Из постоянного тока в переменный: Как из постоянного тока сделать переменный: описание устройств

Содержание

Частотный преобразователь постоянного тока в переменный

Данная политика конфиденциальности относится к сайту под доменным именем instart-info.ru. Эта страница содержит сведения о том, какую информацию мы (администрация сайта) или третьи лица могут получать, когда вы пользуетесь нашим сайтом.

Данные, собираемые при посещении сайта

Персональные данные

Персональные данные при посещении сайта передаются пользователем добровольно, к ним могут относиться: имя, фамилия, отчество, номера телефонов, адреса электронной почты, адреса для доставки товаров или оказания услуг, реквизиты компании, которую представляет пользователь, должность в компании, которую представляет пользователь, аккаунты в социальных сетях; поля форм могут запрашивать и иные данные.

Эти данные собираются в целях оказания услуг или продажи товаров, связи с пользователем или иной активности пользователя на сайте, а также, чтобы отправлять пользователям информацию, которую они согласились получать.

Мы не проверяем достоверность оставляемых данных, однако не гарантируем качественного исполнения заказов или обратной связи с нами при некорректных данных.

Данные собираются имеющимися на сайте формами для заполнения (например, регистрации, оформления заказа, подписки, оставления отзыва, обратной связи и иными).

Формы, установленные на сайте, могут передавать данные как напрямую на сайт, так и на сайты сторонних организаций (скрипты сервисов сторонних организаций).

Также данные могут собираться через технологию cookies (куки) как непосредственно сайтом, так и скриптами сервисов сторонних организаций. Эти данные собираются автоматически, отправку этих данных можно запретить, отключив cookies (куки) в браузере, в котором открывается сайт.

Не персональные данные

Кроме персональных данных при посещении сайта собираются не персональные данные, их сбор происходит автоматически веб-сервером, на котором расположен сайт, средствами CMS (системы управления сайтом), скриптами сторонних организаций, установленными на сайте. К данным, собираемым автоматически, относятся: IP адрес и страна его регистрации, имя домена, с которого вы к нам пришли, переходы посетителей с одной страницы сайта на другую, информация, которую ваш браузер предоставляет добровольно при посещении сайта, cookies (куки), фиксируются посещения, иные данные, собираемые счетчиками аналитики сторонних организаций, установленными на сайте.

Эти данные носят неперсонифицированный характер и направлены на улучшение обслуживания клиентов, улучшения удобства использования сайта, анализа посещаемости.

Предоставление данных третьим лицам

Мы не раскрываем личную информацию пользователей компаниям, организациям и частным лицам, не связанным с нами. Исключение составляют случаи, перечисленные ниже.

Данные пользователей в общем доступе

Персональные данные пользователя могут публиковаться в общем доступе в соответствии с функционалом сайта, например, при оставлении отзывов, может публиковаться указанное пользователем имя, такая активность на сайте является добровольной, и пользователь своими действиями дает согласие на такую публикацию.

По требованию закона

Информация может быть раскрыта в целях воспрепятствования мошенничеству или иным противоправным действиям; по требованию законодательства и в иных случаях, предусмотренных законом.

Для оказания услуг, выполнения обязательств

Пользователь соглашается с тем, что персональная информация может быть передана третьим лицам в целях оказания заказанных на сайте услуг, выполнении иных обязательств перед пользователем. К таким лицам, например, относятся курьерская служба, почтовые службы, службы грузоперевозок и иные.

Сервисам сторонних организаций, установленным на сайте

На сайте могут быть установлены формы, собирающие персональную информацию других организаций, в этом случае сбор, хранение и защита персональной информации пользователя осуществляется сторонними организациями в соответствии с их политикой конфиденциальности.

Сбор, хранение и защита полученной от сторонней организации информации осуществляется в соответствии с настоящей политикой конфиденциальности.

Как мы защищаем вашу информацию

Мы принимаем соответствующие меры безопасности по сбору, хранению и обработке собранных данных для защиты их от несанкционированного доступа, изменения, раскрытия или уничтожения, ограничиваем нашим сотрудникам, подрядчикам и агентам доступ к персональным данным, постоянно совершенствуем способы сбора, хранения и обработки данных, включая физические меры безопасности, для противодействия несанкционированному доступу к нашим системам.

Ваше согласие с этими условиями

Используя этот сайт, вы выражаете свое согласие с этой политикой конфиденциальности. Если вы не согласны с этой политикой, пожалуйста, не используйте наш сайт. Ваше дальнейшее использование сайта после внесения изменений в настоящую политику будет рассматриваться как ваше согласие с этими изменениями.

Отказ от ответственности

Политика конфиденциальности не распространяется ни на какие другие сайты и не применима к веб-сайтам третьих лиц, которые могут содержать упоминание о нашем сайте и с которых могут делаться ссылки на сайт, а также ссылки с этого сайта на другие сайты сети Интернет. Мы не несем ответственности за действия других веб-сайтов.

