一、逆變器的定義

逆變器，作為一種電力電子設(shè)備，其核心功能是將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）。具體來說，逆變器能夠?qū)㈦姵?、蓄電瓶等直?a target="_blank">電源輸出的電能，轉(zhuǎn)換為具有特定頻率和電壓的交流電，通常用于家庭、工業(yè)、交通等多個領(lǐng)域。逆變器因其廣泛的應(yīng)用和重要的轉(zhuǎn)換功能，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。

逆變器的工作原理基于半導體器件（如場效應(yīng)管、晶閘管、IGBT、MOSFET等）的開關(guān)特性，通過快速切換這些器件的導通和關(guān)斷狀態(tài)，實現(xiàn)對電源電壓和電流的控制，從而輸出符合要求的交流電。逆變器輸出的交流電可以是定頻定壓，也可以是調(diào)頻調(diào)壓，以適應(yīng)不同電器設(shè)備的需求。

二、逆變器的工作原理

逆變器的工作原理可以概括為以下幾個步驟：

1. 直流電源輸入 ：逆變器接收來自電池、蓄電瓶等直流電源的電能。這些直流電源提供的電壓和電流通常較低，需要通過逆變器進行轉(zhuǎn)換。
2. 整流與濾波 ：雖然逆變器的主要任務(wù)是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，但在某些情況下，輸入的直流電可能包含一定的波動或噪聲。因此，逆變器內(nèi)部通常會包含整流和濾波電路，以確保輸入電能的穩(wěn)定性和純凈性。整流電路將輸入的交流電（如果有的話）轉(zhuǎn)換為直流電，而濾波電路則進一步濾除直流電中的高頻噪聲和波動。
3. 逆變過程 ：逆變過程是逆變器的核心。在這一階段，逆變器利用半導體器件的開關(guān)特性，通過快速切換這些器件的導通和關(guān)斷狀態(tài)，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。具體來說，逆變器中的控制邏輯會根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和參數(shù)，生成一系列高頻脈沖信號，控制逆變橋中的開關(guān)器件按照特定的順序和頻率進行導通和關(guān)斷。這樣，直流電源就被轉(zhuǎn)換成了具有特定頻率和電壓的交流電。
4. 輸出濾波與調(diào)整 ：逆變過程產(chǎn)生的交流電可能包含一定的諧波和噪聲。為了得到更加純凈和穩(wěn)定的交流電輸出，逆變器內(nèi)部還會包含輸出濾波電路。這些濾波電路通常由電感、電容等元件組成，能夠濾除交流電中的高頻諧波和噪聲，提高輸出電壓的波形質(zhì)量和穩(wěn)定性。
5. 保護與控制 ：逆變器內(nèi)部還包含保護電路和控制電路。保護電路用于監(jiān)測逆變器的運行狀態(tài)和輸出電壓、電流等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況（如過壓、過流、短路、過熱等），就會立即切斷逆變器的輸出，以保護逆變器和負載設(shè)備的安全?？刂齐娐穭t負責逆變器的整體控制和調(diào)節(jié)，包括逆變過程的控制、輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)等。

