Что такое правильная синусоида в инверторе

А что, если есть "правильная синусоида в инверторе, то может быть неправильная" ?
И какие критерии этой "правильности" ?
Вот так, сразу, мы задали три вопроса. Огорошили неподготовленного читателя. На самом деле вопросов, связанных с рассматриваемой нами сегодня темой, больше, но это ключевые. И по хорошему, вопросы задаем не мы, а нам. Мы просто их знаем заранее. Поэтому и хотим ответить.
А возникают вопросы от непонимания причин появления искаженной синусоиды. И приведенная ниже разъяснительная информация надеемся будет не просто полезна, а может даже поможет выбрать нужный инвертор для дома (или другого ИБП - источника бесперебойного питания) с одной стороны, а с другой - сохранить в работоспособном состоянии разнородные, подключенные к нему нагрузки.

А тех, кто в теме, продвинутый в электротехнике, и понимает, о чем идет речь, мы не смеем задерживать. Хотя не исключено, что и они могут почерпнуть дополнительную информацию, которая прежде не встречалась на их профессиональном пути.
А тема эта актуальная, особенно для тех, кто решил обзавестись собственным бесперебойным источником электрической энергии, т.е. альтернативой розетке 220 Вольт. И причины не так важны. Временные ли это отключения света или захотелось сделать свой вклад в зеленую энергетику, переходя на солнечные батареи с аккумуляторными накопителями и инвертор для дома 5 квт с аккумулятором.

Когда в торговых сетях ажиотаж (дайте мне хоть какой-нибудь генератор, бизнес стоит или надоело сидеть дома в темноте !), образуется дефицит, поставщики теребят производителей, а последние не справляются с количеством заказов на всевозможные бесперебойники, спрос на которые возрос на несколько порядков в 2022 году, а электричество нужно сегодня, если не вчера, когда целые микрорайоны городов погружаются во тьму, далеко не все вдаются в тонкости, а с правильной синусоидой у меня инвертор или нет ? Или даже давайте так - а не слишком велик у меня на клеммах ИБП коэффициент гармоник ? Это уже совсем темный лес... Только теперь уже в переносном смысле. Берут или точнее сказать, расхватывают все, даже не вникая в технические характеристики. 220 Вольт дает ? Дает ! Киловаттов хватает для моих нужд ? Хватает ! А вот потом, когда начинаются проблемы, тогда и начинают думать. Вникать в тему, консультироваться у специалистов. 220 В то есть, но что-то они не совсем такие...
Винить никого нельзя.

1. Во-первых, действительно, а кто знал, что на выходе может быть напряжение, отличное от привычной формы ?
2. Во-вторых, далеко не у всех есть электротехническое образование. Или хотя бы остались с памяти главы из курса высшей математики, связанные с разложением периодических функций в ряды.

Что значит правильная ?

Сначала буквально пару фраз из азов.
Если подключить щупы осциллографа в клеммы розетки, то на выходе мы увидим синусоидальный сигнал с известными всем параметрами. Частота 50 Гц, действующее (или так называемое тепловое) значение напряжения 220 В. Его покажет мультиметр или вольтметр переменного тока. На самом деле, амплитудное значение в верхней точке положительной полуволны или нижней отрицательной составляет 311 В, но сегодня речь не об этом.

Визуальная проверка формы выходного сигнала, который и питает всю аппаратуру, с помощью осциллографа вещь хорошая, но не точная. И определяется чувствительностью прибора, разрешающей способностью его экрана.
Но в любом случае электроэнергия в сети отвечает всем стандартам, принятым в Украине. Что и позволяет ее использоваться для питания всего спектра техники на 100 %. Со всеми типами нагрузок: активной, емкостной, индуктивной. За этим следят соответствующие контрольные службы. А вот частному лицу при покупке автономного источника придется надеяться только на себя...
И поскольку пусть незримо, но красной нитью через наше сегодняшнее повествование проводит тема аварийного отключения (что поделать, если периодически россия обстреливает нас шахедами и ракетами, целясь в подстанции да объекты генерации), то возникает следующий вопрос.

И сейчас не так важно, о генераторе ли бензиновом мы говорим или о дешевом бесперебойнике мощностью в 500 Вт или может про востребованные ныне автономные инверторы под нагрузку на выходе 2-5 Квт, которая может питать стабильной энергией домашних потребителей в течение 6-8 часов, и что важно - дает на выходе желаемую не модифицированную синусоиду. С минимальным процентом гармоник (нелинейных искажений) - об этом ниже по тексту.
Хорошо, если, подключив опять же осциллограф к клеммам инвертора, мы видим перед глазами знакомую, еще со школьной скамьи по форме синусоиду, не отличимую от настоящей, с привычными мягкими наклонами и спусками.
Но так бывает не всегда.
Если сделать фото любой картины мира, то цифровая фотография неизбежно будет "беднее" оригинала, поскольку состоит из конечного числа пикселей, а окружающий нас мир аналоговый с бесконечным количеством цветов и оттенков. И это хороший пример, чтобы показать, что и синусоида на самом деле может быть безукоризненной только визуально, а на самом деле - искаженная, состоит из "кусочков".

