逆變器是什么？

逆變器是一種至關(guān)重要的電源轉(zhuǎn)換裝置，主要由逆變橋、控制邏輯和濾波電路等組成。其核心作用在于將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，從而滿足各種需要交流電能的電器設(shè)備的運行需求。

從結(jié)構(gòu)上來看，逆變器的各個組成部分都有著特定的功能。逆變橋負責實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，通過一系列復雜的電子開關(guān)操作，將直流電轉(zhuǎn)化為具有特定頻率和波形的交流電?？刂七壿媱t精確地控制著逆變橋的工作狀態(tài)，確保輸出的交流電穩(wěn)定可靠，無論是電壓還是頻率都能保持在合適的范圍內(nèi)。濾波電路的作用也不可小覷，它能夠去除輸出交流波形中的雜波和噪聲，為電器設(shè)備提供更為純凈、穩(wěn)定的交流電壓輸出。

逆變器廣泛適用于多個領(lǐng)域。在家庭中，空調(diào)、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等電器設(shè)備都需要交流電才能正常工作，而逆變器就可以將電池等直流電源轉(zhuǎn)換為這些設(shè)備所需的交流電能。在汽車領(lǐng)域，逆變器的作用同樣重要。汽車逆變器可以讓車主在車內(nèi)使用各種用電設(shè)備，如手機充電、使用筆記本和游戲機以及電動工具等，相比點煙器的小電源來說，使用更加方便。太陽能領(lǐng)域中，太陽能逆變器分為離網(wǎng)太陽能發(fā)電逆變器和并網(wǎng)太陽能發(fā)電逆變器。離網(wǎng)太陽能發(fā)電逆變器主要用于偏遠沒有家庭用電的地區(qū)以及單獨的家庭用戶，并網(wǎng)太陽能發(fā)電逆變器主要用于沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。太陽能逆變器通過全橋電路和 SPWM 的處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波以及升壓等中間系統(tǒng)得到正弦交流電，為終端客戶提供電能，是光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。

此外，逆變器還可根據(jù)不同的應用場景進行分類。普通型逆變器通常是直流 12V 或 24V 輸入，交流 220V、50Hz 輸出，功率為 75~5000W，有些型號還具有交 - 直流轉(zhuǎn)換（UPS）功能。逆變 - 充電一體逆變器可以使用各種形式的電源為交流負載供電，當有交流電時，可采用交流電為負載供電或為蓄電池充電；當無交流電時，將蓄電池的電能逆變?yōu)榻涣麟姙榻涣髫撦d供電。通信專用逆變器為通信提供高品質(zhì)的 48V 電源，性能好、可靠性高，采用模塊式結(jié)構(gòu)并具有保護功能和可擴充性。航空、軍隊專用逆變器為直流 28V 輸入，可提供不同的交流輸出電壓和頻率，輸出功率范圍也較廣。光伏發(fā)電逆變器按光伏發(fā)電方式分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器。按照輸出波形，又可分為方波逆變器等，方波逆變器電路比較簡單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量少。

二、逆變器的歷史發(fā)展

逆變器的發(fā)展歷程源遠流長，其技術(shù)的不斷進步為現(xiàn)代電力應用提供了強大的支持。

1931 年文獻中提到逆變器技術(shù)，20 世紀 60 年代原理被發(fā)現(xiàn)。這一時期為逆變器技術(shù)的萌芽階段，為后續(xù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

1948 年美國西屋公司用汞弧整流器得到 3000Hz 感應加熱的變頻方法。這一創(chuàng)新為逆變器的實際應用邁出了重要的一步，雖然當時的逆變器體積大且可靠性差，但為后續(xù)的技術(shù)改進提供了方向。

1957 年可控硅問世，逆變器開始有所進展。隨著可控硅產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，到 1960 年以后逆變器的應用開始得到普遍推廣?？煽毓璧某霈F(xiàn)使得逆變器的性能得到了顯著提升，體積減小，可靠性增加。

1981 - 2000 年為高頻化新技術(shù)階段。這個階段的特點是以開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較高，波形改善以 PWM 為主，體積重量小，逆變效率高，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展日趨完善。這一時期的技術(shù)進步使得逆變器在各個領(lǐng)域的應用更加廣泛。

