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引言

掌握逆變器的工作原理是整個(gè)逆變器研發(fā)生產(chǎn)過程中的核心，直接關(guān)系到逆變器的轉(zhuǎn)換效率，為此無論是光伏圈、廠家還是用戶對此都非常關(guān)注，關(guān)于逆變器的工作原理網(wǎng)上的解答實(shí)在是太多，為了讓大家對逆變器工作原理有一個(gè)完全的了解，歐姆尼克憑借多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)做了詳細(xì)的總結(jié)，希望對關(guān)注的朋友能起到一定的幫助。

逆變器的概念

逆變器是將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。

逆變器分類詳解

1.按逆變器輸出交流電能的頻率分，可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50～60Hz的逆變器;中頻逆變器的頻率一般為400Hz到十幾kHz;高頻逆變器的頻率一般為十幾kHz到MHz。

2.按逆變器輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。

3.按照逆變器輸出電能的去向分，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器;凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負(fù)載的逆變器稱為無源逆變器。

4.按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。

5.按逆變器主開關(guān)器件的類型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類。前者，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類;后者，則具有自關(guān)斷能力，即無器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱之為“全控型”，電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管(IGBT)等均屬于這一類。

6.按直流電源分，可分為電壓源型逆變器(VSI)和電流源型逆變器(CSI)。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波;后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。

7.按逆變器輸出電壓或電流的波形分，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。

8.按逆變器控制方式分，可分為調(diào)頻式(PFM)逆變器和調(diào)脈寬式(PWM)逆變器。

9.按逆變器開關(guān)電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。

10.按逆變器換流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。

逆變器的基本結(jié)構(gòu)

逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能，逆變裝置的核心，是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可能通過改變一個(gè)電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)。產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路。通常稱為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結(jié)構(gòu)，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護(hù)電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等。

逆變器的工作原理

1.全控型逆變器工作原理：為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路，交流元件采用IGBT管Q11、Q12、Q13、Q14。并由PWM脈寬調(diào)制控制IGBT管的導(dǎo)通或截止。

當(dāng)逆變器電路接上直流電源后，先由Q11、Q14導(dǎo)通，Q1、Q13截止，則電流由直流電源正極輸出，經(jīng)Q11、L或感、變壓器初級線圈圖1-2，到Q14回到電源負(fù)極。當(dāng)Q11、Q14截止后，Q12、Q13導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng)Q13、變壓器初級線圈2-1電感到Q12回到電源負(fù)極。此時(shí)，在變壓器初級線圈上，已形成正負(fù)交變方波，利用高頻PWM控制，兩對IGBT管交替重復(fù)，在變壓器上產(chǎn)生交流電壓。由于LC交流濾波器作用，使輸出端形成正弦波交流電壓。

當(dāng)Q11、Q14關(guān)斷時(shí)，為了釋放儲(chǔ)存能量，在IGBT處并聯(lián)二級管D11、D12，使能量返回到直流電源中去。

2.半控型逆變器工作原理：半控型逆變器采用晶閘管元件。改進(jìn)型并聯(lián)逆變器的主電路如圖4所示。圖中，Th1、Th2為交替工作的晶閘管，設(shè)Th1先觸發(fā)導(dǎo)通，則電流通過變壓器流經(jīng)Th1，同時(shí)由于變壓器的感應(yīng)作用，換向電容器C被充電到大的2倍的電源電壓。按著Th2被觸發(fā)導(dǎo)通，因Th2的陽極加反向偏壓，Th1截止，返回阻斷狀態(tài)。這樣，Th1與Th2換流，然后電容器C又反極性充電。如此交替觸發(fā)晶閘管，電流交替流向變壓器的初級，在變壓器的次級得到交流電。

在電路中，電感L可以限制換向電容C的放電電流，延長放電時(shí)間，保證電路關(guān)斷時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，而不需容量很大的電容器。D1和D2是2只反饋二極管，可將電感L中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源，完成能量的反饋?zhàn)饔谩?br />
逆變器主要技術(shù)性能

1.額定輸出電壓

在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定：

(1)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)限定，例如其偏差不超過額定值的±3%或±5%。

(2)在負(fù)載突變(額定負(fù)載0%→50%→100%)或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過額定值的±8%或±10%。

2.輸出電壓的不平衡度

在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度(逆序分量對正序分量之比)應(yīng)不超過一個(gè)規(guī)定值，一般以%表示，如5%或8%。

3.輸出電壓的波形失真度

當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦度時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度(或諧波含量)。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應(yīng)超過5%(單相輸出允許10%)。

4.額定輸出頻率

逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個(gè)相對穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應(yīng)在±1%以內(nèi)。

5.負(fù)載功率因數(shù)

表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。在正弦波條件下，負(fù)載功率因數(shù)為0.7～0.9(滯后)，額定值為0.9。