三、逆變器的結(jié)構(gòu)組成

逆變器的結(jié)構(gòu)組成相對復雜，但主要可以歸納為以下幾個部分：

1. 輸入濾波器 ：輸入濾波器是逆變器的重要組成部分，其作用是濾除直流電源中的高頻噪聲和波動，確保逆變器輸入電能的穩(wěn)定性和純凈性。輸入濾波器通常由電容、電感等無源元件組成，有時也會加入有源濾波器以提高濾波效果。
2. 直流母線 ：直流母線是連接輸入濾波器和逆變橋的重要部分，它起到穩(wěn)定直流電壓、儲存能量的作用。直流母線上通常會并聯(lián)一個大容量的電解電容，以減小直流電壓的波動和干擾。
3. 逆變橋 ：逆變橋是逆變器的核心部分，負責將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。逆變橋通常由四個功率開關(guān)器件（如IGBT、MOSFET等）組成，這些開關(guān)器件按照特定的順序和頻率進行導通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)對直流電壓的斬波和交流電壓的輸出。逆變橋的設(shè)計和控制對逆變器的性能和效率具有重要影響。
4. 輸出濾波器 ：輸出濾波器用于濾除逆變器輸出的交流電壓中的高頻諧波和噪聲，提高輸出電壓的波形質(zhì)量和穩(wěn)定性。輸出濾波器通常由電感、電容等無源元件組成，有時也會加入有源濾波器以提高濾波效果。
5. 控制器 ：控制器是逆變器的核心部件之一，用于實現(xiàn)逆變器的功率控制和各種算法控制。控制器通常由微處理器、信號處理電路、驅(qū)動電路等組成，通過對逆變橋中開關(guān)器件的控制，實現(xiàn)正弦波輸出、頻率調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)等功能?？刂破鬟€負責監(jiān)測逆變器的運行狀態(tài)和輸出電壓、電流等參數(shù)，并根據(jù)需要進行保護和控制。
6. 保護電路 ：保護電路是逆變器的安全屏障，負責對逆變器進行過壓、過流、短路、過熱等保護。保護電路通常由電壓檢測、電流檢測、溫度檢測等傳感器和相應(yīng)的保護執(zhí)行器件（如繼電器、保險絲等）組成。當逆變器出現(xiàn)異常情況時，保護電路會迅速切斷逆變器的輸出，以保證系統(tǒng)的安全運行。
7. 散熱器 ：由于逆變器在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，為了保證逆變器的穩(wěn)定運行和延長使用壽命，需要設(shè)置散熱器。散熱器通常包括散熱片、風扇等部件，通過傳導、對流、輻射等方式將逆變器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。

四、逆變器的應(yīng)用領(lǐng)域

逆變器因其能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的特性，在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：

1. 家庭及便攜式設(shè)備 ：
   • 太陽能光伏系統(tǒng)：在家庭太陽能光伏系統(tǒng)中，逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供家庭電器使用。這種應(yīng)用不僅環(huán)保節(jié)能，還能減少對電網(wǎng)的依賴。
   • 車載逆變器：車載逆變器可以將汽車電瓶的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為筆記本電腦、手機、電熱水壺等家用電器供電，方便用戶在旅途中使用。
   • 便攜式電源：戶外探險、露營等活動中，便攜式逆變器可以將大容量電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為各種設(shè)備提供電力支持。
2. 工業(yè)領(lǐng)域 ：
   • 自動化生產(chǎn)線：在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，逆變器常用于驅(qū)動電機、控制機器人等設(shè)備，實現(xiàn)精確的位置和速度控制。
   • 電網(wǎng)儲能系統(tǒng)：電網(wǎng)儲能系統(tǒng)通過逆變器將電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，與電網(wǎng)進行交互，實現(xiàn)電能的儲存和釋放，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。
   • 不間斷電源（UPS）：UPS系統(tǒng)中的逆變器在市電停電時，將電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為關(guān)鍵設(shè)備提供持續(xù)供電，保障數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
3. 交通領(lǐng)域 ：
   • 電動汽車：電動汽車中的逆變器將電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電動機工作，實現(xiàn)車輛的行駛。逆變器的性能直接影響電動汽車的加速性能、續(xù)航里程和駕駛體驗。
   • 軌道交通：在軌道交通系統(tǒng)中，逆變器也扮演著重要角色。它們不僅用于驅(qū)動列車電機，還參與列車的制動和能量回收過程，提高列車的運行效率和能源利用率。
4. 通信與數(shù)據(jù)中心 ：
   • 通信基站：通信基站中的逆變器為基站設(shè)備提供穩(wěn)定的交流電源，確保通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行。在偏遠地區(qū)或電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)，逆變器還可以配合太陽能光伏系統(tǒng)使用，實現(xiàn)自給自足的供電方式。
   • 數(shù)據(jù)中心：數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)和云計算的基礎(chǔ)設(shè)施，對電力供應(yīng)的要求極高。逆變器在數(shù)據(jù)中心中用于將備用電源（如柴油發(fā)電機或電池組）的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為數(shù)據(jù)中心提供不間斷的電力支持，保障數(shù)據(jù)的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

五、逆變器技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技的進步和需求的不斷變化，逆變器技術(shù)也在不斷發(fā)展。以下是逆變器技術(shù)的一些發(fā)展趨勢：

