Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Одна з найбільш значних досягнень 19-го століття була пов'язана не з землею або ресурсами, а з встановленням типу електрики, яке все частіше стало впроваджуватися в наші будинки. Існує два види струму: постійний струм (DC) і змінний струм (AC). Вчених завжди цікавила можливість перетворення одного виду в інший. Так з'явився інвертор.

Історія появи перетворювача

В кінці 1800-х років американський електрик-піонер Томас Едісон (1847-1931) вийшов зі своєї лабораторії, щоб продемонструвати, що постійний струм (DC) є найкращим способом подачі електроенергії, ніж змінний струм (AC), який був новою системою, підтримуваної його сербським суперником Ніколою Тесла (1856-1943). Едісон пробував всілякі хитрі способи переконати людей в тому, що AC занадто небезпечний: від електроочісткі слона до підтримки використання змінного струму в електричному стільці для управління стратою. Незважаючи на це, система Tesla виграла той день, і світ з тих пір досить багато працює на електромережі.

Єдина проблема полягає в тому, що, хоча багато хто з наших приладів призначені для роботи зі змінним струмом, малопотужні генератори часто виробляють постійний. Це означає, що якщо ви хочете запустити щось на зразок гаджета з живленням від змінного струму від акумуляторної батареї постійного струму в мобільному будинку, вам буде потрібно пристрій, який перетворює DC в AC-інвертор, як його називають.

Електрика постійного і змінного струму

Коли викладачі науки пояснюють основну ідею електрики як потік електронів, вони зазвичай говорять про постійному струмі (DC). Ми дізнаємося, що електрони трохи схожі на лінію мурах, що йдуть разом з пакетами електричної енергії так само, як мурахи несуть листя. Це досить хороша аналогія для чогось на кшталт базового ліхтарика, де у нас є схема (суцільна електрична петля), що з'єднує батарею, лампу і вимикач, а електрична енергія систематично транспортується від батареї до лампи, поки вся енергія батареї виснажується.

У великих побутових приладах електрику працює по-іншому. Джерело живлення, який надходить від розетки в стіні, заснований на змінному струмі (AC), де електрику перемикається в напрямку 50-60 разів в секунду (іншими словами, на частоті 50-60 Гц). Важко зрозуміти, як AC доставляє енергію, коли він постійно змінює свою думку про те, куди він йде. Якщо електрони, що виходять з розетки, добираються, скажімо, на кілька міліметрів вниз по кабелю, тоді потрібно звернути назад напрямок і повернутися назад, як вони коли-небудь добираються до лампи на столі, щоб та засвітилася?

Відповідь насправді досить простий. Уявіть, що між лампою і стіною заповнені електрони. Коли ви натискаєте на перемикачі, всі електрони, що заповнюють кабель, вібрують назад і вперед в нитках лампи - і це швидке перетасування перетворює електричну енергію в тепло і лампа засвічується. Електрони необов'язково повинні обертатися по колу для перенесення енергії: в АС вони просто «біжать на місці».

Що предстваляет собою інвертор

Одним з спадщин Тесли (і його ділового партнера Джорджа Вестінгауз, боса Westinghouse Electrical Company) є те, що більшість приладів, які ми маємо в наших будинках, спеціально розроблені для роботи від мережі змінного струму. Прилади, які потребують постійному струмі, але споживають електроенергію від розетки змінного, потребують додаткової частини обладнання, званої випрямлячем, як правило, з електронних компонентів, званих діодами, для перетворення AC в DC.

Інвертор виконує протилежну роботу, і досить легко зрозуміти її суть. Припустимо, у вас є акумулятор в ліхтарику, а перемикач закритий, тому DC тече по ланцюгу завжди в тому ж напрямку, що і гоночний автомобіль навколо доріжки. Тепер, якщо ви витягнете батарею і розгорнете її, припускаючи, що це відповідає іншим способом, він майже напевно все ще подасть світло, і ви не помітите будь-якої різниці в освітлення, яке ви отримуєте, - але електричний струм буде протікати протилежним чином.

Припустимо, у вас були блискавичні руки, і вони були досить спритними, щоб перевертати батарею 50-60 разів в секунду. Тоді б ви стали свого роду механічних інвертором, перетворивши харчування постійного струму батареї в змінний на частоті 50-60 Гц.

Звичайно, інвертори, які ви купуєте в електричних магазинах, працюють не так, хоча деякі з них дійсно механічні: вони використовують електромагнітні перемикачі, які швидко переключаються на поточний напрямок. Інвертори, подібні до цього, часто виробляють так званий прямокутний вихід: ток або протікає в одну сторону, або навпаки, або він миттєво переключається між двома станами.

Такі раптові зміни напрямку небезпечні для деяких видів електрообладнання. При нормальній потужності AC, він поступово переходить з одного боку в іншу у вигляді синусоїдальної хвилі.

Електронні інвертори можуть використовуватися для створення такого роду плавно змінюється виходу змінного від входу постійного струму. Вони використовують електронні компоненти, звані індуктори і конденсаторами, для збільшення і зниження вихідного струму, ніж різкий, прямокутний вихідний сигнал включення / вимикання, який ви отримуєте за допомогою базового інвертора.

Інвертори також можуть використовуватися з трансформаторами для зміни певного вхідного напруги DC на зовсім інше вихідна напруга змінного (вище або нижче), але вихідна потужність завжди повинна бути менше вхідної потужності. Із закону збереження енергії випливає, що інвертор і трансформатор не може видавати більше енергії, ніж вони споживають, і деяка енергія повинна бути втрачена як тепло, оскільки електрику протікає через різні електричні та електронні компоненти. На практиці ефективність інвертора часто перевищує 90 відсотків, хоча базова фізика говорить нам, що якась частина енергії - якою б вона не була - завжди десь втрачається.

