Je možné přeměnit střídavý proud na stejnosměrný?

Elektrický proud protéká různými médii: kovy, polovodiče, kapaliny a plyny. Navíc může být konstantní nebo proměnná. V článku budeme zvažovat samostatně stejnosměrný a střídavý proud, stejně jako přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný proud.

Obsah

1. Stejnosměrný proud a jeho zdroje
2. Střídavý proud a jeho parametry
3. Výhody a nevýhody střídavého napětí
4. Převod AC na DC a naopak
5. Historie použití
6. Potřeba přeměny napětí
7. Konverzní technika
8. Odrůdy měničů
9. Jak vybrat invertor

Stejnosměrný proud a jeho zdroje

U stejnosměrného proudu se velikost a směr v čase nemění. Na moderních zařízeních je označen písmeny DC – zkratka pro angličtinu Stejnosměrný proud (doslovně přeloženo – stejnosměrný proud). Jeho grafické označení:

Zdrojem stejnosměrného proudu jsou baterie a akumulátory. Fungují na něm všechna polovodičová elektronická zařízení: mobilní telefony, počítače, televize, satelitní systémy. Pro napájení těchto zařízení ze střídavého proudu obsahují napájecí zdroje. Snižují síťové napětí na požadovanou hodnotu a mění střídavý proud na stejnosměrný. Nabíječky baterií jsou také napájeny střídavým proudem a plní stejné funkce jako napájecí zdroje.

Střídavý proud a jeho parametry

U střídavého proudu se směr a velikost cyklicky v čase mění. Cyklus jedné úplné změny (oscilace) se nazývá období (T), a jeho převrácené množství je frekvence (f). Písmenné označení střídavého proudu – AC, zkratka pro Střídavý proud (střídavý proud) a graficky je označen segmentem sinusoidy:

Za tímto znakem je uvedeno napětí, někdy frekvence a počet fází.

Střídavý proud je charakterizován následujícími parametry:

Charakterizace	Označení	Jednotka	popis
Počet fází	Jednofázový
	Třífázové
Stres	U	volt	Okamžitá hodnota
			Hodnota amplitudy
			Efektivní hodnota
			fáze
			Lineární
Období	Т	druhý	Doba jednoho úplného kmitu
Frekvence	f	hertz	Počet kmitů za sekundu

Jednofázový proud ve své čisté formě se získává pomocí benzínových a dieselových generátorů. V ostatních případech je součástí třífázového napětí, které se skládá ze tří napětí měnících se podle sinusového zákona, vzájemně rovnoměrně posunutých. Tento časový posun se nazývá fázový úhel a je 1/3T.

Pro přenos třífázových napětí se používají čtyři vodiče. Jeden je jejich společný bod a nazývá se nula (N) a další tři se nazývají fáze (L1, L2, L3).

Grafy třífázového střídavého napětí

Napětí mezi fázemi se nazývá lineárnía mezi fází a nulou – fáze, je méně než lineární √3krát. V naší síti je fázové napětí 220 V a lineární napětí je 380 V.

Pod okamžitý Hodnota napětí střídavého proudu je jeho hodnota v určitém časovém okamžiku t. Mění se s frekvencí f. Okamžitá hodnota napětí v maximálním bodě se nazývá amplituda význam. To ale voltmetry a multimetry neměří. Ukazují hodnotu √2krát menší, tzv hodnota proudu nebo efektivního napětí. Fyzikálně to znamená, že stejnosměrné napětí této velikosti vykoná stejnou práci jako naměřené střídavé napětí.

Charakteristika třífázového proudu

Výhody a nevýhody střídavého napětí

Proč tedy zvolili pro napájení střídavý proud místo stejnosměrného?

Při přenosu elektřiny prochází proud dráty dlouhými stovky kilometrů, ohřívá je a rozptyluje energii do vzduchu. To je nevyhnutelné u stejnosměrných i střídavých proudů. Ztráta výkonu však závisí pouze na odporu vodičů a proudu v nich:

Výkon přenášený po vedení se rovná:

Z toho plyne, že s rostoucím napětím je k přenosu stejného výkonu potřeba méně proudu a ztrátový výkon klesá. To je důvod, proč je napětí na dlouhých elektrických vedeních zvýšeno. Existují vedení pro 6kV, 10kV, 35kV, 110kV, 220kV, 330kV, 500kV, 750kV a dokonce 1150kV.

