор. Одна обкладка — ячейки, другая — заземлённые рамки, направляющие и влажная поверхность стекла. Между ними тонкий слой герметика и стекло. Ёмкость зависит от конструкции модуля и погоды: для кристаллических модулей в рамке это порядка 50–150 нФ на киловатт в сухую погоду, в росу и дождь — в несколько раз больше.

В трансформаторном инверторе массив изолирован, и переменному току замкнуться некуда. В бестрансформаторном потенциал массива относительно земли задаёт схема инвертора, и в нём есть переменная составляющая. Через ёмкость массива на землю течёт ток:

I = 2π × f × C × U.

Пример. Станция 10 кВт, ёмкость 100 нФ на киловатт — всего 1 мкФ. Переменная составляющая на массиве 50 В частотой 50 Гц. Ток: 2 × 3,14 × 50 × 0,000001 × 50 ≈ 0,0157 А, то есть около 16 мА. После дождя ёмкость удвоилась — ток уже 31 мА. УЗО на 30 мА срабатывает где-то между 15 и 30 мА. Получаем отключения в росу и дождь при полностью исправной изоляции.

Какова переменная составляющая у конкретного инвертора, в паспорте не пишут: она зависит от схемы моста, и у современных моделей её стараются сделать малой. Зато в руководстве всегда указано, какое УЗО ставить на линию инвертора. Обычно это 100 или 300 мА, а не 30. Чувствительные 30 мА остаются на розеточных группах дома.

Почему важен тип УЗО

Раз развязки нет, повреждение изоляции на стороне панелей может дать ток утечки с постоянной составляющей, который замыкается через сторону переменного тока. УЗО типа AC на такой ток не реагирует вовсе. Тип A видит пульсирующий ток, но «слепнет», если гладкая постоянная составляющая превышает несколько миллиампер. Тип B реагирует на любой.

Правило по существу такое: на линию бестрансформаторного инвертора ставят УЗО типа B, если производитель прямо не указал, что конструкция исключает постоянный ток утечки и достаточно типа A. У большинства современных инверторов есть встроенный контроль дифференциального тока, чувствительный к постоянной составляющей, и руководство разрешает тип A. Решает не привычка, а строка в руководстве конкретной модели. Подробности и случаи ложных срабатываний — в уроке об УЗО и дифавтоматах в цепях станции.

Кроме контроля дифференциального тока в работе, бестрансформаторный инвертор перед каждым пуском измеряет сопротивление изоляции массива относительно земли и не стартует, если оно ниже порога. Что делать с такой ошибкой — в уроке о поиске утечки на землю.

Почему нельзя заземлять полюс массива

В бестрансформаторном инверторе минус и плюс массива через силовые ключи связаны с сетевыми проводниками. Нейтраль сети заземлена на подстанции, а в домах с системой TN-C-S — ещё и на вводе (какая система у вас, поможет понять статья о TN-C, TN-C-S и TT). Если заземлить ещё и полюс массива, получится замкнутый контур через землю в обход ключей. В лучшем случае инвертор выдаст ошибку изоляции и не запустится, в худшем — повреждение.

Заземляют рамки модулей и подконструкцию — это защитное уравнивание потенциалов. Токоведущие полюса остаются изолированными от земли. Функциональное заземление плюса или минуса, которое требовалось некоторым старым типам модулей, возможно только с трансформаторным инвертором.

Два следствия для практики. Первое: в такой схеме часть стринга всегда находится под отрицательным потенциалом относительно земли, поэтому модули должны быть стойкими к потенциальной деградации. Второе касается безопасности. При работающем бестрансформаторном инверторе оба полюса массива находятся под напряжением относительно земли. Прикосновение к одному оголённому полюсу, когда вы стоите на заземлённой металлической кровле, замыкает цепь через тело. Представление «массив плавающий, опасно только взяться за два провода» для таких станций неверно.

Низкочастотные инверторы и пусковые токи

Низкочастотный инвертор тяжёл из-за трансформатора на 50 Гц — десятки килограммов железа и меди. Эта же масса даёт ему главное достоинство: трансформатор и низковольтный мост легко переносят кратковременную перегрузку в два-три номинала.