Изменения в политике конфиденциальности

Мы имеем право по своему усмотрению обновлять данную политику конфиденциальности в любое время. В этом случае мы опубликуем уведомление на главной странице нашего сайта. Мы рекомендуем пользователям регулярно проверять эту страницу для того, чтобы быть в курсе любых изменений о том, как мы защищаем информацию пользователях, которую мы собираем. Используя сайт, вы соглашаетесь с принятием на себя ответственности за периодическое ознакомление с политикой конфиденциальности и изменениями в ней.

Как с нами связаться

Если у вас есть какие-либо вопросы о политике конфиденциальности, использованию сайта или иным вопросам, связанным с сайтом, свяжитесь с нами:

8 800 222 00 21

[email protected]

как HVDC спасли переменный ток / Хабр

В мире, казалось бы, победившего переменного тока назревает — нет, не революция, но органичная эволюция: постоянный ток не просто возвращается, а претендует на лавры победителя. Инвестиции в возобновляемые источники энергии и трансграничная передача электричества сделали высоковольтные сети постоянного тока как никогда актуальными. В этом посте мы рассказываем, почему постоянный ток уступил току переменному и как спустя век после «Войны токов» постоянный ток взял реванш.

Источник: Shutterstock

Постоянный ток — это основа современного технологического общества: вся полупроводниковая электроника, работающая от сети или аккумуляторов, использует постоянный ток, с его помощью добывают чистый алюминий, магний, медь и другие вещества. В бортовой сети автомобиля тоже постоянный ток, как и в электрической передаче дизельных судов. Ну и конечно электропоезда: трамваи, метро и некоторые электровозы питаются постоянным током. И космос: все рукотворные космические объекты функционируют исключительно благодаря постоянному току от батарей или РИТЭГов.

Помимо всего этого, есть еще одна область, где постоянный ток если не незаменим, то по крайней мере значительно эффективнее переменнее тока, — высоковольтные линии для передачи высокой мощности. Линии постоянного тока (HVDC, High-voltage direct current) еще век назад стали спасением высоковольтных линий переменного тока (HVAC, High-voltage alternating current). Если бы не постоянный ток, электричество в наших розетках было бы куда дороже и исчезало чаще, чем это происходит сейчас. Давайте разберемся в этой интересной истории «взаимовыручки».

Ирония судьбы постоянного тока

Чтобы оценить всю иронию ситуации с возвращением постоянного тока в высоковольтные линии электропередач, нужно вспомнить о событиях «Войны токов» — сражения апологетов постоянного тока в лице изобретателя и бизнесмена Томаса Эдисона и тока переменного, преимущества которого осознавал предприниматель Джордж Вестингауз. Вкратце напомним о том, как постоянный ток проиграл битву за то, чтобы стать основой мирового энергоснабжения.

После того, как человечество подчинило себе электричество и научилось извлекать из него пользу в промышленности, дальновидные бизнесмены смекнули, что на электрификации городов в перспективе можно сколотить не просто капитал, а фантастическое состояние. Изобретатель Томас Эдисон отлично умел монетизировать свой талант инноватора и зарабатывал не столько на собственных изобретениях, сколько на усовершенствовании чужих идей. Одним из примеров такой успешной «доводки» стало создание лампы накаливания, которая появилась благодаря попавшем в руки Эдисона дуговым лампам с угольными электродами. Такие лампы хоть и давали свет, но в качестве постоянных источников освещения не годились — в те времена угольные дуговые лампы работали от силы несколько часов, а включить их можно было только один раз.

Первая серийная лампа Эдисона — еще с угольной нитью и временем работы в несколько десятков часов. Источник: Terren / Wikimedia Commons

Усовершенствовав конструкцию и создав свою знаменитую лампу накаливания, которая могла работать 40 часов, а после доработки 1200 часов, Эдисон осознал, что его лампочка может стать основой систем освещения городов и помещений — давая более яркий свет по сравнению со свечами и газовыми фонарями, лампы накаливания имели меньшую стоимость, не чадили, не жгли кислород в помещениях, а замены требовали реже, чем те же свечи. Производством ламп занялось предприятие Edison Electric Light, а генераторов постоянного тока — Edison General Electric. Продавая лампы ниже себестоимости, Эдисон завоевал рынок освещения, а для первых потребителей начал строить энергосети в Лондоне и Нью-Йорке.

Лампа накаливания может работать и с переменным, и с постоянным током, но Эдисон сделал выбор в пользу постоянного тока. Причина этого решения очень тривиальна и далека от физики. Как мы говорили, Эдисон был не только изобретателем, но и очень предприимчивым бизнесменом. В электричестве он видел не только способ дешевого освещения городов, но и возможность для модернизации промышленности за счет внедрения электрической тяги. Существовавшие в то время электромоторы работали только на постоянном токе.

