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  • 逆变器如何将直流电转换为交流电?

  •  2022/5/11
  •    19 世纪最重要的战役中,没有一场不是为了土地或资源,而是为了建立为我们的建筑物供电的电力类型。

      在 1800 年代末期,美国电气先驱托马斯·爱迪生 (Thomas Edison, 1847–1931) 竭尽全力证明直流 (DC) 是一种比交流 (AC) 更好的供电方式。他的死对头尼古拉·特斯拉(1856-1943)。爱迪生尝试了各种狡猾的方法来说服人们交流电太危险,从电死大象到(相当狡猾地)支持在电椅上使用交流电来执行死刑。即便如此,特斯拉的系统还是赢得了胜利,从那以后,世界几乎都在使用交流电源运行。

      唯一的问题是,尽管我们的许多电器都设计为使用交流电,但小型发电机通常会产生直流电。这意味着,如果您想在移动房屋中使用直流汽车电池运行交流供电的小工具,您需要一种将直流转换为交流的设备——所谓的逆变器。让我们仔细看看这些小工具,看看它们是如何工作的!

      直流电和交流电有什么区别?

      当科学老师将电的基本概念解释为电子流时,他们通常谈论的是直流电 (DC)。我们了解到,电子的工作方式有点像一排蚂蚁,与一包电能一起前进,就像蚂蚁携带树叶一样。对于基本的手电筒之类的东西来说,这是一个足够好的类比,其中我们有一个连接电池、灯和开关的电路(一个完整的电气回路),电能系统地从电池传输到灯,直到所有电池的能量已耗尽。

      在更大的家用电器中,电力的工作方式不同。来自墙上插座的电源基于交流电 (AC),其中电力每秒切换 50-60 次左右(换句话说,频率为 50-60 Hz)。当交流电不断改变其前进方向时,很难理解它是如何提供能量的!如果从你的墙上插座出来的电子,比方说,沿着电缆向下几毫米,然后必须反转方向并再次返回,它们如何到达你桌子上的灯以使其点亮?

      答案其实很简单。想象一下在灯和充满电子的墙壁之间运行的电缆。当您轻按开关时,填充电缆的所有电子都会在灯泡的灯丝中来回振动——这种快速的移动将电能转化为热能,使灯泡发光。电子不一定要绕圈运行来传输能量:在交流电中,它们只是“原地运行”。

      什么是逆变器?

      特斯拉的遗产之一(以及他的商业伙伴西屋电气公司的老板乔治威斯汀豪斯的遗产)是我们家中的大多数电器都是专门设计为使用交流电源供电的。需要直流电但必须从交流电源插座供电的电器需要一个称为整流器的额外设备,通常由称为二极管的电子元件制成,以将交流电转换为直流电。

      逆变器做相反的工作,很容易理解它的工作原理。假设您的手电筒中有一块电池,并且开关处于闭合状态,因此直流电在电路中流动,始终沿相同方向流动,就像赛道上的赛车一样。现在,如果您将电池取出并转过来怎么办。假设它适合另一种方式,它几乎肯定仍会为手电筒供电,并且您不会注意到您获得的光线有任何差异 - 但电流实际上会以相反的方式流动。假设你的手快如闪电,并且足够灵巧,可以每秒将电池反转 50 到 60 次。然后,您将成为一种机械逆变器,将电池的直流电转换为频率为 50-60 赫兹的交流电。

      照片:典型的电力逆变器。这是由 Xantrex/Trace Engineering 制造的。照片由 Warren Gretz 提供,由美国能源部/NREL (DoE/NREL) 提供。

      当然,您在电器商店购买的那种逆变器的工作方式并不完全如此,尽管有些确实是机械的:它们使用高速打开和关闭的电磁开关来反转电流方向。像这样的逆变器通常会产生所谓的方波输出:电流要么以一种方式流动,要么以相反的方式流动,或者它会立即在两种状态之间切换:

      这种突然的功率反转对于某些形式的电气设备来说是相当残酷的。在普通交流电源中,电流以正弦波模式逐渐从一个方向交换到另一个方向,如下所示:

