Крис Вудфорд. Последнее обновление: 11 июня 2019 года.

. Одна из самых значительных битв 19-го века велась не за землю или ресурсы, а за установление типа электричества. это питает наши здания.

В самом конце 1800-х годов американский электротехник пионер Томас Эдисон (1847–1931) старался изо всех сил демонстрировать что постоянный ток (DC) был лучшим способом питания мощность, чем переменный ток (переменный ток), система, поддерживаемая его главный конкурент Никола Тесла (1856–1943).Эдисон перепробовал все виды коварные способы убедить людей в том, что AC был слишком опасен, от казнь слона на (довольно хитро) поддержку использования Кондиционер на электрическом стуле для вынесения смертного приговора. Несмотря на это, Система Теслы выиграла день, и мир в значительной степени работает на AC власть с тех пор.

Единственная проблема, хотя многие из наших приборов Предназначены для работы с переменным током, малые генераторы часто производят постоянный ток. Который означает, что если вы хотите запустить что-то вроде гаджета с питанием от Автомобильный аккумулятор постоянного тока в мобильном доме, вам необходимо устройство, которое будет преобразовывать DC to AC - инвертор, как он называется.Давай поближе посмотрите на эти гаджеты и узнайте, как они работают!

Фото: выбор электрических инверторов, которые можно использовать с оборудованием для производства возобновляемой энергии, таким как солнечные элементы и микроветровые турбины. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерство энергетики США / NREL (DoE / NREL).

Какая разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Когда учителя естествознания объясняют нам основную идею электричества как поток электронов, они обычно говорят о прямом ток (DC).Мы узнаем, что электроны работают немного как линия муравьев, маршируя вместе с пакетами электрической энергии в том же так, как муравьи несут листья. Это достаточно хорошая аналогия для что-то вроде основного фонарика, где у нас есть схема ( непрерывная электрическая цепь), соединяющая батарею, лампу и выключатель и электрическая энергия систематически транспортируется от аккумулятора к лампа, пока вся энергия батареи не будет исчерпана.

: Когда мы думаем об электричестве как о потоке электронов, мы обычно изображая DC (постоянный ток) в наших умах.

В больших бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, который исходит от розетки в вашей стене, основан на переменный ток (AC), где переключается электричество направление около 50–60 раз в секунду (другими словами, на частота 50–60 Гц). Может быть трудно понять, как AC поставляет энергии, когда он постоянно меняет свое мнение о том, куда он идет! Если электроны, выходящие из вашей розетки, получат, скажем, несколько миллиметра вниз по кабелю, затем должны изменить направление и вернуться опять же, как они попадают к лампе на вашем столе, чтобы сделать это загораться?

Ответ на самом деле довольно прост.Представьте себе кабели бег между лампой и стеной, заполненной электронами. когда вы нажимаете на переключатель, все электроны заполняют кабель вибрировать назад и вперед в нити лампы - и это быстрое шаркая вокруг превращает электрическую энергию в тепло и делает лампа накаливания. Электроны не обязательно должны бегать по кругу для переноса энергии: в AC они просто «бегают на месте».

Что такое инвертор?

Фото: типичный инвертор электричества.Это сделано Xantrex / Trace Engineering. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (DoE / NREL).

Одно из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Westinghouse, босс Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые мы имеем в наших домах, специально разработаны бежать от сети переменного тока. Устройства, которые требуют постоянного тока, но должны получать питание от розеток переменного тока требуется дополнительный элемент оборудования, называемый выпрямителем, как правило, построен из электронных компонентов, называемых диоды, для преобразования из переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и это довольно легко понять суть того, как это работает. Предположим, у вас есть аккумулятор в фонарик и переключатель замкнут, так что постоянный ток течет по цепи, всегда в одном направлении, как гоночная машина на трассе. Что теперь если вы вытащите аккумулятор и переверните его. Предполагая, что это соответствует в противном случае, он почти наверняка по-прежнему будет включать фонарик, и вы не заметит никакой разницы в свете, который вы получаете, но электрический ток на самом деле будет течь в обратном направлении.Предположим, вы были молниеносные руки и были достаточно ловки, чтобы продолжать полностью батарея 50–60 раз в секунду. Вы бы тогда были своего рода механическим инвертор, превращающий напряжение постоянного тока аккумулятора в переменный ток с частотой 50–60 герц.

