Το Inverter και η επιλογή του

Συσκευές ηλεκτρονικής μετατροπής ρεύματος από συνεχές DC σε εναλλασσόμενο AC

Με την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής, πληθαίνουν οι πηγές για την μετατροπή ενός είδους ρεύματος σε άλλο, για παράδειγμα από συνεχές 12 ή 24 Volt DC σε εναλλασσόμενο 220 Volt AC με τις γνωστές συσκευές inverter.

Ίσως είναι σκόπιμο να παρατηρήσουμε πριν απ’όλα, ότι η αλλαγή τάσης στο εναλλασσόμενο ή ακόμα και μετατροπή της σε τάση συνεχούς, γίνεται με σχετικά απλό και φθηνό τρόπο. Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο αντίστροφα. Δηλαδή όταν πρέπει να μειώσουμε ή (ακόμα πιο δύσκολα) να αυξήσουμε μια συνεχή τάση ή να τη μετατρέψουμε σε εναλλασσόμενη, τότε χρειάζονται ακριβά έως πάρα πολύ ακριβά ηλεκτρονικά μέσα. Ανάλογη με την επιδιωκόμενη ποιότητα της τάσης που θα παραχθεί, την ισχύ που θα καλύψει η συσκευή μετατροπής και το βαθμό απόδοσης που θέλουμε να πετύχουμε θα είναι και η επιλογή μας. Οι ηλεκτρονικές συσκευές που πραγματοποιούν αυτή τη μετατροπή, είναι γνωστές στην αγορά με την αγγλική ονομασία «inverter».

Το ηλεκτρονικό inverter ή μεταλλάκτης DC/AC, μεταλλάσσει (μετατρέπει)
ηλεκτρονικά την τάση από συνεχή (DC) σε εναλλασσόμενη (AC). Το εναλλασσόμενο ρεύμα της τάσης των 220 Volt/50 Hz που παράγεται από ένα inverter, δίνει πρακτικές λύσεις σε ένα σκάφος για τη λειτουργία μικροσυσκευών. Δεν είναι όμως πάντα τόσο φθηνή και απλή λύση όσο ίσως εκ πρώτης όψεως δείχνει. Σε περίπτωση που τοποθετήσουμε inverter σε ένα σκάφος πρέπει συγχρόνως να φροντίσουμε για τα εξής (αν δεν τα είχαμε ήδη πραγματοποιήσει προηγουμένως):

1. Για αντίστοιχη αύξηση χωρητικότητας των μπαταριών.
2. Για «έξυπνη» φόρτιση των μπαταριών.

3. Για διαχωρισμό μπαταριών service και μπαταριών μηχανής (με isolator ή μεταγωγικό διακόπτη κ.λπ.)

Ποια είναι όμως τα κριτήρια για τον προσδιορισμό ισχύος (Watt) και ρεύματος (Ampere) ενός inverter; Εδώ θα πάμε σε κάποια τεχνικά θέματα, τα οποία θα προσπαθήσουμε να απλοποιήσουμε για να γίνουν όσο γίνεται πιο κατανοητά.

1. Η ικανότητα του inverter σε Watt πρέπει να είναι τουλάχιστον 50%
μεγαλύτερη από αυτή των συσκευών που θα τροφοδοτηθούν συγχρόνως απ? αυτό. Αν για παράδειγμα θέλουμε να τροφοδοτήσουμε 500 Watt, τότε επιλέγουμε inverter τουλάχιστον 750 Watt. Ανάλογα με το φορτίο και την κυματομορφή της τάσης που παράγει το υπό επιλογή inverter, ίσως χρειασθεί ακόμη μεγαλύτερο πλεόνασμα ισχύος, για να ανταποκρίνεται στις ανάγκες κατανάλωσης. Αν για παράδειγμα τροφοδοτούμε ηλεκτρικούς κινητήρες, χρειάζεται περίσσευμα ισχύος, ώστε να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του inverter και του κινητήρα. Αυτό θα συνέβαινε, επειδή οι κινητήρες εναλλασσομένου χαμηλώνουν πολύ το συν φ κατά την εκκίνηση μέχρι του σημείου να μη μπορεί να ξεκινήσει ο κινητήρας. Για το λόγο αυτό, ανάλογα με την κυματομορφή της τάσης του inverter, στην περίπτωση που μ? αυτό θα τροφοδοτήσουμε κινητήρες, ίσως χρειαστεί να επιλέξουμε μέχρι και διπλάσια ισχύ ή και περισσότερο. Στο παράδειγμά μας αυτό θα σήμαινε πάνω από 1000 Watt.

