逆变器及其工作原理

逆变器及其工作原理

目录

1.什么是逆变器？...............................................................1

2.逆变器的起源.................................................................2

3.直流电和交流电有什么区别....................................................3

4.逆变器的工作原理..............................................................3

????逆变器原理图.................................................................4

????逆变器的分类.................................................................4

????逆变器关犍参数简介...........................................................5

7.1.逆变效率。...............................6

7.2.额定输出容量.............................................................6

7.3.输出电压稳定度...........................6

7.4.可靠性....................................................................6

7.5.启动性能.................................7

7.6.谐波失真度...............................................................7

8.逆变器未来发展方向............................................................7

????逆变器的理想设计.............................................................8

1.什么是逆变器？

特斯拉（以及他的商业伙伴、西屋电气公司老板乔治•威斯汀豪斯）的遗产之

一是，我们家中的大多数电器都是专门为使用交流电源而设计的。需要直流电

但必须从交流电源插座获取电力的设备需要一个称为整流器的额外设备，以将

交流电转换为直流电。逆变器则执行相反的工作，并且很容易理解其工作原理

的本质。假设手电筒中有一个电池，并且开关闭合，因此直流电在电路中流动,

并且始终以相同的方向流动，就像赛道上的赛车一样。如果取出电池并将其翻

转过来会怎么样？假设它以另一种方式安装，它几乎肯定仍然会为手电筒供电,

并且看不出所获得的光有任何差异，但电流实际上会以相反的方向流动。假设

一个人的手快如闪电，并且足够灵巧，能够每秒翻转电池50-60次，这个人就

成为一种机械逆变器，将电池的直流电转变为频率为50-60赫兹的交流电。当

然，我们在电器商店购买的那种逆变器并不是这样工作的，尽管有些确实是机

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械的：它们使用高速打开和关闭的电磁开关来反转电流方向。像这样的逆变器

通常会产生所谓的方波输出：电流要么单向流动，要么反向流动，或者立即在

两种状态之间切换：

m_n_n_n_TL

对于某些种类的电气设备来说，这种电源的突然反转冲击很大。在正常的

交流电源中，电流以正弦波模式逐渐从一个方向交换到另一个方向，如下所示:

WWWVWWWW

电子逆变器可用于从直流输入产生这种平滑变化的交流输出。它们用电感

器和电容器来使输出电流，比一般的逆变器所获得的突然的、开/关的方波输出

更加缓慢地上升和下降。逆变器还可以与变压器一起使用，将一定的直流输入

电压转变为完全不同的交流输出电压（更高或更低），但输出功率必须始终小于输

入功率：根据能量守恒定律，逆变器变压器发出的功率不能超过其吸收的功率,

当电流流经各种电气和电子元件时，一些能量必然会以热量的形式损失掉。在

实践中，逆变器的效率通常超过90%。一系列可与可再生能源发电设备（例如

太阳能电池和微型风力涡轮机）一起使用的逆变器。

2.逆变器的起源

1800年代末，美国电气先驱托马斯谖迪生（ThomasEdison,1847-1931）

竭尽全力证明直流电（DC）是比交流电（AC）更好的供电方式，交流电是一种

由他的主要竞争对手尼古拉•特斯拉（1856-1943）。爱迪生尝试了各种不正当的

方式来让人们相信交流电太危险了，从电死大象到（相当狡猾地）支持在电椅上使

用交流电来执行死刑。即便如此，特斯拉的系统还是赢得了胜利，从那时起，

世界基本上就靠交流电运行了。唯一的问题是，尽管我们的许多电器都设计为

使用交流电，但小型发电机通常会产生直流电。这意味着，如果在移动房屋中

使用直流汽车电池来运行诸如交流供电小工具之类的设备，就需要一个能够将

直流电转换为交流电的设备，即所谓的逆变器。

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3.直流电和交流电有什么区别

当老师解释电的基本概念（即电子流）时，他们通常谈论的是直流电（DC）。

我们都了解，电子的工作方式有点像一排蚂蚁，沿着电能包行进，就像蚂蚁搬

运树叶一样。拿手电筒这样的小电器举例，手电筒中有一个连接电池、灯和开

关的电路（不间断的电气回路），电能从电池传输到灯，直到电池的所有能量都耗

尽。在大型家用电器中，电力的工作方式有所不同。来自墙壁插座的电源基于交

流电（AC）,电力每秒力换方向约50-60次（换句话说，频率为50-60Hz）。当

交流电不断改变其去向时，很难理解它是如何提供能量的！如果从墙壁插座中

发出的电子沿着电缆到达几亳米，然后必须反转方向并再次返回，它们如何到

达桌子上的灯以使其点亮？答案其实很简单。想象一下在灯和充满电子的墙壁

之间运行的电缆。当你打开开关时，填充电缆的所有电子都会在灯丝中来回振

动，这种快速的移动将电能转化为热量，使灯泡发光。电子不一定必须绕圈运

行才能传输能量：在交流电中，它们只是“原地运行”。

4.逆变器的工作原理

逆变器的工作原理其实就是一个低压直流转换为高压交流的过程。其直流

电压分两路：一给前级IC供电产生一个KHZ级的控制信号，一路到前级功率管。

下面是从低压直流转换成高压交流过程中的3个步骤及每个步骤产生的结具电

流（压）：

步骤1：由控制信号推动功率管不断开关使高频变压器初级产生低压的高频

交流电。

产生电压低、频率高的交流电

步骤2：通过高频变压器输出高频交流电再经过快速恢复二极管全桥整流输

出一个高频的几百V直流电到后级功率管。

产生电压高、频率高的交流电

步骤3：由后级IC产生50HZ左右的控制信号来控制后级的功率管工作，

输出220V50HZ的交流电。

产生220V50HZ的交流电

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??.逆变器原理图

r

CA-*

DA-

PE1

图2逆变器原理图二

??.逆变器的分类

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逆变器的分类方法很多，表1是常用的逆变器分类方法:

表1常用的逆变器分类方法

分类性质名称

波弦正弦波逆变器、方波逆变器和准正弦波逆变器

源流有源逆变器、无源逆变器

小型逆变器（额定功率小于500w）s中型逆变器（额定功率大于IkW,小

额定功率于10kW）s大型逆变器（额定功率大于10kW,小于lOOkW）和超大型逆

变器（额定功率大于lOOkw）

相数单相逆变器、三相逆变器以及多相逆变器等

工频逆变器（预率为50Hz-60Hz）、中频逆变器（交流电频率为几百Hz

输出交流电的频率

至10kHz）和高频逆变器（10kHz至MHz）

稳定输出参效电压型逆变器、电流型逆变器

主电路结构单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变器

逆变技术控法防式调频式（PFM）逆变器、脉宽调制（PWM）逆变器

发电系统供电方式离慨逆变器、并随型逆变器

晶闸管或可控硅SCR逆变器、大功率晶体管逆变器（GTR）、大功率晶

主要开关器件类型闸管逆变器（GTO）、场效应管逆变器（VMOSFEP）、绝缘门极双晶管

（IGBT）等

下面对比较重要的几种逆变器进行说明:

正弦波逆变器：输出的是与日常使用电网一样的正弦波交流电，提供高质

量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。

方波逆变器：输出的是质量较差的方波交流电，对负载和逆变港本身会造

成剧烈的不稳定影响。制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平,

将逐渐退出市场。

准正弦波逆变器（属于方波范畴）：输出波形从正向最大值到负向最大值之

间有一个时间间隔，波形由折线组成，连续性不好，但可满足我们大部分的用

电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。

有源逆变器：使电流电路中的电流，在交流侧与电网连接而不直接接入负

载的逆变器

无源逆变器：使电流电路中的电流，在交流侧不与电网连接而直接接入负

载（即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载）的逆变器。

??.逆变器关键参数简介

不管是消费者使用还是开发者设计，对于逆变器的以下几个重要参数都需

要熟悉:

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7.1.逆变效率。

逆变效率是衡量逆变器性能的一个重要参数，逆变效率值用来表征其自身

损耗功率的大小，通常以％来表示。逆变器中逆变效率直接关系到系统效率，

如果逆变器逆变效率过低，将严重导致系统效率下降。在太阳能光伏发电系统

中，太阳电池方阵的转换效率目前一般不超过18%,且太阳电池的成本较高，

如果想提高2%〜3%转换效率非常困难，但提高逆变器逆变效率3%〜5%玄是

完全可能的。逆变器效率的高低是逆变器性能好坏的一个该要标准，对光伏发

电系统提高发电量和降低发电成本有着重要影响。

7.2.额定输出容量

额定输出容最是用来表征逆变器向负级供电的能力。额定输出容最值高，

则逆变器带负载能力越强。额定输出容量值只是针对纯电阻性负载的一个参考,

如果逆变器所带的负载不为纯限性时，逆变器带负载能力将小于给出的额定输

出容量值。

7.3.输出电压稳定度

输出电压稳定度是指逆变器输出电压的稳定能力。逆变器中一般会给出输

入直流电压在允许波动范围内逆变器输出电压的偏差（通常称为电压调整率），高

性能的逆变器一般还会给出负载由。0%变化至100%时，逆变器输出电压的电

压偏差（通常称为负载调整率）。标称电压通常指的是开路输出电压，也就是不接

任何负载，没有电流偷出的电压值。独立太阳能光伏系统中，蓄电池端电压在

充放电时电压波动很大，铅酸蓄电池电压波动可达标称电压的30%左右，所以

逆变器要有良好的输出电压稳定度，才能保证系统在较大直流输入范围内工

作。

7.4.可靠性

太阳能光伏发电系统运行中，逆变器可靠性是形响系统可靠性的主要因家

之一。因为光伏发电系统一般工作在比较偏远的艰苦地方，维护不方便，逆变

器必须是可书的。其可书性要求逆变器具有良好的保护功能，包括逆变器中的

过流保护和短路保护功能。在光伏发电系统正常运行时，由于负载故障、人为

误操作和外界干扰等原因，引起供电系统电流过大或短路等情况是极有可能发

生的，要提高可靠性，必须要求逆变器要有相关的保护功能。

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7.5.启动性能

启动性能是指逆变器带负载启动的能力和动态工作的性能。逆变器在额定

负级下应能保证其正常启动。一般电阻性负载工作时，逆变器启动性能较好。

但如果是电感性负载，如电动机、冰箱、空调或大功率水泵启动时，功率可能

是额定功率的几倍以上。通常感性负载启动时，逆变器将承受较大的浪涌功率。

故逆变器的启动性能要求在感性或其他负载启动时，逆变器内部器件能承受多

次满负荷启动而不致使功率器件损坏。

7.6.谐波失真度

当逆变器输出电压波形为正弦波时或修正波时，除了基波外还含有谐波分

量，通常将谐波分量在输出电压总波形中的比例称为谐波失真度。高次谐波电

流会在电感性负载产生涡流，导致器件严吹发热，严重的会损坏电气设备。一

般逆变器会注明其谐波失真度。方波逆变器的谐波失真约为40%,—般只适合

于纯阻性负载；修正波逆变器的谐波失真小于20%左右，适合于大部分负载；

而正弦波逆变滞的谐波失真较小，能适用于所有的交流用电负载。

8.逆变器未来发展方向

社会日益电气化的现在，各种产品中逆变器的要求也越来越高，需求量也

越来越大。那么在逆变器快速发展的同时，它的发展趋势又是怎样的呢？

第一，高频化。

逆变器开关频率的提高能够有效的减少装置的体积和重量，同时还能够消

除变压器和电感的音频噪声。在改善输出电压的动态响应能力的时候也减小了

装置的体积和质量。

第二，高性能化。