Zgodovina pretvornika
V poznem 18. stoletju je ameriški pionirski električar Thomas Edison (1847–1931) zapustil svoj laboratorij in dokazal, da je enosmerni tok (DC) boljši način za oskrbo z električno energijo kot izmenični tok (AC), ki je bil podprt z novim sistemom. njegov srbski tekmec Nikola Tesla (1856−1943). Edison je poskušal vse vrste pametnih načinov prepričati ljudi, da je AC preveč nevarno: od elektro-čiščenja slonov do podpore uporabe izmeničnega toka v električnem stolu za nadzor smrtne kazni. Kljub temu je sistem Tesla zmagal tisti dan, svet pa je od takrat precej delal na električnem omrežju.
Edina težava je, da čeprav je veliko naših naprav zasnovanih za delo z izmeničnim tokom, generatorji nizke porabe pogosto proizvajajo konstanto. To pomeni, da če želite iz akumulatorja DC v mobilnem domu zagnati nekaj podobnega kot gadget z napajalnim tokom, potrebujete napravo, ki pretvarja enosmerni tok v pretvornik izmeničnega toka, kot se imenuje.
AC in DC električna energija
Ko učitelji znanosti razlagajo osnovno idejo o elektriki kot toku elektronov, običajno govorijo o enosmernem toku (DC). Ugotavljamo, da so elektroni malo podobni kot mravljica, ki se ujema s paketi električne energije, tako kot mravlje nosijo liste. To je precej dobra analogija za nekaj takega kot osnovna svetilka, kjer imamo vezje (nepretrgano električno zanko), ki povezuje baterijo, žarnico in stikalo, in električna energija se sistematično prenaša iz baterije v svetilko, dokler se ne izčrpa celotna baterijska energija.
Pri velikih gospodinjskih aparatih električna energija deluje drugače. Vir napajanja, ki prihaja iz izhoda v steni, temelji na izmeničnem toku (AC), kjer se električna energija preklopi v smeri 50-60 krat na sekundo (z drugimi besedami, pri frekvenci 50-60 Hz). Težko je razumeti, kako AC prinaša energijo, ko nenehno spreminja svoje mnenje o tem, kam gre. Če elektroni, ki zapuščajo zidno vtičnico, dobijo, recimo, nekaj milimetrov po kablu, potem morate obrniti smer in se vrniti nazaj, kako lahko kdaj pridejo do svetilke na mizi, da se prižge?
Odgovor je pravzaprav dokaj preprost. Predstavljajte si, da so med svetilko in steno elektroni. Ko kliknete na stikalo, vsi elektroni, ki napolnijo kabel, vibrirajo navzgor in navzdol v žarilni nitki svetilke - in ta hiter preobrazbo pretvarja električno energijo v toploto in žarnica zasveti. Elektronom ni treba vrteti v krogu, da bi prenesli energijo: v AU preprosto »tečejo na mestu«.
Kaj je pretvornik?
Eden od Teslinih zapuščin (in njegov poslovni partner George Westinghouse, šef podjetja Westinghouse Electrical Company) je, da je večina naprav, ki jih imamo v naših domovih, posebej zasnovana za delovanje na izmenični tok. Naprave, ki potrebujejo enosmerni tok, vendar porabijo električno energijo iz vtičnice za izmenični tok, potrebujejo dodaten del opreme, imenovan usmernik, običajno iz elektronskih komponent, ki se imenujejo diode, za pretvorbo AC v DC.
Pretvornik opravlja nasprotno delo in zelo enostavno je razumeti njegovo bistvo. Recimo, da imate baterijo v svetilki in stikalo je zaprto, tako da DC vedno teče vzdolž vezja v isti smeri kot dirkalni avto okoli steze. Zdaj, če izvlečete baterijo in jo obrnete, če predpostavimo, da je na drugačen način, bo gotovo gotovo še vedno svetil in ne boste opazili razlike v osvetlitvi, ki jo sprejemate - vendar bo električni tok teče v nasprotni smeri.