      电子逆变器可用于从直流输入产生这种平滑变化的交流输出。他们使用称为电感器和电容器的电子元件来使输出电流的上升和下降比您使用基本逆变器获得的突然的开/关切换方波输出更缓慢。

      逆变器也可以与变压器一起使用,将某个直流输入电压变为完全不同的交流输出电压(更高或更低),但输出功率必须始终小于输入功率:从能量守恒可知,逆变器并且变压器不能发出比它们吸收的更多的功率,当电流流过各种电气和电子元件时,一些能量必然会以热量的形式损失掉。在实践中,逆变器的效率通常超过 90%,尽管基础物理学告诉我们一些能量——无论多么少——总是在某处被浪费!

      逆变器是如何工作的?

      我们刚刚对逆变器有了一个非常基本的概述——现在让我们更详细地再回顾一遍。

      想象一下,你是一个直流电池,有人拍了拍你的肩膀,让你生产交流电。你会怎么做?如果您产生的所有电流都流向一个方向,那么在您的输出引线上添加一个简单的开关怎么样?非常快速地打开和关闭电流会产生直流脉冲——这至少可以完成一半的工作。要制作适当的交流电,您需要一个开关,该开关可以让您完全反转电流,并每秒进行大约 50-60 次。将自己想象成一个人类电池,每分钟来回交换联系人超过 3000 次。这是你需要的一些巧妙的指法!

      本质上,老式的机械逆变器归结为连接到电力变压器的开关单元。如果你研究过我们关于变压器的文章,你就会知道它们是一种电磁设备,可以将低压交流电转换为高压交流电,反之亦然,使用两个线圈(称为初级和次级)缠绕围绕一个共同的铁芯。在机械逆变器中,电动机或某种其他类型的自动开关机制只需通过反转触点即可在初级中来回翻转传入的直流电,并在次级中产生交流电 - 所以它并没有太大的不同从我上面勾勒的假想逆变器。开关装置的工作原理有点像电动门铃中的开关装置.连接电源后,它会磁化开关,将其拉开并非常短暂地关闭。弹簧将开关拉回原位,再次打开并重复该过程——一遍又一遍。

      动画:机电逆变器的基本概念。直流电通过交叉连接的旋转板(红色和蓝色)馈入环形变压器(棕色甜甜圈)的初级绕组(左侧的粉红色锯齿形线)。随着板的旋转,它反复切换到初级绕组的连接,因此变压器接收交流作为其输入而不是直流。这是一个升压变压器,其次级绕组(黄色锯齿形,右侧)比初级绕组多,因此它将较小的交流输入电压提升为较大的交流输出。磁盘旋转的速度决定了交流输出的频率。大多数逆变器都不能这样工作。这只是说明了这个概念。以这种方式设置的逆变器会产生非常粗糙的方波输出。

      逆变器类型

      如果您只是简单地打开和关闭直流电流,或者来回翻转它以使其方向不断反转,那么您最终会得到非常突然的电流变化:一个方向,另一个方向,然后再返回。绘制电流(或电压)与时间的关系图,您将得到一个方波。虽然以这种方式变化的电在技术上是交流电,但它根本不像提供给我们家的交流电,它以更平滑的起伏正弦波变化)。一般来说,我们家中使用原始电力的大型电器(如电加热器、白炽灯、水壶,或冰箱)并不在乎他们收到什么形状的波:他们想要的只是能量和大量的能量——所以方波真的不会打扰他们。另一方面,电子设备更加挑剔,更喜欢从正弦波中获得更平滑的输入。

      这就解释了为什么逆变器有两种不同的风格:真/纯正弦波逆变器(通常缩写为 PSW)和修改/准正弦波逆变器(缩写为 MSW)。顾名思义,真正的逆变器使用所谓的环形(环形)变压器和电子电路将直流电转换为平滑变化的交流电,非常类似于通常提供给我们家的真正正弦波。它们可用于从直流电源为任何类型的交流电器供电,包括电视、电脑、视频游戏、收音机和立体声音响。