2. Ο προσδιορισμός της χωρητικότητας σε αμπερώρια (Ah), των απαιτούμενων μπαταριών για ένα inverter, καθώς και της ικανότητας του φορτιστή γίνεται ως εξής (Προσοχή. Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας και η χωρητικότητα ενός πυκνωτή, δεν είναι ίδια μεγέθη και πρέπει να τα θεωρούμε σαν μια απλή «συνωνυμία»):
Αφού προσδιορίσαμε την απαιτούμενη ικανότητα του inverter σε Watt, Θα
λογαριάσουμε την κατανάλωση σε Ampere, σύμφωνα με την τάση των μπαταριών που θα τροφοδοτήσουν το inverter. Αν για παράδειγμα χρειαζόμαστε 1000 Watt στα 220 Volt, αυτό για 12βολτες μπαταρίες σημαίνει 1000 Watt / 12 Volt = 84 Ampere. Δηλαδή οι μπαταρίες πρέπει να παρέχουν 84 Ampere για βαθμό απόδοσης 100%. Επειδή όμως ο βαθμός απόδοσης ενός inverter στην καλύτερη περίπτωση δύσκολα ξεπερνά το 90%, χρειαζόμαστε ρεύμα τουλάχιστον 84 / 0,9 = 94 Ampere. Με δεδομένο ότι (σύμφωνα με τις επικρατούσες απόψεις), χρειαζόμαστε τουλάχιστον 5πλάσιο αριθμό αμπερωρίων (Ah) από τα Ampere (A) που καταναλώνουμε, προκύπτει σαν ελάχιστη απαιτούμενη χωρητικότητα μπαταριών 5 x 94 Α = 470 Ah.
Εξάλλου, ο «έξυπνος» φορτιστής» που θα φορτίζει αυτές τις μπαταρίες του inverter, επιβάλλεται να έχει απόδοση σε Ampere τουλάχιστον 10% των
αμπερωρίων, που συγκεντρώνουν όλες αυτές οι μπαταρίες. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται φορτιστής των 47 Ampere τουλάχιστον, δηλαδή χονδρικά 50 Ampere (A).

3. Η κυματομορφή της τάσης εξόδου για τους περισσότερους τύπους inverter σπάνια είναι καθαρά ημιτονοειδής. Η ποιότητα της κυματομορφής του inverter που θα επιλέξουμε, εξαρτάται από τις ανάγκες του σκάφους, δηλαδή το είδος των καταναλώσεων, σε συνδυασμό βέβαια και με το κόστος αγοράς αλλά και με τα παρακάτω:

Α! περίπτωση: Ορθογώνια ή τραπεζοειδής κυματομορφή.

Οι συσκευές της κατηγορίας αυτής είναι οι συνηθέστερες και φθηνότερες.
Καλύπτουν το μεγαλύτερο φάσμα προσφοράς στην αγορά καθώς και τις περισσότερες ανάγκες για ένα σκάφος, χωρίς να εμφανίζουν ουσιώδη προβλήματα στις περισσότερες χρήσεις. Παρ? όλα αυτά, σε περίπτωση που το inverter της κατηγορίας αυτής τροφοδοτεί επαγωγικά φορτία (π.χ. κινητήρες), ίσως υπάρξουν δυσκολίες. Το ρεύμα που προκαλεί η τάση αυτής της κυματομορφής επισπεύδει το «μαγνητικό κορεσμό» του πυρήνα των πηνίων μέσα στους ηλεκτροκινητήρες. Εξ αιτίας του φαινομένου αυτού, είναι αναμενόμενο να προκύψει «μείωση του
συν φ», με επακόλουθο τη δύσκολη εκκίνηση ή και υπερθέρμανση του κινητήρα όπως επίσης και των ηλεκτρικών μερών όλης της εγκατάστασης. Αν τροφοδοτεί μετασχηματιστές που είναι εγκατεστημένοι σε ηλεκτροακουστική συσκευή ή σε TV, ίσως εμφανιστούν προβλήματα υπερθέρμανσης ή παράσιτα ή «ηλεκτρομαγνητικοί θόρυβοι».

