Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Jedno od najznačajnijih dostignuća u 19. stoljeću nije bilo povezano s zemljištem ili resursima, već s utvrđivanjem vrste električne energije koja se sve više uvodi u naše zgrade. Postoje dvije vrste struja: istosmjerna (DC) i izmjenična (AC). Znanstvenici su oduvijek bili zainteresirani za mogućnost pretvaranja jedne vrste u drugu. Tako se pojavio pretvarač.
Povijest pretvarača
Krajem 19. stoljeća američki pionirski električar Thomas Edison (1847.-1931.) Napustio je svoj laboratorij kako bi pokazao da je istosmjerna struja (DC) bolji način za opskrbu električnom energijom nego izmjenična struja (AC), što je podržan novi sustav njegov srpski suparnik Nikola Tesla (1856-1943). Edison je pokušao raznoraznim načinima uvjeriti ljude da je AC previše opasan: od elektro-čišćenja slona do potpore korištenju izmjenične struje u električnoj stolici za kontrolu smrtne kazne. Unatoč tome, Teslin je sustav osvojio taj dan, a svijet je od tada dosta radio na električnoj mreži.
Jedini problem je što, iako su mnogi naši uređaji dizajnirani za rad s izmjeničnom strujom, generatori male snage često proizvode konstantu. To znači da ako želite pokrenuti nešto poput gadgeta napajanog izmjeničnom strujom iz istosmjerne baterije u mobilnoj kućici, potreban vam je uređaj koji pretvara istosmjernu struju u izmjenjivač izmjenične struje, kako se zove.
AC i DC struja
Kada nastavnici prirodoslovlja objašnjavaju osnovnu ideju o struji kao struji elektrona, obično govore o istosmjernoj struji. Otkrili smo da su elektroni pomalo nalik mravi koja ide zajedno s paketima električne energije kao što mravi nose lišće. To je prilično dobra analogija za nešto poput osnovne svjetiljke, gdje imamo krug (kontinuirana električna petlja) koji povezuje bateriju, lampu i prekidač, a električna energija se sustavno transportira od baterije do lampe dok se ne potroši sva energija baterije.
Kod velikih kućanskih aparata električna energija radi drugačije. Izvor napajanja, koji dolazi iz izlaza u zidu, temelji se na izmjeničnoj struji (AC), gdje se struja mijenja u smjeru 50-60 puta u sekundi (drugim riječima, na frekvenciji od 50-60 Hz). Teško je shvatiti kako AC isporučuje energiju kada stalno mijenja svoje mišljenje o tome gdje se to odvija. Ako elektroni koji izlaze iz zidne utičnice dobiju, recimo, nekoliko milimetara niz kabel, onda trebate preokrenuti smjer i vratiti se natrag, kako se uopće mogu dohvatiti svjetiljku na stolu tako da se upali?
Odgovor je zapravo vrlo jednostavan. Zamislite da između svjetiljke i zida ima elektrona. Kada kliknete na prekidač, svi elektroni koji popunjavaju kabel vibriraju naprijed-natrag u vlaknima svjetiljke - i to brzo miješanje pretvara električnu energiju u toplinu i žarulja se pali. Elektroni ne moraju rotirati u krugu za prijenos energije: u AU, oni jednostavno "trče na mjesto".
Što je pretvarač?
Jedno od Teslinih nasljeđa (i njegov poslovni partner George Westinghouse, šef Westinghouse Electrical Company) je da je većina uređaja koje imamo u našim domovima posebno dizajnirana za rad na izmjeničnoj struji. Uređajima koji trebaju istosmjernu struju, ali troše električnu energiju iz utičnice za izmjeničnu struju, potreban je dodatni dio opreme, koji se naziva ispravljač, obično od elektroničkih komponenti, nazvanih diode, za pretvaranje AC u DC.
