Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

История появления преобразователя

В конце 1800-х годов первый американский электрик Томас Эдисон (1847−1931) вышел из своей лаборатории, чтобы продемонстрировать, что постоянный ток (DC) является лучшим способом доставки электричества, чем переменный ток (AC), который был новой системой, поддерживаемой его Сербский соперник Никола Тесла (1856-1943).

 

 

Эдисон испробовал всевозможные хитрые способы убедить людей в том, что переменный ток слишком опасен, от электрочистки слона до поддержки использования переменного тока в электрическом стуле для ограничения смертной казни. Так или иначе, система Теслы победила, и с тех пор мир в значительной степени работает в Интернете.

Единственная проблема заключается в том, что, хотя многие из наших приборов рассчитаны на работу от переменного тока, генераторы слабого тока часто вырабатывают постоянный ток. Это означает, что если вы хотите запустить что-то вроде гаджета с питанием от переменного тока от батареи постоянного тока в доме на колесах, вам понадобится устройство, которое, как его называют, преобразует постоянный ток в переменный.

Общие сведения о приборе

Величайшее открытие Николы Теслы сегодня используется человечеством повсеместно. Большинство светильников во всех домах предназначены для работы от постоянного тока, но розетки обеспечивают переменный ток.

Вот почему почти всегда требуется специальное устройство или выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор работает с точностью до наоборот. Можно рассмотреть его работу на примере обычного фонарика. Устройство небольшое и питается от встроенной батареи, которая становится источником постоянного тока. Если снять его с светильника, перевернуть другим стержнем и переустановить, разницы в работе и качестве освещения не будет. Однако ток будет течь по-другому.

Такой процесс можно сравнить с механическим преобразователем, когда руки человека крутят аккумулятор со скоростью 50-60 раз в секунду. Конечно, устройства, которые можно приобрести в специализированных магазинах, работают несколько иначе. Магнитные переключатели используются для постоянного изменения направления движения электронов. Однако это рассчитано только на устройства механического типа.

Электронные преобразователи плавно меняют направление, исключая резкие перепады напряжения. Второй тип считается предпочтительным вариантом, так как постоянные скачки напряжения негативно сказываются на работе некоторых электроприборов.

В конструкции таких преобразователей используются специальные катушки индуктивности и конденсаторы. Эти детали смягчают поток энергии на входе и выходе, за счет чего формируется устойчивый источник тока для электрических устройств.

В некоторых случаях преобразователи используются для трансформаторов, чтобы преобразовать источник переменного тока в более высокую или более низкую частоту в зависимости от потребностей конкретного потребителя.

Следует отметить, что выходная мощность всегда меньше входной мощности. Это необходимо для нормального функционирования устройств. Любой трансформатор или инвертор не может производить больше энергии, чем потребляет, потому что часть ее тратится впустую.

Электричество постоянного и переменного тока

Когда учителя естественных наук объясняют основную идею электричества как потока электронов, они обычно говорят о постоянном токе (DC). Мы узнаем, что электроны немного похожи на вереницу муравьев, которые идут вместе с пакетами электрической энергии так же, как муравьи несут листья.

 

Это достаточно хорошая аналогия для чего-то вроде простейшего фонарика, где у нас есть цепь (сплошная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель, и электрическая энергия систематически передается от батареи к лампе до тех пор, пока все энергия батареи исчерпана.

В крупной бытовой технике электричество работает иначе. Источник питания, поступающий от розетки в стене, основан на переменном токе (АС), где ток меняет направление 50-60 раз в секунду (другими словами, с частотой 50-60 Гц).

Трудно понять, как переменный ток обеспечивает питание, когда он постоянно меняет свое мнение о том, куда он идет. Если электроны, выходящие из гнезда, проходят несколько миллиметров по кабелю, то вам нужно изменить направление и вернуться назад, как они вообще доберутся до лампы на столе, чтобы зажечь ее?

Ответ действительно очень прост. Представьте, что между лампой и стеной находятся электроны. Когда вы щелкаете выключателем, все электроны, заполняющие кабель, колеблются взад-вперед в нитях накала лампы, и это быстрое перетасовывание преобразует электрическую энергию в тепло, и лампа загорается. Электронам не нужно вращаться по кругу, чтобы нести энергию: в переменном токе они «бегут на месте».

