電子元器件知識|逆變器的作用和原理

1800 年代末，美國電氣先驅托馬斯·愛迪生 (Thomas Edison，1847-1931) 竭盡全力證明直流電 (DC) 是比交流電 (AC) 更好的供電方式，交流電是一種由他的主要競爭對手尼古拉·特斯拉(1856-1943)。愛迪生嘗試了各種不正當的方式來讓人們相信交流電太危險了，從電死大象到(相當狡猾地)支持在電椅上使用交流電來執行死刑。即便如此，特斯拉的系統還是贏得了勝利，從那時起，世界基本上就靠交流電運行了。

唯一的問題是，盡管我們的許多電器都設計為使用交流電，但小型發電機通常會產生直流電。這意味著，如果在移動房屋中使用直流汽車電池來運行諸如交流供電小工具之類的設備，就需要一個能夠將直流電轉換為交流電的設備，即所謂的逆變器。

當老師解釋電的基本概念(即電子流)時，他們通常談論的是直流電 (DC)。我們都了解，電子的工作方式有點像一排螞蟻，沿著電能包行進，就像螞蟻搬運樹葉一樣。拿手電筒這樣的小電器舉例，手電筒中有一個連接電池、燈和開關的電路(不間斷的電氣回路)，電能從電池傳輸到燈，直到電池的所有能量都耗盡。

在大型家用電器中，電力的工作方式有所不同。來自墻壁插座的電源基于 交流電 (AC)，電力每秒切換方向約 50-60 次(換句話說，頻率為 50-60 Hz)。當交流電不斷改變其去向時，很難理解它是如何提供能量的!如果從墻壁插座中發出的電子沿著電纜到達幾毫米，然后必須反轉方向并再次返回，它們如何到達桌子上的燈以使其點亮?

答案其實很簡單。想象一下在燈和充滿電子的墻壁之間運行的電纜。當你打開開關時，填充電纜的所有電子都會在燈絲中來回振動，這種快速的移動將電能轉化為熱量，使燈泡發光。電子不一定必須繞圈運行才能傳輸能量：在交流電中，它們只是“原地運行”。

動畫：直流電和交流電有什么區別?

假設對一個房間進行吸塵，直流電好比從一側到另一側沿直線工作;交流電就像原地來回工作。兩者都完成了工作，方式略有不同!

特斯拉(以及他的商業伙伴、西屋電氣公司老板喬治·威斯汀豪斯)的遺產之一是，我們家中的大多數電器都是專門為使用交流電源而設計的。需要直流電但必須從交流電源插座獲取電力的設備需要一個稱為整流器的額外設備，以將交流電轉換為直流電。

逆變器則執行相反的工作，并且很容易理解其工作原理的本質。假設手電筒中有一個電池，并且開關閉合，因此直流電在電路中流動，并且始終以相同的方向流動，就像賽道上的賽車一樣。如果取出電池并將其翻轉過來會怎么樣?假設它以另一種方式安裝，它幾乎肯定仍然會為手電筒供電，并且看不出所獲得的光有任何差異，但電流實際上會以相反的方向流動。假設一個人的手快如閃電，并且足夠靈巧，能夠每秒翻轉電池 50-60 次，這個人就成為一種機械逆變器，將電池的直流電轉變為頻率為50-60 赫茲的交流電。

典型的電力逆變器

當然，我們在電器商店購買的那種逆變器并不是這樣工作的，盡管有些確實是機械的：它們使用高速打開和關閉的電磁開關來反轉電流方向。像這樣的逆變器通常會產生所謂的方波輸出：電流要么單向流動，要么反向流動，或者立即在兩種狀態之間切換：

對于某些種類的電氣設備來說，這種電源的突然反轉沖擊很大。在正常的交流電源中，電流以正弦波模式逐漸從一個方向交換到另一個方向，如下所示：

電子逆變器可用于從直流輸入產生這種平滑變化的交流輸出。它們用電感器和電容器來使輸出電流，比一般的逆變器所獲得的突然的、開/關的方波輸出更加緩慢地上升和下降。

逆變器還可以與變壓器一起使用，將一定的直流輸入電壓轉變為完全不同的交流輸出電壓(更高或更低)，但輸出功率必須始終小于輸入功率：根據能量守恒定律，逆變器變壓器發出的功率不能超過其吸收的功率，當電流流經各種電氣和電子元件時，一些能量必然會以熱量的形式損失掉。在實踐中，逆變器的效率通常超過 90%。

一系列可與可再生能源發電設備(例如太陽能電池和微型風力渦輪機)一起使用的逆變器。

想象一下，你是一塊直流電池，有人拍拍你的肩膀，要求你生產交流電。你會怎么做?如果你產生的所有電流都朝一個方向流出，那么在輸出引線上添加一個簡單的開關怎么樣?非常快速地打開和關閉電流會產生直流脈沖——這至少可以完成一半的工作。為了產生適當的交流電，你需要一個開關，可以讓你完全反轉電流并每秒執行大約 50-60 次。將自己想象成一塊人體電池，每分鐘來回交換觸點超過 3000 次。這是你需要的一些巧妙的手指操作!

從本質上講，老式機械逆變器可以歸結為連接到電力變壓器的開關單元。它們組成了一個電磁設備，可以使用兩個線圈(稱為初級和次級)纏繞將低壓交流電變為高壓交流電，反之亦然圍繞一個共同的鐵芯。在機械逆變器中，電動機或其他類型的自動開關機構只需反轉觸點即可在初級線圈中來回翻轉輸入的直流電，并在次級線圈中產生交流電，因此兩者并沒有太大不同。該開關裝置的工作原理有點像 電動門鈴中的開關裝置，連接電源后，它會磁化開關，將其拉開并短暫關閉。彈簧將開關拉回原位，再次將其打開并一遍又一遍地重復該過程。

動畫：機電逆變器的基本概念。

直流電通過具有十字交叉連接的旋轉板(紅色和藍色)流入環形變壓器(棕色甜甜圈)的初級繞組(左側的粉紅色鋸齒形電線)。當板旋轉時，它會反復切換與初級繞組的連接，因此變壓器接收交流電而不是直流電作為其輸入。這是一個升壓變壓器，其次級繞組(黃色之字形，右側)比初級繞組更多，因此它將較小的交流輸入電壓升壓為較大的交流輸出。磁盤旋轉的速度決定了交流輸出的頻率。大多數逆變器的工作原理并非如此。這只是說明了這個概念。以這種方式設置的逆變器將產生非常粗糙的方波輸出。