逆变器工工作原理

1、 毕业设计（论文） 题 目 逆变器工作原理 专 业 光伏材料应用技术 准考证号 0 学生姓名 徐 琦 目 录引言 11逆变器介绍 12逆变器的工作原理22.1逆变器原理22.2微型逆变器采用的技术53逆变器的主要部分83.1 输入接口部分83.2 电压启动回路93.3 PWM 控制器93.4 直流变换93.5 LC 振荡及输出回路93.6 输出电压馈93.7 安全性考核104逆变器功能作用105逆变器的分类116结论127参考文献136致谢14引言由于传统能源 的枯竭和人们对环境 的重视 ，电力系统正面临着巨大变革 ，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向。其中，光伏发电以其独特的优点 ，被公

2、认为技术含量高、最有发展前途的技术之一。但是光伏发 电系统存在着初期投资大 、成本较高等缺点，因而探索高性能 、低造价的新型光电转换材料 与器件 是其主要研究方 向之一。另一方面 ，进一步减少光伏发电系统 自身损耗 、提高运行效率 ，也是降低其发 电成本的一个重要途径 。逆变器效率的高低不仅影 响其 自身损耗，还影响到光 电转换器件以及系统其他设备的容量选择与合理配置 。因此 ，逆变器已成为影响光伏并 网发电系统经济可靠运行的关键因素 ，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率 、降低成本具有极其重要的意义。逆变器，英文inverter，是一种电源转换装置，可将12V或24V的直流电转换成23

3、0V、50Hz交流电或其它类型的交流电。它输出的交流电可用于各类设备.最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。逆变器又称逆变电源，是一种电源转换装置，可将12V或24V的直流电转换成240V、50Hz交流电或其它类型的交流电。它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。 有了逆变器，就可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。 小型逆变器还可

4、利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。1. 逆变器介绍逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,

5、反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送到电网中去。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦既THD（电流谐波畸变率）过大；移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。而PWM脉宽调制式逆变电源，既有电脑的电路，又可使输出电压波形，因而得到了广泛的应用。变器有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电

6、领域，逆变器有着不可替代的作用。 2. 逆变器的工作原理2.1逆变器原理利用TL494组成的400W大功率稳压逆变器电路。它激式变换部分采用TL494，VT1、VT2、VD3、VD4构成灌电流驱动电路，驱动两路各两只60V/30A的MOS FET开关管。如需提高输出功率，每路可采用34只开关管并联应用，电路不变。TL494在该逆变器中的应用方法如下： 图1 TL494组成的逆变器第1、2脚构成稳压取样、误差放大系统，正相输入端1脚输入逆变器次级取样绕组整流输出的15V直流电压，经R1、R2分压，使第1脚在逆变器正常工作时有近4.75.6V取样电压。反相输入端2脚输入5V基准电压(由14脚输出)

7、。当输出电压降低时，1脚电压降低，误差放大器输出低电平，通过PWM电路使输出电压升高。正常时1脚电压值为5.4V，2脚电压值为5V，3脚电压值为0.06V。此时输出AC电压为235V(方波电压)。第4脚外接R6、R4、C2设定死区时间。正常电压值为0.01V。第5、6脚外接CT、RT设定振荡器三角波频率为100Hz。正常时5脚电压值为1.75V，6脚电压值为3.73V。第7脚为共地。第8、11脚为内部驱动输出三极管集电极，第12脚为TL494前级供电端，此三端通过开关S控制TL494的启动/停止，作为逆变器的控制开关。当S1关断时，TL494无输出脉冲，因此开关管VT4VT6无任何电流。S1接

8、通时，此三脚电压值为蓄电池的正极电压。第9、10脚为内部驱动级三极管发射极，输出两路时序不同的正脉冲。正常时电压值为1.8V。第13、14、15脚其中14脚输出5V基准电压，使13脚有5V高电平，控制门电路，触发器输出两路驱动脉冲，用于推挽开关电路。第15脚外接5V电压，构成误差放大器反相输入基准电压，以使同相输入端16脚构成高电平保护输入端。此接法中，当第16脚输入大于5V的高电平时，可通过稳压作用降低输出电压，或关断驱动脉冲而实现保护。在它激逆变器中输出超压的可能性几乎没有，故该电路中第16脚未用，由电阻R8接地。该逆变器采用容量为400VA的工频变压器，铁芯采用4560mm2的硅钢片。初