Классификация сварочных инверторов

Современная промышленность предлагает следующие типы преобразователей:

• ММА — дуговая сварка в ручном режиме. Самый популярный тип для быта и мелкосерийного производства.
• Полуавтоматическая сварка MIG/MAG. Сварка в газовой среде проволокой. Шов выходит с меньшим количеством шлака, рабочий процесс ускоряется. Требуется баллон с углекислым газом.
• TIG или аргонная сварка. Подходит для цветных металлов и тонких материалов. Высококачественный шов.
• Точечная сварка. Популярен в автосервисах, позволяет соединять тонкие материалы, исключает деформацию.
• Газоплазменная резка. Дуга возникает в зазоре между анодом и катодом в сопле. При подаче газовой смеси через зону горения формируется плазменный поток. Назначение — резка и сварка металлов различных видов и толщин.

Каждое инверторное оборудование предназначено для определенного вида сварки и имеет ряд преимуществ и недостатков.

Плюсы и минусы инверторной сварки

Популярность сварочных аппаратов инверторного типа основана на простоте обучения, доступной цене и легком ремонте устройств. Высокая эффективность означает, что вы можете работать с максимальной эффективностью в повседневной жизни и на работе.

Достоинства

К плюсам относятся:

• нечувствительность к перепадам напряжения;
• контроль рабочего тока;
• широкий ассортимент электродов;
• антизалипание электрода и быстрое зажигание;
• функциональность при небольших размерах устройства.

Недостатки

Минусы включают в себя:

• стоимость качественных инверторов;
• бережное обращение и хранение.

Список преимуществ гораздо выше, именно это делает инверторы востребованными.

Типы электричества

Большинство учителей, которые дают студентам информацию об электричестве, говорят в первую очередь о постоянном токе (DC). Это поток электронов, которые следуют друг за другом на определенном расстоянии.

Самая популярная аналогия у опытных педагогов – это сравнение ручья с муравьями, идущими столбиком и переносящими обычные сухие листья.

Это мнение довольно общее, но основная идея верна. Схема напоминает непрерывную электрическую петлю, питающую обычный фонарик. А вот в крупной бытовой технике электричество работает иначе. Настенные розетки питают приборы от источника переменного тока (AC). В нем электричество переключается с высокой скоростью 50-60 раз в секунду, то есть частота таких переключений составляет 50-60 Гц.

Обычному человеку, не разбирающемуся в электронике, не совсем понятно, как такой ток питает приборы, если он постоянно меняет направление движения. Однако ответ на этот вопрос прост. Например, можно взять обычный настенный светильник, который питается от источника переменного тока.

При его включении в розетку электроны начинают активно двигаться, меняя местами и меняя направление движения. Весь процесс происходит очень быстро, поэтому в проводах выделяется тепло.

Именно это тепло будет передаваться в лампу, заставляя ее светиться. Переменный ток также эффективно питает устройства, как и постоянный ток, но электроны в нем движутся на месте.

Сравнение: инверторы — трансформаторы

В отличие от трансформатора, основным преимуществом инвертора является малый вес и габариты. При увеличении частоты в 800-900 раз массогабаритные параметры трансформатора уменьшаются в 8-9 раз.

Это снижает энергопотребление. Подключить производительный преобразователь для сварки можно даже в розетку — в отличие от трансформаторного варианта, требующего большого энергопотребления.

Сравнение: инверторы — выпрямители

Выпрямители, как и инверторы, способны показать свои лучшие характеристики. Качественный шов и минимальное количество брызг. Устройство с выпрямительной схемой более чувствительно к скачкам напряжения. Наличие в схеме трансформатора с диодно-тиристорной схемой усложняет конструкцию. Если потребуется ремонт, потребуется ближайший профессиональный сервисный центр.

Функции сварочных инверторов

Для упрощения работы с устройством на этапе обучения производители реализовали ряд функций:

1. Теплый старт. Способствует быстрому воспламенению, обеспечивая единовременное быстрое увеличение силы тока.
2. Сила лука. Стабилизирует дугу в случае неравномерного направления сопла или электрода из-за поддержки пульсирующего тока.
3. Антиприлипание. Облегчает отделение электрода от заготовки за счет снижения тока до нулевых значений.

Эти принципы позволяют работать с инверторами даже новичкам.

Как выбрать инвертор

При выборе аппарата следует ориентироваться на объем работ, виды свариваемого металла, бюджет и наличие начальных навыков. Желаемое устройство выбирается в зависимости от эффекта и возможностей питающей сети.

Для бытового использования

В домашних условиях самыми популярными типами сварочных аппаратов являются MMA и MIG/MAG. Они недороги, просты в освоении и при правильном уходе служат намного дольше заявленного срока. Не берите устройства из нижней ценовой категории. Качественная начинка электронных схем находится в среднем ценовом диапазоне.

