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，让你生产交流电。你会采取怎样的行动呢？倘若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，这是一个办法。非常快速地打开和关闭电流，就会产生直流脉冲，这样至少能完成一半的工作。要产生适当的交流电，就需要一个开关，这个开关能让电流完全反转，并且每秒能执行约 50 到 60 次。把自己设想成一块人体电池，每分钟触点来回交换的次数超过 3000 次。这就是一些需要巧妙运用手指的操作！从本质上来说，老式的机械逆变器可以归结为与电力变压器相连接的开关单元。它们构成了一个电磁设备，能够利用两个线圈（即初级和次级）进行缠绕。通过这种缠绕方式，可以将低压交流电转变为高压交流电，反之亦然，并且是围绕着一个共同的铁芯来实现的。在机械逆变器中，电动机或者其他类型的自动开关机构，只需将触点进行反转，就能够让输入的直流电在初级线圈中来回翻转，进而在次级线圈中产生交流电。所以，两者之间并没有很大的差别。该开关装置的工作原理类似电动门铃中的开关装置。连接电源后，它会使开关磁化，从而将开关拉开并短暂关闭。接着，弹簧会把开关拉回原位，再次将开关打开，然后一遍又一遍地重复这个过程。

动画展示了机电逆变器的基本概念。直流电经由带有十字交叉连接的旋转板（红色和蓝色）流入到环形变压器（棕色甜甜圈）的初级绕组（左侧为粉红色锯齿形电线）。随着板的旋转，它会不断地切换与初级绕组的连接。这样一来，变压器接收到的是交流电，而非直流电作为其输入。这是一个升压变压器。它的次级绕组（黄色之字形，位于右侧）比初级绕组多。所以它能把较小的交流输入电压升高为较大的交流输出。磁盘旋转的速度会决定交流输出的频率。大多数逆变器的工作原理和它不一样。这只是对这个概念的一种说明。以这种方式设置的逆变器会产生非常粗糙的方波输出。

逆变器的起源

1800 年代末期，美国的电气先驱托马斯·爱迪生（1847 - 1931），他竭尽全力去证明直流电（DC）是比交流电（AC）更优的供电方式。而交流电是由他的主要竞争对手尼古拉·特斯拉（1856 - 1943）所研发的。爱迪生尝试了诸多不正当的手段去让人们相信交流电很危险，其中包括电死大象以及（很狡猾地）支持在电椅上使用交流电来执行死刑。即便如此，特斯拉的系统最终还是取得了胜利，从那之后，世界大体上就依靠交流电来运行了。唯一的一个问题在于，尽管我们的很多电器都被设计成使用交流电，但小型发电机通常会产生直流电。这意味着，在移动房屋中使用直流汽车电池来运行设备时，如果这些设备是诸如交流供电小工具之类的，就需要一个能将直流电转换为交流电的设备，也就是所谓的逆变器。

直流电和交流电有什么区别

老师在解释电的基本概念时，也就是电子流，通常会谈到直流电（DC）。我们知道，电子的工作情形类似一排蚂蚁，它们沿着电能包前行，就如同蚂蚁搬运树叶一般。以手电筒这样的小电器为例，手电筒里有一个电路，这个电路连接着电池、灯和开关（是一个不间断的电气回路），电能从电池传输到灯，直至电池的能量全部耗尽。大型家用电器中，电力的工作方式存在差异。墙壁插座提供的电源属于交流电（AC），其电力每秒会约 50 - 60 次地切换方向，也就是频率为 50 - 60Hz。由于交流电不断改变其流向，所以很难理解它是怎样提供能量的。如果电子从墙壁插座发出后沿着电缆行进几毫米，接着必须调转方向并再次返回，那么它们怎样到达桌子上的灯使其点亮呢？答案其实并不复杂。设想一下在灯与充满电子的墙壁之间的那根电缆。当你开启开关，填充在电缆中的所有电子都会在灯丝中来回进行振动，这种快速的移动能够将电能转变为热量，从而让灯泡发光。电子不一定需要绕圈运行来传输能量。在交流电中，它们只是在原地进行运行。

动画：直流电和交流电有什么区别

假设要对一个房间进行吸尘。直流电的工作方式就像是从房间的一侧到另一侧沿着直线进行工作；交流电的工作方式则如同在原地来回进行工作。然而，两者都完成了吸尘这个工作，只是工作的方式略有不同而已！

什么是逆变器？

特斯拉（还有他的商业伙伴乔治·威斯汀豪斯，他是西屋电气公司的老板）留下的遗产之一是，我们家中的大多数电器都是专门为能使用交流电源而设计的。那些需要直流电但又必须从交流电源插座获取电力的设备，需要一个额外的设备，这个设备叫做整流器，它能将交流电转换为直流电。而逆变器执行的是相反的工作，其工作原理的本质是很容易理解的。假设手电筒里有一个电池，开关也闭合了。这样直流电就在电路中流动起来，并且始终朝着相同的方向流动，就如同赛道上的赛车那样。要是把电池取出来并翻转一下会怎样呢？假如以另一种方式安装它，它几乎肯定还是能为手电筒供电，并且从所获得的光上看不出有任何差别，然而电流实际上会朝着相反的方向流动。一个人的手如果快如闪电且足够灵巧，能够每秒翻转电池 50 - 60 次，那么这个人就会成为一种机械逆变器，能把电池的直流电转变为 50 - 60 赫兹的交流电。我们在电器商店购买的那种逆变器并非如此工作，虽然有些是机械的，它们是通过高速打开和关闭电磁开关来反转电流方向的。像这样的逆变器一般会产生所谓的方波输出。电流的流动情况为，要么是单向的，要么是反向的，还有一种情况是会立即在单向和反向这两种状态之间进行切换。

某些种类的电气设备，这种电源的突然反转冲击较大。正常交流电源中，电流按正弦波模式逐渐从一个方向转换到另一个方向，情况如下：

电子逆变器能用于从直流输入产生这种平稳变化的交流输出。它通过用电感器和电容器来处理输出电流，使得输出电流比一般逆变器所产生的那种突然的、开/关的方波输出上升和下降得更为缓慢。逆变器能与变压器一同使用，它能把特定的直流输入电压转变为完全不一样的交流输出电压（或者更高，或者更低）。不过，输出功率必须一直小于输入功率。依据能量守恒定律，逆变器变压器所发出的功率不能超出它所吸收的功率。当电流流经各种电气和电子元件时，部分能量肯定会以热量的形式损耗掉。在实际操作中，逆变器的效率通常能超过 90%。有一系列逆变器，这些逆变器可以与可再生能源发电设备一同使用，像太阳能电池以及微型风力涡轮机等。