Конечно, тип инверторов, которые вы покупаете в магазинах электроники, работает не совсем таким образом, хотя некоторые действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые включаются и выключаются на высокой скорости, чтобы обратить ток направление. Подобные инверторы часто производят то, что известно как прямоугольный выход: ток течет в одну сторону или противоположный путь или он мгновенно переключается между двумя состояниями:

Такие внезапные изменения мощности довольно жестоки для некоторых видов электрооборудования.При нормальной мощности переменного тока ток постепенно меняется от одного направления к другому по синусоидальной схеме, например:

Электронные инверторы могут быть использованы для создания такого плавного изменения выходного переменного тока от Вход постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые индукторами и конденсаторы для увеличения и уменьшения выходного тока чем резкий, вкл / выкл выход прямоугольной волны вы получаете с основной инвертор.

также могут использоваться с трансформаторами для изменения определенного Входное напряжение постоянного тока в совершенно другое выходное напряжение переменного тока (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше чем входная мощность: из сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут выдавать больше энергии, чем они берут в и некоторая энергия обязательно будет потеряна в виде тепла, как электричество течет через различные электрические и электронные компоненты.В На практике эффективность инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что некоторая энергия - хотя и небольшая - всегда впустую где-то!

Как работает инвертор?

У нас только что был очень простой обзор инверторов, и теперь давайте рассмотрим его немного позже. немного подробнее.

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то стучит вас по плечу и просит вас вместо этого производить AC. Как бы вы это сделали? Если все ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления простой переход на выходной провод? Включение и выключение вашего тока, очень быстро, будет давать импульсы постоянного тока, который будет делать при минимум половина работыЧтобы сделать правильный AC, вам нужен переключатель, который позволил полностью изменить ток и сделать это около 50 - 60 раз в секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, заменяющую вашу контакты назад и вперед более 3000 раз в минуту. Это какая-то аккуратная работа, которая вам понадобится!

По сути, старомодный механический инвертор сводится к блоку коммутации подключен к электрическому трансформатору. Если вы изучали наш статья о трансформаторах, вы будете знать, что они электромагнитные устройства, которые изменяют низковольтный переменный ток на высоковольтный переменный или наоборот, используя две катушки провода (называемые первичной и вторичной) намотки вокруг общего железного ядра.В механическом инверторе либо электромотор или какой-либо другой вид автоматического механизма переключения переворачивает входящий постоянный ток вперед и назад в первичной, просто путем изменения контактов, и это производит переменный ток во вторичной обмотке - так это не так сильно отличается от воображаемого инвертора, который я набросал выше. Коммутационное устройство работает так же, как в электрический дверной звонок. Когда питание подключено, он намагничивает выключатель, потянув его на себя и очень коротко выключив.Весна тянет вернитесь в исходное положение, включите его снова и повторите процесс - снова и снова.

Анимация: Основная концепция электромеханического инвертора. Постоянный ток подается в первичную обмотку (розовые зигзагообразные провода на левой стороне) тороидального трансформатора (коричневый пончик) через вращающуюся пластину (красный и синий) с перекрестными соединениями. Когда пластина вращается, она многократно переключает соединения с первичной обмоткой, поэтому трансформатор получает переменный ток в качестве своего входа вместо постоянного тока.Это повышающий трансформатор с большим количеством обмоток во вторичной обмотке (желтый зигзаг, правая сторона), чем у первичной обмотки, поэтому он увеличивает небольшое входное напряжение переменного тока на больший выход переменного тока. Скорость, с которой вращается диск, определяет частоту выхода переменного тока. Большинство инверторов не работают ничего подобного; это просто иллюстрирует концепцию. Инвертор, настроенный таким образом, будет производить очень грубый прямоугольный выходной сигнал.

Типы инверторов

Если вы просто включаете и выключаете постоянный ток или переворачиваете его и вперед, поэтому его направление продолжает меняться, то, что вы в конечном итоге, очень резкие изменения тока: все в одном направлении, все в другом направление и обратно.Нарисуйте график тока (или напряжения) против времени, и вы получите прямоугольную волну. Хотя электричество меняется таким образом, технически , переменный ток, это совсем не похоже на переменный ток поставляется в наши дома, который меняется гораздо более плавно волнообразная синусоида). Вообще говоря, здоровенный приборы в наших домах, которые используют сырую энергию (такие вещи, как электрические обогреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники) не очень важно какую форму волны они получают: все, что они хотят, это энергия и много это так, чтобы квадратные волны действительно не беспокоили их.Электронные устройства, на с другой стороны, гораздо более суетливы и предпочитают более плавный ввод они получают от синусоиды.