Pretvarač radi suprotno i vrlo je lako razumjeti njegovu bit. Pretpostavimo da imate bateriju u bljeskalici i prekidač je zatvoren, tako da DC uvijek teče duž kruga u istom smjeru kao i trkaći automobil oko staze. Sada, ako izvadite bateriju i okrenete je, pretpostavljajući da je na drugi način, ona će gotovo sigurno dati svjetlo i nećete primijetiti nikakvu razliku u osvjetljenju koje primate - ali električna struja će teći na suprotan način.
Pretpostavimo da imate munjevito brze ruke i dovoljno su okretne da okrenu bateriju 50-60 puta u sekundi. Tada ćete postati neka vrsta mehaničkog invertera , pretvarajući istosmjernu snagu baterije u izmjeničnu struju na frekvenciji od 50–60 Hz.
Naravno, pretvarači koje kupujete u električnim uređajima ne rade tako, iako su neki od njih stvarno mehanički: koriste elektromagnetske prekidače koji se brzo prebacuju u trenutni smjer. Ovakvi pretvarači često proizvode tzv. Pravokutni izlaz: struja ili teče u jednom smjeru, ili obrnuto, ili se trenutno prebacuje između dva stanja.
Takve nagle promjene smjera opasne su za određene vrste električnih uređaja. Kod normalnog napajanja izmjeničnom strujom, postupno prelazi s jedne strane na drugu u obliku sinusnog vala.
Elektronski pretvarači mogu se koristiti za stvaranje takve vrste glatko promjenjivog AC izlaza iz DC ulaza. Oni koriste elektronske komponente, zvane induktori i kondenzatori, kako bi povećali ili smanjili izlaznu struju od oštrog, pravokutnog on / off izlaznog signala koji dobivate s osnovnim pretvaračem.
Pretvarači se također mogu koristiti s transformatorima za promjenu određenog DC ulaznog napona na potpuno različit AC izlazni napon (veći ili niži), ali izlazna snaga mora uvijek biti manja od ulazne snage. Iz zakona o uštedi energije proizlazi da inverter i transformator ne mogu proizvesti više energije nego što troše, a neka se energija mora izgubiti kao toplina, jer struja teče kroz razne električne i elektroničke komponente. U praksi, učinkovitost invertera često prelazi 90 posto, iako nam osnovna fizika govori da je dio energije - što god da je - uvijek negdje izgubljen.
Načelo rada uređaja
Zamislite da imate istosmjernu bateriju i netko vas udari po ramenu i zamoli vas da napravite alternativni jedan. Kako bi ti to učinio? Ako sve struje koje generira teče u jednom smjeru, o tome kako dodati jednostavan prekidač na svoj izlaz? Uključivanje i isključivanje struje može vrlo brzo osigurati DC impulse koji bi mogli obaviti barem pola posla. Da biste napravili ispravnu izmjeničnu struju, trebat će vam prekidač koji vam omogućuje potpuno otkazivanje struje i to oko 50-60 puta u sekundi. Zamislite sebe kao ljudsku bateriju koja mijenja kontakte naprijed i natrag preko 3000 puta u minuti.
Zapravo, staromodni mehanički pretvarač reducira se na sklopnu jedinicu spojenu na transformator. Budući da elektromagnetski uređaji koji mijenjaju niskonaponsku izmjeničnu struju u visokonaponsku struju ili obrnuto, koriste dvije zavojnice žice (koje se nazivaju primarne i sekundarne) oko zajedničke željezne jezgre.
U mehaničkom pretvaraču, bilo elektromotor ili neki drugi automatski prekidački mehanizam obrće ulaznu struju naprijed i natrag jednostavno promjenom kontakata i generira naizmjenično u sekundarnom modu. Prekidač radi na isti način kao i na električnom zvonu. Kada je napajanje uključeno, magnetizira prekidač, izvlači ga i vrlo brzo ga isključuje. Opruga će opet uključiti prekidač, a zatim će iznova i iznova ponavljati postupak.