2000 年至今為高效低污染階段。這個階段的特點是以逆變器的綜合性能為主，低速與高速開關(guān)器件并用，多重疊加法與 PWM 法并用，不再單純追求高速開關(guān)器件應用與高開關(guān)頻率，著重于高效環(huán)保的逆變技術(shù)。這一階段的逆變器更加注重能源的高效利用和對環(huán)境的友好性，以滿足現(xiàn)代社會對可持續(xù)發(fā)展的需求。

三、逆變器的基本結(jié)構(gòu)

逆變器一般由 DCDC 升壓電路、DC/AC 逆變電路、邏輯控制、濾波電路等組成，各個部分協(xié)同工作，實現(xiàn)直流電到交流電的高效轉(zhuǎn)換。

1. DCDC 升壓電路

DCDC 升壓電路在逆變器中起著至關(guān)重要的作用。由于高頻變壓器的功率與體積成正比關(guān)系，為減小變壓器的體積，通常采用多個變壓器共同升壓的方式，把大功率均勻地分配到每個變壓器上。比如，采用 4 個相同變壓器初級線圈等效并聯(lián)、次級線圈串聯(lián)的方式組成升壓電路，理論上每組變壓器承載的功率為 250W，負責輸出 90V 的高頻脈沖電壓。

推挽電路中因為變壓器的存在，會出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象。所以在設(shè)計時要保證電路中的開關(guān)器件有充足的電流裕量，防止電路中電流突然變大燒壞器件。此電路中主要包含功率開關(guān)器件、高頻變壓器、整流二極管等元器件。推挽電路先將輸入的低壓直流電逆變升壓成高壓交流電，然后通過整流橋和濾波后得到 360V 的高壓直流電。推挽電路前級電路的輸入電壓為 24V，變換后輸出功率為 1000W，開關(guān)器件的工作頻率為 25kHz。當變壓器上端的 2 個 MOSFET 打開時，下端的 2 個 MOSFET 關(guān)斷，由于變壓器激勵作用，此時下端的 2 個 MOSFET 的柵 - 漏極電壓為輸入電壓的 2 倍，下端導通時則相反。高頻變壓器是升壓電路中重要的器件，在電路中不僅負責能量傳遞，同時也起到隔離的作用。高頻變壓器設(shè)計時主要考慮磁芯材料、磁芯型號、初 / 次級線圈匝數(shù)以及線圈線徑等方面。

2. DC/AC 逆變電路

后級 DC/AC 逆變電路結(jié)構(gòu)中，開關(guān)器件的通斷由 DSP 輸出信號控制。全橋逆變電路中，為了保護元器件，不允許同一橋臂的開關(guān)在同一時刻導通。通過 2 對開關(guān)器件交替導通的方式轉(zhuǎn)換直流電壓并輸出逆變電壓，逆變電壓經(jīng)過 LC 濾波器輸出交流電。

3. 邏輯控制

邏輯控制部分確保逆變器各個電路的有序運行。它精確地控制著開關(guān)器件的導通和關(guān)斷時間，以實現(xiàn)輸出交流電的穩(wěn)定和可靠。

4. 濾波電路

濾波電路用于去除輸出交流波形中的雜波和噪聲，為電器設(shè)備提供更為純凈、穩(wěn)定的交流電壓輸出。通常由電感和電容組成的低通濾波器能夠有效地平滑輸出波形，提高電能質(zhì)量。

此外，逆變器還包括輸入接口、輸出接口、電壓啟動回路、PWM 控制器、MOS 開關(guān)管、直流變換回路、反饋回路、LC 振蕩及輸出回路、過流過壓保護電路、溫度保護電路等。輸入接口部分通常有 3 個信號，包括 12V 直流輸入電壓、工作控制電壓和 Panel 電流控制信號。直流輸入電壓由 Adapter 輸出的直流提供，工作控制電壓由主板上的控制芯片提供，當工作控制電壓為 0 時，逆變器不工作，而工作控制電壓為 3V 時，逆變器處于正常工作狀態(tài)。電流控制信號電壓由主板提供，其變化范圍在 0～5V 之間，將不同的電流控制信號值反饋給 PWM 控制器反饋端，逆變器向負載提供的電流也將不同，電流控制信號值越小，逆變器輸出的電流就越大。

