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パワーインバータ、インバータ、またはインバータは、直流（DC）を交流（AC）に変換するパワーエレクトロニクスデバイスまたは回路です。 [ 1 ]得られる交流周波数は、使用する特定のデバイスによって異なります。インバータは、もともと交流を直流に変換する大型の電気機械装置であった整流器とは逆の動作をします。 [ 2 ]
入力電圧、出力電圧、周波数、および全体の電力処理能力は、特定のデバイスまたは回路の設計によって異なります。インバータ自体は電力を生成しません。電力は直流電源から供給されます。
パワーインバータは、完全に電子式である場合もあれば、機械的な効果（回転装置など）と電子回路を組み合わせたものである場合もある。
静止型インバータは、変換プロセスにおいて可動部品を使用しません。
パワーインバータは、主に高電流・高電圧が発生する電力用途で使用されます。一方、通常は非常に低い電流・電圧の電子信号に対して同じ機能を果たす回路は、発振器と呼ばれます。
一般的なパワーインバータ装置または回路は、システムの電力需要を満たすのに十分な電流を供給できる安定した直流電源を必要とします。入力電圧は、インバータの設計と目的に応じて異なります。例としては、以下のようなものがあります。
インバータは、回路設計に応じて、方形波、正弦波、修正正弦波、パルス正弦波、または正弦波に近いパルス幅変調波（PWM）を生成する可能性があります。一般的なタイプのインバータは、方形波または準方形波を生成します。正弦波の純度の尺度の一つは、全高調波歪み（THD）です。[ 4 ]商用配電網の技術規格では、顧客の接続点で波形のTHDが3%未満であることが求められています。IEEE規格519では、電力網に接続するシステムに対してTHDが5%未満であることを推奨しています。
低電圧の直流電源から家庭用コンセント電圧を生成するには、2つの基本的な設計があります。1つ目は、スイッチング昇圧コンバータを使用して高電圧の直流を生成し、それを交流に変換する方法です。2つ目の方法は、バッテリーレベルで直流を交流に変換し、ライン周波数トランスを使用して出力電圧を生成します。[ 5 ]
デューティサイクル50%の矩形波は、インバータ設計で生成できる最も単純な波形の1つですが、基本正弦波に約48.3%のTHDを追加します。[ 4 ]そのため、矩形波出力はオーディオ機器に接続すると望ましくない「ハム」ノイズを発生させる可能性があり、照明や暖房などの低感度アプリケーションに適しています。
複数のステップからなる正弦波交流波形を生成する電力インバータ装置は、正弦波インバータと呼ばれます。修正正弦波（3ステップ）インバータ設計よりも歪みがはるかに少ない出力を持つインバータをより明確に区別するために、メーカーはしばしば「純粋正弦波インバータ」という表現を使用します。しかし、「純粋正弦波インバータ」として販売されているほとんどの民生用インバータは、実際には滑らかな正弦波出力を生成するわけではなく、方形波（2ステップ）インバータや修正正弦波（3ステップ）インバータよりも波形が滑らかであるだけです。ただし、ほとんどの電子機器は出力を適切に処理できるため、これは問題になりません。
電力インバータ装置が通常の商用電源の代替として使用される場合、正弦波出力が望ましい。なぜなら、多くの電気製品は正弦波交流電源で最適に動作するように設計されているからである。標準的な電力会社は正弦波を供給するが、通常はわずかな不完全性があり、場合によっては著しい歪みが生じることもある。
出力波形に3段階以上のステップを持つ正弦波インバータは、同じ電力処理能力を持つ修正正弦波インバータ（出力波形が3段階のみ）や方形波インバータ（出力波形が1段階）に比べて複雑で、コストも大幅に高くなります。パーソナルコンピュータやDVDプレーヤーなどのスイッチング電源（SMPS）機器は、修正正弦波電源で動作します。非正弦波電源で直接駆動される交流モータは、正弦波電源で駆動する場合に比べて、余分な熱を発生したり、速度トルク特性が異なったり、より大きな騒音を発したりする可能性があります。
修正正弦波は、2つの矩形波の和であり、一方の矩形波は他方の矩形波に対して周期の4分の1だけ遅延している。結果として、ゼロ、正のピーク、ゼロ、負のピーク、そして再びゼロという電圧ステップの繰り返しシーケンスが得られる。この結果得られる電圧波形は、単一の矩形波よりも正弦波の形状によく近似する。安価な民生用パワーインバータのほとんどは、純粋な正弦波ではなく、修正正弦波を生成する。
