História konvertora
V neskorých 1800s, americký priekopník elektrikár Thomas Edison (1847-1931) opustil svoje laboratórium demonštrovať, že jednosmerný prúd (DC) je lepší spôsob, ako dodávať elektrinu ako striedavý prúd (AC), ktorý bol nový systém podporovaný jeho srbský súper Nikola Tesla (1856 - 1943). Edison vyskúšal všetky druhy múdrejších spôsobov, ako presvedčiť ľudí, že AC je príliš nebezpečný: od elektro-čistenia slonov až po podporu používania striedavého prúdu v elektrickom kresle na kontrolu trestu smrti. Napriek tomu, Tesla systém vyhral ten deň, a svet od tej doby pracuje docela dosť na rozvodnej sieti.
Jediný problém je, že hoci mnohé z našich zariadení sú navrhnuté na prácu so striedavým prúdom, generátory s nízkym výkonom často produkujú konštantu. To znamená, že ak chcete spustiť niečo ako AC gadget z batérie DC v mobilnom dome, potrebujete zariadenie, ktoré prevádza DC na striedač striedavého prúdu, ako sa to volá.
AC a DC elektrina
Keď učitelia prírodovedných predmetov vysvetľujú základnú myšlienku elektriny ako prúdu elektrónov, zvyčajne hovoria o jednosmernom prúde (DC). Zistíme, že elektróny sú trochu podobné mravčej línii idúcej spolu s paketmi elektrickej energie, rovnako ako mravce nesú listy. To je docela dobrá analógia pre niečo ako základné baterku, kde máme okruh (nepretržitá elektrická slučka) spájajúca batériu, lampu a vypínač a elektrická energia sa systematicky prenáša z batérie do lampy, kým sa nevybije všetka energia batérie.
Vo veľkých domácich spotrebičoch pracuje elektrina inak. Zdroj energie, ktorý pochádza zo zásuvky v stene, je založený na striedavom prúde (AC), kde sa elektrina prepína v smere 50-60 krát za sekundu (inými slovami, pri frekvencii 50-60 Hz). Je ťažké pochopiť, ako AC dodáva energiu, keď neustále mení svoj názor na to, kam ide. Ak sa elektróny opúšťajúce nástennú zásuvku dostanú, povedzme, niekoľko milimetrov nadol po kábli, potom musíte obrátiť smer a vrátiť sa späť, ako sa vôbec dostanú do lampy na stole tak, aby sa rozsvietila?
Odpoveď je vlastne celkom jednoduchá. Predstavte si, že medzi lampou a stenou sú elektróny. Keď kliknete na prepínač, všetky elektróny, ktoré naplnia kábel, vibrujú tam a späť vo vláknach lampy - a tento rýchly náhodné premieňa elektrickú energiu na teplo a lampa svieti. Elektrony sa nemusia otáčať v kruhu, aby prenášali energiu: v AU jednoducho „bežia“.
Čo je to menič?
Jedna z Teslových odkazov (a jeho obchodný partner George Westinghouse, šéf spoločnosti Westinghouse Electrical Company) je, že väčšina zariadení, ktoré máme v našich domácnostiach, je špeciálne navrhnutá na prevádzku na striedavý prúd. Zariadenia, ktoré potrebujú jednosmerný prúd, ale spotrebúvajú elektrickú energiu z elektrickej zásuvky, potrebujú ďalší kus zariadenia, nazývaný usmerňovač, zvyčajne z elektronických komponentov, nazývaných diódy, na konverziu striedavého prúdu na jednosmerný prúd.
Menič robí opačnú prácu a je celkom ľahké pochopiť jeho podstatu. Predpokladajme, že máte batériu v baterke a spínač je zatvorený, takže DC vždy prúdi pozdĺž okruhu v rovnakom smere ako závodné auto okolo trate. Teraz, keď vytiahnete batériu a otočíte ju okolo, za predpokladu, že je to iným spôsobom, bude to takmer iste ešte dávať svetlo, a nebudete si všimnúť žiadny rozdiel v osvetlení, ktoré dostanete - ale elektrický prúd bude prúdiť opačným spôsobom.
