Що таке правильна синусоїда в інверторі

А якщо є "правильна синусоїда, або чиста для інверторів, а отже і неправильна" ?
І взагалі, що, вони можуть бути різні?
І які критерії цієї "правильності" ?
Ось так, одразу, ми поставили три запитання. Приголомшили непідготовленого читача. Насправді питань, пов'язаних із темою, яку ми розглядаємо сьогодні, більше, але це ключові. І насправді питання запитуємо не ми, а їх задають нам. Ми просто знаємо їх заздалегідь. Тож і хочемо відповісти.
А постають питання від нерозуміння причин появи спотвореної синусоїди. І наведена нижче роз'яснювальна інформація сподіваємось буде не просто корисною, а може навіть допоможе вибрати потрібну модель інвертора (або іншого ДБЖ – джерела безперебійного живлення) з одного боку, а з іншого – зберегти у працездатному стані різнорідні, підключені до нього навантаження.

А тих, хто в темі, просунутий в електротехніці, і розуміє, про що йдеться, ми не сміємо затримувати. Хоча не виключено, що і вони можуть отримати додаткову інформацію, яка раніше не зустрічалася на їхньому професійному шляху.
А ця тема актуальна, особливо тим, хто вирішив обзавестися власним безперебійним джерелом електричної енергії, тобто альтернативою розетці 220 Вольт. І причини не такі важливі. Чи тимчасові це відключення світла чи захотілося зробити свій внесок у зелену енергетику, переходячи на сонячні батареї з акумуляторними накопичувачами та поставивши у себе потужний гібридний інвертор з акумулятором для будинку.

Коли в торгових мережах ажіотаж (дайте мені хоч якийсь генератор, одному для бізнесу іншому набридло сидіти вдома в темряві!), утворюється дефіцит, постачальники смикають виробників, а останні не справляються з кількістю замовлень на всілякі безперебійники, попит на які зріс на кілька порядків у 2022 році, а електрика потрібна сьогодні, якщо не вчора, коли цілі мікрорайони міст занурюються у пітьму, далеко не всі вдаються в тонкощі, а чи з правильною синусоїдою у мене інвертор чи ні ? Чи навіть давайте так - а не надто великий у мене на клемах ДБЖ коефіцієнт гармонік? Це вже зовсім темний ліс... Тільки тепер уже у переносному значенні. Беруть чи точніше сказати, розхоплюють усі, навіть не вникаючи у технічні характеристики. 220 Вольт дає? Дає! Кіловатів вистачає для моїх потреб? Вистачає! А ось потім, коли починаються проблеми, тоді й починають думати "а чи чиста синусоїда у мене ?". Вникати у тему, консультуватись у фахівців. так що 220 начебто є, але щось воно не зовсім таке...
Звинувачувати нікого не можна.

1. По-перше, дійсно, а хто знав, що на виході може бути напруга, відмінна від звичної синусоїди ?
2. По-друге, далеко не у всіх є електротехнічна освіта. А зі світлом хочуть бути також і гуманітарії. Або хоча б залишилися з пам'яті глави з курсу вищої математики, пов'язані з розкладанням періодичних функцій на складові.

Що таке правильна форма ?

Спочатку буквально пару вступних фраз.
Якщо підключити щупи осцилографа в клеми розетки, то на виході ми побачимо синусоїдальний сигнал з усіма відомими параметрами. Частота 50 Гц, що діє (або так зване теплове) значення напруги 220 В. Його покаже мультиметр або вольтметр змінного струму. Насправді, амплітудне значення у верхній точці позитивної напівхвилі або нижньої негативної становить 311 В, але сьогодні не йдеться про це.

Візуальна перевірка форми вихідного сигналу, який живить всю апаратуру, за допомогою осцилографа річ хороша, але не точна. І визначається чутливістю приладу, та характеристиками екрану.
Але в будь-якому випадку електроенергія в мережі відповідає всім стандартам, які прийняті в Україні. Що дозволяє її використовуватися для живлення всього спектра техніки на 100 %. З усіма типами навантажень: активним, ємнісним, індуктивним. За цим слідкують відповідні контрольні служби. А ось приватній особі при покупці автономного джерела доведеться сподіватися лише на себе.
І оскільки нехай незримо, але червоною ниткою через наше сьогоднішнє оповідання проводить тема аварійного відключення (що вдієш, якщо періодично росія обстрілює нас шахедами і ракетами, цілячись у підстанції та об'єкти генерації), то виникає наступне питання.

І зараз не так важливо, чи про дизельний генератор ми говоримо, чи про дешевий безперебійник потужністю 500 Вт або автономні інвертори з виходом 2-5 Квт, які можуть давати стабільні 220 В для споживачів дому протягом 6-8 годин, і що важливо - на виході маємо бажану не модифіковану синусоїду. З мінімальним відсотком гармонік (нелінійних спотворень) – про це нижче за текстом.
Добре, якщо, підключивши знову ж таки осцилограф до клем, ми бачимо перед очима знайому, ще зі шкільної лави за формою чисту синусоїду, не відмінну від справжньої, зі звичними м'якими нахилами та спусками.
Але так не завжди.
Якщо зробити фото будь-якої картини світу, то цифрова фотографія неминуче буде "бідніше" оригіналу, оскільки складається з кінцевого числа пікселів, а навколишній світ аналоговий з нескінченною кількістю кольорів та відтінків. І це добрий приклад, щоб показати, що і синусоїда насправді може бути бездоганною лише візуально, а насправді - спотворена, складається з "шматочків".