波形をサイクル時間の半分でピーク電圧値を持つように選択すると、ピーク電圧と実効電圧の比は正弦波の場合と同じになります。DCバス電圧はアクティブに制御することも、DCバス電圧の変動を補償するために、DCバス電圧までの実効値出力を維持するように「オン」時間と「オフ」時間を変更することもできます。パルス幅を変更することで、高調波スペクトルを変更できます。3ステップ修正正弦波の最小THDは、パルスが各電気サイクルの130度の幅にあるときに30%です。これは方形波の場合よりもわずかに低くなっています。[ 6 ]
オン時間とオフ時間の比率を調整することで、パルス幅変調（PWM）と呼ばれる技術により、一定の周波数を維持しながら実効電圧を変化させることができます。生成されたゲートパルスは、目的の出力を得るために、開発されたパターンに従って各スイッチに与えられます。出力の高調波スペクトルは、パルスの幅と変調周波数に依存します。3 レベル波形の最小歪みは、パルスが波形の 130 度を超えて広がるときに達成されることが示されていますが、結果として得られる電圧には、グリッド接続電源の商用規格よりも高い約 30% の THD が依然として存在します。[ 7 ]誘導電動機を運転する場合、電圧高調波は通常問題になりませんが、電流波形の高調波歪みは追加の発熱を引き起こし、脈動トルクを発生させる可能性があります。[ 8 ]
多くの電気機器は、修正正弦波電源インバータ装置で問題なく動作します。特に、従来の白熱電球のような抵抗負荷の場合は顕著です。スイッチング電源を備えた機器はほぼ完全に問題なく動作しますが、電源トランスを搭載した機器の場合、定格容量の限界によっては過熱する可能性があります。
しかし、修正正弦波に伴う高調波の影響で負荷の効率が低下し、動作中にハムノイズが発生する場合があります。メーカーの公称変換効率は高調波を考慮していないため、これはシステム全体の効率にも影響します。したがって、正弦波インバータは修正正弦波インバータよりも大幅に高い効率を実現できる可能性があります。
ほとんどの交流モーターは、高調波成分のために効率が約20%低下するMSWインバータで動作します。ただし、かなりノイズが発生する場合があります。基本周波数に同調した直列LCフィルタが役立つかもしれません。[ 9 ]
民生用パワーインバータによく見られる修正正弦波インバータのトポロジーは以下のとおりです。オンボードのマイクロコントローラが、約50kHzなどの高周波でパワーMOSFETを 高速にオン/オフします。MOSFETは、低電圧DC電源（バッテリーなど）から直接電力を供給されます。この信号は昇圧トランス（一般的に、インバータ全体のサイズを小さくするために、多数の小型トランスが並列に接続されています）を通過し、より高い電圧の信号を生成します。昇圧トランスの出力はコンデンサによってフィルタリングされ、高電圧DC電源が生成されます。最後に、このDC電源はマイクロコントローラによって追加のパワーMOSFETでパルス化され、最終的な修正正弦波信号が生成されます。
より複雑なインバータは、2つ以上の電圧を使用して正弦波を多段階近似します。これにより、正負のパルスを交互に印加するだけのインバータと比較して、電圧と電流の高調波およびTHDをさらに低減できます。ただし、このようなインバータは追加のスイッチング部品を必要とするため、コストが増加します。
一部のインバータは、PWMを使用して波形を生成し、それをローパスフィルタでフィルタリングすることで正弦波を再現します。これらのインバータは、MSN設計と同様にDC電源を1つだけ必要としますが、スイッチング速度ははるかに速く、通常は数kHzで行われるため、パルス幅の変動を平滑化して正弦波を生成できます。マイクロプロセッサを使用してスイッチングタイミングを生成する場合、高調波成分と効率を厳密に制御できます。
パワーインバータデバイスの交流出力周波数は、通常、標準電源周波数と同じ50または60ヘルツです。例外として、可変周波数モータドライブがあり、可変周波数によって可変速度制御が実現されます。また、航空宇宙用途では400Hzが使用されます。[ 10 ]
また、デバイスや回路の出力をさらに調整する必要がある場合（例えば昇圧する場合）、トランスの効率を良好にするためには、周波数をはるかに高くする必要があるかもしれません。
パワーインバータの交流出力電圧は、インバータが駆動する負荷が変動した場合でも、配電レベルの系統電圧（通常120Vまたは240V）と同じになるように調整されることが多い。これにより、インバータは標準的な系統電源用に設計された多くの機器に電力を供給することができる。