電壓啟動回路在工作控制電壓為高電平時，輸出高壓去點亮 Panel 的背光燈燈管。PWM 控制器有內(nèi)部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和 PWM、過壓保護、欠壓保護、短路保護、輸出晶體管等功能組成。直流變換由 MOS 開關(guān)管和儲能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經(jīng)過推挽放大器放大后驅(qū)動 MOS 管做開關(guān)動作，使得直流電壓對電感進行充放電，這樣電感的另一端就能得到交流電壓。LC 振蕩及輸出回路保證燈管啟動需要的 1500V 電壓，并在燈管啟動以后將電壓降至 800V。輸出電壓反饋部分當負載工作時，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定逆變器電壓輸出的作用。

四、逆變器的工作原理

逆變器作為一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理主要涉及 DC/DC 升壓電路、DC/AC 逆變電路以及控制器等部分。

1. DC/DC 升壓電路

逆變器中的 DC/DC 升壓電路通常采用多個變壓器共同升壓的方式，把大功率均勻分配到每個變壓器上。這樣可以減小變壓器的體積，提高效率。例如，采用 4 個相同變壓器初級線圈等效并聯(lián)、次級線圈串聯(lián)的方式組成升壓電路，理論上每組變壓器承載的功率為 250W，負責輸出 90V 的高頻脈沖電壓。

在推挽電路中，由于變壓器的存在會出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象。因此，在設(shè)計時要保證開關(guān)器件有充足的電流裕量，防止電路中電流突然變大燒壞器件。此電路中主要包含功率開關(guān)器件、高頻變壓器、整流二極管等元器件。推挽電路先將輸入的低壓直流電逆變升壓成高壓交流電，然后通過整流橋和濾波后得到 360V 的高壓直流電。推挽電路前級電路的輸入電壓為 24V，變換后輸出功率為 1000W，開關(guān)器件的工作頻率為 25kHz。當變壓器上端的 2 個 MOSFET 打開時，下端的 2 個 MOSFET 關(guān)斷，由于變壓器激勵作用，此時下端的 2 個 MOSFET 的柵 - 漏極電壓為輸入電壓的 2 倍，下端導通時則相反。

高頻變壓器在電路中不僅負責能量傳遞，同時也起到隔離的作用。高頻變壓器設(shè)計時主要考慮磁芯材料、磁芯型號、初 / 次級線圈匝數(shù)以及線圈線徑等方面。

2. DC/AC 逆變電路

后級 DC/AC 逆變電路中，開關(guān)器件的通斷由 DSP 輸出信號控制。在全橋逆變電路中，為了保護元器件，不允許同一橋臂的開關(guān)在同一時刻導通。通過兩對開關(guān)器件交替導通的方式轉(zhuǎn)換直流電壓并輸出逆變電壓，逆變電壓經(jīng)過 LC 濾波器輸出交流電。

3. 控制器

系統(tǒng)采用開關(guān)電源控制器對升壓電路的輸出電壓進行調(diào)節(jié)。將輸出電壓與參考電壓進行比較，獲得誤差信號輸入控制器，由控制器調(diào)節(jié) PWM 驅(qū)動信號的占空比，完成整流輸出電壓的閉環(huán)控制。這樣可以確保輸出的交流電穩(wěn)定可靠，無論是電壓還是頻率都能保持在合適的范圍內(nèi)。

五、逆變器的主要分類

1. 按照應用

普通型逆變器：直流 12V 或 24V 輸入，交流 220V、50Hz 輸出，功率為 75~5000W，有些型號還具有交 - 直流轉(zhuǎn)換（UPS）功能，廣泛應用于家庭及一些小型商業(yè)場所，為眾多電器設(shè)備提供交流電能。