К тому же для заработка на поставках электричества надо было как-то измерять потребление каждого абонента. Эдисон создал индивидуальный счетчик, представлявший собой резервуар с электролитом и пластиной, на которой под действием проходящего тока оседала медь — каждый месяц пластину взвешивали и по разнице массы вычисляли потребление электроэнергии. Такой счетчик работал только с постоянным током.

Счетчик постоянного тока конструкции Томаса Эдисона. «Передача показаний» заключалась в передаче банки с пластинами представителям энергетической компании. Источник: Thomas A. Edison Papers / edison.rutgers.edu

Но были у постоянного тока и нерешенные проблемы, главная из которых — невозможность передачи высокой мощности на большие (более 2 км) расстояния. Чтобы передать высокую мощность, которая необходима для электроснабжения предприятия или системы освещения города, в электросети нужно повысить либо ток, либо напряжение (мощность, напомним, равна произведению напряжения и силы тока). Но в конце XIX века не было способов менять напряжение постоянного тока. Выпускаемые в США электроприборы работали от напряжения 110 В, поэтому электростанции Эдисона, работавшие на паровых генераторах, должны были посылать в сеть именно 110 В.

Оставалось управлять силой тока. При повышении тока часть энергии уходит на нагрев проводов (с высоким напряжением такой проблемы нет). Для снижения потерь и нагрева нужно уменьшать сопротивление, увеличивая диаметр проводника или применяя материалы с хорошей электропроводностью, например, медь. И всё равно потери будут расти в зависимости от длины кабеля.

Чтобы сократить длину проводника до допустимой, потребители должны были располагаться не далее, чем в 1,5-2 км от электростанции, иначе мощность в сети падала до неприемлемых значений. Например, на 56-километровой линии между французскими городами Крей и Париж потери достигали 45%. Как Эдисон ни бился с проблемой потерь в сетях постоянного тока, решить ему ее так и не удалось. Единственным выходом было только строительство маломощных электростанций рядом с потребителями. Тогда это не казалось надругательством над экологией и жителями — именно такие станции и строила компания Эдисона. Первая из них была построена на Пёрл-стрит на Манхэттене в Нью-Йорке в 1882 году, в том же году началась прокладка подземных кабелей сети постоянного тока с напряжением 110 В.

Эдисон прокладывал под землей линии электропередач уличного освещения еще до того, как это стало модным в Москве.

На иллюстрации укладка линии постоянного тока в Нью-Йорке в 1882 году. Источник: W. P. Snyder / Wikimedia Commons

Ошибочность своего выбора Томас Эдисон осознал, хотя и не признал публично, когда его конкурент по электрическому бизнесу — Джордж Вестингауз, — начал вкладываться в строительство электростанций и сетей переменного тока, имевших серьезные преимущества перед сетями тока постоянного. Благодаря уже изобретенным к тому моменту трансформаторам напряжение переменного тока можно было без труда повышать и понижать. Трансформаторы решали проблему передачи высокой мощности, ведь вместо силы тока можно было просто увеличить напряжение, для передачи которого не требовались толстые провода из дорогой меди.

Таким образом сети Вестингауза могли передавать очень высокую мощность по дешевым кабелям меньшего диаметра и при этом практически без потерь. Это доказывает пример 175-километровой сети переменного тока между немецким городом Лауффен-ам-Неккар и Франкфуртом — ее КПД составил 80,9% после запуска в 1891 году и 96% после модернизации — несравнимо выше 45% на втрое меньшей дистанции у сети постоянного тока.

Трехфазный генератор переменного тока в Лауффен-ам-Неккар, Германия. Источник: Historisches Museum, Frankfurt

У сетей переменного тока не было жесткого ограничения на длину. Благодаря этому стало возможным строительство гидроэлектростанций, электричество с которых могло передаваться в крупные города, расположенные за десятки и даже сотни километров от места выработки. А гидроэлектростанция — это куда более значимый и прибыльный проект, чем маломощная угольная станция внутри города.

«Война токов» продолжилась некрасивой пиар-кампанией Эдисона против переменного тока (показана, в частности в художественном фильме 2017 года «Война токов», или The Current War, режиссёра А. Гомес-Рехона), судебной и законотворческой волокитой против Вестингауза и постепенной потерей позиций бизнеса Эдисона под давлением всё более популярных сетей переменного тока. Последняя эдисоновская электростанция постоянного тока прекратила свою работу в 1981 году, что же до потребителей, в Сан-Франциско до сих пор сотни объектов (в основном старинные лифты) используют постоянный ток через выпрямители переменного тока. Но для нас это уже не так важно.