Recimo, da ste imeli strele s hitrimi rokami in da so bili dovolj agilni, da so baterijo 50-60 krat na sekundo spremenili. Nato bi postali nekakšen mehanski pretvornik , ki pretvarja enosmerno napajanje baterije v izmenični tok s frekvenco 50–60 Hz.
Seveda pa razsmerniki, ki jih kupite v trgovinah z električno energijo, ne delujejo tako, čeprav so nekateri resnično mehanski: uporabljajo elektromagnetna stikala, ki se hitro preklopijo na trenutno smer. Takšni pretvorniki pogosto proizvajajo ti pravokotni izhod: tok bodisi teče v eno smer, ali obratno, ali pa se takoj preklopi med dvema državama.
Takšne nenadne spremembe smeri so nevarne za določene vrste električnih naprav. Pri normalnem napajanju z izmeničnim tokom se postopoma premika z ene strani na drugo v obliki sinusnega vala.
Elektronske pretvornike lahko uporabite za ustvarjanje tovrstnega izmeničnega AC izhodnega vhoda. Uporabljajo elektronske komponente, imenovane induktorje in kondenzatorje, za povečanje in zmanjšanje izhodnega toka kot oster, pravokoten vklop / izklop izhodnega signala, ki ga dobite z osnovnim pretvornikom.
Pretvorniki se lahko uporabljajo tudi s transformatorji za spremembo določene DC vhodne napetosti na popolnoma drugačno AC izhodno napetost (višjo ali nižjo), vendar mora biti izhodna moč vedno manjša od vhodne moči. Iz zakona o varčevanju z energijo izhaja, da pretvornik in transformator ne moreta proizvesti več energije, kot jo porabita, in nekaj energije je treba izgubiti kot toploto, saj električna energija teče skozi različne električne in elektronske komponente. V praksi učinkovitost pretvornika pogosto presega 90 odstotkov, čeprav nam osnovna fizika pove, da je nekaj energije - karkoli že je - vedno nekje izgubljeno.
Načelo delovanja naprave
Predstavljajte si, da imate baterijo za enosmerni tok in vas kdo udari po rami in vas prosi, da namesto tega izdelate izmenični. Kako bi to naredil? Če vsi tok, ki ga ustvarite, teče v eno smer, kaj pa dodajanje preprostega preklopa na vaš izhod? Z vklopom in izklopom toka lahko zelo hitro zagotovite enosmerne impulze, ki lahko naredijo vsaj polovico dela. Če želite narediti pravi AC, boste potrebovali stikalo, ki vam omogoča, da popolnoma prekličete tok in to storite približno 50-60 krat na sekundo. Predstavljajte se kot človeška baterija, ki spreminja stike več kot 3000 krat na minuto.
Dejstvo je, da se staromodni mehanski pretvornik zmanjša na stikalno enoto, ki je priključena na transformator. In ker elektromagnetne naprave, ki spreminjajo nizkonapetostni izmenični tok v visokonapetostni tok ali obratno, uporabljajo dve navitki žične (imenovane primarne in sekundarne) rane okoli skupne železne jedra.
V mehanskem pretvorniku bodisi elektromotor ali drug samodejni preklopni mehanizem obrne vhodni tok nazaj in nazaj v bistvu preprosto s spreminjanjem kontaktov in ustvarja izmenično v sekundarnem načinu. Stikalna naprava deluje na enak način kot pri električnem zvoncu. Ko je napajanje vklopljeno, magnetizira stikalo, ga potegne ven in ga izklopi zelo hitro. Vzmet bo spet vrnila stikalo z vklopom, nato pa bo postopek ponavljala znova in znova.
Preklopna frekvenca je nastavljena s krmilnimi signali, ki jih generira krmilni krog (krmilnik). Krmilnik lahko rešuje tudi dodatne naloge:
- Regulacija napetosti.
