Istoria convertorului
La sfârșitul anilor 1800, electricianul american pionier Thomas Edison (1847-1931) a părăsit laboratorul pentru a demonstra că curentul direct (DC) este o modalitate mai bună de a furniza energie electrică decât curentul alternativ (AC), care a fost un sistem nou susținut rivalul său sârb Nikola Tesla (1856-1943). Edison a încercat tot felul de moduri inteligente pentru a convinge oamenii că AC este prea periculos: de la electro-curățarea elefantului la susținerea utilizării curentului alternativ într-un scaun electric pentru a controla pedeapsa cu moartea. În ciuda acestui fapt, sistemul Tesla a câștigat acea zi, iar lumea a lucrat destul de mult pe rețeaua electrică.
Singura problemă este că, deși multe dintre dispozitivele noastre sunt proiectate să funcționeze cu curent alternativ, generatoarele de joasă putere produc adesea o constantă. Aceasta înseamnă că, dacă doriți să rulați un obiect gadget alimentat de la o baterie de curent alternativ într-o casă mobilă, aveți nevoie de un dispozitiv care convertește DC la un invertor AC, așa cum se numește.
AC și curent electric
Când profesorii de știință explică ideea de bază a energiei electrice ca un flux de electroni, ei vorbesc de obicei despre curentul direct (DC). Aflăm că electronii sunt un fel de linie de furnici care merge împreună cu pachete de energie electrică la fel ca furnicile care poartă frunze. Aceasta este o analogie destul de bună pentru ceva ca o lanternă de bază, unde avem un circuit (o buclă electrică continuă) care leagă bateria, lampa și comutatorul, iar energia electrică este transportată sistematic de la baterie la lampă până când toată energia acumulatorului este epuizată.
În aparatele de uz casnic mari, energia electrică funcționează diferit. Sursa de alimentare, care vine de la priza din perete, se bazează pe curent alternativ (AC), unde electricitatea comută în direcția de 50-60 de ori pe secundă (cu alte cuvinte, la o frecvență de 50-60 Hz). Este greu de înțeles cum AC furnizează energie atunci când își schimbă în mod constant mintea despre locul în care se află. Dacă electronii care părăsesc priza de perete ajung, de exemplu, câțiva milimetri în josul cablului, atunci trebuie să inversați direcția și să vă întoarceți, cum se ajunge vreodată la lampa de pe masă, astfel încât să se aprindă?
Răspunsul este de fapt destul de simplu. Imaginați-vă că există electroni între lampă și perete. Când faceți clic pe un întrerupător, toți electronii care umple cablul vibrează înainte și înapoi în filamentele lămpii - iar acest amestec rapid transformă energia electrică în căldură, iar lampa se aprinde. Electronii nu trebuie să se rotească într-un cerc pentru a transfera energie: în UA, aceștia pur și simplu "rulează la locul lor".
Ce este un invertor?
Una dintre moștenirile lui Tesla (și partenerul său de afaceri, George Westinghouse, șeful Westinghouse Electrical Company) este că majoritatea dispozitivelor pe care le avem în casele noastre sunt proiectate special pentru a funcționa pe curent alternativ. Dispozitivele care au nevoie de curent continuu, dar consumă energie electrică de la o priză de curent alternativ necesită un echipament suplimentar, numit un redresor, de obicei din componente electronice, numite diode, pentru a converti AC la DC.
Invertorul face lucrul opus și este destul de ușor de înțeles esența lui. Să presupunem că aveți o baterie în lanternă și comutatorul este închis, deci DC continuă să curgă de-a lungul circuitului în aceeași direcție cu mașina de curse din jurul pistei. Acum, dacă scoateți bateria și o rotiți, presupunând că aceasta este într-un mod diferit, aproape sigur va da încă lumină și nu veți observa nici o diferență în iluminatul pe care îl primiți, dar curentul electric va curge în sens invers.
Să presupunem că aveați brațe cu fulgere și au fost suficient de agile pentru a transforma bateria de 50-60 de ori pe secundă. Apoi, veți deveni un fel de invertor mecanic , transformând puterea DC a bateriei în curent alternativ la o frecvență de 50-60 Hz.
Desigur, invertoarele pe care le cumperi în magazine electrice nu funcționează așa, deși unele dintre ele sunt cu adevărat mecanice: folosesc comutatoarele electromagnetice care trec rapid în direcția curentă. Invertoarele de acest fel produc adesea o așa-zisă ieșire dreptunghiulară: curentul curge fie într-o direcție, fie invers, sau trece instantaneu între două state.
Astfel de schimbări bruște de direcție sunt periculoase pentru anumite tipuri de echipamente electrice. Cu o putere normală de curent alternativ, acesta trece treptat de la o parte la alta sub forma unui val sinusoidal.
Invertoarele electronice pot fi folosite pentru a crea acest tip de ieșire AC variabilă ușor de la o intrare DC. Ele folosesc componente electronice, denumite inductori și condensatori, pentru a mări și micșora curentul de ieșire decât semnalul de ieșire ascuțit, dreptunghiular pe care îl obțineți cu un invertor de bază.
Invertoarele pot fi de asemenea folosite cu transformatoare pentru a schimba o anumită tensiune de intrare DC la o tensiune de ieșire complet diferită (mai mare sau mai mică), dar puterea de ieșire trebuie să fie întotdeauna mai mică decât puterea de intrare. Din legea conservării energiei rezultă că un invertor și un transformator nu pot produce mai multă energie decât consumă și că o anumită energie trebuie pierdută ca căldură, deoarece curentul electric curge prin diverse componente electrice și electronice. În practică, eficiența invertorului depășește adesea 90%, deși fizica de bază ne spune că o parte din energie - oricare ar fi ea - este întotdeauna pierdută undeva.