Постоянный ток спасает переменный

Всего через несколько лет после начала масштабного строительства электростанций и сетей переменного тока выяснилось, что переменный ток имеет проблемы при передаче энергии… на большие расстояния! Коронный разряд в высоковольтных воздушных линиях, на который может приходиться до половины потерь, поверхностный эффект, при котором переменный ток протекает по проводнику неравномерно и из-за этого требует проводники бо́льшего диаметра, реактивная мощность из-за высокого емкостного сопротивление подводных кабелей, «съедавшая» почти 100% переменного тока уже через 50 км — всё это вызывало потери процентов и десятков процентов мощности в первых магистральных сетях переменного тока.

Утечки на больших расстояниях — это во-первых. А во-вторых, объединение энергосетей переменного тока требовало идеальной синхронизации генераторов, расположенных в разных частях страны. При отсутствии синхронизации генератор в лучшем случае не будет подавать ток в сеть, в худшем — произойдет короткое замыкание.

Спасением высоковольтных сетей переменного тока стали высоковольтные сети постоянного тока, избавленные от некоторых недостатков конкурента. Постоянный ток не создает поверхностный эффект в проводнике и потому использует всю площадь сечения проводника с максимальной эффективностью (это уменьшает диаметр и стоимость проводов). В цепях постоянного тока нет реактивной мощности, поэтому в подводных кабелях с высокой емкостью потерь не происходит.

В высоковольтных сетях переменного тока толщина скин-слоя (отмечен буквой δ) определяется точкой падения плотности тока на 63%.В сетях с частотой 50 Гц скин-слой достигает 9,34 мм — часть объема дорогостоящего проводника просто не работает. Источник: biezl / Wikimedia Commons

Вырисовывалась замечательная синергия: электростанции и потребители используют переменный ток, но для его транспортировки на сотни километров применяются сети постоянного тока. Оставалась лишь одна «пустяковая» проблема — как превратить переменный ток в постоянный и обратно?

В конце XIX века швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать для соединения сетей с разным типом тока систему «мотор-генератор», в которой на одном конце сети переменный ток вращал мотор, приводящий в действие генератор постоянного тока, а на другом конце постоянный ток в свою очередь вращал мотор с генератором переменного тока. Идея, гениальная в своей простоте, но с невысоким КПД — двойное преобразование за счет моторов и генераторов «съедало» часть мощности. Тем не менее, других решений, кроме системы Тюри, не было, поэтому с 1883 года началось строительство магистральных сетей постоянного тока с машинами Тюри, связывающих крупные электростанции и города в Европе.

Одна из машин Тюри. Самая крупная из них, весом 4500 кг, генерировала 66 кВт. Источник: Wikimedia Commons

В 1902 году американец Питер Купер-Хьюитт изобрел ртутно-дуговой выпрямитель — несложное устройство для превращения переменного тока в постоянный. Оригинальный выпрямитель Купера-Хьюитта представлял собой замысловатую стеклянную колбу с выходящими из нее электродами, дно которой было заполнено ртутью. В работе выпрямитель выглядит очень эффектно. Впрочем, из-за хрупкости колбы стекло в выпрямителе вскоре заменили на металл.

Работа ртутно-дуговых выпрямителей завораживает. Увы, но сейчас полюбоваться такой красотой можно разве что в музеях — ртутные выпрямители давно не используются, да и те, что остались, сделаны из металла.

Ртутные выпрямители дали толчок к развитию высоковольтных сетей постоянного тока — вместо громоздких и ненадежных машин системы Тюри достаточно было установить выпрямители, в числе недостатков которых была только потенциальная токсичность при разгерметизации и необходимость в хорошем охлаждении из-за тепловых потерь. КПД устройства достигал 98-99%.

На смену ртутным выпрямителям были созданы газотроны и тиратроны (1940-е), полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET и полярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (1959 год), запираемые тиристоры GTO (1962 год) — более совершенные, компактные и надежные преобразователи.

Современный тиристорный конвертер AC/DC. Источник Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Когда каждый процент на счету

Несмотря на заметный прогресс в области выпрямления тока, оборудование для преобразования переменного тока в постоянный и обратно до сих пор стоит очень больших денег. Настолько больших, что строительство сетей переменного тока, даже с учетом повышенного расхода материала для проводов, выходит сильно дешевле. Вне зависимости от длины линии, стартовая цена высоковольтной магистрали постоянного тока обязательно включает стоимость двух преобразователей в начале и конце линии — габаритных и очень дорогих устройств, производимых всего несколькими компаниями в мире, в числе которых и Toshiba. На это оборудование приходится до половины стоимости сети.

Но по мере увеличения длины магистрали стоимость линии на переменном токе растет быстрее, чем на токе постоянном. Виной тому сложность магистрали HVAC — для передачи аналогичной мощности HVDC нужно вдвое меньше проводников меньшего диаметра, а значит, вдвое меньше опор, которые и сами стоят немало, и требуют крайне дорогостоящего монтажа. При длине линии около 600 км стоимость HVDC и HVAC равна, но на больших расстояниях, порядка 2000 км, HVDC выходит сильно дешевле, чем HVAC, примерно на 30-40%, а это сотни миллионов долларов экономии.