Ale v procesu přenosu elektřiny ze zdroje ke spotřebiteli se musí napětí opakovaně měnit. Je jednodušší to udělat na střídavý proud pomocí transformátorů.

Nevýhody střídavého proudu se objevují při přenosu energie kabelovým vedením. Kabely mají kapacitu mezi fázemi a vzhledem k zemi a tato kapacita vede střídavý proud. Objeví se netěsnost, zahřívá izolaci a způsobí její selhání v průběhu času.

Převod AC na DC a naopak

Proces získávání stejnosměrného proudu ze střídavého proudu se nazývá rovnánía zařízení – usměrňovače. Hlavní částí usměrňovače je polovodičová dioda, vede proud pouze jedním směrem. V důsledku usměrnění se získá pulzující proud, který v čase mění svou hodnotu, ale nemění své znaménko.

Poté jsou pulzace eliminovány pomocí filtry, nejjednodušší z nich je k. Zvlnění nelze zcela eliminovat a jeho konečná úroveň závisí na obvodu usměrňovače a kvalitě filtru. Složitost a cena usměrňovačů závisí na velikosti výstupního zvlnění a maximálním výstupním výkonu.

Schéma jednoduchého usměrňovače Grafy činnosti usměrňovače

K převodu na střídavý proud se používají střídače. Principem jejich činnosti je generování střídavého napětí s tvarem co nejbližším sinusovému. Příkladem takového zařízení je automobilový střídač pro připojení domácích spotřebičů nebo nářadí do palubní sítě.

Čím lepší a dražší měnič, tím větší výkon nebo přesněji se napětí, které produkuje, blíží sinusovce.

Některé elektrické spotřebiče vyžadují napájení střídavým proudem, ale to není vždy k dispozici. V tomto případě vyvstává otázka, jak vyrobit střídavý proud ze stejnosměrného proudu. Lze to řešit pomocí DC-AC měniče napětí.

Historie použití

O proudu, kterému se dnes říká konstantní, se lidstvo dozvědělo už dávno. Existence proměnné se stala známou při studiu vlastností elektromagnetického pole. První práce na toto téma byla vydána v roce 1831.

V USA se zpočátku uvažovalo o použití stejnosměrného i střídavého proudu pro napájení za stejných podmínek. Obě varianty měly své zastánce a pádné argumenty pro realizaci. Z komerčních důvodů však získalo přednost použití střídavého proudu. Postupně se to stalo celosvětovým standardem.

Potřeba přeměny napětí

Pro každé zařízení jsou požadavky na charakteristiky napájecího proudu. V každodenním životě se obvykle používá střídavý proud o frekvenci 50 Hz, ze kterého se získává ten potřebný pro konkrétní typ elektrického zařízení. K tomuto účelu lze použít například napájecí adaptér pro chytrý telefon.

Někdy je nutné provést opačnou transformaci. To platí v případech, kdy je elektřina přijímána ve formě stejnosměrného proudu. Tato situace nastává například při použití solárních panelů. Tato metoda je levná a účinná, ale vyžaduje další konverzi stejnosměrného proudu na střídavý.

Převod stejnosměrného proudu na střídavý je výhodný díky výhodám druhého. Jako příklad lze uvést následující skutečnosti:

• Použití v transformátorech snižuje ztráty při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti.
• Střídavý proud zajišťuje efektivní provoz indukčních ohřívačů.
• Tlumivky umožňují zbavit se vysokofrekvenčního rušení. Frekvence se volí změnou indukčnosti cívky.
• Použití střídavého proudu umožňuje získat neustále se měnící magnetické pole.

Konverzní technika

Chcete-li získat střídavý proud ze stejnosměrného proudu, musíte použít zařízení zvané invertor. Může pracovat pomocí různých schémat. Obrázek ukazuje nejjednodušší verzi zařízení.

Jednoduchý invertorový obvod obsahuje dva tranzistory, které se střídavě otevírají a zavírají. V důsledku toho je zařízení připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu s různou polaritou. Takto probíhá přeměna ze stejnosměrného proudu na střídavý. V tomto případě je nutné zajistit dostupnost požadované frekvence. Někdy se k tomu používá elektronické ovládání pomocí mikroobvodů.