6.額定輸出電流(或額定輸出容量)

表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為1(即純阻性負(fù)載)時(shí)，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。

7.額定輸出效率

逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率對輸入功率之比，以%表示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負(fù)荷效率，在10%額定輸出容量的效率為低負(fù)荷效率。

8.保護(hù)

(1)過電壓保護(hù)：對于沒電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過電壓防護(hù)措施，以使負(fù)截免受輸出過電壓的損害。

(2)過電流保護(hù)：逆變器的過電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。

9.起動(dòng)特性

表征逆變器帶負(fù)載起動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。

10.噪聲

電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過80dB，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過65dB。

對于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要，在選用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)應(yīng)具有足夠的額定輸出容量和負(fù)載能力。逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負(fù)荷下設(shè)備對電功率的要求。對于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單，當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于0.9時(shí)，選取逆變器的額定容量為電設(shè)備容量的1.1～1.15倍即可。在逆變器以多個(gè)設(shè)備為負(fù)載時(shí)，逆變器容量的選取要考慮幾個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作的可能性，即“負(fù)載同時(shí)系數(shù)”。

(2)應(yīng)具有較高的電壓穩(wěn)定性能。在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí)，端電壓可達(dá)13.5V，短時(shí)間過充電狀態(tài)可達(dá)15V。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時(shí)端電壓可降至10.5V或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30%左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。

(3)在各種負(fù)載下具有高效率或較高效率。整機(jī)效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。10kW級的通用型逆變器實(shí)際效率只有70%～80%，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來總發(fā)電量20%～30%的電能損耗。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗，提高整機(jī)效率。因此這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對光伏發(fā)電專用逆變器的要求是：kW級以下逆變器額定負(fù)荷效率≥80%～85%，低負(fù)荷效率≥65%～75%;10kW級逆變器額定負(fù)荷效率≥85%～90%，低負(fù)荷效率≥70%～80%。

(4)應(yīng)具有良好的過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過電流或短路，是完全可能的。逆變器對外電路的過電電流及短路現(xiàn)象最為敏感，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時(shí)，必須要求具備有良好的對過電流及短路的自我保護(hù)功能。

(5)維護(hù)方便。高質(zhì)量的逆變器在運(yùn)行若干年后，因元器件失效而出現(xiàn)故障，應(yīng)屬于正?，F(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的售后服務(wù)系統(tǒng)外，還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器件選型方面具有良好的可維護(hù)性。例如，損壞元器件有充足的備件或容易買到，元器件的互換性好;在工藝結(jié)構(gòu)上，元器件容易拆裝，更換方便。這樣，即使逆變器出現(xiàn)故障，也可迅速恢復(fù)正常。

逆變器的使用與維護(hù)檢修

使用

1.嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的要求進(jìn)行設(shè)備的連接和安裝。在安裝時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢查：線徑是否符合要求;各部件及端子在運(yùn)輸中有否松動(dòng);應(yīng)絕緣處是否絕緣良好;系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。

2.應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說明書的規(guī)定操作使用。尤其是：在開機(jī)前要注意輸入電壓是否正常;在操作時(shí)要注意開關(guān)機(jī)的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常。

3.逆變器一般均有斷路、過電流、過電壓、過熱等項(xiàng)目的自動(dòng)保護(hù)，因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí)，無需人工停機(jī);自動(dòng)保護(hù)的保護(hù)點(diǎn)，一般在出廠時(shí)已設(shè)定好，無需再行調(diào)整。

4.逆變器機(jī)柜內(nèi)有高壓，操作人員一般不得打開柜門，柜門平時(shí)應(yīng)鎖死。

5.在室溫超過30℃時(shí)，應(yīng)采取散熱降溫措施，以防止設(shè)備發(fā)生故障，延長設(shè)備使用壽命。

維護(hù)檢修

1.應(yīng)定期檢查逆變器各部分的接線是否牢固，有無松動(dòng)現(xiàn)象，尤其應(yīng)認(rèn)真檢查風(fēng)扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。

2.一旦報(bào)警停機(jī)，不準(zhǔn)馬上開機(jī)，應(yīng)查明原因并修復(fù)后再行開機(jī)，檢查應(yīng)嚴(yán)格按逆變器維護(hù)手冊的規(guī)定步驟進(jìn)行。

3.操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，能夠判斷一般故障的產(chǎn)生原因，并能進(jìn)行排除，例如能熟練地更換保險(xiǎn)絲、組件以及損壞的電路板等。未經(jīng)培訓(xùn)的人員，不得上崗操作使用設(shè)備。

4.如發(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清，應(yīng)做好事故詳細(xì)記錄，并及時(shí)通知逆變器廠家給予解決。  

原標(biāo)題：深度總結(jié)光伏逆變器的工作原理