1. 高效化與智能化 ：
   • 提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率是永恒的追求。未來逆變器將采用更先進的半導體材料和拓撲結(jié)構(gòu)，以及更優(yōu)化的控制算法，以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和更低的損耗。
   • 智能化是逆變器技術(shù)的另一個重要發(fā)展方向。未來的逆變器將具備更強的自我診斷、自我修復和自我優(yōu)化能力，能夠?qū)崟r監(jiān)測運行狀態(tài)、預(yù)測故障并提前采取措施避免停機。同時，逆變器還將與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、智能調(diào)度和能源管理等功能。
2. 模塊化與集成化 ：
   • 模塊化設(shè)計可以提高逆變器的可維護性和可擴展性。通過將逆變器劃分為多個獨立的模塊，可以方便地更換故障模塊而無需停機整個系統(tǒng)。此外，模塊化設(shè)計還有利于逆變器的標準化和批量生產(chǎn)，降低成本并提高質(zhì)量。
   • 集成化則是將逆變器的多個功能部件（如控制器、保護電路、散熱器等）集成在一起，減少體積和重量，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。未來逆變器將更加緊湊、輕便且易于安裝和維護。
3. 高可靠性與長壽命 ：
   • 可靠性和壽命是逆變器的重要指標之一。未來逆變器將采用更可靠的材料和工藝，以及更嚴格的測試標準，以確保在各種惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定運行。同時，逆變器還將采用更先進的熱管理和故障保護技術(shù)，延長使用壽命并降低故障率。
4. 綠色化與環(huán)保 ：
   • 隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，綠色化已成為逆變器技術(shù)的重要發(fā)展方向。未來逆變器將更加注重節(jié)能減排和環(huán)保性能，采用更高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)和更低的能耗設(shè)計，減少對環(huán)境的影響。同時，逆變器還將與可再生能源技術(shù)相結(jié)合，推動綠色能源的應(yīng)用和發(fā)展。

綜上所述，逆變器作為電力電子設(shè)備中的重要組成部分，在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和重要的作用。隨著科技的不斷進步和需求的不斷變化，逆變器技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。未來逆變器將更加高效、智能、模塊化和集成化，為各個領(lǐng)域的電力供應(yīng)和能源管理提供更加優(yōu)質(zhì)和可靠的解決方案。

六、簡單逆變器電路圖

1、使用CD4047和ULN2003的簡單逆變器電路圖（1)

逆變器是一種將直流（DC）電壓轉(zhuǎn)換為交流（AC）電壓的電氣設(shè)備，常見的電器稱為逆變器。直流應(yīng)用中使用了幾種微型設(shè)備，例如太陽能發(fā)電系統(tǒng)。逆變器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。實際上，所有家用電器以及其他電氣設(shè)備都可以使用交流電源運行。因此，在本教程中，我們將“使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路”

這個使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路有兩級。第一級是多諧振蕩器級，它使用 IC CD4047 生成具有高峰值電壓的自由運行非穩(wěn)定脈沖。第二級是功率開關(guān)級，它使用 IC ULN2003 來處理 500mA 電流，最適合感性負載驅(qū)動。

一組三個通道連接到 CD4047 的引腳 11 和引腳 10) 輸出。 ULN2003 輸出連接到變壓器的次級繞組，中心抽頭引腳連接到 12V 電源。脈動交流電由變壓器的初級繞組提供（負載連接在初級繞組端子之間）。電路中電位器的作用是改變輸出的頻率和電壓范圍。

2、使用CD4047和ULN2003的簡單逆變器電路圖（2)

在本教程中，我們將制作一個“使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路”。電源逆變器是一種電力電子設(shè)備或電路，可將直流電 (DC) 轉(zhuǎn)換為交流電 (AC)。所獲得的交流頻率取決于所使用的特定設(shè)備。輸入電壓、輸出電壓和頻率以及總體功率處理取決于特定設(shè)備或電路的設(shè)計。逆變器不產(chǎn)生任何功率；它由直流電源提供。由于逆變器電路使用電池的可用直流電壓提供交流電源輸出。有時我們需要足夠低的功率輸出，以驅(qū)動小型電燈泡或不需要純交流電源的東西。這里我們設(shè)計一個簡單的逆變電路，以避免低壓應(yīng)用中復雜的純正弦波逆變器和 PWM 逆變器。

