История на конвертора
В края на 18-ти век американският пионер-електрик Томас Едисон (1847–1931) напуснал лабораторията си, за да докаже, че постоянният ток (DC) е по-добър начин за доставяне на електроенергия от променлив ток (AC), който беше подкрепен от нова система неговия сръбски съперник Никола Тесла (1856-1943). Едисън се опитал с всякакви умни начини да убеди хората, че АС е твърде опасно: от електросъбирането на слонове до подкрепата за използването на променлив ток в електрически стол, за да контролира смъртното наказание. Въпреки това, системата на Tesla спечели този ден и светът оттогава работи доста на електропреносната мрежа.
Единственият проблем е, че въпреки че много от нашите устройства са проектирани да работят с променлив ток, генераторите с ниска мощност често произвеждат константа. Това означава, че ако искате да изпълните нещо подобно на захранване с променлив ток от батерия с постоянен ток в мобилен дом, имате нужда от устройство, което преобразува DC в инвертор, както се нарича.
AC и DC електричество
Когато учителите по природни науки обясняват основната идея за електричеството като поток от електрони, те обикновено говорят за постоянен ток (DC). Откриваме, че електроните са малко като мравка, която върви заедно с пакети електрическа енергия, точно както мравките носят листа. Това е доста добра аналогия за нещо като основна фенерче, където имаме верига (непрекъснат електрически контур), свързващ батерията, лампата и ключа, и електрическата енергия се транспортира систематично от батерията до лампата, докато цялата енергия на батерията се изчерпи.
При големите домакински уреди електричеството работи по различен начин. Източникът на енергия, който идва от изхода в стената, се основава на променлив ток (AC), където електричеството се превключва в посока 50-60 пъти в секунда (с други думи, с честота 50-60 Hz). Трудно е да се разбере как AC доставя енергия, когато постоянно променя мнението си за това къде отива. Ако електроните, излизащи от стенния контакт, получават, да речем, няколко милиметра надолу по кабела, тогава трябва да обърнете посоката и да се върнете обратно, как да стигнат до лампата на масата, така че да светне?
Отговорът всъщност е доста прост. Представете си, че има електрони между лампата и стената. Когато кликнете върху превключвател, всички електрони, които запълват кабела, вибрират назад и напред във влакната на лампата - и това бързо превключване превръща електрическата енергия в топлина и лампата свети. Електроните не трябва да се въртят в кръг, за да прехвърлят енергия: в АС те просто „се движат на място“.
Какво е инвертор?
Едно от наследствата на Тесла (и неговият бизнес партньор Джордж Уестингхаус, шеф на Westinghouse Electrical Company) е, че повечето от устройствата, които имаме в домовете ни, са специално проектирани да работят с променливотоково захранване. Устройства, които се нуждаят от постоянен ток, но консумират електричество от електрически контакт, се нуждаят от допълнително оборудване, наречено токоизправител, обикновено от електронни компоненти, наречени диоди, за преобразуване на AC в DC.
Инверторът върши обратната работа и е доста лесно да се разбере неговата същност. Да предположим, че имате батерия във фенерчето и ключът е затворен, така че DC винаги да тече по веригата в същата посока като състезателната кола около пистата. Сега, ако извадите батерията и я завъртите, ако приемете, че тя е по различен начин, тя със сигурност ще остане светлина и няма да забележите никаква разлика в осветлението, което получавате - но електрическият ток ще тече обратното.
Да предположим, че сте имали мълнии-бързи ръце и те са достатъчно гъвкави, за да обърнат батерията 50-60 пъти в секунда. Тогава ще се превърнете в един вид механичен инвертор , превръщайки DC захранването на батерията в променлив ток с честота от 50–60 Hz.
Разбира се, инверторите, които купувате в електрическите магазини, не работят така, въпреки че някои от тях са наистина механични: използват електромагнитни превключватели, които бързо преминават към текущата посока. Такива честотни преобразуватели често произвеждат така наречения правоъгълен изход: токът или тече в една посока, или обратното, или моментално превключва между две състояния.
Такива резки промени в посоката са опасни за някои видове електрически съоръжения. При нормално захранване с променлив ток, тя постепенно преминава от едната страна към другата под формата на синусоида.
Електронните инвертори могат да се използват за създаване на този вид плавно променящ се AC изход от DC вход. Те използват електронни компоненти, наречени индуктори и кондензатори, за увеличаване и намаляване на изходния ток от острия, правоъгълен входен / изходен изходен сигнал, който получавате с основен инвертор.
Инверторите могат да се използват и с трансформатори за промяна на определено DC входно напрежение до напълно различно AC изходно напрежение (по-високо или по-ниско), но изходната мощност трябва винаги да бъде по-малка от входната мощност. От закона за пестене на енергия следва, че инверторът и трансформаторът не могат да произвеждат повече енергия, отколкото консумират, а част от енергията трябва да се загуби като топлина, тъй като електричеството преминава през различни електрически и електронни компоненти. На практика ефективността на инвертора често надхвърля 90%, въпреки че основната физика ни казва, че част от енергията - каквото и да е - винаги се губи някъде.