Это объясняет, почему инверторы бывают двух разных видов: истинных / чистых синусоидальных инверторов (часто сокращенно до PSW) и модифицированных / квази-синусоидальных инверторов (сокращено до MSW). Так как Их название говорит о том, что настоящие инверторы используют то, что называется тороидальным (в форме пончика) трансформаторы и электронные схемы для преобразования постоянный ток в плавно переменный ток очень похож на вид подлинной синусоидальной волны, обычно поставляемой нашим дома.Их можно использовать для питания любого типа устройства переменного тока от постоянного тока. источник, в том числе телевизоры, компьютеры, видеоигры, радио и стерео. Модифицированные синусоидальные инверторы, с другой стороны, используют относительно недорогая электроника (тиристоры, диоды и другие простые компоненты) произвести своего рода "закругленную" прямоугольную волну (гораздо более грубую приближение к синусоиде), и в то время как они хороши для доставки к здоровым электроприборам, они могут вызывать проблемы с тонкой электроникой (или чем-либо с электронным или микропроцессорным контроллером), так что, как правило, это означает, что они не подходят для таких вещей, как ноутбуки, медицинское оборудование, цифровые часы и устройства умного дома.Кроме того, если вы думаете об этом, их округленная площадь волны доставляют больше мощности к устройству в целом, чем чистая синусоида (под квадратом больше площади, чем кривой). Это делает их менее эффективными и потерянная мощность, рассеиваемая в виде тепла, означает, что существует некоторый риск перегрева инверторами ТБО. С положительной стороны, они, как правило, немного дешевле, чем настоящие инверторы.

Рисунок: Модифицированная синусоида (MSW, зеленый) больше напоминает синусоидальную (синюю), чем прямоугольную (оранжевую), но все же включает в себя резкие, резкие изменения тока.Чем больше шагов в модифицированной синусоиде, тем ближе она к идеализированная форма истинной синусоиды.

Хотя многие инверторы работают как автономных блоков , с аккумулятором, которые полностью независимые от сети, другие (известные как интерактивные инверторы или сетевые инверторы ) специально разработан для постоянного подключения к сети; как правило, они используются для отправки электричества из чего-то как солнечная панель обратно в сеть с точно нужным напряжением и частотой.Это хорошо, если ваша главная цель - выработать собственную силу. Это не так полезно если вы хотите быть независимым от сетки иногда или вы хотите резервный источник питания на случай сбоя, потому что если ваш соединение с сетью прекращается, и вы не производите электричество самостоятельно (например, ночью и ваши солнечные панели неактивны), инвертор тоже отключается, и вы полностью лишены силы - настолько беспомощны, насколько вы генерировали свою собственную силу или нет.По этой причине некоторые люди используют двунаправленные преобразователи или , которые могут работать как в автономном, так и в сетевом режиме (но не в обоих одновременно). поскольку у них есть лишние кусочки, они имеют тенденцию быть более громоздкими и более дорого.

Надпись: Никола Тесла. Хотя он выиграл войну течений, его соперник Томас Эдисон до сих пор помнят как пионер электроэнергии. Гравюра на дереве Тесла Саронга, c.1906, предоставлено Библиотекой Конгресса США.

На что похожи инверторы?

Инверторы могут быть очень большими и здоровенными, особенно если они имеют встроенные аккумуляторы, чтобы они могли работать автономно. Они тоже выделяют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто вентиляторы охлаждения. Как вы можете видеть из нашей верхней фотографии, типичные примерно такие же, как автомобильный аккумулятор или автомобильное зарядное устройство; большие единицы выглядят как немного похоже на банк автомобильных аккумуляторов в вертикальном стеке. Самые маленькие инверторы больше переносные коробки размером с автомобильную рацию, которые можно подключить к прикуривателю Разъем для производства переменного тока для зарядки ноутбуков или мобильных телефонов.

Так же, как приборы различаются по потребляемой мощности, так и инверторы в силе, которую они производят. Как правило, чтобы быть на безопасной стороне, вы будете нужен инвертор, рассчитанный примерно на четверть выше максимальной мощности устройства, которым вы хотите управлять. Это учитывает тот факт, что некоторые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потреблять пиковую мощность, когда они впервые включены. Пока Инверторы могут выдавать пиковую мощность за короткие промежутки времени, это важно отметить, что они не предназначены для работы на пике мощность на длительные периоды.