Одна из самых значительных достижений 19-го века была связана не с землей или ресурсами, а с установлением типа электричества, которое все чаще стало внедряться в наши здания. Существует два вида тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Ученых всегда интересовала возможность преобразования одного вида в другой. Так появился инвертор.
История появления преобразователя
В конце 1800-х годов американский электрик-пионер Томас Эдисон (1847−1931) вышел из своей лаборатории, чтобы продемонстрировать, что постоянный ток (DC) является лучшим способом подачи электроэнергии, чем переменный ток (AC), который был новой системой, поддерживаемой его сербским соперником Николой Тесла (1856−1943). Эдисон пробовал всевозможные хитрые способы убедить людей в том, что AC слишком опасен: от электроочистки слона до поддержки использования переменного тока в электрическом стуле для управления смертной казнью. Несмотря на это, система Tesla выиграла тот день, и мир с тех пор довольно много работает на электросети.
Единственная проблема заключается в том, что, хотя многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, маломощные генераторы часто производят постоянный. Это означает, что если вы хотите запустить что-то вроде гаджета с питанием от переменного тока от аккумуляторной батареи постоянного тока в мобильном доме, вам потребуется устройство, которое преобразует DC в AC-инвертор, как его называют.
Электричество постоянного и переменного тока
Когда преподаватели науки объясняют основную идею электричества как поток электронов, они обычно говорят о постоянном токе (DC). Мы узнаем, что электроны немного похожи на линию муравьев, идущих вместе с пакетами электрической энергии так же, как муравьи несут листья. Это достаточно хорошая аналогия для чего-то вроде базового фонарика, где у нас есть схема (сплошная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель, а электрическая энергия систематически транспортируется от батареи к лампе, пока вся энергия батареи истощается.
В больших бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, который поступает от розетки в стене, основан на переменном токе (AC), где электричество переключается в направлении 50−60 раз в секунду (другими словами, на частоте 50−60 Гц). Трудно понять, как AC доставляет энергию, когда он постоянно меняет свое мнение о том, куда он идет. Если электроны, выходящие из настенной розетки, добираются, скажем, на несколько миллиметров вниз по кабелю, тогда нужно обратить вспять направление и вернуться назад, как они когда-либо добираются до лампы на столе, чтобы та засветилась?
Ответ на самом деле довольно прост. Представьте, что между лампой и стеной заполнены электроны. Когда вы щелкаете на переключателе, все электроны, заполняющие кабель, вибрируют назад и вперед в нитях лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и лампа засвечивается. Электроны необязательно должны вращаться по кругу для переноса энергии: в АС они просто «бегут на месте».
Что предстваляет собой инвертор
Одним из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые мы имеем в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, нуждающиеся в постоянном токе, но потребляющие электроэнергию от розетки переменного, нуждаются в дополнительной части оборудования, называемой выпрямителем, как правило, из электронных компонентов, называемых диодами, для преобразования AC в DC.
Инвертор выполняет противоположную работу, и довольно легко понять ее суть. Предположим, у вас есть аккумулятор в фонарике, а переключатель закрыт, поэтому DC течет по цепи всегда в том же направлении, что и гоночный автомобиль вокруг дорожки. Теперь, если вы вытащите батарею и развернете ее, предполагая, что это соответствует другому способу, он почти наверняка все еще подаст свет, и вы не заметите какой-либо разницы в освещение, которое вы получаете, — но электрический ток будет протекать противоположным образом.
Предположим, у вас были молниеносные руки, и они были достаточно ловкими, чтобы переворачивать батарею 50−60 раз в секунду. Тогда бы вы стали своего рода механическим инвертором, превратив питание постоянного тока батареи в переменный на частоте 50−60 Гц.
Конечно, инверторы, которые вы покупаете в электрических магазинах, работают не так, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые быстро переключаются на текущее направление. Инверторы, подобные этому, часто производят так называемый прямоугольный выход: ток либо протекает в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями.
Такие внезапные перемены направления опасны для некоторых видов электрооборудования. При нормальной мощности AC, он постепенно переходит с одной стороны в другую в виде синусоидальной волны.
Электронные инверторы могут использоваться для создания такого рода плавно изменяющегося выхода переменного от входа постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые индукторами и конденсаторами, для увеличения и снижения выходного тока, чем резкий, прямоугольный выходной сигнал включения / выключения, который вы получаете с помощью базового инвертора.