Стоимости HVDC и HVAC пересекаются на линии, длинной около 600 км. Далее HVDC становится заметно выгодней.

Источник: wdwd / Wikimedia Commons

На каждые 1000 км линии потери в HVDC составляют 2-3%, а самое современное оборудование позволяет снизить этот параметр до 1%. Потери в HVAC могут достигать 6%. Даже в самых эффективных сетях переменного тока с самым лучшим оборудованием потери будут на 30-40% больше, чем в HVDC Несколько процентов от полной мощности — вроде бы терпимая ерунда? Когда речь идет о сетях, передающих несколько гигаватт, каждый процент превращается в десятки потраченных впустую мегаватт, которые можно было бы использовать для электроснабжения маленького города. Не говоря уже о потерянной прибыли.

Прошлое, настоящее и будущее HVDC

HVDC-ветка в между Данией и Швецией передает 350 МВт всего по двум проводникам. Всего два провода — это отличительная особенность воздушных линий постоянного тока, в линиях переменного тока проводников больше в два-три раза. Встречаются и монополярные HVDC с всего одним проводником (второй вывод из выпрямителя соединяют с землей), но их использование несет проблемы для подземных металлоконструкций, поэтому чаще применяется биполярная схема с двумя проводниками.

Источник: Shuttertock

HVDC является оптимальным решением для связи сетей стран, разделенных морем. Так ветка между итальянским городом Чепагатти и муниципалитетом Котор в Черногории, которая экспортирует электроэнергию в Италию, пролегает по дну Адриатического моря — используй эта 400-километровая ветка переменный ток, емкостные потери в кабеле были бы слишком большими, и это бы удорожало стоимость электроэнергии для Италии. Кстати, в строительстве этой линии участвовала Toshiba: мы поставили преобразователи напряжения.

Но всё же больше всего Toshiba поучаствовала в строительстве HVDC-сетей в Японии, где исторически сложилась очень необычная ситуация: западная часть страны эксплуатирует ток с частотой 60 Гц, а восточная — 50 Гц. Эта коллизия, которую уже невозможно устранить, возникла еще в конце XIX века, когда Япония одновременно закупила генераторы в Европе и США с выходной частотой тока 50 Гц и 60 Гц соответственно. Результатом поспешного решения далекого прошлого стала вынужденная необходимость строить HVDC-ветки для соединения энергосистем разных частей страны.

HVDC-сети и вставки постоянного тока в Японии помогала строить Toshiba. Первой стала вставка для соединения внутри страны сетей на 50 Гц и 60 Гц, построенная в 1977 году при участии Toshiba. Ее мощность на момент постройки составила 600 МВт. К 2021 году Toshiba провела глубокую модернизацию вставки, увеличив ее мощность на 900 МВт и уменьшив число используемых тиристоров, что позволило немного сэкономить на оборудовании.

Элегазовые выключатели и трансформатор на линии 550 кВ, соединяющей восточную и западную энергосети Японии. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Первая высоковольтная линия постоянного тока, длиною 193 км, связала острова Хоккайдо и Хонсю в 1979 году. Сеть передает 300 МВт с напряжением 250 кВ. В 2000 году мы поставили тиристорные конверторы для мощнейшей подводной HVDC-линии между островами Сикоку и Хонсю — ветка передает 1400 МВт. На момент строительства линии в ней использовались самые крупные в мире тиристоры, которые в следующий раз применялись только 10 лет спустя при постройке китайской HVDC Lingbao 2.

Третья японская HVDC, построенная между островами Хоккайдо и Хонсю, была запущена совсем недавно — в 2019 году. Toshiba выступила главным поставщиком преобразователей на полярных транзисторах с изолированными затворами (IGBT).

На сегодняшний день в мире построено более 150 сетей HVDC и 50 вставок постоянного тока. Среди них есть как объекты, построенные в 1970-х годах прошлого века, так и совсем новые. Около 10 HVDC в Европе находятся в стадии строительства прямо сейчас с планируемым сроком запуска 2021-2025 годы. Строящиеся линии соединяют некоторые европейские страны с Великобританией (для выравнивания нагрузки на европейскую энергосеть), тянуть до которой подводный HVAC бессмысленно.

Однако интерес к HVDC-сетям в последние годы растет, и причина тому — «зеленая» энергетика. В отличие от угольных, газовых и атомных электростанций, возобновляемые источники энергии имеют очень четкую географию: в одних областях больше солнечных дней, в других чаще и стабильней дует ветер.

В Германии около 63 ГВт установленной мощности приходится на ветряные электростанции, 7,8 ГВт из которых — оффшорные станции, расположенные в Северном море в десятках километров от берега. Если нужно передать гигаватты мощности от «ветряков» по кабелям, лежащим под водой, лучшим выбором будет, как вы помните, сеть постоянного тока.