Frekvencija uključivanja se određuje pomoću upravljačkih signala koje generira upravljački krug (regulator). Kontrolor također može riješiti dodatne zadatke:
- Regulacija napona.
- Sinkronizacija frekvencije prekidačkih tipki.
- Zaštitite ih od preopterećenja.
Razvrstavanje pretvarača
Pretvarači mogu biti vrlo veliki i masivni, osobito ako imaju ugrađene baterije, tako da mogu raditi samostalno. Oni također stvaraju puno topline, tako da imaju velike radijatore (metalne peraje) i često ventilatore. Najmanji pretvarači su više prijenosnih kutija veličine radija za automobil koje možete priključiti u utičnicu upaljača za cigarete kako biste proizveli AC za punjenje prijenosnih računala ili mobilnih telefona.
Kao što se uređaji razlikuju po snazi koju troše, inverteri se razlikuju po snazi koju proizvode. U pravilu, da biste bili sigurni, trebat će vam inverter, dizajniran za četvrtinu iznad maksimalne snage uređaja koji želite koristiti. To upućuje na to da neki uređaji (npr. Hladnjaci i zamrzivači ili fluorescentne svjetiljke) troše maksimalnu snagu kada se prvi put uključe. Iako pretvarači mogu pružiti maksimalnu snagu u kratkim vremenskim razdobljima, važno je napomenuti da oni nisu projektirani za rad na maksimalnoj snazi duže vrijeme.
Po principu rada pretvarači se dijele na:
- Self-sadržane.
- Pretvarači napona (AIN).
- Strujni pretvarači (AIT).
- Rezonantni pretvarači (AIR).
- Ovisno (mrežni pogon).
Teški uređaji u našim domovima koji koriste veliku količinu energije (stvari kao što su električni grijači, žarulje sa žarnom niti, kuhala za vodu ili hladnjaci) ne zanimaju kakav je to val: sve što žele je energija i kako mogu više. Elektronički uređaji, s druge strane, mnogo su nervozniji i preferiraju glatkiji ulaz koji dobivaju od sinuidalnog vala .
Mnogi pretvarači rade kao samostalni uređaji s baterijom koja je potpuno neovisna o mreži.- Ostali, tzv. Komunalno-interaktivni pretvarači ili mrežni pretvarači posebno su dizajnirani za stalno povezivanje s mrežom. U pravilu se koriste za prijenos električne energije iz nečega poput solarnog panela natrag u mrežu s točno odgovarajućim naponom i frekvencijom.
Ovo je super ako je vaš glavni cilj stvoriti vlastitu moć. Ali to nije toliko korisno ako ponekad želite biti neovisni o mreži, ili vam je potrebno rezervno napajanje u slučaju kvara, jer ako se vaša veza s mrežom smanji i ne generirate električnu energiju sami (na primjer, noćno je vrijeme i vaša solarna energija) paneli su neaktivni), pretvarač također pada, a vi ste potpuno bez energije, bez obzira na to generirate li snagu ili ne.
Iz tog razloga, neki ljudi koriste bimodalne ili dvosmjerne uređaje koji mogu raditi i izvan mreže iu mrežnom načinu rada (iako ne istovremeno). Budući da imaju dodatne dijelove, oni su obično glomazniji i skuplji.
Veliki sklopni uređaji za primjene u prijenosu energije, instalirani prije 1970. godine, uglavnom su koristili ventile žive u luku. Moderni inverteri su obično solid state (statički pretvarači). Moderna metoda dizajna uključuje komponente koje se nalaze u konfiguraciji mosta H. Ovaj dizajn je također vrlo popularan među malim potrošačkim uređajima.
Pomoću 3D ispisa i novih poluvodiča, istraživači iz Nacionalnog laboratorija Oak Ridge Ministarstva za energiju stvorili su pretvarač snage koji bi mogao učiniti automobile lakšim, moćnijim i učinkovitijim.