Принцип на работа на устройството
Представете си, че имате батерия с постоянен ток и някой ви плесне по рамото и ви моли да направите алтернативен. Как бихте го направили? Ако всички текущи, които генерирате потоци в една посока, как за добавяне на прост превключвател на вашия изход? Включването и изключването на тока може много бързо да осигури импулси с постоянен ток, които биха могли да направят поне половината работа. За да направите правилния AC, ще ви е необходим превключвател, който ви позволява напълно да отмените тока и да го направите около 50-60 пъти в секунда. Визуализирайте себе си като човешка батерия, която променя контактите напред и назад над 3000 пъти в минута.
Всъщност, старомоден механичен инвертор се свежда до превключващ блок, свързан към трансформатор. И тъй като електромагнитните устройства, които променят променливия ток с ниско напрежение до ток с високо напрежение или обратно, използват две намотки от тел (наречени първични и вторични) рани около общо желязно ядро.
В механичен инвертор или електрическият двигател, или някакъв друг автоматичен превключващ механизъм обръща входящия ток напред и назад основно чрез промяна на контактите и генериране на редуващи се във вторичния режим. Превключващото устройство работи по същия начин, както в електрическия звънец. Когато захранването е включено, то магнетизира превключвателя, изважда го и го изключва много бързо. Пружината отново ще върне превключвателя, като го включи, след което ще повтори процеса отново и отново.
Честотата на превключване се задава от управляващите сигнали, генерирани от управляващата верига (контролер). Контролерът може да разреши и допълнителни задачи:
- Регулиране на напрежението.
- Честота на превключване на ключа за синхронизация.
- Защитете ги от претоварване.
Инверторна класификация
Инверторите могат да бъдат много големи и масивни, особено ако имат вградени батерии, така че могат да работят автономно. Те също генерират много топлина, така че имат големи радиатори (метални ребра) и често охлаждащи вентилатори. Най-малките инвертори са по-преносими кутии с размерите на радиото, което можете да включите в гнездото на запалката за произвеждане на AC за зареждане на лаптопи или мобилни телефони.
Точно както устройствата се различават по консумираната мощност, инверторите се различават по мощността, която произвеждат. Като правило, за да сте в безопасност, ще ви е необходим инвертор, предназначен за една четвърт над максималната мощност на устройството, което искате да използвате. Това предполага, че някои уреди (например хладилници и фризери) консумират максимална мощност при първото включване. Въпреки че инверторите могат да осигурят максимална мощност за кратки периоди от време, важно е да се отбележи, че те не са проектирани да работят при максимална мощност за дълго време.
По принцип на работа, инверторите се разделят на:
- Самостоятелен.
- Инвертори на напрежението (AIN).
- Токови инвертори (AIT).
- Резонансни инвертори (AIR).
- Зависими (мрежово управлявани инвертори).
Здрави уреди в домовете ни, които използват голямо количество енергия (неща като електрически нагреватели, лампи с нажежаема жичка, чайници или хладилници), не се интересуват от вида на вълната, която получават: всичко, което искат, е енергия и как могат повече. Електронните устройства, от друга страна, са много по-неудобни и предпочитат по- плавния вход, който получават от синуидалната вълна .
Много инвертори работят като самостоятелни устройства с батерия, която е напълно независима от мрежата.- Други, т. Нар. Интерактивни инвертори или инвертори, свързани с мрежата, са специално проектирани да се свързват към мрежата през цялото време. Като правило те се използват за прехвърляне на електричество от нещо като слънчев панел обратно към мрежата с точно правилното напрежение и честота.
Това е чудесно, ако основната ви цел е да създадете своя собствена сила. Но това не е толкова полезно, ако понякога искате да сте независими от мрежата, или се нуждаете от резервно захранване в случай на повреда, защото ако връзката ви към мрежата се понижи и не генерирате електричество сами (например, това е нощно време и вашата слънчева енергия панелите са неактивни), инверторът също се понижава и вие сте напълно без енергия, независимо дали генерирате силата си или не.
Поради тази причина някои хора използват бимодални или двупосочни устройства, които могат да работят както офлайн, така и в мрежов режим (макар и не едновременно). Тъй като те имат допълнителни части, те обикновено са по-обемисти и по-скъпи.
Големи комутационни устройства за приложения за пренос на енергия, инсталирани преди 1970 г., най-вече използват клапи с живачна дъга. Модерните инвертори обикновено са в твърдо състояние (статични инвертори). Модерният метод на проектиране включва компоненти, разположени в конфигурацията на моста H. Този дизайн също е доста популярен сред малките потребителски устройства.
Използвайки 3D печат и нови полупроводници, изследователи от Националната лаборатория на Oak Ridge на Министерството на енергетиката създадоха инвертор, който може да направи електрическите автомобили по-леки, по-мощни и по-ефективни.