逆变器
逆变器，也叫逆变设备或DC/AC变换器，英文inverter，是一种电源转换装置，可以将直流电源转换为交流电源，其主要作用是将电能从电池等直流电源中转换为交流电能，以供应各种需要交流电能的电器设备。
逆变器的原理最早在1931年的文献中就曾提到过，逆变器电路通常由直流输入端、逆变变压器、输出滤波电路、控制电路等组成。其中，逆变器是实现DC-AC转换的核心器件，而输出滤波电路则用于去除输出交流波形中的杂波和噪声，获得更为稳定的交流电压输出。逆变电源电路通常采用MOSFET、IGBT等功率开关器件，配合逆变器、滤波电路和控制电路等模块，实现对输出波形的调节并保证输出电压和电流的稳定。
逆变器的控制电路能够根据需求进行开关频率和占空比的自适应调整，以达到输出电压和电流的快速响应和调节，是光伏、风力发电不可缺少的组成部分，小型独立控制的逆变器也广泛应用于偏远山区，车载、移动设备、发电机组、太阳能发电、风力发电等领域。
历史发展
在1931年的文献中就曾提到过逆变器技术，而逆变器的原理早在20世纪60年代就已被发现。
1948年，美国西屋电气公司(WestingHouse)介绍用汞(汞)弧整流器得到3000Hz感应加热的变频方法。一直到1957年以前，逆变器都是用汞弧整流器或闸流管制成，不仅体积大，而且可靠性也差，因此没有得到普遍应用。
1957年可控硅问世，1958年将200V、50A的可控硅用于工业，逆变器才开始有所进展。随着可控硅产量和质量的提高，到1960年以后逆变器的应用开始得到普遍推广。
1981-2000年间，逆变器为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是以开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。
2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再单纯追求高速开关器件应用与高开关频率，着重于高效环保的逆变技术。
基本结构
逆变器一般由DCDC升压电路、DC/AC逆变电路、逻辑控制、滤波电路等组成。主要包括输入接口、输出接口、电压启动回路、PWM控制器、MOS开关管、直流变换回路、反馈回路、LC振荡及输出回路、过流过压保护电路、温度保护电路等。
原理
DC/DC升压电路
由于高频变压器的功率与体积成正比关系，为减小变压器的体积，采用多个变压器共同升压的方式，把大功率均匀地分配到每个变压器上。如采用4个相同变压器初级线圈等效并联、次级电感线圈串联的方式组成升压电路，理论上每组变压器承载的功率为250W，负责输出90V的高频脉冲电压。推挽电路中由于变压器的存在，会出现偏磁现象。设计时要保证电路中的开关器件有充足的电流裕量，防止电路中电流突然变大烧坏器件。下图所示为设计的DC/DC升压电路结构，电路中主要包含功率开关器件、高频变压器、整流二极管等元器件。推挽电路先将输入的低压直流电逆变升压成高压交流电，然后通过整流桥和滤波后得到360V的高压直流电。
推挽电路
前级电路的输入电压为24V，变换后输出功率为1000W，开关器件的工作频率为25kHz。推挽电路中，当变压器上端的2个MOSFET打开时，下端的2个MOSFET关断，由于变压器激励作用，此时下端的2个MOSFET的栅-漏极电压为输入电压的2倍，下端导通时则相反。
高频变压器是升压电路中重要的器件，在电路中不仅负责能量传递，同时也起到隔离的作用。高频变压器设计时主要考虑磁芯材料、磁芯型号、初/次级线圈匝数以及线圈线径等方面。
DC/AC逆变电路
后级DC/AC逆变电路结构如下图所示，开关器件的通断由DSP输出信号控制。全桥逆变电路中，为了保护元器件，不允许同一桥臂的开关在同一时刻导通。通过2对开关器件交替导通的方式转换直流电压并输出逆变电压，逆变电压经过LC滤波器输出交流电。
控制器
系统采用开关电源控制器对升压电路的输出电压进行调节，升压电路的控制等效框图如下图所示。将输出电压uo与参考电压x比较，获得误差信号r并输入控制器，由控制器调节PWM驱动信号的占空比，完成整流输出电压的闭环控制。
主要分类
按照应用
普通型逆变器
直流12V或24V输入，交流22V、50Hz输出，功率为75~5000W，有些型号具有交-直流转换(UPS)功能。
逆变-充电一体逆变器
此类逆变器可以使用各种形式的电源为交流负载供电。例如，当有交流电时，通过逆变器采用交流电为负载供电，或为蓄电池充电;当无交流电时，将蓄电池的电能逆变为交流电为交流负载供电。它可与各种电源结合使用，如蓄电池、发电机、太阳能电池板和风力发电机等。
通信专用逆变器
为通信提供高品质的48V电源，其产品需要性能好、可靠性高，采用模块式(模块为1kw)结构，并具有保护功能、可扩充(功率为2~20kW)等。