Predpokladajme, že ste mali bleskové zbrane a boli dostatočne agilné, aby sa batéria otočila 50-60 krát za sekundu. Potom by ste sa stali akýmsi mechanickým meničom , ktorý prepne DC napájanie batérie na AC pri 50–60 Hz.
Samozrejme, že invertory, ktoré kupujete v elektrických obchodoch, nefungujú tak, hoci niektoré z nich sú naozaj mechanické: používajú elektromagnetické spínače, ktoré rýchlo prepínajú na smer prúdu. Tieto invertory často produkujú tzv. Obdĺžnikový výstup: prúd prúdi buď jedným smerom, alebo naopak, alebo sa okamžite prepína medzi dvoma stavmi.
Takéto náhle zmeny smeru sú nebezpečné pre určité typy elektrických zariadení. S normálnym napájaním striedavým prúdom postupuje postupne z jednej strany na druhú v podobe sínusovej vlny.
Elektronické striedače môžu byť použité na vytvorenie tohto plynulo sa meniaceho striedavého výstupu z jednosmerného vstupu. Používajú elektronické komponenty, nazývané induktory a kondenzátory, na zvýšenie a zníženie výstupného prúdu, ako je ostrý, obdĺžnikový výstupný signál zapnutia / vypnutia, ktorý dostanete so základným meničom.
Invertory môžu byť tiež použité s transformátormi na zmenu určitého DC vstupného napätia na úplne odlišné AC výstupné napätie (vyššie alebo nižšie), ale výstupný výkon musí byť vždy menší ako vstupný výkon. Zo zákona o šetrení energie vyplýva, že menič a transformátor nemôžu vyrábať viac energie, než spotrebujú, a určitá energia sa musí stratiť ako teplo, pretože elektrina prúdi cez rôzne elektrické a elektronické komponenty. V praxi účinnosť meniča často presahuje 90%, hoci základná fyzika nám hovorí, že časť energie - bez ohľadu na to, čo je - je niekde vždy stratená.
Princíp činnosti zariadenia
Predstavte si, že máte batériu DC a niekto vás zabije na ramene a požiada vás, aby ste namiesto toho vyrobili striedavo jeden. Ako by ste to urobili? Ak všetky aktuálne generujete toky v jednom smere, ako o pridaní jednoduchého prepínača do vášho výstupu? Zapnutie a vypnutie prúdu môže veľmi rýchlo poskytnúť impulzy DC, ktoré by mohli robiť aspoň polovicu práce. Ak chcete správne AC, musíte prepínač, ktorý vám umožní úplne zrušiť prúd a to asi 50-60 krát za sekundu. Vizualizujte sa ako ľudská batéria, ktorá mení kontakty tam a späť o 3000 krát za minútu.
V skutočnosti je staromódny mechanický menič redukovaný na spínaciu jednotku pripojenú k transformátoru. A pretože elektromagnetické zariadenia, ktoré menia nízkonapäťový striedavý prúd na prúd vysokého napätia alebo naopak, používajú dve cievky drôtu (nazývané primárne a sekundárne) rany okolo spoločného železného jadra.
V mechanickom invertore buď elektromotor alebo nejaký iný automatický spínací mechanizmus obracia prichádzajúci prúd tam a späť v podstate jednoducho zmenou kontaktov a generovaním striedavo v sekundárnom režime. Spínacie zariadenie pracuje rovnako ako v elektrickom zvončeku. Keď je napájanie zapnuté, magnetizuje spínač, vytiahne ho a veľmi rýchlo ho vypne. Pružina vráti spínač opäť zapnutím a potom bude proces opakovať znova a znova.
Spínacia frekvencia je nastavená riadiacimi signálmi generovanými riadiacim obvodom (regulátorom). Regulátor môže tiež riešiť ďalšie úlohy:
- Regulácia napätia.