Звідки береться "не чиста" ?

На наведених графіках бачимо, що коли наприклад оцифровувати як лінійну функцію (ліворуч), і нелінійну (праворуч) - таку як синусоїда і взагалі будь-яку, то неминуча втрата інформації. Це визначається частотою вибірки або "кількістю сходів". Чим частіше за одиницю часу ми плануємо "знімати" сигнал, а саме  значення напруги, тим ближче до початкової функції буде наша, оцифрована величина. В інтервалах між двома сусідніми сходинками інформація не визначена, вона нам невідома.

• Це і є похибки.
• Це і є втрати даних - значення синусоїди не відоме у проміжних точках.
• Це і є неправильна синусоїда – нехай невеликі стрибки-переходи, але є.

Також не ідеальна синусоїда буде присутня і в недорогих автономних джерелах живлення, де модифіковану синусоїду формують електронні транзисторні ключі. Щоб згладити хвилі та максимально наблизити синусоїду до чистої, знадобляться як напівпровідникові компоненти, наприклад діоди, так і пасивні, такі як конденсатори або індуктивності.
Останні здатні придушити вищі гармоніки та отримати чистий синусоїдальний сигнал, входячи до складу як компоненти LC-фільтра.
Конденсатори різної ємності (як і котушки з різною індуктивністю) гірше чи краще пропускають ті чи інші чистоти. Одні гасяться, інші проходять майже без послаблення.
Наприклад, у вхідних фільтрах блоків живлення стоїть зазвичай як мінімум пара конденсаторів. Перший, великий ємності, що вимірюється мікрофарадами, а то й десятками мікрофарад (а якщо навантаження підключається потужне, то і тисячі мікрофарад) – згладжує сигнал частотою 50Гц, отримуючи на виході майже рівну постійну напругу. З мінімальним рівнем пульсацій. Коли до речі, конденсатор "висихає", тобто старіє, в колонках радіоприймальних або телевізійних апаратури і з'являється низькочастотний гул. Другий, ємністю в пікофаради або навіть нанофаради, "виловлює" високочастотні імпульси, що залишилися.

І як наслідок – розширюється перелік техніки, яку можна підключати до клем такого інвертора (генератора, безперебійника – залежно від того, що у вас є в наявності з джерел аварійного енергопостачання).

Що таке гармоніки (нелінійні спотворення) 

Поступово розширюємо поняття неправильної синусоїди, і забігаючи наперед скажемо, що якщо "ступінь її неправильності" не дуже висока, то в принципі нічого страшного в цьому немає.

Тобто синусоїда є сумою інших функцій із різними частотами та періодами. Кількість цих складових є нескінченною. І якби цієї нескінченності можна було б досягти, то ми отримали б у результаті підсумовування нашу вихідну синусоїду.
Але досягти нескінченності, це теж саме, що дістатися останнього знака числа ПІ. Тобто це зробити неможливо. Але можна наблизитись.
Вказані функції або складові сигналу називаються гармоніками. І ось відсоток наявності цих гармонік і визначає "чистоту синусоїди". Чим це відсоток менший, тим краще. Але й досягти його складніше, а електронна схема буде дорожчою.
Довідково:

1. Відсоток гармонік ще називається коефіцієнт нелінійних спотворень.
2. Ідеальна синусоїда має коефіцієнт нелінійних спотворень, що дорівнює 0.

Як модифікована або ступінчаста впливає на навантаження

У дешевих китайських безперебійниках ні про яку чистоту синусоїди і мови не може бути.
“Вибачте", Ви можете заперечити. "Але я живлю ноутбук та монітор від такого дешевого ДБЖ. Так, він не довго протягне за часом, але жодних проблем з ноутбуком немає.
Так це правда. Проблем немає. Тому що Ваш ноутбук "не знає" про те, якою не якісною електрикою Ви його годуєте. А "забути" цей факт допомагає імпульсний блок живлення. Це своєрідний вартовий на вході. Не вдаючись глибоко в принцип його дії, відзначимо, що ДБЖ перетворює вхідну (нехай навіть коряву і несинусоїдальну напругу) на постійну, а потім знову на змінну, але із заданою частотою. Тобто всі недоліки, включаючи несинусоїдальність, йдуть у нікуди.
А якщо частота задана, то після фінального перетворення на постійну напругу, його значення матиме строго задане значення. Наприклад, на вхідному роз'ємі ноутбука буде 12 Вольт.
А ось якщо йдеться про трансформаторний блок живлення, який складається в найпростішому конструктивному виконанні з вхідного понижуючого трансформатора, діодного моста і конденсатора (ну може мікросхемний стабілізатор додадуть), то подача несинусоїдального сигналу призведе до непередбачуваного рівня напруги на виході вторинної обмотки. Отже гарантувати вихідну напругу не можна.
Простіше кажучи, всі види індуктивних навантажень (трансформатори, обмотки електродвигунів, включаючи наприклад двигуни насосів котлів, що перекачують нагріту воду, в будинках або квартирах з автономним опаленням) дуже "не люблять" несинусоїдальний сигнал. І наше завдання їм цей сигнал дати у максимально чистому вигляді. Без сходинок, зазубрин, стрибків (те, що ми бачили вище на графіку) та інших "погіршувачів" якості синусоїди. Зрозуміло, ще раз повторимося, що в ідеалі це має бути електромережа, але оскільки наша тема присвячена інверторам, як аварійним тимчасовим джерелам змінної напруги, то слід купити такий безперебійник, навіть не зважаючи на витрати, щоб він видав правильну синусоїду.