9、级绕组采用直径1.2mm的漆包线，两根并绕220匝。次级取样绕组采用0.41mm漆包线绕36匝，中心抽头。次级绕组按230V计算，采用0.8mm漆包线绕400匝。开关管VT4VT6可用60V/30A任何型号的N沟道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列普通二极管。该电路几乎不经调试即可正常工作。当C9正极端电压为12V时，R1可在3.64.7k之间选择，或用10k电位器调整，使输出电压为额定值。如将此逆变器输出功率增大为近600W，为了避免初级电流过大，增大电阻性损耗，宜将蓄电池改用24V，开关管可选用VDS为100V的大电流MOS FET管。需注意的是，宁可选用多管并联，而不选用单

10、只IDS大于50A的开关管，其原因是：一则价格较高，二则驱动太困难。建议选用100V/32A的2SK564，或选用三只2SK906并联应用。同时，变压器铁芯截面需达到50cm2，按普通电源变压器计算方式算出匝数和线径，或者采用废UPS-600中变压器代用。如为电冰箱、电风扇供电，请勿忘记加入LC低通滤波器。逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路

11、、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功光伏并网逆变器率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，

12、即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弦波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有PWM功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟.2.2微型逆变器采用的技术常见的光伏并网发电系统结构包括集中式、串式、多串式和交流模块式等几种方案。集中式、串式和多串式系统中，都存在光伏组件的串联和并联，因此系统的最大功率点跟踪时针对整个串并联光伏阵列，无法兼顾系统中每个光伏阵列，单个光伏阵列利用率低、系统抗局部阴影能力差，且系统扩展灵活性不够。光伏并网

13、微逆变器(简称微逆变器)与单个光伏组件相连，可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网，具有以下优点：(1)保证每个组件均运行在最大功率点，具有很强的抗局部阴影能力；(2)将逆变器与光伏组件集成，可以实现模块化设计、实现即插即用和热插拔，系统扩展简单方便；(3)并网逆变器基本不独立占用安装空间，分布式安装便于配置，能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用；(4)系统冗余度高、可靠性高，单个模块失效不会对整个系统造成影响。微逆变器的概念由来已久，但最初并没有引起人们的注意，近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步，使得微逆变器十分具有吸引力。美国加州Petaluma的Enp

14、hase从2008年开始微逆变器的商业化量产，并取得了不错的销售成绩，使得微逆变器获得了更广泛的认可，吸引了众多公司纷纷加入到微逆变器的研发行列，德国艾斯玛太阳能技术股份公司(SMASolarTechnology)2009年通过技术收购荷兰OKE-Services光伏系统电子开发商，进入了微逆变器市场。国内众多的光伏并网逆变器生产厂商主要从事大功率集中并网逆变器产品的开发，随着国内外微逆变器市场的日益火热，众多厂商也纷纷蠢蠢欲动，尝试开始微逆变器产品的开发，英伟力(Involar)新能源科技公司是国内最早从事微逆变器研究的公司，公司从2008年初开始微逆变器技术的开发，经过近两年的努力已完全自

15、主掌握了微逆变器的核心技术，并于2010年5月份成功发布了其第一代产品MAC250，目前该款微逆变器产品已经推向市场。逆变器不同于传统大功率集中式逆变器，本文重点分析微逆变器的关键性技术。微逆变器区别于传统逆变器的特点（1）逆变器输入电压低、输出电压高单块光伏组件的输出电压范围一般为2050V，而电网的电压峰值约311V(220VAC)或156V(110VAC)，因此，微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求微逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压；（2）功率小单块光伏组件的功率一般

16、在100W300W，微逆变器直接与单块光伏组件相匹配，其功率等级即为100W300W，而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在1kW以上。微逆变器的设计考虑因素：（1）变换效率高并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（2）可靠性高由于微逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微逆变器具有较高的可靠性（3）寿命长光伏组件的寿命一般为二十年，微逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。（4）体积小微逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小越容易与

17、光伏组件集成。（5）成本低低成本是产品发展的必然趋势，也是微逆变器市场化的需求。微逆变器的关键性技术（1）微逆变器拓扑微逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑，除能够实现升降压变换功能外，还应该实现电气隔离；另一方面，高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。可选的拓扑方案包括：高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种，其中Flyback变换器拓扑结构简洁，控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，