      另一方面,修正的正弦波逆变器使用相对便宜的电子设备(晶闸管、二极管和其他简单的组件)产生一种“四舍五入”的方波(更粗略地近似于正弦波),虽然它们可以很好地为大型电器提供电力,但它们可以而且确实会导致微妙的问题电子产品(或任何带有电子或微处理器控制器的东西),所以一般来说,这意味着它们不适合笔记本电脑、医疗设备、数字时钟和智能家居设备之类的东西。此外,如果您考虑一下,它们的四舍五入的方波比纯正弦波为设备提供更多的功率(方形下的面积比曲线下的面积大)。这降低了它们的效率,并且浪费的功率以热量的形式消散,这意味着 MSW 逆变器存在过热的风险。从积极的方面来说,

      艺术品:修改后的正弦波(MSW,绿色)更像正弦波(蓝色)而不是方波(橙色),但它仍然涉及电流的突然、剧烈变化。修正正弦波中的阶数越多,它就越接近真正正弦波的理想化形式。

      尽管许多逆变器作为独立单元工作,具有电池存储,完全独立于电网,但其他(称为公用事业交互式逆变器并网逆变器)) 专门设计为始终连接到电网;通常,它们用于将太阳能电池板之类的电力以正确的电压和频率送回电网。如果您的主要目标是产生自己的力量,那很好。如果您有时想独立于电网,或者在断电时需要备用电源,这并不是很有帮助,因为如果您与电网的连接中断,并且您没有自己发电(例如例如,现在是夜间,您的太阳能电池板未激活),逆变器也出现故障,您完全没有电——无论您是否自己发电,您都会感到无助。为此,有些人使用双峰双向逆变器,它既可以在独立模式下工作,也可以在并网模式下工作(尽管不能同时工作)。由于它们有额外的零碎,它们往往更笨重且更昂贵。

      逆变器是什么样的?

      逆变器可能很大很重——特别是如果它们有内置电池组,因此它们可以独立工作。它们还会产生大量热量,这就是它们具有大型散热器(金属翅片)并且通常还具有冷却风扇的原因。正如您从我们的顶部照片中看到的那样,典型的大约与汽车电池或汽车电池充电器一样大;较大的单元看起来有点像垂直堆叠的汽车电池组。最小的逆变器是汽车收音机大小的便携式盒子,您可以将其插入点烟器插座,产生交流电,为笔记本电脑或手机充电。

      照片:微型逆变器是小型紧凑型逆变器,通常用于将单个光伏太阳能电池板的直流输出转换为可直接馈入电网的交流电。换句话说,每个面板都有自己的微型逆变器。这张照片显示了在国家可再生能源实验室 (NREL) 测试的六台 Enphase IQ 6 微型逆变器。它们与 Internet 连接,这意味着您可以通过 Web 浏览器监控它们的性能并跟踪它随时间的变化。

      正如电器消耗的功率不同一样,逆变器产生的功率也不同。通常,为了安全起见,您需要一个额定功率比您要驱动的设备的最大功率高约四分之一的逆变器。这考虑到某些电器(例如冰箱和冰柜或荧光灯)在首次打开时会消耗峰值功率。虽然逆变器可以在短时间内提供峰值功率,但重要的是要注意它们并非真正设计为长时间以峰值功率运行。

      什么是不间断电源?

      逆变器的一种非常常见的用途是应急电源,也称为不间断电源或不间断电源(均采用首字母缩写词 UPS)。如果您的家庭电源因停电(停电)而出现故障,您可能有一个 UPS 作为备用电源——但它是如何工作的呢?

      典型的 UPS 使用可充电电池以电气形式存储能量 (一些 UPS 系统使用高速飞轮以机械形式存储能量,由电动机旋转至高速)。当电源正常流动时,电池通过直流涓流充电,直流电由交流电源使用变压器和整流电路产生。如果电源出现故障,您可以使用的充电电池将产生直流电,但需要产生交流电来为您的家庭供电。因此,当 UPS供电时,电池通过逆变器泵送直流电以产生交流电。

      UPS 通常与浪涌保护器和电压优化设备相结合,以产生能够承受尖峰、浪涌、过压、欠压或完全断电的弹性电源。

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