Откуда берется "не чистая" ?

На приведенных графиках мы видим, что если например оцифровывать как линейную функцию (слева), так и нелинейную (справа) - такую как синусоида и вообще любую, то неизбежна потеря информации. Это определяется частотой выборки или "количеством ступенек". Чем чаще за единицу времени мы будем "снимать" сигнал, в данном случае значение напряжения, тем ближе к первоначальной функции будет наша, оцифрованная величина. В интервалах между двумя соседними ступеньками, информация не определена, она нам неизвестна.

• Это и есть погрешности.
• Это и есть потери данных - значение не известно в промежуточных точках.
• Это и есть неправильная форма - пусть небольшие скачки-переходы, но есть.

Также не идеальная синусоида будет присутствовать и в недорогих автономных источниках питания, где модифицированную волну производят электронные транзисторные ключи. Чтобы сгладить волны и максимально приблизить к чистой форме, понадобятся как полупроводниковые компоненты, например диоды так и пассивные, такие как конденсаторы или индуктивности.
Последние способны подавить высшие гармоники и получить чистый синусоидальный сигнал, являясь компонентами LC-фильтра.
Конденсаторы разной емкости (как и катушки с разной индуктивностью) хуже или лучше пропускают те или иные чистоты. Одни гасятся, другие проходят почти без ослабления.
Например во входных фильтрах блоков питания стоит обычно как минимум пара конденсаторов. Первый, большой емкости, измеряемой микрофарадами, а то и десятками микрофарад (а если нагрузка подключается мощная, то и тысячи микрофарада) – сглаживает сигнал частотой 50Гц, получая на выходе почти ровное постоянное напряжение. С минимальным уровнем пульсаций. Когда кстати, конденсатор "высыхает", т.е. стареет, в колонках радиоприемной или телевизионной аппаратуры и появляется низкочастотный гул. Второй же, емкостью в пикофарады или даже нанофарады, "вылавливает" оставшиеся высокочастотные помехи.

И как следствие – расширяется перечень техники, которую можно подключать к клеммам такого инвертора (генератора, бесперебойника – в зависимости от того, что у вас есть в наличии из источников аварийного энергоснабжения).

Что такое гармоники (нелинейные искажения)

Постепенно расширяем понятие неправильной синусоиды, и забегая вперед скажем, что если "степень ее неправильности" не очень высока, то в принципе ничего страшного нет.

То есть это сумма других функций с разными частотами и периодами. Количество этих составляющих является бесконечным. И если бы этой бесконечности можно было бы достичь, то мы бы получили в результате суммирования нашу исходную синусоиду.
Но достичь бесконечности, это тоже самое, что добраться до последнего знака числа ПИ. То есть это сделать невозможное. Но можно приблизиться.
Указанные функции или составляющие сигнала называются гармониками. И вот процент наличия этих гармоник и определяет "чистоту". Чем это процент меньше, тем лучше. Но и достичь его сложнее, а инвертор для дома 5 квт будет дороже.
Справочно:

1. Процент гармоник еще называется коэффициент нелинейных искажений.
2. Идеальная функция имеет коэффициент нелинейных искажений, равный 0.
    

Как модифицированная или ступенчатая влияет на нагрузку

В дешевых китайских бесперебойниках ни о какой чистоте синусоиды и речи быть не может. 
“Простите", Вы можете возразить. "Но я питаю ноутбук и монитор от такого дешевого ИБП. Да, он не долго протянет по времени, но никаких проблем с ноутбуком нет.”
Да, это правда. Проблем нет. Потому что Ваш ноутбук "не знает" о том, каким не качественным электричеством Вы его кормите. А "забыть" этот факт ему помогает импульсный блок питания. Это своеобразный страж на входе. Не вдаваясь глубоко в принцип его действия, отметим, что ИБП преобразует входное (пусть даже корявое и несинусоидальное) напряжение в постоянное, а потом снова в переменное, но с заданной частотой. То есть все недостатки, включая не синусоидальность, уходят в никуда.
А если частота задана, то после финального преобразования в постоянное напряжение, его значение будет иметь строго заданное значение. Например на входном разъеме ноутбука будет 12 Вольт.
А вот если речь идет о трансформаторном блоке питания, который состоит в самом простом конструктивном исполнении из входного понижающего трансформатора, диодного моста и конденсатора (ну может микросхемный стабилизатор добавят), то подача несинусоидального сигнала, приведет к непредсказуемому уровню напряжения на выходе вторичной обмотки. А значит гарантировать выходное напряжение нельзя.
Проще говоря, все виды индуктивных нагрузок (трансформаторы, обмотки электродвигателей, включая например двигатели перекачивающих насосов котлов в домах или квартирах с автономным отоплением) очень "не любят" несинусоидальный сигнал. И наша задача им этот сигнал дать в максимально чистом виде. Без ступенек, зазубрин, скачков (то, что мы видели выше на графике) и прочих "ухудшителей" качества синусоиды. Понятно, еще раз повторимся, что в идеале это должна быть электросеть, но поскольку наша тема посвящена инверторам, как аварийным временным источникам переменного напряжения, то следует купить такой бесперебойник, даже не считаясь с затратами, чтобы он выдал правильную волну.

