將直流電轉(zhuǎn)換為交流電：逆變器的基本原理

什么是逆變器？

大多數(shù)電源設(shè)計(jì)都包括一個(gè)稱為整流器的部分，該整流器將輸入的交流波轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的直流電壓。但是，我們不能總是依賴來自建筑物主電源的交流輸入到我們的系統(tǒng)中。

逆變器是一種將直流電 （DC） 轉(zhuǎn)換為交流電 （AC） 的設(shè)備。逆變器有許多用途和可以找到逆變器的常見地方，包括：

工業(yè)制造
可再生能源（風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能發(fā)電場）
備用電池系統(tǒng)
交流電機(jī)變速驅(qū)動器
電動車
逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電

傳統(tǒng)上，直流電源轉(zhuǎn)換是通過電動發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)的，其中使用直流電源運(yùn)行的電機(jī)直接轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生所需的交流電源。與此相反，驅(qū)動直流發(fā)電機(jī)的交流電機(jī)稱為轉(zhuǎn)換器，因此當(dāng)應(yīng)用于直流到交流發(fā)電機(jī)組時(shí)，名稱為逆變器，該名稱被保留下來。另一種版本使用安裝在真空管中的機(jī)械開關(guān)機(jī)構(gòu)，該機(jī)制以適當(dāng)?shù)拈g隔切換直流電的極性。

大多數(shù)現(xiàn)代逆變器都用作固態(tài)設(shè)備，不需要移動部件即可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這使他們能夠創(chuàng)造更高水平的可靠性并提供更好的效率。逆變器變得越來越復(fù)雜，可以提供可靠的電力，甚至能夠?yàn)槊舾械碾姎庠O(shè)備供電。清潔的正弦電源對于使用逆變器提供的交流電的電機(jī)和敏感設(shè)備的使用壽命非常重要。

逆變器如何工作？

大多數(shù)現(xiàn)代逆變器利用某種形式的 H 橋電路來改變直流電的極性。在大多數(shù)情況下，需要放大較低電壓的直流電流以匹配它將提供的交流電的電壓。切換直流電壓的行為自然會產(chǎn)生交流電，因?yàn)樵瓌t上，交流電源是在特定頻率下切換極性的電流。

H 橋由四個(gè)開關(guān)組成，可用于通過 H 形電路切換負(fù)載的極性，因此電流可以根據(jù)開關(guān)方向沿任一方向流過 H 這些電路通常用于反轉(zhuǎn)電機(jī)極性，如下圖所示。

用于電機(jī)控制的H橋電路

圖2.一個(gè)簡單的H橋電路可用于有效地切換直流極性。圖片由作者提供

基本的 H 橋可以以正確的頻率提供交流電，但功率輸出的波形與電網(wǎng)應(yīng)提供的波形不同。

當(dāng)直流電源極性通過H橋切換時(shí)，得到的波形是方形的。對于某些應(yīng)用，只要波頻在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，方波形就不會有害，但是，對于更敏感的電氣設(shè)備和交流電機(jī)的運(yùn)行，它們可能會出現(xiàn)問題。這些敏感的電子設(shè)備需要純正弦交流電波形才能正常運(yùn)行和延長使用壽命，因?yàn)榉讲〞p壞某些設(shè)備。

逆變器的種類

逆變器可以根據(jù)它們產(chǎn)生的交流電源類型進(jìn)行分類。電網(wǎng)產(chǎn)生的交流電是純正弦形狀的，根據(jù)正弦波的形狀在高壓和低壓之間平滑交替。

由于基本的H橋在技術(shù)上只能正向或反向切換電壓，因此在不添加元件的情況下，它們無法直接實(shí)現(xiàn)正弦波形。所添加元件的復(fù)雜性決定了每種逆變器產(chǎn)生的波形。逆變器產(chǎn)生的三種常見的波形是：

方波形
修正正弦波
純正弦波

這些類型的逆變器的名稱相當(dāng)直觀，每個(gè)逆變器的成本與它們實(shí)現(xiàn)正弦交流波形的接近程度直接相關(guān)。

方波逆變器

方波逆變器只是一個(gè) H 橋開關(guān)電流極性，以創(chuàng)建正確周期和幅度的波形。由于這種逆變器產(chǎn)生的交流電源的性質(zhì)，這種逆變器的應(yīng)用受到限制。方波逆變器是簡單的逆變器設(shè)計(jì)，具有低成本的特點(diǎn)，在某些情況下比改進(jìn)的正弦波或純正弦波逆變器具有更高的效率。

根據(jù)應(yīng)用的不同，方波逆變器可以創(chuàng)建一種簡單且經(jīng)濟(jì)高效的方式將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，只要被供電的設(shè)備不受非正弦波形交流電的不利影響。

改進(jìn)的正弦波逆變器

改進(jìn)的正弦波逆變器使用 H 橋電路和高速開關(guān)。在改進(jìn)的正弦波逆變器中，直流電源通過 H 橋交替供電，而高速開關(guān)以平均電壓模擬正弦波形交流電源的方式脈沖電流。微控制器使用不同的開關(guān)脈沖（稱為脈寬調(diào)制或PWM）來切換電源，以便任何時(shí)間段的平均電壓模擬波周期中正弦功率的預(yù)期電壓。

這種開關(guān)作用的結(jié)果是一個(gè)階梯階梯波形，其形狀更接近正弦波的形狀，但它仍然不完全是正弦波。對于許多應(yīng)用，這種類型的交流電源是可以接受的，并且可用于大多數(shù)類型的電子和電機(jī)應(yīng)用。

比較純正弦波和修正正弦波
純正弦波逆變器

純正弦波逆變器的工作原理與改進(jìn)的正弦波逆變器相同，但是需要額外的電子元件來進(jìn)一步將改進(jìn)后的正弦波細(xì)化為與電網(wǎng)電源非常相似的波。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，修改后的正弦波輸出通過LC電路。

基本的LC電路由電感器（L）和電容器（C）組成，電容器可以用作電諧振器，將并排的樓梯平滑成可通行的正弦形狀。波形的形狀就像電網(wǎng)產(chǎn)生的電力。純正弦波逆變器產(chǎn)生的功率對于敏感設(shè)備具有更高的質(zhì)量，但與改進(jìn)的正弦波或方波逆變器相比，效率較低。