将直流电转换为交流电：逆变器的基本原理

什么是逆变器？

大多数电源设计都包括一个称为整流器的部分，该整流器将输入的交流波转换为不稳定的直流电压。但是，我们不能总是依赖来自建筑物主电源的交流输入到我们的系统中。

逆变器是一种将直流电 （DC） 转换为交流电 （AC） 的设备。逆变器有许多用途和可以找到逆变器的常见地方，包括：

工业制造
可再生能源（风力发电机和太阳能发电场）
备用电池系统
交流电机变速驱动器
电动车
逆变器将直流电转换为交流电

传统上，直流电源转换是通过电动发电机组实现的，其中使用直流电源运行的电机直接转动发电机以产生所需的交流电源。与此相反，驱动直流发电机的交流电机称为转换器，因此当应用于直流到交流发电机组时，名称为逆变器，该名称被保留下来。另一种版本使用安装在真空管中的机械开关机构，该机制以适当的间隔切换直流电的极性。

大多数现代逆变器都用作固态设备，不需要移动部件即可将直流电转换为交流电。这使他们能够创造更高水平的可靠性并提供更好的效率。逆变器变得越来越复杂，可以提供可靠的电力，甚至能够为敏感的电气设备供电。清洁的正弦电源对于使用逆变器提供的交流电的电机和敏感设备的使用寿命非常重要。

逆变器如何工作？

大多数现代逆变器利用某种形式的 H 桥电路来改变直流电的极性。在大多数情况下，需要放大较低电压的直流电流以匹配它将提供的交流电的电压。切换直流电压的行为自然会产生交流电，因为原则上，交流电源是在特定频率下切换极性的电流。

H 桥由四个开关组成，可用于通过 H 形电路切换负载的极性，因此电流可以根据开关方向沿任一方向流过 H 这些电路通常用于反转电机极性，如下图所示。

用于电机控制的H桥电路

图2.一个简单的H桥电路可用于有效地切换直流极性。图片由作者提供

基本的 H 桥可以以正确的频率提供交流电，但功率输出的波形与电网应提供的波形不同。

当直流电源极性通过H桥切换时，得到的波形是方形的。对于某些应用，只要波频在适当的范围内，方波形就不会有害，但是，对于更敏感的电气设备和交流电机的运行，它们可能会出现问题。这些敏感的电子设备需要纯正弦交流电波形才能正常运行和延长使用寿命，因为方波会损坏某些设备。

逆变器的种类

逆变器可以根据它们产生的交流电源类型进行分类。电网产生的交流电是纯正弦形状的，根据正弦波的形状在高压和低压之间平滑交替。

由于基本的H桥在技术上只能正向或反向切换电压，因此在不添加元件的情况下，它们无法直接实现正弦波形。所添加元件的复杂性决定了每种逆变器产生的波形。逆变器产生的三种常见的波形是：

方波形
修正正弦波
纯正弦波

这些类型的逆变器的名称相当直观，每个逆变器的成本与它们实现正弦交流波形的接近程度直接相关。

方波逆变器

方波逆变器只是一个 H 桥开关电流极性，以创建正确周期和幅度的波形。由于这种逆变器产生的交流电源的性质，这种逆变器的应用受到限制。方波逆变器是简单的逆变器设计，具有低成本的特点，在某些情况下比改进的正弦波或纯正弦波逆变器具有更高的效率。

根据应用的不同，方波逆变器可以创建一种简单且经济高效的方式将直流电转换为交流电，只要被供电的设备不受非正弦波形交流电的不利影响。

改进的正弦波逆变器

改进的正弦波逆变器使用 H 桥电路和高速开关。在改进的正弦波逆变器中，直流电源通过 H 桥交替供电，而高速开关以平均电压模拟正弦波形交流电源的方式脉冲电流。微控制器使用不同的开关脉冲（称为脉宽调制或PWM）来切换电源，以便任何时间段的平均电压模拟波周期中正弦功率的预期电压。

这种开关作用的结果是一个阶梯阶梯波形，其形状更接近正弦波的形状，但它仍然不完全是正弦波。对于许多应用，这种类型的交流电源是可以接受的，并且可用于大多数类型的电子和电机应用。

比较纯正弦波和修正正弦波
纯正弦波逆变器

纯正弦波逆变器的工作原理与改进的正弦波逆变器相同，但是需要额外的电子元件来进一步将改进后的正弦波细化为与电网电源非常相似的波。为了实现这一点，修改后的正弦波输出通过LC电路。

基本的LC电路由电感器（L）和电容器（C）组成，电容器可以用作电谐振器，将并排的楼梯平滑成可通行的正弦形状。波形的形状就像电网产生的电力。纯正弦波逆变器产生的功率对于敏感设备具有更高的质量，但与改进的正弦波或方波逆变器相比，效率较低。