Σε τροφοδοσία ηλεκτροκινητήρων «παντός ρεύματος» (universal current) όπως π.χ. τα δράπανα χειρός με ηλεκτρονική ρύθμιση στροφών, ίσως εμφανισθεί πρόβλημα στη ρύθμισή τους. Επίσης, σ? αυτόν τον τύπο δεν είναι εξασφαλισμένη η τήρηση σταθερής συχνότητας χωρίς αποκλίσεις από τα 50 Hz. Η τελευταία αυτή αδυναμία τους, όμως, σπάνια ενδιαφέρει τη χρήση στο σκάφος. Τέλος να πούμε, ότι ο τύπος αυτός έχει μειωμένο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τους τύπους που περιγράφουμε πιο κάτω. Άρα να αναμένουμε μεγάλη σπατάλη στα αμπερώρια (Ah) των μπαταριών. To συμπέρασμα είναι πως αυτός ο τύπος inverter είναι οικονομικός και ευρύτατα χρησιμοποιούμενος. Είναι συνήθως αποτελεσματικός και καλύπτει τις
περισσότερες ανάγκες σε ένα σκάφος. Παρά το μειωμένο βαθμό απόδοσης, αν οι προβλεπόμενες ώρες λειτουργίας του σε υψηλή ισχύ δεν είναι πολλές, είναι η πρώτη λύση που θα έπρεπε να δοκιμασθεί, αν υπάρχει τέτοια δυνατότητα, πριν στραφούμε σε πιο αναβαθμισμένη και ακριβότερη κυματομορφή.

Β! περίπτωση: «Παρεμφερώς» ημιτονοειδής κυματομορφή.

Ο τύπος αυτός είναι σχετικά καινούργιος στην αγορά και πολύ πιο αναβαθμισμένος από τον προηγούμενο. Με παλμικό τρόπο, παράγεται ηλεκτρονικά μία «οδοντωτή» καμπύλη τάσης με ημιτονοειδές σχήμα. Ένας τέτοιος τύπος inverter, βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της εξόδου του, με πολύ καλύτερη συμπεριφορά στα προαναφερθέντα προβλήματα της ορθογώνιας ή τραπεζοειδούς κυματομορφής, χωρίς παρ? όλα αυτά, να είναι υπερβολικά ακριβότερος.

Γ! περίπτωση: «Αμιγώς» ημιτονοειδής κυματομορφή.

Αν ένα inverter παράγει πράγματι «αμιγώς» ημιτονοειδή κυματομορφή τάσης (όχι απλώς «δηλούμενη»), πρόκειται για συσκευή μεγάλης ακριβείας στη λειτουργία της, αφού μπορεί να υποκαταστήσει την ποιότητα του δικτύου ή της γεννήτριας. Αυτή η κατηγορία συσκευών είναι σημαντικά ακριβότερη από τις δύο παραπάνω, επειδή χρησιμοποιούνται πολλά και δαπανηρά κυκλώματα εξομάλυνσης και φίλτρων. Ορισμένες απ? αυτές μπορούν ακόμη και να «συγχρονιστούν» αυτόματα με το δίκτυο της ξηράς. Η χρήση τέτοιων συσκευών, απευθύνεται περισσότερο σε εργαστηριακές ανάγκες ή, όταν έχουν μεγάλη ισχύ, σε μονάδες αιολικών» ή «φωτοβολταϊκών» (ηλιακών) συστημάτων με δυνατότητα παράλληλης σύνδεσης σε δίκτυο. Η αναζήτηση μιας τέτοιας συσκευής για ένα μικρό σκάφος, το οποίο έχει μέτριες απαιτήσεις
εναλλασσομένου, είναι μάλλον άσκοπη.