Historia konwertera
Pod koniec XIX wieku amerykański elektryk pionier Thomas Edison (1847–1931) opuścił swoje laboratorium, aby zademonstrować, że prąd stały (DC) jest lepszym sposobem dostarczania energii elektrycznej niż prąd zmienny (AC), który był nowym systemem obsługiwanym jego serbski rywal Nikola Tesla (1856–1943). Edison próbował wszystkich sprytnych sposobów, aby przekonać ludzi, że AC jest zbyt niebezpieczne: od elektrooczyszczania słoni po wspieranie stosowania prądu zmiennego w krześle elektrycznym do kontrolowania kary śmierci. Mimo to, system Tesla wygrał tego dnia, a świat od tamtej pory pracował całkiem sporo nad siecią energetyczną.
Jedynym problemem jest to, że chociaż wiele naszych urządzeń zaprojektowano do pracy z prądem zmiennym, generatory o niskiej mocy często wytwarzają stałą. Oznacza to, że jeśli chcesz uruchomić coś takiego jak gadżet zasilany prądem przemiennym z baterii DC w domu mobilnym, potrzebujesz urządzenia, które przekształca DC na falownik AC, jak to się nazywa.
Elektryczność AC i DC
Kiedy nauczyciele przedmiotów ścisłych wyjaśniają podstawową ideę elektryczności jako strumienia elektronów, zwykle mówią o prądzie stałym (DC). Dowiadujemy się, że elektrony są trochę jak linia mrówek biegnąca wraz z pakietami energii elektrycznej, tak jak mrówki niosą liście. Jest to całkiem dobra analogia do czegoś takiego jak podstawowa latarka, w której mamy obwód (ciągłą pętlę elektryczną) łączący baterię, lampę i przełącznik, a energia elektryczna jest systematycznie transportowana z baterii do lampy, dopóki cała energia baterii nie zostanie wyczerpana.
W dużych urządzeniach gospodarstwa domowego energia elektryczna działa inaczej. Źródło zasilania, które pochodzi z wylotu w ścianie, jest oparte na prądzie przemiennym (AC), gdzie energia elektryczna przełącza się w kierunku 50-60 razy na sekundę (innymi słowy, z częstotliwością 50-60 Hz). Trudno jest zrozumieć, w jaki sposób AC dostarcza energię, gdy nieustannie zmienia zdanie na temat tego, dokąd idzie. Jeśli elektrony wychodzące z gniazda ściennego dostaną się, powiedzmy, kilka milimetrów w dół kabla, to musisz odwrócić kierunek i wrócić, jak kiedykolwiek dotrą do lampy na stole, żeby się zapaliła?
Odpowiedź jest całkiem prosta. Wyobraź sobie, że między lampą a ścianą są elektrony. Po kliknięciu przełącznika wszystkie elektrony, które wypełniają kabel, wibrują w tę iz powrotem we włóknach lampy - a ten szybki przetasowanie zamienia energię elektryczną w ciepło, a lampa świeci się. Elektrony nie muszą obracać się w okręgu, aby przenosić energię: w AU po prostu „biegną w miejscu”.
Czym jest falownik?
Jednym z zapisów Tesli (a jego partnerem biznesowym jest George Westinghouse, szef Westinghouse Electrical Company) jest to, że większość urządzeń, które mamy w naszych domach, jest specjalnie zaprojektowana do pracy z zasilaniem AC. Urządzenia, które potrzebują prądu stałego, ale zużywają energię elektryczną z gniazdka prądu zmiennego, potrzebują dodatkowego urządzenia, zwanego prostownikiem, zwykle z elementów elektronicznych, zwanych diodami, w celu przekształcenia AC w DC.
Przetwornica działa odwrotnie i całkiem łatwo zrozumieć jej istotę. Przypuśćmy, że masz baterię w latarce i przełącznik jest zamknięty, więc DC zawsze płynie wzdłuż obwodu w tym samym kierunku, co samochód wyścigowy wokół toru. Teraz, jeśli wyciągniesz baterię i obrócisz ją, zakładając, że jest w inny sposób, prawie na pewno nadal będzie dawać światło i nie zauważysz żadnej różnicy w otrzymywanym oświetleniu - ale prąd elektryczny przepłynie w odwrotny sposób.
