功率逆变器:需要知道的要点

关键的外卖

• 学习基本的逆变器输入输出方案

• 逆变器的种类以及它们是如何创建的

• 用于消费类功率逆变器和其他应用

功率逆变器是将直流电源转换为交流电源的有用设备。

逆变器是将直流电(DC)转换为交流电(AC)的设备。它们从直流电源获取电能，并将其转换为电能;它们不产生任何额外的能量，因此不是发电机。输入和输出电压和频率是特定于每个单独的逆变器和他们的设计任务。应用于高电流和高电压的逆变器被称为功率逆变器。应用于低电流和低电压的逆变器被称为振荡器。相反，将交流电转换为直流电的电路称为整流器。在本文中，我们将深入研究逆变器及其功能、设计和应用。

逆变器功能:输入和输出

逆变器有一个直流输入，一个特定的频率和交流电压水平，这取决于他们的设计负载。

逆变器采用稳定的直流电源作为输入。常见的输入值范围从低电压到数百，这取决于逆变器的设计。例如，12v DC输入通常用于由可充电铅酸电池或其他汽车电源插座供电的消费级和商用逆变器。家庭能源系统可能使用24、36或48 V DC，而光伏太阳能电池板中的逆变器可能有200至400 V输入。在高压直流输电系统中，有些逆变器可达数十万伏。

逆变器输出的交流信号通常是正弦波，方波，或修改准正弦波，这取决于应用。旨在复制市电功率的逆变器信号输出通常在120或240 VAC下为50或60 Hz，以匹配标准电源线频率和电压。在输出需要进一步处理或提升的情况下，为了变压器效率，输出频率可能要高得多。

逆变器功率限制的额定值以瓦或千瓦表示。这个值描述了逆变器可以驱动的功率和直流电源所需的功率(不包括低效率)。

逆变器负载

逆变器用于为需要交流电源的负载供电。交流负载的两种类型是单相和三相负载，因此每种类型的负载都有设计的逆变器。

逆变器波形与设计

通常，逆变器产生三种波形之一:方波、正弦波或准正弦波。

1. 方波逆变器使用最少，但设计最简单。方波输出可用于为各种家用电器或其他设备供电。使用方波交流电源为设备供电会导致更低效率和损耗。
2. 正弦波逆变器通常用于住宅商业应用，是最高效的类型，但它们设计复杂且成本高昂。它们产生纯正弦波，类似于电网供电。正弦波逆变器的损耗最小。
3. 改进的正弦波或准正弦波逆变器产生一系列类似正弦波但不平滑的步骤。最基本的是两个延迟四分之一周期的方波的和，产生一个具有三个层次的波:峰值为负，峰值为零，峰值为正。许多廉价的消费级功率逆变器产生改良的正弦波，而不是纯正弦波。在复杂性和效率方面，它们介于方波和正弦波逆变器之间。

逆变器设计

逆变器的设计取决于所需的负载和感兴趣的交流波形。

方形波

h型桥的结构(以红色突出显示)。从维基百科．

对于单相负载，逆变器可采用半桥逆变器或全h桥设计。采用半桥结构时，负载的两侧各使用两个晶体管。这适用于电子拨动开关，如MOSFET，并且不能切换施加到负载的电压极性。

对于全桥配置，如上图所示，交换机是成对打开的。S1和S4得到+V_在而S3和S2 -V_在通过负载供电。

逆变器设计用于三相负载。从维基百科．

三相逆变器一般用于变频驱动应用如机动驾驶。它们由三个单相逆变器开关组成，每个开关都连接到三个负载端子中的一个，如上图所示。

修正方波和准正弦波

对于三相逆变器，有6步(23-2状态)开关序列，导致负载的2个任意端口上有3个可能的电压等级。

两个六步三相逆变器并联将产生更高的额定电流。将它们串联起来会产生更高的额定电压。输出波形形状也得到了改善，更像一个正弦波增加额外的逆变器。

纯正弦波

蓝色PWM波用于创建过滤的正弦波(红色)。从维基百科．

创建正弦波的一个好选择是通过PWM和低通滤波器．开关必须以明显快于输出波所需频率的速率进行，但是开关越快，谐波含量就越能被控制。在这种方法中，使用一个能够极快切换的微控制器和一个反馈回路，可以很好地近似正弦波。

产生正弦波的其他方法包括使用振荡器架构带滤波或带后处理的振荡晶体。

消费型功率逆变器

一种电源逆变器，连接到车辆的直流端口。

功率逆变器可以作为独立设备购买，以满足消费者的各种需求。

家用电源逆变器

如果建筑物断电，逆变器可以帮助保持必要的电器运行。较小的设置可能涉及将汽车电池连接到逆变器上。逆变器将电源转换为交流电，然后供电器使用，从而耗尽电池。在这种情况下，保持汽车运行将保持电池充电，就像发电机一样。将2节12V汽车电池直接连接到逆变器上也可以在紧急情况下使用。

大型车辆用便携式逆变器

便携式逆变器可用于更大的车辆，如卡车，船只，rv等。一个永久安装的逆变器直接连接到电池，使用户可以轻松地运行他们的电脑和其他较大的电器。

工业用功率逆变器

逆变器也可用于离网工作场所和其他电力供应有限的地点。这些逆变器使用的电池比车辆的主电池还要大。电动工具在启动和使用期间通常需要短时间的高功率。在这种情况下，使用合适的重型逆变器能够提供输出功率来处理这些浪涌是一个好主意。

敏感电子器件用逆变器

一些设备，如自动取款机、专用计算机、网络设备和特定的音频和视频设备可能需要微处理器控制的纯正弦波。这确保了设备运行凉爽，持续时间更长，没有准正弦波造成的效率低下。在这种情况下，寻找提供纯正弦波输出的逆变器。

逆变器应用程序

逆变器在各种应用中使用，并内置在许多消费设备中。

• 正如我们所讨论的，它们可以与直流电源(如电池)作为交流电源，为设计用于市电操作的交流设备提供燃料。这可以用来创建一个不间断电源(UPS)，如果市电关闭。当电源恢复时，整流器就可以给电池充电。
• 逆变器也用于感应加热。交流市电先整流为直流电源，再由逆变器转换为高频交流电源，用于感应烹饪。
• 逆变器用于电击武器，通过高频变压器将9V直流电池的能量转换为数百或数千伏交流电压。然后将其整流并存储在电容器中，直到将电荷倾倒到脉冲变压器中触发，将最终电压提高到20 ~ 60 kV。
• 太阳能逆变器转换可变直流光伏太阳能电池板电池的输出转换成交流电，然后输入商业电网。太阳能逆变器可以是独立逆变器、并网逆变器、电池备份逆变器或智能混合逆变器。
• 逆变器也用于需要交流电源的电机速度控制器。电机调速包括工业电机驱动设备、电动车辆、轨道运输系统和其他电动工具。