Вот так аккуратно выглядит конвертор для HVDC будущей оффшорной ветряной электростанции Dogger Bank на севере Великобритании. Агрегат будет полностью автономным, не требующим присутствия технического персонала. Источник: Aibel

В Австралии компания Sun Cable готовится приступить к постройке гигантской фотовольтаической (солнечной) электростанции, мощностью 14 ГВт. Причем электроэнергию с нее будут потреблять не в Австралии, а в Сингапуре, куда она будет поступать по подводной HVDC-сети.

Чем больше в мире будет появляться масштабных проектов, связанных с возобновляемыми источниками энергии, тем сильнее будут востребованы высоковольтные линии постоянного тока. Не стоит фантазировать о том, что однажды мечты Эдисона осуществятся и в наших розетках переменное напряжение сменится постоянным, — этого не будет, пожалуй, никогда. Тем лучше, что переменный и постоянный токи пришли к органичному сосуществованию и взаимовыручке в деле электроснабжения планеты.

Как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 19 ноября 2021 г.

Одно из самых значительных сражений 19 века велось не за землю или ресурсы, а за установление типа электричества который питает наши здания.

В самом конце 1800-х годов американские электрические пионер Томас Эдисон (1847–1931) изо всех сил старался продемонстрировать что постоянный ток (DC) был лучшим способом подачи электроэнергии мощность, чем переменный ток (AC), система, поддерживаемая его заклятый соперник Никола Тесла (1856–1819 гг.)43). Эдисон испробовал все виды изощренные способы убедить людей, что переменный ток слишком опасен, от убить слона электрическим током, чтобы (довольно хитро) поддержать использование AC на электрическом стуле за вынесение смертного приговора. Даже так, Система Теслы победила, и мир в значительной степени работает на переменном токе. власть с тех пор.

Единственная проблема в том, что многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, небольшие электрогенераторы часто производят постоянный ток. Который означает, что если вы хотите запустить что-то вроде устройства с питанием от переменного тока от Автомобильный аккумулятор постоянного тока в мобильном доме, вам нужно устройство, которое будет преобразовывать Преобразователь постоянного тока в переменный — так называемый инвертор. Давайте поближе посмотрите на эти гаджеты и узнайте, как они работают!

На фото: подборка электрических инверторов, которые можно использовать с оборудованием для производства возобновляемой энергии, например солнечными батареями и микроветряными турбинами. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерство энергетики США/NREL (DoE/NREL).

Содержание

В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Что такое инвертор?
Как работает инвертор?
Типы инверторов
На что похожи инверторы?
Что такое источник бесперебойного питания?
Узнать больше

В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Когда учителя естественных наук объясняют нам основную идею электричества как поток электронов обычно говорят о прямом ток (постоянный). Мы узнаем, что электроны работают как линия муравьев, марширующих вместе с пакетами электрической энергии в одном и том же как муравьи переносят листья. Это достаточно хорошая аналогия для что-то вроде обычного фонарика, где у нас есть схема ( непрерывная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель и электрическая энергия систематически передается от батареи к лампу, пока вся энергия батареи не будет исчерпана.

В больших бытовых приборах электричество работает иначе. Источник питания, поступающий от розетки в вашей стене, основан на переменный ток (AC), где электричество переключается направлении примерно 50–60 раз в секунду (другими словами, при частота 50–60 Гц). Может быть трудно понять, как AC обеспечивает энергия, когда она постоянно меняет свое мнение о том, куда она идет! Если электроны, выходящие из розетки, получают, скажем, несколько миллиметров вниз по кабелю, затем нужно изменить направление и вернуться опять же, как они вообще добираются до лампы на вашем столе, чтобы сделать это загораться?

Ответ на самом деле очень прост. Представьте себе кабели бегущий между лампой и стеной, набитой электронами. Когда Вы щелкаете выключателем, все электроны заполняют кабель вибрировать взад-вперед в нити накала лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и делает свечение лампочки. Электроны не обязательно должны бегать по кругу, чтобы переносить энергию: в АС они просто «бегут на месте».

Анимация: В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока? Предположим, вам нужно пропылесосить комнату. Прямой ток немного похож на движение от одной стороны к другой по прямой линии; переменный ток похож на движение вперед и назад по место. Оба выполняют свою работу, хотя и немного по-разному!

Что такое инвертор?

Одно из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса компании «Вестингауз Электрик Компани») заключается в том, что Большинство приборов, которые есть в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, которые нуждаются в постоянном токе, но должны потреблять энергию от розеток переменного тока требуется дополнительное оборудование, называемое выпрямителем, обычно строятся из электронных компонентов, называемых диоды для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и его довольно легко понять суть того, как это работает. Предположим, у вас есть батарея в фонарик и переключатель замкнут, поэтому постоянный ток течет по цепи, всегда в одном направлении, как гоночный автомобиль на трассе. Что теперь если вынуть батарею и перевернуть. Предполагая, что это соответствует в противном случае он почти наверняка по-прежнему будет питать фонарик, и вы не заметите никакой разницы в свете, который вы получаете, но электрический ток на самом деле будет течь в противоположном направлении. Предположим, вы имели молниеносные руки и были достаточно ловки, чтобы продолжать батареи 50-60 раз в секунду. Тогда вы были бы своего рода механическим инвертор, превращающий постоянный ток батареи в переменный с частотой 50–60 герц.

