逆變器的工作原理

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(chǎn)交流電。你會怎么做？如果你產(chǎn)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(guān)怎么樣？非?？焖俚卮蜷_和關(guān)閉電流會產(chǎn)生直流脈沖——這至少可以完成一半的工作。為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕涣麟?，你需要一個開關(guān)，可以讓你完全反轉(zhuǎn)電流并每秒執(zhí)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(diǎn)超過 3000 次。這是你需要的一些巧妙的手指操作！從本質(zhì)上講，老式機(jī)械逆變器可以歸結(jié)為連接到電力變壓器的開關(guān)單元。它們組成了一個電磁設(shè)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?yōu)?a target="_blank">高壓交流電，反之亦然圍繞一個共同的鐵芯。在機(jī)械逆變器中，電動機(jī)或其他類型的自動開關(guān)機(jī)構(gòu)只需反轉(zhuǎn)觸點(diǎn)即可在初級線圈中來回翻轉(zhuǎn)輸入的直流電，并在次級線圈中產(chǎn)生交流電，因此兩者并沒有太大不同。該開關(guān)裝置的工作原理有點(diǎn)像 電動門鈴中的開關(guān)裝置，連接電源后，它會磁化開關(guān)，將其拉開并短暫關(guān)閉。彈簧將開關(guān)拉回原位，再次將其打開并一遍又一遍地重復(fù)該過程。

動畫：機(jī)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(zhuǎn)板（紅色和藍(lán)色）流入環(huán)形變壓器（棕色甜甜圈）的初級繞組（左側(cè)的粉紅色鋸齒形電線）。當(dāng)板旋轉(zhuǎn)時，它會反復(fù)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(cè)）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(zhuǎn)的速度決定了交流輸出的頻率。大多數(shù)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(shè)置的逆變器將產(chǎn)生非常粗糙的方波輸出。

逆變器的起源

1800 年代末，美國電氣先驅(qū)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(dāng)?shù)姆绞絹碜屓藗兿嘈沤涣麟娞ｋU了，從電死大象到（相當(dāng)狡猾地）支持在電椅上使用交流電來執(zhí)行死刑。即便如此，特斯拉的系統(tǒng)還是贏得了勝利，從那時起，世界基本上就靠交流電運(yùn)行了。唯一的問題是，盡管我們的許多電器都設(shè)計為使用交流電，但小型發(fā)電機(jī)通常會產(chǎn)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(yùn)行諸如交流供電小工具之類的設(shè)備，就需要一個能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，即所謂的逆變器。

直流電和交流電有什么區(qū)別

當(dāng)老師解釋電的基本概念（即電子流）時，他們通常談?wù)摰氖侵绷麟?（DC）。我們都了解，電子的工作方式有點(diǎn)像一排螞蟻，沿著電能包行進(jìn)，就像螞蟻搬運(yùn)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(guān)的電路（不間斷的電氣回路），電能從電池傳輸?shù)綗簦钡诫姵氐乃心芰慷己谋M。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(dāng)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(fā)出的電子沿著電纜到達(dá)幾毫米，然后必須反轉(zhuǎn)方向并再次返回，它們?nèi)绾蔚竭_(dá)桌子上的燈以使其點(diǎn)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(yùn)行的電纜。當(dāng)你打開開關(guān)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(zhuǎn)化為熱量，使燈泡發(fā)光。電子不一定必須繞圈運(yùn)行才能傳輸能量：在交流電中，它們只是“原地運(yùn)行”。

動畫：直流電和交流電有什么區(qū)別

假設(shè)對一個房間進(jìn)行吸塵，直流電好比從一側(cè)到另一側(cè)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！

什么是逆變器？

特斯拉（以及他的商業(yè)伙伴、西屋電氣公司老板喬治·威斯汀豪斯）的遺產(chǎn)之一是，我們家中的大多數(shù)電器都是專門為使用交流電源而設(shè)計的。需要直流電但必須從交流電源插座獲取電力的設(shè)備需要一個稱為整流器的額外設(shè)備，以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。逆變器則執(zhí)行相反的工作，并且很容易理解其工作原理的本質(zhì)。假設(shè)手電筒中有一個電池，并且開關(guān)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(zhuǎn)過來會怎么樣？假設(shè)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(shè)一個人的手快如閃電，并且足夠靈巧，能夠每秒翻轉(zhuǎn)電池 50-60 次，這個人就成為一種機(jī)械逆變器，將電池的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為50-60 赫茲的交流電。當(dāng)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(jī)械的：它們使用高速打開和關(guān)閉的電磁開關(guān)來反轉(zhuǎn)電流方向。像這樣的逆變器通常會產(chǎn)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(tài)之間切換：

對于某些種類的電氣設(shè)備來說，這種電源的突然反轉(zhuǎn)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(chǎn)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(guān)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(zhuǎn)變?yōu)橥耆煌慕涣鬏敵鲭妷海ǜ呋蚋停敵龉β时仨毷冀K小于輸入功率：根據(jù)能量守恒定律，逆變器變壓器發(fā)出的功率不能超過其吸收的功率，當(dāng)電流流經(jīng)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(fā)電設(shè)備（例如太陽能電池和微型風(fēng)力渦輪機(jī)）一起使用的逆變器。

審核編輯：黃飛