Po střídači nemá elektrický proud vždy požadované vlastnosti. Pro jejich získání se střídavý proud vede přes transformátor. Tento převodník vytváří výstupní proud s potřebnými parametry, například proud o frekvenci 50 Hz a střídavém napětí 220 V.

Existují různé typy měničů. Každý z nich má své vlastní vlastnosti, které je třeba vzít v úvahu při výběru. Na internetu najdete mnoho návodů, jak si měnič vyrobit sami. Ale je třeba mít na paměti, že tak náročná práce vyžaduje určitou úroveň kvalifikace. Proto je jednodušší zakoupit požadovaný model v obchodě.

Odrůdy měničů

Střídače lze klasifikovat podle několika kritérií. Jedním z nich je tvar přijímaného signálu. Invertory jsou schopny produkovat:

• Obdélníkové signály.
• Stupňovitý tvar. V tomto případě se stejnosměrné napětí zpracovává ve dvou stupních. Nejprve se vytvoří unipolární pulsy požadovaného typu a dvojité frekvence. Poté je pomocí můstkového převodníku získán multipolární signál s potřebnými charakteristikami.
• Sinusový tvar. V tomto případě se nejprve získá vysokofrekvenční signál stejné amplitudy. Speciální modulace se pak provádí opakovaně pomocí můstkového invertoru.

Na základě principu činnosti se střídače dělí na autonomní a řízené sítí. Ty druhé se nazývají závislé. Používají se například na elektrických lokomotivách jako měniče výkonu.

Autonomní zařízení se dělí na:

• měniče napětí;
• aktuální;
• rezonanční.

Invertory jsou postaveny na různých obvodech:

• Můstkový střídač bez transformátoru slouží k převodu stejnosměrného napětí v případech, kdy je potřeba získat výstupní výkon nad 500 VA při napětí 220 nebo 380 V.
• Obvod transformátoru s nulovým výstupem převádí stejnosměrný proud na střídavý, když není potřeba více než 250-500 VA. Takový invertor poskytne energii zařízením, které spotřebovávají 12 nebo 24 V.
• Pro průmyslové účely, kdy je vyžadován výkon od několika kilovoltampérů do desítek nebo pro zajištění energie pro kritická zařízení, se používá můstkový střídač s transformátorem.

Ve všech těchto případech se získá střídavý proud, jehož amplituda se svým tvarem v té či oné míře blíží sinusoidě.

Jak vybrat invertor

Při výběru vhodného měniče je třeba věnovat pozornost následujícímu:

• Výkon zařízení musí převyšovat výkon, který mají jeho spotřebitelé.
• Je nutné, aby vlastnosti střídavého proudu (frekvence, amplituda, tvar impulsu) byly vhodné pro elektrické spotřebiče, které jej používají.
• Při převodu nemá malý význam fáze sinusoidy. Střídač musí dodávat proud, i když spotřeba připojených zařízení dosáhne maxima. To platí zejména, pokud jde o elektromotory, čerpadla nebo kompresory.

Pro výpočet požadovaného výkonu měniče je třeba provést následující kroky:

1. Jejich jmenovitý výkon je nutné zjistit z technické dokumentace připojených zařízení. Mezi příklady patří lednička (200 W) a vysavač (1000 W). Celkový výkon bude 200 + 1000 = 1200 W.
2. Je třeba určit hodnotu špičkového výkonu. K tomu je třeba výslednou hodnotu vynásobit 1.3. V uvažovaném příkladu se ukazuje 1200 × 1.3 = 1560 W.
3. Kromě toho byste měli vzít v úvahu koeficient, který se rovná 0.6–0.99. Pro výpočty použijte minimální hodnotu: 1560/0.6 = 2600. Výsledná hodnota je vyjádřena ve voltampérech. Představuje výkon, který musí střídač poskytnout k napájení uvažovaného případu.

Střídač, který zajišťuje konverzi proudu, neustále monitoruje fázi sítě a udržuje hodnotu výstupního napětí, která je o něco vyšší než hodnota sítě.