Цікаво, що генератори можна нині спостерігати і поряд із перукарнями. Більш того, явно помітно, як напружується, гарчить, і вивергає темний дим генератор, коли співробітниця включає фен потужністю більше кіловата, щоб підсушити голову клієнту.
Але ми не про запас потужності. А про те, що добре, якщо господар закладу знає і розуміє різницю між інверторним генератором і неінверторним. Перший видає чисту синусоїду, а отже, як фен, так і машинку для стрижки волосся можна підключати без побоювання. Але впевненості у тому, що господар врахував такі тонкощі – немає. Ну що ж. Дай Бог, щоб все електричне приладдя для стрижки працювало належним чином.

А ось лампи розжарювання, не такі чутливі до чистоти синусоїди. Більше цього, наприклад, чайник може живитись навіть від постійного струму, як і електроплитка.

І нагрівачеві, без різниці, що на нього подається. Змінний струм, синусоїда, меандр (тобто прямокутний сигнал, що повторюється, або навіть трикутний).
А кому "не подобається" не правильна синусоїда? Частково ми про це вже сказали. А зараз доповнимо список:

• Двигуни змінного струму та трансформатори;
• Вентилятори;
• Електроінструмент;
• Блендери;
• Кавомашини.

А що ж станеться, якщо їх підключити до інвертора з модифікованою, грубуватою з погляду форми сигналу, тобто не чистою синусоїдою ? Це як автомобіль заправляти поганим паливом.
У кращому разі не вдасться досягти заданих характеристик (наприклад, числа оборотів), а в гіршому - електроприлад вийде з ладу. Може не відразу, але термін служби може скоротитись у кілька разів. Ось вам і форма синусоїди...
До речі, це важлива підказка для інтернет-магазинів, які дають гарантію на товар. Настав час прописати у гарантійних умовах (якщо цього ще не зробили): "гарантія поширюється тільки при підключенні до джерел живлення з правильною синусоїдою".

Про межі чистоти

Покупець цілком правомірно запитає: "а як мені дізнатися, я підключаю свій інструмент до правильної синусоїди чи не правильної?"
І буде правий.
Говорячи про правильну синусоїду, треба розуміти, що насправді є певний "відсоток правильності". А якщо говорити більш предметно, прискіпливо, як технічні педанти або перфекціоністи, які на перетворенні DC-AC як то говориться, собку з'їли, то вони точно знають, що на 100% правильної синусоїди в природі не буває.
А чи є межа правильності?
Повертаємось до відсотка гармонік у вихідному сигналі. Можна навести хорошу аналогію із шумами. Якщо радіо приймає музику практично ідеально, без шумів (пов'язаних з тим, що сигнал близький і потужний, без перешкод і фільтри блоку живлення ідеально фільтрують напруги без гулу, чим грішать старі телевізори і знову ж таки радіоприймачі), то можна сказати, що відсоток шуму близький до нуля.
Хоча, звичайно, він присутній. Це може бути в ідеальному випадку 1-2%, що майже не помітно на слух.
Так ось доводилося бачити різні цифри щодо чистого, правильного синусоїдального сигналу на виході інвертора 220 Вольт. Одні пишуть, що нормально трохи більше 2,5 % гармонік, інші, що допускається до 8 %.

Незважаючи на такий різнобій, приблизно зрозумілий порядок цифр у правильній синусоїді. Це не 20 і 50%. У всякому разі менше 10%, а 5% це ще краще, але не забуваємо, що чим чистішою має бути синусоїда, тим складніша буде потрібна схемотехніка, щоб згладжувати сигнал і синусоїда стала максимально близькою до натуральної. А відтак зростатиме і ціна прилада.
І на завершення, наведемо й інші назви синусоїди, що зустрічаються, яка прагне з усіх сил стати правильною:

• Наближена;
• Ступінчаста;
• Модифікований синус.

Але як ми зазначили, напруга, що виходить з надр джерела автономного електроживлення, ідеальною ніколи не стане. Тільки із заданим ступенем наближення...