18、目前Enphase、Involar（英伟力）等公司开发的微逆变器产品均是基于Flyback变换器。（2）高效率变换技术为了减小微逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率，而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间是矛盾的，高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微逆变器拓扑相结合是微逆变器开发需要解决的关键问题之一，据报道，英伟力公司引入谐振软开关技术有效改善了微逆变器的变换效率，其发布的MAC250微逆变器产品最高效率达到95%以上，CEC效率达到94.5

19、%以上。（3）并网电流控制技术传统的集中式并网逆变器中一般采用电流闭环控制技术保证进网电流与电网电压同频同相，实现高质量的并网电流控制，如采用PI控制、重复控制、预测电流控制、滞环控制、单周期控制、比例谐振控制等控制方法，上述方法都需要采用电流霍尔等元件采样进网电流，进而实现并网电流的控制。由于微逆变器的小功率特色，为了降低单位发电功率的成本，且考虑到体积要求，开发新型的高可靠性、低成本小功率并网电流控制技术是微逆变器开发需要解决的另一个关键性问题。（4）高效率、低成本最大功率点跟踪(MPPT)技术光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，高效率MPPT技术

20、对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。常见的MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等，上述MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流，进而计算出并网功率。微逆变器的光伏侧输入电压低，因此光伏侧的电流较大，如果采用电阻检测输入侧电流，对微逆变器的整机效率影响较大，而采用霍尔元件采样光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积，因此针对微逆变器的特殊要求，需要开发新型的无需电流检测的高效率MPPT技术。据报道，英伟力公司研究了一种无电流传感器MPPT技术来适应微逆变器的应用需求，MPPT效果良好，跟踪精度达到9

21、9.9%以上。（5）孤岛检测技术孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能，是人员和设备安全的重要保证。针对微逆变器的特殊应用需求，开发简单、有效、零检测盲区、不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微逆变器开发需要解决的一个重要课题。（6）无电解电容变换技术光伏组件的寿命一般为2025年，要求微逆变器的寿命必须接近光伏组件，而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈，要使微逆变器达到光伏组件的寿命，必须减少或避免电解电容的使用，因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微逆变器开发需要解决的另一个课题（7）信息通信技术当多个微逆变器组成分布式发电系统时，系统需要实时收集每个微逆变器的信息，以实现有效的监测与管理，因此

22、需要低成本、高效、高可靠性信息通信技术作为保证，可以利用的通信技术包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技术等。3逆变器的主要部分3.1输入接口部分输入部分通常情况下有 3 个信号，1）12V 直流输入电压，2）工作控制电压，3）Panel 电流控制信号。直流输入电压由 Adapter 输出的直流提供，工作控制电压由主板上的控制芯片提供，其值为 0 或 3V，当工作控制电压=0 时，Inverter 不工作，而工作控制电压=3V 时，Inverter 处于正常工作状态；而电流控制信号电压由主板提供，其变化范围在 05V 之间，将不同的电流控制信号值反馈给

23、PWM 控制器反馈端，Inverter 向负载提供的电流也将不同，电流控制信号值越小，Inverter输出的电流就越大。3.2电压启动回路工作控制电压为高电平时，输出高压去点亮 Panel 的背光灯灯管。3.3PWM 控制器有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和 PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。3.4直流变换由 MOS 开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS 管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。3.5LC 振荡及输出回路保证灯管启动需要的1500V 电压，并在灯管启动以后将电压降至

24、800V 3.6输出电压反馈当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定 Inverter 电压输出的作用。逆变器一般是多路输入，一路高压输出，如果对于大屏幕电视中内部多个灯管的LCD Panel ，一般是采用多个逆变器板或多个逆变器分开输出。对于逆变器，由于其工作时会产生高压，因此对于内部的逆变变压器，PCB，输出插座在生产过程中，很多客户都要求使用能达到标准规定的安全及防火等级要求的材料和元件，以保证其产品的安全性。3.7安全性考核现在中国强制认证实施过程中，也对逆变器做出了比较明确的要求，一般在产品测试的时候都会对其进行安全项目的考核，其安全性考核主要有以下几个方面：1） 温升2） 考核逆变器在

25、正常工作和发生单一故障的时候，其内部逆变变压器、PCB 板及其他元件不会有影响到人身安全或影响到周围器件正常工作的过高温度。2）防火要求考核内部逆变变压器、PCB板等容易产生高温的内部元器件是否具有一定的防火等级和能力，用以保证自身不会发生着火危险，以及当其他元件着火时对火焰的蔓延起到减缓和阻止的能力。3）抗电强度考核逆变器在工作时产生的高压是否会由于逆变变压器的绝缘不够使得产生的高压影响到低压输入部分并影响到使用者的安全。4）限流电路因为逆变器是产生高压的元件，同时又是给LCD 面板的灯管供电的，使用者可以接触到液晶屏的表面，万一液晶屏损坏，使用者就有可能接触到逆变器产生的高压，在这样的情况