航空、军队专用逆变器
此类逆变器为直流28V输入，可提供的交流输出电压有26V、115V、230V，其输出频率可为50Hz或60~400Hz，输出功率为30~3500VA不等。
光伏发电逆变器
按光伏发电方式可分为：独立光伏发电系统逆变器和并网光伏发电系统逆变器。
按照输出波形
方波逆变器
方波逆变器输出的交流电压波形为方波，此类逆变器可通过不同的逆变拓扑实现，但其共同的特点是电路比较简单，使用的功率开关管数量少。它的设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是:电路简单、价格便宜、维修方便；缺点是：由于输出的方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁心电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对音频和某些通信设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大。
阶梯波逆变器
此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，由于阶梯波逆变器有多种不同的电路结构，因此输出波形的阶梯数目差别很大。阶梯波逆变器的优点是：输出波形比方波有明显改善，高次谐波含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波，当采用无变压器输出时，整机效率很高。缺点是：阶梯波叠加线路使用的功率开关管数目较多，其中有些电路形式还要求有多组DC电源输入，这对太阳能电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电不利。此外，阶梯波电压对音频和某些通信设备仍有一些高频干扰。
正弦波逆变器
正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度很低，对音频及通信设备干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全，对电感性和电容性负载适应性强，整机效率高。缺点是:电路相对复杂，对维修技术要求高，价格较高。
按逆变器主开关管的类型
按逆变器主开关管的类型可分为:晶管逆变器、晶体管逆变器场效应逆变器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器。又可将其归纳为半控型逆变器和全控制逆变器两大类。半控型逆变器不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称为半控型，普通晶闸管即属于这一类；全控制逆变器则具有自关断能力，即元器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称为全控型，电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等均属于这一类。
按逆变器输出交流电能分
按逆变器输出交流电能的频率可分为:工频逆变器(工频逆变器的频率为50~60Hz的逆变器);中频逆变器(中频逆变器的频率一般为400Hz到十几千赫兹);高频逆变器(高频逆变器的频率一般为十几千赫兹到兆赫兹级)
按逆变器直流电源分
按逆变器直流电源可分为:电压源型逆变器(VSI)、电流源型逆变器(CSI)。由于VSI直流电压近似于恒定，所以输出电压为交变方波，而CS直流电流也近似于恒定，因此输出电流也为交变方波。
主要技术指标
额定输出电压
在规定的直流输入电压允许波动的范围内，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。逆变器的输出电压稳定度表征逆变器输出电压的稳压能力，多数逆变器产品给出的是在输入直流电压允许波动范围内，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为电压调整率。
额定输出频率
在规定的条件下逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50Hz。正常工作条件下其偏差应在1%以内。我国的交流负载是在50Hz的频率下进行工作的。而高质量的设备需要精确的频率，因为频率偏差会导致用电设备的性能下降。
负载功率因数
负载功率因数表征逆变器带感性负载或容性负载的能力，在正弦波条件下，负载功率因数为0.7~0.9(滞后)，额定值为0.9。逆变器产生的电流与电压间的相位差的金弦值即为功率因数，对于电阻型负载功率因数为1，但对电感型负载(户用系统中常用负载)功率因数会下降，有时可能低于0.5。功率因数由负载确定而不是由逆变器确定。在负载功率一定的情况下，:如果逆变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面，造成成本增加，另一方面，光伏发电系统交流回路的视在功率增大，会导致回路电流增大，损耗必然增加，系统效率也会随之降低。