Для бытового и производственного использования обязательно наличие защитной маски с комплектом сменных очков. Сварочные очки не защитят лицо от брызг — а при таком способе сварки их достаточно.

Профессиональный

Чаще всего это аппараты для аргонно-дуговой сварки, точечной, плазменной резки. Ключевым моментом является производительность, чем больше работы в день оборудование может выполнять без перерыва, тем лучше.

При выборе профессионального инвертора нужно ориентироваться на карту сервисных центров. Агрегат, который работает постоянно, периодически требует обслуживания или ремонта. Сервис в торговом центре станет отличным решением.

Что предстваляет собой инвертор

Одним из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, главы Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые есть в наших домах, специально разработаны для работы на переменном токе.

Приборы, которым требуется постоянный ток, но которые получают питание от розетки, нуждаются в дополнительном оборудовании, называемом выпрямителем, обычно состоящим из электронных компонентов, называемых диодами, для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и понять, как это сделать, довольно просто. Допустим, у вас есть батарея в фонарике, а переключатель замкнут, так что постоянный ток течет по цепи всегда в том же направлении, что и гоночный автомобиль на трассе.

Теперь, если вы вытащите батарею и развернете ее, предполагая, что она подходит другой стороной, она почти наверняка по-прежнему будет давать свет, и вы не заметите никакой разницы в освещении, которое вы получите, но электрический ток будет течь в противоположном направлении. Дорога.

Представьте, что у вас были молниеносные руки, и они были достаточно хороши, чтобы переворачивать аккумулятор 50-60 раз в секунду. Тогда вы станете своего рода механическим инвертором, который превращает постоянный ток батареи в переменный с частотой 50-60 Гц.

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в магазинах электротоваров, так не работают, хотя некоторые из них действительно механические: в них используются электромагнитные переключатели, которые быстро переключаются на направление тока.

Подобные инверторы часто производят так называемый прямоугольный сигнал на выходе: ток либо течет в ту или иную сторону, либо мгновенно переключается между двумя состояниями.

Такие резкие изменения направления опасны для некоторых видов электрооборудования. При обычном переменном токе он постепенно меняется с одной стороны на другую, как синусоида.

Электронные преобразователи могут использоваться для создания этого типа плавно изменяющегося выхода переменного тока из входа постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые катушками индуктивности и конденсаторами, для увеличения и уменьшения выходного тока, а не резкий прямоугольный сигнал включения / выключения, который вы получаете с базовым инвертором.

Инверторы также можно использовать с трансформаторами для изменения определенного входного напряжения постоянного тока на совершенно другое выходное напряжение переменного тока (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше входной мощности.

Из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут производить электроэнергии больше, чем потребляют, и часть энергии должна теряться в виде тепла, когда электричество проходит через различные электрические и электронные компоненты.

На практике КПД инвертора часто превышает 90 %, хотя базовая физика говорит нам, что некоторая часть энергии — какой бы она ни была — всегда где-то тратится впустую.

Читайте также: Степень защиты IP65, IP66, IP67 и IP68: расшифровываем символы

Принцип работы устройства

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то похлопывает вас по спине и говорит вам вместо этого производить переменный ток. Как бы вы это сделали? Если весь ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления простого переключателя на выходе?

Включение и выключение питания может очень быстро генерировать импульсы постоянного тока, которые могут выполнять как минимум половину работы. Чтобы сделать правильный переменный ток, вам нужен переключатель, который позволяет полностью отключать ток и делать это примерно 50-60 раз в секунду.

Визуализируйте себя как человеческую батарею, переключающую контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту.

 

По сути, старомодный механический преобразователь сводится к распределительной коробке, соединенной с трансформатором. А поскольку в электромагнитных устройствах, преобразующих низковольтный переменный ток в высоковольтный или наоборот, используют две катушки провода (называемые первичной и вторичной), намотанные на общий железный сердечник.

В механическом инверторе либо электродвигатель, либо какой-либо другой механизм автоматического переключения в основном меняет входящий ток туда и обратно, просто меняя контакты, и генерирует переменный ток во вторичном режиме.

Выключатель работает так же, как и в электрическом дверном звонке. При подаче тока он намагничивает выключатель, вытягивает его и очень быстро выключает. Пружина снова вернет переключатель, включит его, а затем повторит процесс снова и снова.

Частота коммутации задается управляющими сигналами, формируемыми схемой управления (контроллером). Контроллер также может выполнять дополнительные задачи:

• Регулировка напряжения.
• Синхронизация частоты обмена ключами.
• Берегите их от перегрузок.