一部のインバーターは、出力電圧を選択可能または連続的に可変できる機能も備えています。
パワーインバーターには、ワットまたはキロワットで表される総電力定格がよくあります。これは、インバーターが駆動する機器に供給できる電力、ひいては直流電源から必要となる電力を表しています。商用電源を模倣するように設計された小型の一般的な民生用および業務用機器の電力は、通常150～3000ワットの範囲です。
インバータの用途すべてが電力供給のみ、あるいは主に電力供給に関係するわけではありません。場合によっては、周波数や波形の特性が後段の回路やデバイスで利用されることもあります。
バッテリー駆動のインバーターの稼働時間は、バッテリーの電力と、ある時点でインバーターから引き出される電力の量に依存します。インバーターを使用する機器の数が増えると、稼働時間は短くなります。インバーターの稼働時間を延ばすには、インバーターにバッテリーを追加することができます。[ 11 ]
インバーターのバッテリー容量を計算する式：[ 12 ]
バッテリー容量（Ah）＝総負荷（ワット）×使用時間（時間）／入力電圧（V）
インバーターにバッテリーを追加する場合、設置方法には基本的に2つの選択肢があります。
インバーターは、バッテリーや燃料電池などの電源から得られる直流電力を交流電力に変換します。得られる電力は、必要な電圧に調整できます。特に、商用電源での使用を想定した交流機器を動作させたり、整流して任意の電圧の直流電力を生成したりすることができます。
無停電電源装置（UPS）は、主電源が供給されていないときに、バッテリーとインバーターを使用して交流電力を供給します。主電源が復旧すると、整流器が直流電力を供給してバッテリーを充電します。
可変出力電圧範囲を生成するように設計されたインバータ回路は、モータ速度コントローラでよく使用されます。インバータセクションの直流電源は、通常の交流壁コンセントまたはその他の電源から得ることができます。制御回路とフィードバック回路は、インバータセクションの最終出力を調整するために使用され、最終的に機械的負荷の下で動作するモータの速度を決定します。モータ速度制御のニーズは多岐にわたり、産業用モータ駆動機器、電気自動車、鉄道輸送システム、電動工具などが含まれます。（関連：可変周波数ドライブを参照）スイッチング状態は、スイッチング表1に示すパターンに従って、正、負、ゼロ電圧用に開発されます。生成されたゲートパルスは、開発されたパターンに従って各スイッチに与えられ、出力が得られます。
インバータは、冷凍または空調システムにおいてコンプレッサーモーターの速度を制御して可変冷媒流量を駆動し、システム性能を調整するために使用できます。このような設備はインバータコンプレッサーとして知られています。従来の冷凍制御方法では、単速コンプレッサーを周期的にオン/オフしますが、インバータ搭載システムでは、モーターの速度、ひいてはコンプレッサーと冷却出力を制御する可変周波数ドライブを備えています。インバータからの可変周波数交流はブラシレスモーターまたは誘導モーターを駆動し、その速度は供給される交流の周波数に比例するため、コンプレッサーを可変速度で運転できます。これにより、コンプレッサーの停止/起動サイクルがなくなり、効率が向上します。通常、マイクロコントローラが冷却対象空間の温度を監視し、コンプレッサーの速度を調整して希望の温度を維持します。追加の電子機器とシステムハードウェアにより機器のコストは増加しますが、運用コストを大幅に削減できます。[ 13 ]最初のインバータエアコンは、1981年に東芝によって日本で発売されました。[ 14 ]
系統連系インバータは、電力配電システムに電力を供給するように設計されています。[ 15 ]これらは送電線と同期して動作し、高調波成分はできるだけ少なくなります。また、停電時に危険な電力供給を系統に継続させないように、安全上の理由から電力会社からの電力供給の有無を検出する手段も必要です。
シンクロバーターは、回転発電機をシミュレートするように設計されたインバータであり、電力系統の安定化に役立ちます。通常の発電機よりも系統周波数の変化に迅速に反応するように設計することができ、従来の発電機が需要や発電量の急激な変化に対応する機会を与えることができます。
数百メガワットの定格出力を持つ大型インバータは、高電圧直流送電システムから交流配電システムへ電力を供給するために使用される。
太陽光発電用インバーターは、太陽光発電システムのシステムバランス（BOS）コンポーネントであり、系統連系型システムと独立型システム（スタンドアロン型）の両方で使用できます。太陽光発電用インバーターには、最大電力点追従（MPPT ）や系統分離防止機能など、太陽光発電アレイでの使用に適した特別な機能が備わっています。