逆變 - 充電一體逆變器：可使用各種形式的電源為交流負載供電，當有交流電時，可采用交流電為負載供電或為蓄電池充電；當無交流電時，將蓄電池的電能逆變?yōu)榻涣麟姙榻涣髫撦d供電，為用戶提供了極大的便利，適用于多種場景，如房車等。

通信專用逆變器：為通信提供高品質(zhì)的 48V 電源，性能好、可靠性高，采用模塊式結(jié)構(gòu)并具有保護功能和可擴充性，主要應用于郵電通信領(lǐng)域，為各種通信設(shè)備提供穩(wěn)定的電力支持。

航空軍隊專用逆變器：為直流 28V 輸入，可提供不同的交流輸出電壓和頻率，輸出功率范圍也較廣，滿足航空和軍隊領(lǐng)域?qū)μ囟娫吹膰栏褚蟆?/p>

光伏發(fā)電逆變器：分為離網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器和并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器。離網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器主要用于偏遠沒有家庭用電的地區(qū)以及單獨的家庭用戶；并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器主要用于沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)，是光伏風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。

2. 按照輸出波形

方波逆變器：電路比較簡單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量少。輸出的交流電壓波形為方波，優(yōu)點是線路簡單、價格便宜、維修方便；缺點是由于方波電壓中含有大量高次諧波，在帶有鐵心電感或變壓器的負載用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對收音機和某些通訊設(shè)備有干擾，此外，調(diào)壓范圍不夠?qū)挘Ｗo功能不夠完善，噪聲比較大。

六、逆變器的作用

將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動工具等各種電器設(shè)備。

逆變器作為一種關(guān)鍵的電力轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電，滿足眾多電器設(shè)備的運行需求。例如，在家庭中，空調(diào)需要交流電來驅(qū)動壓縮機進行制冷或制熱；家庭影院中的音響設(shè)備、投影儀等也都依賴交流電才能正常工作；電動工具如電鉆、電鋸等同樣需要交流電提供動力。逆變器通過高效的電力轉(zhuǎn)換，為這些電器設(shè)備提供了穩(wěn)定可靠的交流電源，使其能夠在各種場景下正常運行。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，將太陽能電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為符合國家標準的交流電，注入到電網(wǎng)中。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器起著至關(guān)重要的作用。太陽能電池板產(chǎn)生的是直流電，而電網(wǎng)需要的是交流電。逆變器能夠?qū)⑻柲茈姵匕遢敵龅闹绷麟娹D(zhuǎn)換為符合國家標準的交流電，實現(xiàn)太陽能發(fā)電與電網(wǎng)的連接。這樣，家庭或企業(yè)用戶可以將太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)中，不僅可以滿足自身的用電需求，還可以將多余的電能出售給電網(wǎng)，實現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，將風力發(fā)電機輸出的電流轉(zhuǎn)換為交流電。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器同樣扮演著關(guān)鍵角色。風力發(fā)電機產(chǎn)生的電流通常是不穩(wěn)定的直流電或交流電，需要通過逆變器進行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定。逆變器可以將風力發(fā)電機輸出的電流轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電，確保風力發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能。同時，逆變器還可以對風力發(fā)電機的輸出進行功率調(diào)節(jié)和控制，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。

可以在電網(wǎng)電源不可用的情況下，提供需要的交流電源，保障重要電力設(shè)備的持續(xù)運行。

當電網(wǎng)電源出現(xiàn)故障或不可用時，逆變器可以作為備用電源發(fā)揮重要作用。例如，在一些重要的醫(yī)療機構(gòu)、通信基站、數(shù)據(jù)中心等場所，需要保證電力設(shè)備的持續(xù)運行。逆變器可以利用蓄電池等直流電源，將其轉(zhuǎn)換為交流電，為這些重要的電力設(shè)備提供應急電源，確保關(guān)鍵業(yè)務的不間斷運行。此外，在一些偏遠地區(qū)或野外作業(yè)場所，電網(wǎng)覆蓋不到，逆變器也可以為各種設(shè)備提供交流電源，滿足生產(chǎn)和生活的需求。