Principiul funcționării dispozitivului
Imaginați-vă că aveți o baterie DC și cineva vă lovi pe umăr și vă cere să produceți o alternativă. Cum ai face-o? Dacă toate curentă generați fluxuri într-o singură direcție, ce despre adăugarea unui comutator simplu la ieșirea dvs.? Pornirea și oprirea curentului pot oferi foarte repede impulsuri DC care ar putea face cel puțin jumătate din lucrare. Pentru a realiza AC corect, veți avea nevoie de un comutator care vă permite să anulați complet curentul și să-l faceți de aproximativ 50-60 de ori pe secundă. Vizualizați-vă ca o baterie umană care schimbă contactele înainte și înapoi de peste 3000 de ori pe minut.
De fapt, un convertizor mecanic de modă veche este redus la o unitate de comutare conectată la un transformator. Și din moment ce dispozitivele electromagnetice care schimbă curentul alternativ de joasă tensiune la curentul de înaltă tensiune sau invers, utilizați două bobine de sârmă (numite prime și secundare) în jurul unui miez de fier comun.
Într-un invertor mecanic, fie motorul electric, fie un alt mecanism de comutare automată inversează curentul de intrare înainte și înapoi prin simpla schimbare a contactelor și generând alternanța în modul secundar. Dispozitivul de comutare funcționează în același mod ca și în cazul unei sonerii electrice. Atunci când alimentarea este activă, acesta magnetează comutatorul, îl scoate și îl oprește foarte repede. Arcul va relua comutatorul din nou, pornind-l și apoi va repeta procesul din nou și din nou.
Frecvența de comutare este stabilită de semnalele de comandă generate de circuitul de comandă (controler). De asemenea, controlerul poate rezolva sarcini suplimentare:
- Reglarea tensiunii.
- Sincronizarea frecvenței tastelor de comutare.
- Protejați-le de supraîncărcare.
Clasificarea inversoarelor
Invertoarele pot fi foarte mari și masive, mai ales dacă au acumulatori încorporați, astfel încât să poată funcționa autonom. De asemenea, generează o mulțime de căldură, deci au radiatoare mari (aripioare metalice) și adesea ventilatoare de răcire. Cele mai mici invertoare sunt cutii mai portabile de dimensiunea unui radio auto pe care le puteți conecta la o priză brichetă pentru a produce AC pentru încărcarea laptop-urilor sau a telefoanelor mobile.
La fel cum dispozitivele diferă în puterea pe care o consumă, invertoarele diferă în puterea pe care o produc. De regulă, pentru a fi sigur, veți avea nevoie de un invertor proiectat pentru un sfert de putere maximă a dispozitivului pe care doriți să îl utilizați. Acest lucru sugerează că unele aparate (de exemplu, frigidere și congelatoare sau lămpi fluorescente) consumă energie maximă când sunt pornite pentru prima oară. Deși invertoarele pot furniza putere maximă pentru perioade scurte de timp, este important să rețineți că acestea nu sunt proiectate să funcționeze la putere de vârf pentru o perioadă lungă de timp.
Prin principiul de funcționare, invertoarele sunt împărțite în:
- Autonom.
- Invertoare de tensiune (AIN).
- Invertoarele actuale (AIT).
- Invertoare rezonante (AIR).
- Dependent (invertoare conduse de rețea).
Echipamentele grele din casele noastre care folosesc cantități mari de energie (lucruri cum ar fi încălzitoarele electrice, lămpile cu incandescență, cazanele sau frigiderele) nu le pasă cu adevărat de ce fel de undă primesc: tot ce vor este energia și cum poate mai mult. Dispozitivele electronice, pe de altă parte, sunt mult mai agitate și preferă intrarea mai ușoară pe care o primesc de la valul sinuidal .
Multe invertoare funcționează ca dispozitive independente cu o baterie care este complet independentă de rețea.- Altele, așa-numitele invertoare utilitare interactive sau invertoare atașate la rețea, sunt proiectate special pentru conectarea permanentă la rețea. De regulă, ele sunt folosite pentru a transfera energia electrică dintr-un panou solar înapoi la rețea cu exact tensiunea și frecvența corespunzătoare.
Acest lucru este minunat dacă obiectivul dvs. principal este de a vă crea propria putere. Dar acest lucru nu este atât de util dacă uneori doriți să fiți independenți de rețea sau aveți nevoie de o sursă de alimentare de rezervă în caz de eșec, deoarece dacă conexiunea dvs. cu rețeaua scade și nu generați electricitatea dvs. (de exemplu, panourile sunt inactive), invertorul este, de asemenea, în jos, și sunteți complet fără energie, indiferent dacă vă genera puterea sau nu.
Din acest motiv, unii oameni folosesc dispozitive bimodale sau bidirecționale care pot funcționa offline și în modul net (deși nu simultan). Deoarece au piese suplimentare, ele sunt de obicei mai voluminoase și mai scumpe.
Dispozitivele mari de comutare pentru aplicațiile de transfer de energie, instalate înainte de 1970, au utilizat în principal valve cu arc de mercur. Invertoarele moderne sunt de obicei în stare solidă (invertoare statice). Metoda de design modern include componentele situate în configurația podului H. Acest design este, de asemenea, destul de popular în rândul dispozitivelor mici de consum.
Folosind tipărirea 3D și semiconductorii noi, cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au creat un invertor de putere care ar putea face mașinile electrice mai ușoare, mai puternice și mai eficiente.