Интересно, что генераторы можно ныне наблюдать и рядом с парикмахерскими. Более того, явно заметно, как напрягается, рычит, и извергает темный дым генератор, когда сотрудница включает фен мощностью больше килоВатта, чтобы подсушить голову клиенту.
Но мы не про запас мощности. А про то, что хорошо, если хозяин заведения знает и понимает разницу между инверторным генератором и неинверторным. Инверторный выдает чистую синусоиду, а значит как фен, так и машинку для стрижки волос можно подключать без опаски. Но уверенности в том, что хозяин учел такие тонкости - нет. Ну что ж. Дай Бог, чтобы все электрические принадлежности для стрижки работали должным образом.

А вот лампы накаливания, не так чувствительны к чистоте. Более этого, например чайник может питаться даже от прямоугольного сигнала, как и электроплитка.

И ТЕНу, т.е. нагревателю, без разницы, что на него подается. Постоянный ток, переменный, синусоида, меандр (т.е. повторяющийся прямоугольный сигнал или даже треугольный).
А кому "не нравится" не правильная форма выходног напряжения ? Частично мы уже об этом сказали. А сейчас дополним список:

• Двигатели переменного тока и трансформаторы;
• Вентиляторы;
• Электроинструмент;
• Блендеры;
• Кофемашины.

А что все-таки произойдет, если их подключить к инвертору с модифицированной, грубоватой с точки зрения формы сигнала, то есть не чистой синусоиде ? Это как автомобиль заправлять плохим топливом.
В лучшем случае не удастся достичь заданных характеристик (например числа оборотов), а в худшем - электроприбор выйдет из строя. Может не сразу, но срок службы может сократиться в несколько раз. Вот вам и форма... 
Между прочим это важная подсказка для интернет-магазинов, которые дают гарантию на товар. Пришла пора прописать в гарантийных условиях (если этого еще не сделали): "гарантия распространяется только при подключении к источникам питания с правильной формой напряжения".

Про границы модифицированности

Покупатель целиком правомерно спросит: "а как мне узнать, я подключаю свой инструмент к правильной синусоиде или не правильной ?"
И будет прав.
Говоря о правильной, надо понимать, что на самом деле есть определенный "процент правильности". А если говорить более предметно, дотошно, как технические педанты или перфекционисты, помешанные на преобразовании DC-AC (в хорошем смысле), то они уж точно знают, что на 100 % правильной синусоиды в природе не бывает.
А есть ли предел правильности ?
Возвращаемся к проценту гармоник в выходном сигнале. Можно привести хорошую аналогию с шумами. Если радиоприемник играет музыку практически идеально, без шумов (связанных с тем, что сигнал близкий и мощный, без помех и фильтры блока питания идеально фильтруют напряжения без гула, чем грешат старые телевизоры и опять же радиоприемники), то можно сказать, что процент шума близок к нулю.
Хотя конечно он присутствует. Ну это может быть в идеальном случае 1-2 %, что почти не различимо на слух.
Так вот приходилось видеть разные цифры, касательно чистого, правильного синусоидального сигнала на выходе инвертора 220 Вольт. Одни пишут, что нормально не более 2,5 % гармоник, другие, что допускается до 8 %.

Несмотря на такой разнобой, приблизительно понятен порядок цифр в правильной синусоидальной форме. Это не 20 и не 50 %. Во всяком случае меньше 10 %, а 5% это еще лучше, но не забываем, что чем более чистой должна быть форма сигнала, тем более сложная потребуется схемотехника, чтобы сглаживать сигнал и форма стала максимально близкой к натуральной. А следовательно будет расти и цена инвертора.
И в завершении, приведем и другие встречающиеся названия, которая стремится изо всех сил стать правильной:

• Приближенная;
• Ступенчатая;
• Модифицированный синус.

Но как мы отметили, переменное напряжение, выходящее из недр источника автономного электропитания, таковым никогда не станет. Только с заданной степенью приближения...