- Synchronizácia frekvencie spínacích tlačidiel.
- Chráňte ich pred preťažením.
Klasifikácia meniča
Striedače môžu byť veľmi veľké a masívne, najmä ak majú vstavané batérie, takže môžu pracovať samostatne. Taktiež vytvárajú veľké množstvo tepla, takže majú veľké radiátory (kovové rebrá) a často chladiace ventilátory. Najmenšie invertory sú prenosné boxy o veľkosti autorádia, ktoré môžete pripojiť do zásuvky zapaľovača cigariet, čím sa vytvorí AC na nabíjanie notebookov alebo mobilných telefónov.
Rovnako ako zariadenia sa líšia výkonom, ktorý spotrebujú, striedače sa líšia výkonom, ktorý produkujú. Aby sme boli v bezpečí, spravidla budete potrebovať menič, ktorý je navrhnutý na štvrtinu nad maximálny výkon zariadenia, ktoré chcete používať. To naznačuje, že niektoré spotrebiče (napríklad chladničky a mrazničky alebo žiarivky) spotrebujú pri prvom zapnutí maximálny výkon. Hoci invertory môžu poskytovať maximálny výkon na krátke časové úseky, je dôležité poznamenať, že nie sú určené na dlhodobú prevádzku na špičkovom výkone.
Podľa princípu činnosti sú striedače rozdelené na:
- Sebestačný.
- Napäťové meniče (AIN).
- Prúdové meniče (AIT).
- Rezonančné meniče (AIR).
- Závislé (sieťové meniče).
Hefty spotrebiče v našich domácnostiach, ktoré používajú veľké množstvo energie (veci ako elektrické ohrievače, žiarovky, varné kanvice alebo chladničky), nezáleží na tom, akú vlnu dostanú: všetko, čo chcú, je energia a ako môže viac. Elektronické zariadenia, na druhej strane, sú oveľa chúlostivejšie a uprednostňujú hladší vstup, ktorý získajú z vlnitej vlny .
Mnohé invertory pracujú ako samostatné zariadenia s batériou, ktorá je úplne nezávislá od siete.- Ostatné, takzvané invertory typu „utility-interactive“ alebo invertory pripojené do siete, sú špeciálne navrhnuté na neustále pripojenie k sieti. Spravidla sa používajú na prenos elektriny z niečoho ako solárny panel späť do siete s presne správnym napätím a frekvenciou.
Je to skvelé, ak je vaším hlavným cieľom vytvoriť si vlastnú moc. Toto však nie je také užitočné, ak chcete niekedy byť nezávislí od siete alebo potrebujete záložný zdroj napájania v prípade zlyhania, pretože ak sa vaše pripojenie k sieti zníži a nebudete sami vyrábať elektrickú energiu (napríklad v noci a vo vašej slnečnej sieti) panely sú neaktívne), menič tiež klesá a ste úplne bez energie, bez ohľadu na to, či generujete svoju silu alebo nie.
Z tohto dôvodu niektorí ľudia používajú bimodálne alebo obojsmerné zariadenia, ktoré môžu pracovať v režime offline aj v režime siete (aj keď nie súčasne). Pretože majú ďalšie časti, sú zvyčajne objemnejšie a drahšie.
Veľké spínacie zariadenia pre aplikácie prenosu energie, inštalované pred rokom 1970, väčšinou používali ortuťové oblúkové ventily. Moderné striedače sú zvyčajne pevné (statické striedače). Moderná konštrukčná metóda zahŕňa komponenty umiestnené v konfigurácii mosta H. Tento dizajn je tiež veľmi populárny medzi malými spotrebičmi.
Pomocou 3D tlače a nových polovodičov výskumníci z Národného laboratória Oak Ridge z Ministerstva energetiky vytvorili menič výkonu, ktorý by mohol urobiť autá na elektrický pohon ľahšími, výkonnejšími a účinnejšími.