將直流電轉換為交流電：逆變器的基本原理

什么是逆變器？

大多數電源設計都包括一個稱為整流器的部分，該整流器將輸入的交流波轉換為不穩定的直流電壓。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中。

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

工業制造
可再生能源（風力發電機和太陽能發電場）
備用電池系統
交流電機變速驅動器
電動車
逆變器將直流電轉換為交流電

傳統上，直流電源轉換是通過電動發電機組實現的，其中使用直流電源運行的電機直接轉動發電機以產生所需的交流電源。與此相反，驅動直流發電機的交流電機稱為轉換器，因此當應用于直流到交流發電機組時，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械開關機構，該機制以適當的間隔切換直流電的極性。

大多數現代逆變器都用作固態設備，不需要移動部件即可將直流電轉換為交流電。這使他們能夠創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雜，可以提供可靠的電力，甚至能夠為敏感的電氣設備供電。清潔的正弦電源對于使用逆變器提供的交流電的電機和敏感設備的使用壽命非常重要。

逆變器如何工作？

大多數現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生交流電，因為原則上，交流電源是在特定頻率下切換極性的電流。

H 橋由四個開關組成，可用于通過 H 形電路切換負載的極性，因此電流可以根據開關方向沿任一方向流過 H 這些電路通常用于反轉電機極性，如下圖所示。

用于電機控制的H橋電路

圖2.一個簡單的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應提供的波形不同。

當直流電源極性通過H橋切換時，得到的波形是方形的。對于某些應用，只要波頻在適當的范圍內，方波形就不會有害，但是，對于更敏感的電氣設備和交流電機的運行，它們可能會出現問題。這些敏感的電子設備需要純正弦交流電波形才能正常運行和延長使用壽命，因為方波會損壞某些設備。

逆變器的種類

逆變器可以根據它們產生的交流電源類型進行分類。電網產生的交流電是純正弦形狀的，根據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，它們無法直接實現正弦波形。所添加元件的復雜性決定了每種逆變器產生的波形。逆變器產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直觀，每個逆變器的成本與它們實現正弦交流波形的接近程度直接相關。

方波逆變器

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

根據應用的不同，方波逆變器可以創建一種簡單且經濟高效的方式將直流電轉換為交流電，只要被供電的設備不受非正弦波形交流電的不利影響。

改進的正弦波逆變器

改進的正弦波逆變器使用 H 橋電路和高速開關。在改進的正弦波逆變器中，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脈沖（稱為脈寬調制或PWM）來切換電源，以便任何時間段的平均電壓模擬波周期中正弦功率的預期電壓。

這種開關作用的結果是一個階梯階梯波形，其形狀更接近正弦波的形狀，但它仍然不完全是正弦波。對于許多應用，這種類型的交流電源是可以接受的，并且可用于大多數類型的電子和電機應用。

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的正弦波逆變器相同，但是需要額外的電子元件來進一步將改進后的正弦波細化為與電網電源非常相似的波。為了實現這一點，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產生的電力。純正弦波逆變器產生的功率對于敏感設備具有更高的質量，但與改進的正弦波或方波逆變器相比，效率較低。