作為變頻器，實現(xiàn)由直流電源驅(qū)動的電動機無極變速控制，達到節(jié)能降耗的目的。

逆變器還可以作為變頻器使用，實現(xiàn)對電動機的無極變速控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多電動機需要根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求進行調(diào)速。傳統(tǒng)的調(diào)速方式往往效率低下，浪費能源。而逆變器可以通過控制直流電源的輸出，實現(xiàn)電動機的無極變速控制，使電動機在不同的轉(zhuǎn)速下運行，從而達到節(jié)能降耗的目的。同時，逆變器還可以提高電動機的運行穩(wěn)定性和可靠性，延長電動機的使用壽命。

根據(jù)負載工作性質(zhì)實現(xiàn)電源電壓和電流的控制，提高電源效率和性能。

逆變器可以根據(jù)負載的工作性質(zhì)，對電源電壓和電流進行精確控制。不同的負載對電源的要求不同，有些負載需要高電壓、低電流，有些負載則需要低電壓、高電流。逆變器可以通過調(diào)整輸出電壓和電流，滿足不同負載的需求，提高電源的效率和性能。例如，在一些電子設(shè)備中，需要穩(wěn)定的電源電壓和電流來保證設(shè)備的正常運行。逆變器可以通過精確的控制，為這些設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，提高設(shè)備的可靠性和性能。

七、逆變器的用途和使用場景

逆變器作為一種重要的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，在多個領(lǐng)域都有著廣泛的用途和使用場景。

太陽能電池板：太陽能是一種清潔、可再生的能源，太陽能電池板能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為直流電能。然而，家庭供電和商業(yè)用電通常需要交流電能，這時逆變器就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，使得太陽能產(chǎn)生的電力可以方便地用于家庭和商業(yè)場所，為人們的生活和工作提供穩(wěn)定的電力支持。

風力發(fā)電：風力渦輪機產(chǎn)生的是三相交流電，但家庭和工商業(yè)使用的通常是單相電。逆變器可以將風力渦輪機產(chǎn)生的三相交流電轉(zhuǎn)換為家庭和工商業(yè)使用的單相電，滿足不同用戶的用電需求。通過逆變器的轉(zhuǎn)換，風力發(fā)電產(chǎn)生的電能可以更加高效地被利用，為人們的生產(chǎn)和生活提供綠色能源。

家庭用電：在一些特殊情況下，如使用太陽能電池板或風力發(fā)電機發(fā)電時，產(chǎn)生的是直流電。而家庭中大多數(shù)電器設(shè)備都需要交流電才能正常工作。逆變器可以將這些直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為家庭用電提供穩(wěn)定的電源。無論是在偏遠地區(qū)還是在追求綠色能源的家庭中，逆變器都能發(fā)揮重要作用，確保家庭電器設(shè)備的正常運行。

單相電壓供電的電器：空調(diào)、制冷機、照明等單相電壓供電的電器在人們的日常生活中不可或缺。逆變器可以為這些電器提供穩(wěn)定的電源，確保它們能夠正常運行。在一些特殊場合，如停電時或者在沒有電網(wǎng)覆蓋的地區(qū)，逆變器可以利用蓄電池等直流電源為這些電器供電，為人們的生活帶來便利。

醫(yī)療器械：在醫(yī)療領(lǐng)域，逆變器也有著廣泛的應用。醫(yī)用電動床、手術(shù)燈、醫(yī)療光源等醫(yī)療器械需要穩(wěn)定的電源才能正常工作。逆變器可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為這些醫(yī)療器械提供可靠的電力支持。逆變器的穩(wěn)定性和可靠性對于醫(yī)療設(shè)備的正常運行至關(guān)重要，它能夠確保醫(yī)療過程的安全和順利進行。

工業(yè)自動化控制：在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，逆變器同樣發(fā)揮著重要作用。電機控制、變頻調(diào)速等領(lǐng)域需要精確的電力控制，逆變器可以實現(xiàn)對電機的無極變速控制，達到節(jié)能降耗的目的。同時，逆變器還可以根據(jù)負載的工作性質(zhì)實現(xiàn)電源電壓和電流的控制，提高電源的效率和性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定、高效的電力支持。

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時間 2024/12/05

審核編輯 黃宇