Przypuśćmy, że masz błyskawiczne ramiona i są wystarczająco zwinne, aby obracać baterię 50-60 razy na sekundę. Wtedy stałbyś się swego rodzaju falownikiem mechanicznym , zamieniając moc prądu stałego na prąd przemienny o częstotliwości 50–60 Hz.
Oczywiście, falowniki, które kupujesz w sklepach elektrycznych, nie działają w ten sposób, chociaż niektóre z nich są naprawdę mechaniczne: używają przełączników elektromagnetycznych, które szybko przełączają się na bieżący kierunek. Takie falowniki często wytwarzają tak zwane wyjście prostokątne: prąd płynie albo w jednym kierunku, albo odwrotnie, albo natychmiast przełącza się między dwoma stanami.
Takie nagłe zmiany kierunku są niebezpieczne dla niektórych typów urządzeń elektrycznych. Przy normalnym zasilaniu prądem zmiennym stopniowo przechodzi z jednej strony na drugą w postaci fali sinusoidalnej.
Przetwornice elektroniczne mogą być wykorzystywane do tworzenia tego rodzaju płynnie zmieniającego się wyjścia AC z wejścia DC. Wykorzystują elementy elektroniczne, zwane cewkami indukcyjnymi i kondensatorami, aby zwiększyć i zmniejszyć prąd wyjściowy niż ostry, prostokątny sygnał wyjściowy włączania / wyłączania, który uzyskuje się przy pomocy podstawowego falownika.
Falowniki mogą być również używane z transformatorami do zmiany pewnego napięcia wejściowego DC na całkowicie inne napięcie wyjściowe AC (wyższe lub niższe), ale moc wyjściowa musi być zawsze mniejsza niż moc wejściowa. Z prawa zachowania energii wynika, że falownik i transformator nie mogą wyprodukować więcej energii niż zużywają, a część energii musi zostać utracona jako ciepło, ponieważ energia elektryczna przepływa przez różne elementy elektryczne i elektroniczne. W praktyce wydajność falownika często przekracza 90 procent, chociaż podstawowa fizyka mówi nam, że część energii - cokolwiek to jest - jest gdzieś zawsze tracona.
Zasada działania urządzenia
Wyobraź sobie, że masz baterię prądu stałego, a ktoś klepie cię w ramię i prosi, abyś zamiast tego wyprodukował naprzemiennie. Jak byś to zrobił? Jeśli cały prąd, który generujesz, płynie w jednym kierunku, może dodać prosty przełącznik do wyjścia? Włączanie i wyłączanie prądu może bardzo szybko dostarczyć impulsy DC, które mogłyby wykonać co najmniej połowę pracy. Aby uzyskać prawidłowy prąd przemienny, potrzebny jest przełącznik, który pozwala całkowicie anulować prąd i zrobić to około 50-60 razy na sekundę. Wizualizuj siebie jako ludzką baterię, która zmienia kontakty w tę iz powrotem ponad 3000 razy na minutę.
W rzeczywistości staromodny falownik mechaniczny jest zredukowany do jednostki przełączającej podłączonej do transformatora. A ponieważ urządzenia elektromagnetyczne, które zmieniają prąd przemienny niskiego napięcia na prąd wysokiego napięcia lub odwrotnie, używają dwóch cewek drutów (zwanych pierwotnymi i wtórnymi) wokół wspólnego rdzenia żelaznego.
W falowniku mechanicznym silnik elektryczny lub inny automatyczny mechanizm przełączający odwraca napływający prąd tam iz powrotem, po prostu zmieniając styki i generując przemiennie w trybie wtórnym. Urządzenie przełączające działa w taki sam sposób, jak w dzwonku elektrycznym. Gdy zasilanie jest włączone, magnesuje przełącznik, wyciąga go i wyłącza bardzo szybko. Sprężyna ponownie włączy przełącznik, włączając go, a następnie powtórzy proces ponownie i ponownie.
Częstotliwość przełączania jest ustawiana przez sygnały sterujące generowane przez obwód sterujący (sterownik). Kontroler może również rozwiązywać dodatkowe zadania:
- Regulacja napięcia.