Устройство и основные характеристики инверторов

Блок простейшего инвертора включает блоки питания и управления. Конструкция первого содержит сетевой выпрямитель, схему фильтрации помех, преобразователь на транзисторах, выпрямитель выходного сигнала и пусковую схему.

В сегменте управления установлена ​​микросхема на основе ШИМ-регулятора. С его помощью синхронизируется работа всех компонентов и осуществляется управление преобразователем напряжения.

К основным характеристикам данного типа оборудования относятся:

1. Мощность. Номинальное значение рассчитывается исходя из максимального количества потребителей, подключенных к выходу. Пиковый индикатор отражает максимальное значение стартовой мощности.
2. Тип волны переменного тока на выходе. Чистый синус позволяет сделать работу потребителей оптимальной.
3. Количество фаз на входе и выходе.
4. Наличие датчика температуры и системы охлаждения.

Виды преобразователей

Устройства делятся на два класса — в зависимости от того, какое оборудование планируется к ним подключать.

1 группа — потребители с начальной мощностью, кратной номинальной. Электродвигатели — требуют включения в конструкцию трансформаторов развязывающего типа.

2 группа — устройства, у которых номинальная и пусковая мощности примерно равны.

Сюда входит бытовая электроника, часть двигателей коллекторной конструкции. Преобразователь в телевизоре может иметь максимальную мощность, едва превышающую сумму всех потребителей схемы. Давайте подробнее рассмотрим отдельные группы и зачем нужна каждая из них.

Импульсные устройства

Если вы хотите создать один уровень напряжения из другого, вам нужен преобразователь импульсной конструкции. Он основан на индуктивных или емкостных элементах, запасающих энергию. Самый главный плюс – высокая эффективность.

Принцип работы такого преобразователя напряжения основан на следующих компонентах:

• переключательный сегмент;
• индуктивный или емкостной элемент;
• блокировочный диод;
• емкость параллельно линии нагрузки.

Сигнал, генерируемый на выходе, представлен в виде прямоугольной формы. Благодаря включению в схему диодов работа устройства становится управляемой, напряжение можно сделать выше или ниже.

Для стабилизации могут использоваться ШИМ, частотные модуляторы или комбинированные схемы.

Бытовые приборы

В быту преобразователь напряжения используется для решения нескольких задач:

• бесперебойное питание в сочетании с зарядкой аккумулятора;
• электродуговая сварка – простейший сварочный преобразователь;
• предохранители от перенапряжений.

Бытовая техника относится ко второй группе, с низкой пусковой и номинальной мощностью. В то же время для дорогой бытовой электроники синусоида на выходе инвертора должна стремиться к идеальной. Поэтому для продления срока службы оборудования рекомендуется приобретать качественные и более дорогие преобразователи.

Источники бесперебойного питания на базе аккумулятора и светильника предпочтительнее для домашнего использования, поскольку:

• аккумуляторы работают в мягком режиме;
• широкий выбор аккумуляторов для использования с инверторами одного класса.

Такие системы часто используются совместно с альтернативными источниками энергии: геотермальными насосами, солнечными панелями, ветряками.

Бестрансформаторные устройства

Как работает бестрансформаторный преобразователь: исключено использование трансформаторов, вся схема основана на полупроводниковых элементах. Несмотря на снижение цены и оптимизацию производства, у таких устройств есть минус. Выход из строя полупроводника приведет к неконтролируемому потоку энергии на входе к потребителю, который может его сжечь.

Схема инвертора напряжения

Классический пример — инверторный сварочный аппарат — он преобразует переменное напряжение в постоянное. Рабочие диаграммы могут быть разделены в зависимости от работы устройства. Трансформация происходит:

1. От постоянного к постоянному.

   

2. От изменения к постоянному.

   

3. От постоянного к переменному.

Режим работы схемы

Режим работы — модифицированный синусоидальный или прямоугольный импульсный сигнал на выходе инвертора. Контроллер в составе схемы позволяет четко регулировать выходное напряжение потребителя.

В преобразователях частотно-преобразовательного типа возможность программирования позволяет настроить гибкий режим путем изменения основных показателей при настройке технологических процессов.

Работа схемы

В общем как работает преобразователь — на примере выпрямителя и схемы его реализации:

1. Тиристорная схема. В его состав входят трансформатор, мост, мостовое звено управления, элемент сглаживания пульсаций — катушка или конденсатор.
2. Транзисторная схема. Выполнено сглаживание пульсаций на входе и выходе, добавлены высокочастотный преобразователь и трансформатор, регулятор.

Приведенные выше схемы целесообразно рассматривать на сварочном преобразователе. Они классифицируются по группам.