额定输出电流(或额定输出容量)
额定输出电流是指在规定的输出频率和负载功率因数下，逆变器应输出的额定电流值。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以VA或kVA表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1(即纯阻性负载)时，额定输出电压与额定输出电流的乘积。
逆变器的效率
逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分数表示，逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小，通常以百分数表示。10kW级的通用型逆变器实际效率只有70%~80%，将其用于太阳能光伏发电系统时会带来总发电量20%~30%的电能损耗。太阳能光伏发电系统专用逆变器，在设计中应特别注意减少自身功率的损耗，提高整机的效率。这是提高太阳能光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对太阳能光伏发电专用逆变器的要求是:千瓦级以下逆变器的额定负荷效率应不低于85%，低负荷效率应不低于75%;10kW级逆变器额定负荷效率应不低于90%，低负荷效率应不低于80%。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。逆变器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要影响。
保护功能
一款性能优良的逆变器，应具备完备的保护功能或措施，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤。例如，太阳能光伏发电系统在正常运行过程中，就会因负载故障、人员误操作及外男干扰等原因而引起的供电系统过流或短路。
启动特性
启动特性表征逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠启动，高性能的逆变器可做到连续多次满负载启动而不损坏功率器件，而小型逆变器为了自身安全，有时采用软启动或限流启动。在正常工作条件下，逆变器在满载负载和空载运行条件下，应能连续5次正常启动。
噪声
逆变器中的电子开关、变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。在逆变器正常运行时，其噪声应不超过65dB。不经常操作、监视和维护的逆变器，应不大于95dB;经常操作、监视和维护的逆变器，应不大于80dB。
使用环境条件
逆变器正常使用条件为海拔高度不超过1000m，空气温度0~+40°C。
应用领域
发电
以风电为代表的清洁可再生能源发电系统大多采用三相并网逆变器作为接口电路来实现能量转换与并网发电，其功能类似于传统水力、火力发电机组中的旋转式同步发电机。
航海应急
在船舶的安全保障中，包含柴油机为源动力的应急发电机组和静止逆变电源，是在船舶行业中是必配的应急设备之一。船舶应急电源是在正常供电电源中断时，可以向重要负载进行短时供电的独立应急电源装置，逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出，为交流电器供电，正处于发展时期。
绿色建筑
随着国家大力推进节能减排战略，绿色建筑的概念日益被人们接受，在绿色建筑评价体系中，对太阳能的利用是重要的一部分。如以上海市地区一个绿色建筑示范工业园屋顶光伏系统的设计为例，选择并网运行模式，可利用的屋顶面积约为5000m2，采用1496块1.6m*1m的光伏组件，最大输出功率为250W，装机容量374kWp。22块组件为一串，共68串，每12串接入同一个汇流箱，不同建筑之间不宜共用汇流箱，所以项目总计使用7个汇流箱。所有直流线路接入园区的配电间的直流配电柜内，采用一个550kVA的三相逆变器，满载MPPT电压范围为450-850V，最大输入电流为1200A。
未来发展
逆变器未来会在人造卫星、导弹、核武器、潜艇上将太阳电池、燃料电池或其他化学电池的直流电能变换成交流电能，工业上会更多的应用于超声波设备、高档医疗设备、中频加热设备、交流传动装置或其他装置、化学仪表电源等方面，此外还可以用于卫星地面通信站、气象中心、数据处理中心、指挥中心、控制中心等可作为交流不停电供电系统或备用电源用于机车的牵引电源等。