逆变器的作用和原理

　　01、逆变器的起源

　　1800 年代末，美国电气先驱托马斯·爱迪生 (Thomas Edison，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。

　　02、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)，电力每秒切换方向约 50-60 次(换句话说，频率为 50-60 Hz)。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毫米，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”。

　　动画：直流电和交流电有什么区别?

　　假设对一个房间进行吸尘，直流电好比从一侧到另一侧沿直线工作;交流电就像原地来回工作。两者都完成了工作，方式略有不同!

　　03、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。

　　典型的电力逆变器

　　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：

　　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：

　　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。

　　04、逆变器的工作原理

　　想象一下，你是一块直流电池，有人拍拍你的肩膀，要求你生产交流电。你会怎么做?如果你产生的所有电流都朝一个方向流出，那么在输出引线上添加一个简单的开关怎么样?非常快速地打开和关闭电流会产生直流脉冲——这至少可以完成一半的工作。为了产生适当的交流电，你需要一个开关，可以让你完全反转电流并每秒执行大约 50-60 次。将自己想象成一块人体电池，每分钟来回交换触点超过 3000 次。这是你需要的一些巧妙的手指操作!

　　从本质上讲，老式机械逆变器可以归结为连接到电力变压器的开关单元。它们组成了一个电磁设备，可以使用两个线圈(称为初级和次级)缠绕将低压交流电变为高压交流电，反之亦然围绕一个共同的铁芯。在机械逆变器中，电动机或其他类型的自动开关机构只需反转触点即可在初级线圈中来回翻转输入的直流电，并在次级线圈中产生交流电，因此两者并没有太大不同。该开关装置的工作原理有点像 电动门铃中的开关装置，连接电源后，它会磁化开关，将其拉开并短暂关闭。弹簧将开关拉回原位，再次将其打开并一遍又一遍地重复该过程。

　　动画：机电逆变器的基本概念。

　　直流电通过具有十字交叉连接的旋转板(红色和蓝色)流入环形变压器(棕色甜甜圈)的初级绕组(左侧的粉红色锯齿形电线)。当板旋转时，它会反复切换与初级绕组的连接，因此变压器接收交流电而不是直流电作为其输入。这是一个升压变压器，其次级绕组(黄色之字形，右侧)比初级绕组更多，因此它将较小的交流输入电压升压为较大的交流输出。磁盘旋转的速度决定了交流输出的频率。大多数逆变器的工作原理并非如此。这只是说明了这个概念。以这种方式设置的逆变器将产生非常粗糙的方波输出。