Фото: Типичный электрический инвертор. Этот сделан Xantrex/Trace Engineering. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (DoE/NREL).

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в магазинах электротоваров, не совсем работают. таким образом, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые включаются и выключаются на высокой скорости, чтобы изменить направление тока направление. Подобные инверторы часто производят то, что известно как прямоугольный выходной сигнал: ток течет либо в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями:

Подобные внезапные перепады напряжения весьма опасны для некоторых видов электрооборудования. В обычной сети переменного тока ток постепенно переключается с одного направления на другое по синусоидальной схеме, например: вход постоянного тока. В них используются электронные компоненты, называемые катушками индуктивности и конденсаторы для постепенного увеличения и уменьшения выходного тока чем резкое включение/выключение выходного прямоугольного сигнала, который вы получаете с базовый инвертор.

Инверторы также можно использовать с трансформаторами для изменения Входное напряжение постоянного тока в совершенно другое выходное напряжение переменного тока (либо выше, либо ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше чем входная мощность: из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут отдать больше энергии, чем потребляют в и некоторая энергия неизбежно будет потеряна в виде тепла, когда электричество течет через различные электрические и электронные компоненты. В На практике КПД инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что некоторая энергия — пусть даже небольшая — всегда куда-то пропало!

Как работает инвертор?

Мы только что получили общий обзор инверторов, а теперь давайте еще раз кратко рассмотрим его. немного подробнее.

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас произвести AC вместо этого. Как бы вы это сделали? Если все ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления просто переключиться на выходной провод? Включение и выключение тока, очень быстро, давал бы импульсы постоянного тока, что хотя бы половину работы. Чтобы сделать правильный переменный ток, вам понадобится переключатель, который позволил полностью реверсировать ток и сделать это примерно на 50‐60 раз каждую секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, меняющую свои контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту. Вот какая аккуратная работа пальцами вам понадобится!

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку подключен к электрическому трансформатору. Если вы изучили нашу статья о трансформаторах, вы знаете, что они электромагнитные устройства, преобразующие переменный ток низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения или наоборот, с помощью двух катушек проволоки (называемых первичной и вторичной), намотанных вокруг общего железного ядра. В механическом инверторе либо электродвигатель или какой-либо другой автоматический механизм переключения, переключающий входящий постоянный ток туда и обратно в первичном, просто перевернув контакты, и это создает переменный ток во вторичном, поэтому он не так сильно отличается от воображаемого инвертора, который я набросал выше. Коммутационное устройство работает примерно так же, как и в электрический дверной звонок. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, потянув его открыть и выключив его на очень короткое время. Пружина тянет за обратно в положение, снова включив его и повторив процесс — снова и снова.

Анимация: Основная концепция электромеханического инвертора. Постоянный ток подается на первичную обмотку (розовые зигзагообразные провода с левой стороны) тороидального трансформатора (коричневый пончик) через вращающуюся пластину (красная и синяя) с перекрестными соединениями. Когда пластина вращается, она многократно переключает соединения с первичной обмоткой, поэтому на вход трансформатора поступает переменный ток вместо постоянного. Это повышающий трансформатор с большим количеством витков во вторичной обмотке (желтый зигзаг, правая сторона), чем в первичной, поэтому он повышает небольшое входное напряжение переменного тока до большего выходного переменного тока. Скорость, с которой вращается диск, определяет частоту переменного тока на выходе.

Большинство инверторов не работают так; это просто иллюстрирует концепцию. Инвертор, настроенный таким образом, будет давать очень грубый прямоугольный сигнал на выходе.

Типы инверторов

Если вы просто включаете и выключаете постоянный ток или переключаете его обратно и вперед, так что его направление продолжает меняться, то, что вы в конечном итоге получите, очень резкие изменения тока: все в одну сторону, все в другую направлении и обратно. Нарисуйте график силы тока (или напряжения) против времени, и вы получите прямоугольную волну. Хотя электричество варьируется таким образом, технически , переменный ток, это совсем не то, что переменный ток поставляемый в наши дома, который изменяется в гораздо более плавной волнистая синусоида). В общем, здоровенный бытовая техника в наших домах, использующая грубую энергию (например, электрическая обогреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники) все равно какую форму волны они получают: все, что им нужно, это энергия и много это — так что прямоугольные волны действительно не беспокоят их. Электронные устройства, вкл. с другой стороны, гораздо более суетливы и предпочитают более плавный ввод они получаются из синусоиды.