Инверторы также могут использоваться с трансформаторами для изменения определенного входного напряжения DC на совершенно другое выходное напряжение переменного (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше входной мощности. Из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не может выдавать больше энергии, чем они потребляют, и некоторая энергия должна быть потеряна как тепло, поскольку электричество протекает через различные электрические и электронные компоненты. На практике эффективность инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что какая-то часть энергии — какой бы она ни была — всегда где-то теряется.
Принцип работы устройства
Представьте, что вы аккумулятор постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас вместо этого произвести переменный. Как бы вы это сделали? Если весь ток, который вы производите, вытекает в одном направлении, как насчет добавления простого переключателя на ваш выход? Включение и выключение вашего тока может очень быстро обеспечить импульсы DС, которые могли бы выполнять как минимум половину работы. Чтобы сделать правильный AC, вам понадобится переключатель, который позволит полностью отменить ток и сделать это примерно 50−60 раз в секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, которая меняет контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту.
По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку, подключенному к трансформатору. А так как электромагнитные устройства, которые меняют низковольтный переменный на высоковольтный ток или наоборот, используя две катушки провода (называемые первичной и вторичной) ранами вокруг общего железного ядра.
В механическом инверторе либо электродвигатель, либо какой-либо другой механизм автоматического переключения переворачивает входящий ток вперед и назад в основном просто путем изменения контактов и генерирует переменный во вторичном режиме. Коммутационное устройство работает так же, как в электрическом дверном звонке. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, вытягивает его и очень быстро отключает. Пружина снова вернет переключатель, включив его, и потом будет повторять процесс снова и снова.
Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:
- Регулирование напряжения.
- Синхронизация частоты переключения ключей.
- Защитой их от перегрузок.
Классификация инверторов
Инверторы могут быть очень большими и массивными, особенно если они имеют встроенные батарейные блоки, поэтому они могут работать автономно. Они также генерируют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы. Самые маленькие инверторы — это более портативные коробки размером с автомобильное радио, которое вы можете подключить к гнезду прикуривателя, чтобы произвести AC для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.
Так же, как приборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности, которую они производят. Как правило, чтобы быть в безопасности, вам понадобится инвертор, рассчитанный на четверть выше максимальной мощности устройства, которое вы хотите использовать. Это позволяет предположить, что некоторые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют максимальную мощность при первом включении. Хотя инверторы могут обеспечивать максимальную мощность в течение коротких периодов времени, важно отметить, что они не предназначены для работы на пиковой мощности в течение длительного времени.
По принципу действия инверторы делятся на:
- Автономные.
- Инверторы напряжения (АИН).
- Инверторы тока (АИТ).
- Резонансные инверторы (АИР).
- Зависимые (инверторы, ведомые сетью).
Здоровенные приборы в наших домах, которые используют большое количество энергии (такие вещи, как электрические нагреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники), не очень заботятся о том, какую форму волны они получают: все, что они хотят, это энергия и как можно больше. Электронные устройства, с другой стороны, намного более суетливы и предпочитают более плавный вход, который они получают от синуидальной волны.
Многие инверторы работают как автономные устройства с аккумулятором, которые полностью независимы от сети.- Другие, так называемые утилитарно-интерактивные инверторы или инверторы с привязкой к сетке, специально разработаны для подключения к сети все время. Как правило, они используются для передачи электроэнергии от чего-то вроде солнечной панели обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.
Это прекрасно, если ваша главная цель — создать собственную силу. Но это не так полезно, если вы хотите иногда быть независимыми от сети, или вам нужен резервный источник питания в случае сбоя, потому что если ваше соединение с сетью опускается, и вы не производите электричество самостоятельно (например, это ночное время, и ваши солнечные панели неактивны), инвертор тоже опускается, и вы полностью без энергии, независимо от того, генерируете ли вы свою силу или нет.
По этой причине некоторые люди используют бимодальные или двунаправленные устройства, которые могут работать как в автономном, так и в сетчатом режиме (хотя и не одновременно). Поскольку у них есть дополнительные части, они, как правило, более громоздки и дороже.
Крупные коммутационные устройства для применений передачи энергии, установленные до 1970 года, преимущественно использовали ртутно-дуговые клапаны. Современные инверторы обычно являются твердотельными (статические инверторы). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в конфигурации моста H. Этот дизайн также довольно популярен среди небольших потребительских устройств.
Используя трехмерную печать и новые полупроводники, исследователи из Национальной лаборатории Oak Ridge Департамента энергетики создали инвертор мощности, который мог бы сделать электромобили более легкими, более мощными и более эффективными.