26、下，不能直接降低输出的电压，就要通过限制逆变器输出的电流以保证使用者的安全，在产品安全测试中，按照限流电路的要求进行考核显得尤为重要。产品如果报备不同厂家的逆变器，还需要对报备的逆变器加做限流电路测试。上述安全检测项目只是对于产品的一个基本要求，通过对逆变器工作方式和原理进行简单分析，让大家对其安全性能有个简单的了解，更好得掌握正确的使用方法，避免发生危险，让家电产品更好得为我们服务，提高我们的生活质量。4逆变器功能作用 器不只具有直交流变换功用，还具有最大限制地发扬太阳电池功能的功用和系统毛病维护功用。归结起来有主动运转和停机功用、最大功率跟踪节制功用、防独自运转功用（并网系统用）、主动电压

27、调整功用（并网系统用）、直流检测功用（并网系统用）、直流接地检测功用（并网系统用）。这里简略引见主动运转和停机功用及最大功率跟踪节制功用。1、主动运转和停机功用早晨日出后，太阳辐射强度逐步加强，太阳电池的输出也随之增大，当到达逆变器任务所需的输出功率后，逆变器即主动开端运转。进入运转后，逆变器便每时每刻看管太阳电池组件的输出，只需太阳电池组件的输出功率大于逆变器任务所需的输出功率，逆变器就继续运转；直到日落停机，即便阴雨天逆变器也能运转。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便构成待机形态。2、最大功率跟踪节制功用太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件本身温度（芯片温度）

28、而转变的。别的因为太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特征，因而存在能获取最大功率的最佳任务点。太阳辐射强度是转变着的，明显最佳任务点也是在转变的。相关于这些转变，一直让太阳电池组件的任务点处于最大功率点，系统一直从太阳电池组件获取最大功率输出，这种节制就是最大功率跟踪节制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包罗了最大功率点跟踪（MPPT）这一功用。 5逆变器的分类一，按照逆变器输出分类1，单相逆变器；2，三相逆变器；3，多相逆变器二，按照逆变器输出交流的频率分类1，工频逆变器；2，中频逆变器；3，高频逆变器三，按照逆变器的输出波形分类1；方波逆变器；2，阶梯波逆变器；3，正弦逆变器四，

29、按照逆变器线路原理分类1， 自激振荡型逆变器；2， 阶梯波叠加型逆变器；3， 脉宽调制型逆变器；4， 谐振型逆变器五，按照逆变器主电路结构分类1， 单端式逆变器2， 半桥式逆变器；3， 全桥式逆变器；4， 推挽桥式逆变器六，按照逆变器输出功率大小分类小功率逆变器（小于1KW）；中功率逆变器（110KW）；大功率逆变器（大于10KW）结论国内的光伏设备制造企业似乎因欧美的“双反”而“因祸得福”。处于下游的光伏逆变器企业，同样受到国家政策的惠及，市场需求不断扩大。继前期光伏“国八条”，以及国务院常务会议推六项新政剑指光伏行业后，9月29日，财政部网站再次发出通知，为光伏自营发电减税50%.几个月时

30、间内，光伏行业政策接踵而至，无论是政策力度还是扶持频率均大幅超出预期。业内人士分析认为，政府扶持国内光伏应用市场的决心大，预计四季度分布式光伏电网接入流程和发电资质豁免等细则政策将陆续落实，未来两年中国光伏应用的高需求将延续，其中分布式光伏有望实现爆发式增长。事实上，2013年四季度光伏电站将迎来“抢装潮”，而“十二五”相关规划提出的35吉瓦光伏装机目标，依旧会对未来两年国内逆变器市场带来积极的信号。“由于国家发展改革委出台政策，9月1日前拿到核准年底前建成的光伏电站，仍可以享受1元/千瓦时的标杆电价，预计目前拿到核准的装机规模在4吉瓦5吉瓦，四季度预计最终装机或在3吉瓦4吉瓦，目前国内一线厂商已经满产，对于全年出货量在15吉瓦18吉瓦组件厂商而言，3吉瓦4吉瓦需求拉动有限，国内