- Synchronizacja częstotliwości przełączania kluczy.
- Chroń je przed przeciążeniem.
Klasyfikacja falownika
Falowniki mogą być bardzo duże i masywne, zwłaszcza jeśli mają wbudowane akumulatory, dzięki czemu mogą pracować autonomicznie. Wytwarzają również dużo ciepła, więc mają duże grzejniki (metalowe płetwy) i często wentylatory chłodzące. Najmniejsze falowniki to bardziej przenośne skrzynki wielkości radia samochodowego, które można podłączyć do gniazda zapalniczki, aby produkować prąd zmienny do ładowania laptopów lub telefonów komórkowych.
Podobnie jak urządzenia różnią się mocą, którą zużywają, falowniki różnią się pod względem mocy, którą wytwarzają. Z reguły, aby być bezpiecznym, będziesz potrzebował falownika, zaprojektowanego na kwadrans powyżej maksymalnej mocy urządzenia, którego chcesz użyć. Sugeruje to, że niektóre urządzenia (na przykład lodówki i zamrażarki lub lampy fluorescencyjne) zużywają maksymalną moc po pierwszym włączeniu. Chociaż falowniki mogą zapewnić maksymalną moc na krótkie okresy czasu, ważne jest, aby pamiętać, że nie są one przeznaczone do pracy przy szczytowej mocy przez długi czas.
Zgodnie z zasadą działania falowniki są podzielone na:
- Autonomiczny.
- Falowniki napięcia (AIN).
- Aktualne falowniki (AIT).
- Rezonansowe falowniki (AIR).
- Zależne (falowniki sieciowe).
Mocne urządzenia w naszych domach, które zużywają duże ilości energii (takie jak grzejniki elektryczne, lampy żarowe, czajniki lub lodówki), tak naprawdę nie przejmują się tym, jaką falę otrzymują: chcą tylko energii i jak mogą więcej Urządzenia elektroniczne, z drugiej strony, są znacznie bardziej wybredne i wolą płynniejszy sygnał wejściowy od fali sinusoidalnej .
Wiele falowników działa jako samodzielne urządzenia z baterią całkowicie niezależną od sieci.- Inne, tak zwane inwertery interaktywne użyteczności lub falowniki przyłączone do sieci, są specjalnie zaprojektowane do ciągłego łączenia się z siecią. Z reguły są one wykorzystywane do przesyłania energii elektrycznej z czegoś takiego jak panel słoneczny z powrotem do sieci z dokładnie odpowiednim napięciem i częstotliwością.
To wspaniałe, jeśli twoim głównym celem jest stworzenie własnej mocy. Nie jest to jednak przydatne, jeśli czasami chcesz być niezależny od sieci lub potrzebujesz zasilania awaryjnego w przypadku awarii, ponieważ jeśli połączenie z siecią ulegnie awarii i sam nie generujesz energii elektrycznej (na przykład, jest noc i energia słoneczna) panele są nieaktywne), falownik również spada, a Ty jesteś całkowicie pozbawiony energii, niezależnie od tego, czy generujesz swoją siłę, czy nie.
Z tego powodu niektórzy ludzie używają urządzeń bimodalnych lub dwukierunkowych, które mogą pracować zarówno w trybie offline, jak iw trybie sieciowym (choć nie jednocześnie). Ponieważ mają dodatkowe części, są zwykle bardziej masywne i droższe.
Duże urządzenia przełączające do aplikacji przesyłania energii, zainstalowane przed 1970 r., Najczęściej wykorzystywały zawory łukowe rtęciowe. Nowoczesne falowniki są zwykle półprzewodnikowe (falowniki statyczne). Nowoczesna metoda projektowania obejmuje komponenty umieszczone w konfiguracji mostka H. Ten projekt jest również dość popularny wśród małych urządzeń konsumenckich.
Wykorzystując druk 3D i nowe półprzewodniki, badacze z Krajowego Laboratorium Oak Ridge Departamentu Energii stworzyli falownik mocy, który może sprawić, że samochody elektryczne będą lżejsze, wydajniejsze i bardziej wydajne.