正如我們在電路中看到的，它具有三個簡單的階段。第一階段，我們使用IC CD404設(shè)計了一個多諧振蕩器。它產(chǎn)生具有高峰值電壓的自由運行的非穩(wěn)定脈沖。然后第二級是功率開關(guān)級，其中我們使用IC ULN2003（七達林頓陣列）。它可處理 500mA 電流，最適合感性負載驅(qū)動?，F(xiàn)在一組三個通道連接到 CD4047 的（Q 條引腳 11）和（Q 引腳 10）輸出。 ULN2003 的輸出連接到變壓器 X1 次級繞組 (9V – 0 – 9V)，中心抽頭引腳連接到 12V 電源。變壓器初級繞組提供升壓脈動交流電（負載連接在初級繞組端子之間）。為了簡化設(shè)計，沒有開關(guān)、保險絲或 MOV（金屬氧化物變阻器）。我們可以通過改變VR1電阻值來改變輸出交流電源的頻率和電壓范圍。處理該電路時要格外小心，因為它會產(chǎn)生可能造成致命電擊的高交流電壓。

3、使用IC 555的簡單逆變器電路圖

假設(shè)您正在進行直流供電項目，突然意識到電路中需要交流組件。交流燈或交流電機可能是問題的根源。在這個情況下，你會怎么做？為此，您需要交流電源，但您的設(shè)備已經(jīng)有直流電源。因此，您需要一個交流逆變器電路。因此，我們創(chuàng)建了這個有趣的“使用 IC 555 的簡單逆變器電路”來幫助您理解整個電路。

它只需要一些可以以低速率輕松訪問的組件。以下電路只需稍作修改即可用于 UPS 和其他直流-交流轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

這個使用 IC 555 的簡單逆變器電路中的主要組件是定時器 IC555，它被設(shè)置為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器以提供連續(xù)的開關(guān)脈沖。兩個開關(guān)晶體管TIP41A（NPN）和TIP42A（PNP）根據(jù)基極輸入的脈沖來驅(qū)動變壓器。 T1 是一個 230V 初級至 9V 次級變壓器，反向接線可用作升壓變壓器。我們可以向該電路提供5V至15V的直流偏置，以獲得50Hz至60Hz的110V至230V交流電，但輸出可能不像PWM逆變器輸出那樣是純正弦波；相反，它將是脈動交流電。 VR1電位器用于改變該電路的輸出頻率。因此，可以通過調(diào)節(jié)該電位器來調(diào)節(jié)頻率。

七、帶Arduino的逆變器設(shè)計（1）

逆變器電路對于在我們需要時產(chǎn)生交流電源非常有幫助，并且它使用來自電池源的最低水平的直流偏置。該Arduino逆變器電路可用于將12V DC電源轉(zhuǎn)換為220V AC或230V AC，通過降低開關(guān)頻率，我們可以從逆變降壓變壓器獲得不同級別的AC輸出。

這里使用Arduino板設(shè)計了簡單可靠的逆變電路，我們可以對Arduino進行編程以獲得步進交流輸出、修正正弦波交流輸出或純正弦波輸出，也可以對Arduino板進行編程以帶來不同范圍的頻率輸出。

這個逆變器電路有三級和一個12V 5.0Ah SLA電池作為直流偏置，為了顯示這個電路簡單和整潔我已經(jīng)刪除了電池充電器電路。

該電路的第一級是 Arduino 微控制器板，它被編程為提供 SPWM（正弦脈寬調(diào)制），或者您可以修改代碼以從 Arduino 引腳產(chǎn)生不同的輸出。

第二級是開關(guān)和驅(qū)動級，來自 Arduino 數(shù)字引腳的輸出脈沖被饋送到開關(guān)晶體管 SL100 npn，然后為 MOSFET IRF540 供電。

第三級是一個輸出級，由中心抽頭變壓器（230 VAC 初級/12-0-12 VAC 次級）構(gòu)成，與驅(qū)動電路反向連接，次級（12-0-12 VAC）連接到功率 MOSFET 和變壓器初級側(cè)提供輸出電源。

當與該電路穩(wěn)壓器812連接的電池給Arduino板供電并開始產(chǎn)生輸出脈沖（取決于草圖）時，脈沖驅(qū)動晶體管SL100和功率MOSFET IRF540以及與MOSFET連接的變壓器次級繞組獲得離散能量并相互感應(yīng)大量的初級繞組，眾所周知，由于大量的繞組和變化的磁場，它產(chǎn)生高壓交流輸出。

