技术资讯 | 功率逆变器的必备知识

01本文要点

了解基本的逆变器输入和输出方案

逆变器的种类及其制造方法

消费类电源逆变器的用途和其他应用

 

 

 

功率逆变器是将DC转换成交流电的有用装置。

逆变器是将直流电(DC)转换成交流电(AC)的装置。他们从DC源获取能量并将其转化为电能；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因每个逆变器及其设计任务而异。在高电流和高电压应用中使用的逆变器被称为功率逆变器。在低电流和低电压应用中使用的逆变器被称为振荡器。相反的电路——将交流电转换成DC——被称为整流器。在本文中，我们将深入探讨逆变器及其功能、设计和应用。

逆变器功能:输入和输出

 

逆变器有一个DC输入、一个特定的频率和交流电压电平——取决于它们的设计负载。

逆变器使用稳定的DC电源作为输入。常见的输入值范围从低压到数百，取决于逆变器的设计。例如，12 V 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者和商业逆变器。家用能源系统可能使用24、36或48伏DC，而光伏太阳能电池板中的逆变器可能有200至400伏输入。在高压直流输电系统中，一些逆变器达到几十万伏。

逆变器输出的交流信号通常是正弦波、方波或修正的准正弦波，具体取决于应用。旨在复制市电的逆变器信号输出通常为120或240 VAC时的50或60 Hz，以匹配标准电力线频率和电压。如果输出需要进一步处理或提升，为了提高变压器效率，输出频率可能会高得多。

逆变器功率极限的额定值以瓦特或千瓦表示。该值描述了逆变器可驱动的功率量以及DC源所需的功率量(不包括低效率)。

逆变器负载

逆变器用于向需要交流电源的负载供电。两种类型的交流负载是单相和三相负载，因此针对每种类型的负载设计了逆变器。

逆变器波形和设计

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。用方波交流电源给设备供电会导致效率更低和损耗更大。

2. 正弦波逆变器通常用于住宅和商业应用，是最高效的类型，但设计复杂且成本高昂。它们产生纯正弦波，类似于电网中使用的正弦波。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阶跃。最基本的是延迟四分之一周期的两个方波之和，产生具有三个电平的波:负峰值、零和正峰值。许多廉价的消费类电源逆变器产生的是经过修改的正弦波，而不是纯正弦波。就复杂性和效率而言，这些介于方波和正弦波逆变器之间。

逆变器的设计

逆变器的设计取决于所需的负载和感兴趣的交流波形。

方波 

H桥的结构(以红色突出显示)。

对于单相负载，可以在逆变器中使用半桥逆变器或全H桥设计。对于半桥配置，负载的每一侧使用两个晶体管。这适用于电子拨动开关，例如MOSFET，并且不能切换施加到负载的电压极性。

 

 

用于三相负载的逆变器设计。三相逆变器通常用于变频驱动应用比如电机驱动。它们由三个单相逆变器开关组成，每个开关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，有一个6步(23-2状态)开关序列，导致负载的2个任意端口上有3个可能的电压电平。

两个并联的六步三相逆变器将产生更高的额定电流。将它们串联会导致更高的额定电压。输出波形也得到改善，更像正弦波，并增加了额外的反相器。

纯正弦波

 

蓝色PWM波用于产生滤波正弦波(红色)。

创建正弦波的一个好选择是通过PWM和低通滤波器。开关速度必须比输出波的目标频率快得多，但开关速度越快，谐波含量的控制就越精确。在这种方法中，使用具有极快开关能力的微控制器和反馈环路可以很好地逼近正弦波。

产生正弦波的其他方法包括使用振荡器架构具有滤波或具有后处理的振荡晶体。

 

消费类电源逆变器

 

 连接到车辆DC端口的电源逆变器

功率逆变器可作为独立设备购买，以满足各种消费者需求。

01家用电源逆变器万一大楼停电，逆变器可以帮助维持必要的电器运行。较小的设置可能需要将汽车电池连接到逆变器上。逆变器将电能转换成交流电，然后被电器使用，耗尽电池。在这种情况下，保持汽车运行将保持电池充电，充当发电机。将两节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。02适用于大型车辆的便携式逆变器

便携式逆变器可用于卡车、船只、房车等大型车辆。一个永久安装的逆变器直接连接到电池上，让用户可以轻松运行他们的电脑和其他大型设备。

03工业用功率逆变器

逆变器也可用于离网作业现场和其他用电受限的地方。这些逆变器使用比汽车主电池大的电池。电动工具在启动和使用过程中经常需要短时间的高强度电力。在这种情况下，使用能够提供输出功率的合适的重型逆变器来处理这些电涌是一个好主意。

04用于敏感电子设备的逆变器

一些设备，如自动柜员机、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。这确保了设备冷却运行，并持续更长时间，而没有由准正弦波引起的低效率。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

逆变器用于各种应用，并内置于许多消费电子设备中。

正如我们已经讨论过的，它们可以单独使用，也可以与DC电源(如电池)作为交流电源，为设计用于市电运行的交流设备提供燃料。如果主电源关闭，这可用于创建不间断电源(UPS)。当电力恢复时，整流器可以给电池充电。

逆变器也用于感应加热。交流主电源首先被整流为DC电源，然后逆变器将其转换为用于感应烹饪的高频交流电源。

逆变器用于电击武器，通过高频变压器将9V DC电池的能量转换成数百或数千伏的交流电压。然后整流并储存在电容器中，直到电荷注入脉冲变压器时触发，将最终电压提升至20 ~ 60 kV。

太阳能逆变器转换可变DC光伏太阳能电池板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、电池备用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的电机速度控制器。电机速度控制包括工业电机驱动设备、电动车辆、铁路运输系统和其他电动工具。