- Sinhronizacija frekvence preklopnih tipk.
- Zaščitite jih pred preobremenitvijo.
Razvrščanje pretvornikov
Pretvorniki so lahko zelo veliki in masivni, še posebej, če imajo vgrajene akumulatorje, zato lahko delujejo samostojno. Prav tako proizvajajo veliko toplote, zato imajo velike radiatorje (kovinske plavuti) in pogosto hladilne ventilatorje. Najmanjši pretvorniki so bolj prenosne škatle velikosti avtomobilskega radia, ki jih lahko priključite v vtičnico za vžigalnik cigaret, da izdelate AC za polnjenje prenosnih računalnikov ali mobilnih telefonov.
Tako kot se naprave razlikujejo po moči, ki jo porabijo, se razsmerniki razlikujejo v moči, ki jo proizvajajo. Praviloma, da bi bili varni, boste potrebovali inverter, ki je namenjen za četrtino nad največjo močjo naprave, ki jo želite uporabiti. To nakazuje, da nekateri aparati (npr. Hladilniki in zamrzovalniki ali fluorescenčne sijalke) porabijo največjo moč ob prvem vklopu. Čeprav lahko pretvorniki zagotovijo največjo moč za krajša časovna obdobja, je pomembno omeniti, da niso zasnovani za delovanje pri maksimalni moči za dolgo časa.
Po načelu delovanja se razsmerniki delijo na:
- Avtonomno.
- Napetostni pretvorniki (AIN).
- Tokovni pretvorniki (AIT).
- Resonančni pretvorniki (AIR).
- Odvisno (omrežno usmerjeni pretvorniki).
Močne naprave v naših domovih, ki uporabljajo veliko količino energije (kot so električni grelniki, žarnice, grelniki vode ali hladilniki), ne skrbijo, kakšen val bodo dobili: vse, kar hočejo, je energija in kako lahko več Elektronske naprave so po drugi strani precej sitnejše in imajo raje gladkejši vhod, ki ga dobijo iz sinuidalnega vala .
Številni pretvorniki delujejo kot samostojne naprave z baterijo, ki je popolnoma neodvisna od omrežja.- Drugi, tako imenovani, interaktivni pretvorniki ali pretvorniki, ki so priključeni na omrežje, so posebej zasnovani za stalno povezavo z omrežjem. Praviloma se uporabljajo za prenos električne energije iz neke vrste sončne celice nazaj v omrežje s pravo napetostjo in frekvenco.
To je super, če je vaš glavni cilj ustvariti svojo lastno moč. Toda to ni tako uporabno, če včasih želite biti neodvisni od omrežja ali če v primeru okvare potrebujete rezervno napajanje, ker če se vaša povezava z omrežjem zniža in vi sami ne ustvarjate električne energije (na primer nočni čas in sončna energija) Plošče so neaktivne), pretvornik se spušča, vi pa ste popolnoma brez energije, ne glede na to, ali ustvarite moč ali ne.
Zato nekateri ljudje uporabljajo bimodalne ali dvosmerne naprave, ki lahko delajo brez povezave in v neto načinu (čeprav ne istočasno). Ker imajo dodatne dele, so običajno bolj obsežni in dražji.
Velike stikalne naprave za aplikacije prenosa energije, nameščene pred letom 1970, so večinoma uporabljale živosrebrne ventile. Sodobni inverterji so običajno polprevodniški (statični pretvorniki). Sodobna metoda načrtovanja vključuje komponente, ki se nahajajo v konfiguraciji mostu H. Ta zasnova je prav tako zelo priljubljena med majhnimi potrošniškimi napravami.
Z uporabo 3D tiskanja in novih polprevodnikov so raziskovalci iz Nacionalnega laboratorija Oak Ridge na Ministrstvu za energijo ustvarili pretvornik moči, ki bi lahko električne avtomobile naredil lažje, močnejše in učinkovitejše.