Arduino逆變器代碼

此代碼在arduino uno板的引腳D9和D10處產(chǎn)生SPWM，您可以修改和注釋您更好的arduino代碼。

const int SpwmArry[] = {500,500,750,500,1250,500,2000,500,1250,500,750,500,500}; // Array of SPWM values.
const int SpwmArryValues = 13; //Put length of an Array depends on SpwmArray numbers. 
// Declare the output pins and choose PWM pins only
const int sPWMpin1 = 10;
const int sPWMpin2 = 9;
// enabling bool status of Spwm pins
bool sPWMpin1Status = true;
bool sPWMpin2Status = true;

void setup()
{
 pinMode(sPWMpin1, OUTPUT);
 pinMode(sPWMpin2, OUTPUT);
}

void loop()
{
 // Loop for Spwm pin 1
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin1Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = true;
  }
 }
 
 // Loop for Spwm pin 2 
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin2Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = true;
  }
 }
}

八、帶Arduino的逆變器設(shè)計（2）

該電路涉及處理高壓交流電源時要格外小心。簡單的Arduino電源逆變器電路由少量晶體管和降壓變壓器制成，通過調(diào)整Arduino數(shù)字引腳的定時脈沖輸出，能夠提供200V至230V的交流輸出電源。我們知道逆變器電路是非常有用的一種，可以通過使用電池或任何來源的較低直流電源輸入來獲得高壓交流電。

讓我們了解一下有關(guān)電子逆變器電路的一些基本知識，通常逆變器用于從低壓直流電源獲得高壓交流電源。設(shè)計逆變器的關(guān)鍵組件是，

1. 輸入直流電源
2. 開關(guān)電路
3. 高頻開關(guān)脈沖
4. 變壓器

這里的第一件事是輸入直流電源來自電池（對于獨立或基于太陽能的逆變器）或來自適配器。然后我們需要開關(guān)電路，可以由功率晶體管或功率MOSFET制成，設(shè)計開關(guān)電路的條件需要足夠快并且能夠處理高功率，所以在Arduino逆變器電路中我們使用功率晶體管TIP31C。

為了生成高頻開關(guān)脈沖，我們使用 Arduino UNO 板（您可以使用任何 Arduino 板）并獲取代碼在兩個 Arduino 數(shù)字引腳中產(chǎn)生高頻開和關(guān)（高和低）脈沖。

最后是變壓器，對于任何逆變器電路，我們都需要升壓變壓器通過使用電感方法來增加電壓，因此我們將降壓變壓器逆變?yōu)榈驮褦?shù)次級作為輸入，高匝數(shù)初級側(cè)作為輸出。因此，次級繞組中產(chǎn)生的磁通量會切割初級繞組（高繞組數(shù)）并產(chǎn)生高電壓。

Arduino電源逆變器電路圖

該電路設(shè)計用于從最小 12V 直流電源獲得 200V 交流至 230V 交流輸出電源。 Arduino 數(shù)字引腳 2 和 4 被編程為在循環(huán)模式下每 150 微秒產(chǎn)生高電平和低電平定時脈沖。然后這個定時脈沖與晶體管Q1、Q2基極端相連，這兩個晶體管充當開關(guān)并產(chǎn)生足以驅(qū)動TIP31C晶體管的高壓脈沖。兩個TIP31C的集電極端子與變壓器次級連接，通過使用+12V輸入到中心抽頭端子來感應(yīng)磁通量。

對于來自 Arduino 的每個高電平和低電平定時脈沖，這兩個 TIP31C 晶體管打開和關(guān)閉，然后允許電源 (+12V) 通過次級繞組的中心抽頭到達 GND 并產(chǎn)生磁通量，這種快速變化的磁通量足夠高以感應(yīng)電壓在初級繞組。因此，我們在初級端子處接收到高交流電源。

簡單的Arduino電源逆變器電路代碼

/*
  Arduino Power Inverter Circuit

  Made with Power transistor TIP31C and General purpose Transistor BC547

  It can turn 12V DC input to 230V AC output
 Link: https://theorycircuit.com/power-circuits/Simple-Arduino-Power-Inverter-Circuit/
 by theoryCIRCUIT
 
*/

void setup() {
  // initialize digital pin 2 and 4 as an output.
  pinMode(2, OUTPUT);
   pinMode(4, OUTPUT);
}

// Making Switching Pulse to drive Transformer Secodary through Transistors
void loop() {
  digitalWrite(2, HIGH);   
  digitalWrite(4, LOW);    
  delayMicroseconds(150);   // delay in micro seconds
  digitalWrite(4, HIGH);   
  digitalWrite(2, LOW);    
  delayMicroseconds(150);  // delay in micro seconds
}

調(diào)整延遲微秒(150);獲得不同級別的輸出交流電壓的數(shù)字。