Принцип роботи пристрою

Уявіть, що ви акумулятор постійного струму, і хтось ляскає вас по плечу і просить вас замість цього зробити змінний. Як би ви це зробили? Якщо весь струм, який ви робите, випливає в одному напрямку, як щодо додавання простого перемикача на ваш вихід? Включення і вимикання вашого струму може дуже швидко забезпечити імпульси DС, які могли б виконувати як мінімум половину роботи. Щоб зробити правильний AC, вам знадобиться перемикач, який дозволить повністю скасувати ток і зробити це приблизно 50-60 разів на секунду. Візуалізують себе як людську батарею, яка змінює контакти туди і назад більше 3000 разів на хвилину.

По суті, старомодний механічний інвертор зводиться до комутаційного блоку, підключеному до трансформатора. А так як електромагнітні пристрої, які змінюють низьковольтний змінний на високовольтний струм або навпаки, використовуючи дві котушки дроти (звані первинної та вторинної) ранами навколо загального залізного ядра.

У механічному инверторе або електродвигун, або будь-якої іншої механізм автоматичного перемикання перевертає вхідний струм вперед і назад в основному просто шляхом зміни контактів і генерує змінний у вторинному режимі. Комутаційне пристрій працює так само, як в електричному дверному дзвінку. Коли харчування підключено, воно намагнічує перемикач, витягує його і дуже швидко відключає. Пружина знову поверне перемикач, включивши його, і потім буде повторювати процес знову і знову.

Частота перемикання задається сигналами управління, які формувались керуючої схемою (контролером). Контролер також може вирішувати додаткові завдання:

  • Регулювання напруги.
  • Синхронізація частоти перемикання ключів.
  • Захистом їх від перевантажень.

Класифікація інверторів

Інвертори можуть бути дуже великими і масивними, особливо якщо вони мають вбудовані блоки батарей, тому вони можуть працювати автономно. Вони також генерують багато тепла, тому у них великі радіатори (металеві плавники) і часто охолоджуючі вентилятори. Найменші інвертори - це більш портативні коробки розміром з автомобільне радіо, яке ви можете підключити до гнізда прикурювача, щоб зробити AC для зарядки портативних комп'ютерів або мобільних телефонів.

Так само, як прилади розрізняються по потужності, яку вони споживають, інвертори розрізняються по потужності, яку вони виробляють. Як правило, щоб бути в безпеці, вам знадобиться інвертор, розрахований на чверть вище максимальної потужності пристрою, який ви хочете використовувати. Це дозволяє припустити, що деякі прилади (наприклад, холодильники і морозильники або люмінесцентні лампи) споживають максимальну потужність при першому включенні. Хоча інвертори можуть забезпечувати максимальну потужність протягом коротких періодів часу, важливо відзначити, що вони не призначені для роботи на пікової потужності протягом тривалого часу.

За принципом дії інвертори діляться на:

  • Автономні.
  • Інвертори напруги (АІН).
  • Інвертори струму (RTA).
  • Резонансні інвертори (АІР).
  • Зовсім (інвертори, ведені мережею).

Здоровенні прилади в наших будинках, які використовують велику кількість енергії (такі речі, як електричні нагрівачі, лампи розжарювання, чайники або холодильники), не надто переймаються тим, яку форму хвилі вони отримують: все, що вони хочуть, це енергія і як можна більше. Електронні пристрої, з іншого боку, набагато більш метушливі і віддають перевагу більш плавний вхід, який вони отримують від сінуідальной хвилі.

  • Багато інвертори працюють як автономні пристрої з акумулятором, які повністю незалежні від мережі.
  • Інші, так звані утилітарно-інтерактивні інвертори або інвертори з прив'язкою до сітки, спеціально розроблені для підключення до мережі весь час. Як правило, вони використовуються для передачі електроенергії від чогось на кшталт сонячної панелі назад в мережу з точно правильним напругою і частотою.

Це прекрасно, якщо ваша головна мета - створити власну силу. Але це не так корисно, якщо ви хочете іноді бути незалежними від мережі, або вам потрібен резервне джерело живлення в разі збою, тому що якщо ваше з'єднання з мережею опускається, і ви не робите електрику самостійно (наприклад, це нічний час, і ваші сонячні панелі неактивні), інвертор теж опускається, і ви повністю без енергії, незалежно від того, генеруєте ви свою силу чи ні.

З цієї причини деякі люди використовують бімодальне або двонаправлені пристрої, які можуть працювати як в автономному, так і в сітчастому режимі (хоча і не одночасно). Оскільки у них є додаткові частини, вони, як правило, більш громіздкі і дорожче.

Великі комутаційні пристрої для застосувань передачі енергії, встановлені до 1970 року, переважно використовували ртутно-дугові клапани. Сучасні інвертори зазвичай є твердотільними (статичні інвертори). Сучасний метод проектування включає компоненти, розташовані в конфігурації моста H. Цей дизайн також досить популярний серед невеликих споживчих пристроїв.

Використовуючи тривимірну друк і нові напівпровідники, дослідники з Національної лабораторії Oak Ridge Департаменту енергетики створили інвертор потужності, який міг би зробити електромобілі більш легкими, більш потужними і більш ефективними.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Корисні поради