Вернёмся к насосу 1,1 кВт из урока о пусковых токах: при пуске он требует 9–13 кВА. Высокочастотный инвертор 5 кВт с двукратным пиком даёт 10 кВА — на грани, а с фоновой нагрузкой дома пуск сорвётся. Низкочастотный инвертор 5 кВт с трёхкратным пиком даёт 15 кВА и запускает насос с запасом. Кратность и длительность перегрузки у каждой модели свои, они указаны в паспорте.

Платят за это весом, холостым ходом и КПД, которые мы посчитали выше. Поэтому низкочастотный инвертор оправдан в автономной мастерской с компрессором или на объекте с насосами, куда нельзя поставить плавный пуск. Для дома с сетью чаще выгоднее современный гибрид и частотный преобразователь на насос.

Что проверить по паспорту и в щите

1. Топология. Найдите в паспорте строку о топологии или изоляции: без трансформатора, с высокочастотным или низкочастотным трансформатором. Для гибрида — отдельно по входу панелей и по батарее.
2. УЗО. В руководстве найдите раздел о защите от токов утечки: требуемый тип и номинальный дифференциальный ток. Сверьте с тем, что стоит в щите.
3. Заземление массива. Убедитесь, что в руководстве нет требования заземлять полюс и что на объекте ни один полюс не соединён с землёй — в том числе через неправильно включённое УЗИП.
4. Перегрузка. Выпишите пиковую мощность и время, на которое она допускается, и сравните с самым тяжёлым пуском на объекте.
5. Холостой ход. Для автономной системы внесите его в суточный баланс энергии.
6. Изоляция. Перед измерением сопротивления изоляции массива мегаомметром отсоедините стринги от инвертора и УЗИП. Порядок — в уроке о замерах при пусконаладке.

Типичные ошибки

• Поставить на линию инвертора УЗО типа AC на 30 мА «как на всё остальное» и получить отключения после каждого дождя.
• Заземлить минус массива «для молниезащиты». Молниезащита — это заземление конструкций и УЗИП, а не полюса.
• Считать сторону панелей безопасной при отключённом автомате переменного тока. Пока светит солнце, кабель от крыши под напряжением.
• Измерять изоляцию мегаомметром, не отсоединив инвертор.
• Ставить низкочастотный инвертор на станцию, работающую параллельно с сетью, «ради надёжности» и терять несколько процентов выработки каждый год.
• Выбирать инвертор по номинальным киловаттам, не посмотрев строку о перегрузке.
• Считать стабилизатор или автотрансформатор гальванической развязкой. У автотрансформатора обмотки связаны, развязки он не даёт.

Частые вопросы

Гибридный инвертор Deye — трансформаторный или нет?

Зависит от серии и от того, о какой стороне речь. У низковольтных моделей батарейная сторона обычно имеет высокочастотную развязку, вход панелей — нет. У высоковольтных развязки, как правило, нет нигде. Для своей модели смотрите паспорт; модельный ряд — в разделе гибридных инверторов.

УЗО на линии инвертора срабатывает в дождь. Что делать?

Сначала сверить тип и номинал с руководством инвертора. Если стоит 30 мА там, где производитель требует 100 или 300 мА, причина найдена. Если УЗО правильное — проверять изоляцию массива: вода в разъёме или повреждённый кабель дают настоящую утечку.

Можно ли завести несколько инверторов под одно УЗО?

Можно, если это допускает руководство, но токи утечки складываются. Три инвертора по 15 мА — это уже 45 мА постоянного фона, и номинал УЗО выбирают с учётом суммы.

Нужен ли отдельный разделительный трансформатор?

В бытовых станциях почти никогда. Его ставят, когда этого требуют особые модули или условия подключения на предприятии, и это решение проектировщика.

Урок модуля «Схемы станций». Дальше — что инвертор выдаёт на выходе: урок о чистом синусе и качестве электроэнергии.