方波、改良方波和正弦波电能的比较分析

一台逆变器，比如我们正在考察的这一种，会产生交流电。然而，就像图6-4a中所示的，这种交流电起伏太大。这幅图描绘了一段时间内的电压波形。为了更好地理解这幅图的含义，让我们回过头来复习一下交流电的相关知识。如第5章所述，在一根通有交变电流的导线中，电子来回地流动，频率是60次/s。如果你用一个响应速度足够快的仪器测量一个通有交变电流的导线的电压，你会发现它是随着时间变化的。结果必须如此，因为电子流在不断地改变方向（尽管非常迅速）。当电子朝着某个方向运动，比如右方，电压很快地升高到120V。当电子流改变运动方向时，电压很快降到-120V（正、负号表示电压的极性，即它和参考电压0电平相比是高还是低）。图6-4a显示了一段很短时间内电压的波形。电压从0升高到120V然后再降至0V需要的时间是1/120s，因为电流的频率是60Hz。

在一些较老的逆变器中可以见到这种基本的H桥电路，它可以产生几乎完美的方波，但这种波形的电能不具有很好的使用价值。如果将方波进行改良，使它可以在0电平处停留一小段时间，然后再改变电压的方向，这样就得到了改良方波，如图6-4b所示。尽管它已经非常接近大多数家庭使用的电能形式（正弦波，它依然不适合家庭和商业使用）。

方波的问题是它含有很多谐波，这个问题在改良方波中虽然有所改善，但是依然存在。所谓谐波，是指频率为我们期望频率整数倍的频率分量。方波包含奇次谐波，即频率是方波基频的3倍、5倍、7倍等的频率分量（见图6-5）。例如60Hz方波或者改良方波逆变器的输出，不仅包括60Hz的电能，还包括频率是180Hz、300Hz、420Hz等的电能。电机、变压器和许多电子设备在这样的工作条件下性能会变差。它们甚至有可能因为“谐波畸变”这种现象而遭到损坏（参阅补充材料“什么是总谐波畸变率”）。

对方波或者改良方波逆变器的输出进行滤波可以减少这些不期望的谐波，但并不能完全滤除它们。

大多数电气设备可以工作于改良方波，但是它们中的大部分在这种形式的电能下工作效率会有所损失。正是由于这个原因，在北美和欧洲销售的大多数逆变器都设计成可以产生更纯净的电能波形，也就是行业中所说的正弦波。它几乎和电网中输送的电能形式完全一致。正弦波逆变器是怎样产生如此纯净的电能的呢？

图6-4 方波、改良方波、阶梯波和正弦波

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图6-5 总谐波畸变

正弦波逆变器内部包含许多个H桥，每一个H桥都产生方波型电能（见图6-6）。但是，每一个H桥都叠在另一个的上方，也就是它们经过仔细排列以产生阶梯波，阶梯波已经非常接近正弦波了。对阶梯波滤波就可以得到非常纯净的正弦波，即我们现代住房需要的电能形式。正如之前提到的，纯净的正弦波不含有谐波。所有电能都处于我们希望的那一个频率下。

图6-6 在正弦波逆变器中有多个H桥

什么是总谐波畸变率

总谐波畸变率（THD）是一种衡量逆变器输出的谐波，也就是我们不想要的频率分量和我们想要的频率分量相比有多少的指标。一台方波逆变器的THD大概是48%，改良方波逆变器的THD比这个稍微小一些，尽管您在它的说明书上查不到THD值（逆变器制造商不喜欢谈论他们制造的改良方波逆变器的THD值）。

形成鲜明对比的是，一台正弦波逆变器输出波形的THD值大概是5%或者更少，和电网的THD值差不多。某些情况下，正弦波逆变器的THD值甚至比电网更低。电力线上谐波畸变的大小取决于您居住的地点以及您的邻居还有附近的电网当时正在进行什么活动。工厂中电动机的变速驱动装置、电焊机、电弧炉、荧光灯甚至计算机都会产生谐波，它们会给输电线引入一阵阵的噪声或者谐波畸变。在家庭和小型商业用电中，谐波主要来自荧光灯、计算机和一些小型电力设备。电力系统中过载的变压器和其他的设备也是谐波源。标准正弦波的THD是0%。