Надпись: Никола Тесла. Хотя он выиграл войну токов, его соперника Томаса Эдисона до сих пор помнят как первооткрывателя электроэнергии. Гравюра Теслы на дереве работы Саронга, около 1906 г., любезно предоставлена Библиотекой Конгресса США.

Это объясняет, почему инверторы бывают двух разных видов: инверторы с истинной / чистой синусоидой (часто сокращается до PSW) и модифицированные/квазисинусоидальные инверторы (сокращенно MSW). В качестве их название предполагает, что настоящие инверторы используют то, что называется тороидальным (бубликообразные) трансформаторы и электронные схемы для преобразования постоянного тока в плавно меняющийся переменный ток очень похоже на подлинную синусоиду, обычно поставляемую в наши дома. Их можно использовать для питания любых устройств переменного тока от источника постоянного тока. источника, включая телевизоры, компьютеры, видеоигры, радиоприемники и стереосистемы.

Модифицированные синусоидальные инверторы, с другой стороны, используют относительно недорогая электроника (тиристоры, диоды и другие простые компоненты) для производят своего рода «закругленную» прямоугольную волну (гораздо более грубую приближение к синусоиде) и хотя они подходят для доставки мощность здоровенным электроприборам, они могут вызывать и вызывают проблемы с тонкой электроникой (или что-нибудь с электронным или микропроцессорным контроллером), так что, как правило, это означает, что они не подходят для таких вещей, как ноутбуки, медицинское оборудование, цифровое часы и умные домашние устройства. Также, если подумать, их закругленная площадь волны обеспечивают большую мощность для устройства в целом, чем чистая синусоида (площадь под квадратом больше, чем под кривой). Это делает их менее эффективными и потерянная мощность, рассеиваемая в виде тепла, означает, что существует некоторый риск перегрева инверторов MSW. С положительной стороны, они, как правило, немного дешевле, чем настоящие инверторы.

Художественное произведение: Модифицированная синусоида (MSW, зеленый) больше похожа на синусоидальную волну (синяя), чем на прямоугольную (оранжевая), но все же включает внезапные и резкие изменения тока. Чем больше шагов в модифицированной синусоиде, тем ближе она приближается к идеализированная форма истинной синусоиды.

Хотя многие инверторы работают как автономные устройства с аккумулятором, они полностью независимые от сети, другие (известные как коммунально-интерактивные инверторы или сетевые инверторы ) являются специально разработан для постоянного подключения к сети; обычно они используются для передачи электричества от чего-то как солнечная панель обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой. Это нормально, если ваша главная цель — генерировать собственную силу. это не так полезно если вы хотите иногда быть независимым от сетки или хотите резервный источник питания на случай отключения, ведь если ваш подключение к сети пропадает, и вы не производите электричество самостоятельно (например, сейчас ночь и ваши солнечные батареи не работают), инвертор тоже выходит из строя, и вы совершенно бессильны — настолько же беспомощны, насколько вы были бы вы генерировали свою собственную силу или нет. По этой причине некоторые люди используют бимодальные или двунаправленные инверторы , которые могут работать либо в автономном, либо в сетевом режиме (но не в обоих режимах одновременно). С у них есть дополнительные детали, они, как правило, более громоздкие и более дорого.

На что похожи инверторы?

Инверторы могут быть очень большими и тяжелыми, особенно если они имеют встроенный батарейные блоки, чтобы они могли работать автономно. Они также выделяют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы. Как вы можете видеть на нашей верхней фотографии, типичные размером с автомобильный аккумулятор или автомобильное зарядное устройство; более крупные единицы выглядят немного похоже на банк автомобильных аккумуляторов в вертикальной стопке. Самые маленькие инверторы больше переносные коробки размером с автомобильный радиоприемник, которые можно вставить в прикуриватель розетка для производства переменного тока для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Фото: Микроинверторы — это небольшие компактные инверторы, обычно используемые для преобразования выходного постоянного тока одной фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток, который можно подавать прямо в энергосистему. Другими словами, каждая панель имеет свой микроинвертор. На этой фотографии показаны шесть микроинверторов Enphase IQ 6, проходящих испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL). Они подключены к Интернету, что означает, что вы можете отслеживать их работу через веб-браузер. и отследить, как он меняется со временем. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL.

Точно так же, как электроприборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности. в мощности, которую они производят. Как правило, на всякий случай нужен инвертор номиналом примерно на четверть выше максимальной мощности устройства, которым вы хотите управлять. Это допускает тот факт, что некоторые бытовые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют пиковую мощность при первом включении. В то время как инверторы могут обеспечивать пиковую мощность в течение коротких периодов времени, это важно отметить, что они на самом деле не предназначены для работы на пике мощность в течение длительного времени.