太陽光発電用マイクロインバーターは、従来のインバーターとは異なり、各ソーラーパネルに個別のマイクロインバーターが取り付けられます。これにより、システム全体の効率が向上します。複数のマイクロインバーターからの出力は合算され、多くの場合、電力網に供給されます。
他の用途では、従来のインバーターをソーラー充電コントローラーで制御されるバッテリーバンクと組み合わせることができます。このコンポーネントの組み合わせは、しばしばソーラージェネレーターと呼ばれます。[ 16 ]
太陽光発電用インバーターは、宇宙船の太陽光発電システムにも使用されている。
インバータは、低周波の主交流電源を高周波に変換し、誘導加熱に利用します。そのためには、まず交流電源を整流して直流電源を得ます。次に、インバータはこの直流電源を高周波交流電源に変換します。使用する直流電源の数を減らすことで構造の信頼性が向上し、ステップ数を増やすことで出力電圧の分解能が高まり、基準となる正弦波電圧をより正確に実現できます。この構成は、近年、交流電源や可変速駆動装置などの用途で非常に普及しています。この新しいインバータでは、余分なクランプダイオードや電圧バランスコンデンサが不要になります。
レベルシフト変調技術には、以下の3種類があります。
HVDC送電では、交流電力を整流し、高電圧直流電力を別の場所に送電します。受電地点では、 HVDC変換所のインバータが電力を交流に戻します。インバータは系統の周波数と位相に同期させ、高調波の発生を最小限に抑える必要があります。
電気ショック兵器やテーザー銃は、小型の9V直流電池から数万Vの交流電圧を生成するためにDC/ACインバーターを使用しています。まず、9V直流電圧は小型の高周波トランスで400～2000Vの交流電圧に変換され、整流されて、あらかじめ設定されたしきい値電圧に達するまで高電圧コンデンサーに一時的に蓄えられます。しきい値（エアギャップまたはトライアックによって設定）に達すると、コンデンサーは負荷全体をパルストランスーに放出し、パルストランスーはそれを最終出力電圧である20～60kVまで昇圧します。この原理の変形は、電子フラッシュや虫除け器にも使用されていますが、これらはコンデンサーベースの電圧乗算器を使用して高電圧を実現しています。
パワーインバータの代表的な用途は以下のとおりです。
単純なインバータ回路では、直流電源が一次巻線のセンタータップを介して変圧器に接続されます。リレースイッチが高速で切り替えられることで、電流は一次巻線の一方の端と他方の端を通る2つの経路を交互に辿って直流電源に戻ります。変圧器の一次巻線における電流の方向が交互に切り替わることで、二次回路に交流電流（AC）が発生します。
電気機械式のスイッチング装置は、2つの固定接点とバネで支持された可動接点から構成されます。バネは可動接点を一方の固定接点に押し付け、電磁石は可動接点を反対側の固定接点に引き寄せます。電磁石の電流はスイッチの動作によって遮断されるため、スイッチは高速で連続的に切り替わります。この種の電気機械式インバータスイッチは、バイブレータまたはブザーと呼ばれ、かつては真空管式自動車ラジオに使用されていました。同様の機構は、ドアベル、ブザー、タトゥーマシンなどにも使用されています。
十分な電力定格を備えたトランジスタやその他の様々な半導体スイッチがインバータ回路設計に組み込まれるようになった。特に大規模システム（数キロワット）では、サイリスタ（SCR）が使用される。SCRは半導体デバイスとして大きな電力処理能力を持ち、可変点弧範囲で容易に制御できる。
上述の単純なインバータのスイッチは、出力トランスに接続されていない場合、オンとオフの単純な動作のため、交流電源の通常の波形である正弦波とは異なり、方形波の電圧波形を生成します。フーリエ解析を用いると、周期的な波形は無限級数の正弦波の和として表されます。元の波形と同じ周波数を持つ正弦波は基本波と呼ばれます。級数に含まれる他の正弦波は高調波と呼ばれ、その周波数は基本周波数の整数倍です。
フーリエ解析を用いて全高調波歪み（THD）を計算することができる。全高調波歪み（THD）は、高調波電圧の二乗和を基本波電圧で割った値の平方根である。
インバータの設計には、さまざまな電力回路トポロジーと制御戦略が使用されています。[ 17 ]さまざまな設計アプローチは、インバータの使用目的に応じて重要度が異なるさまざまな問題に対処します。たとえば、走行中の自動車の電気モーターはエネルギー源となり、適切なインバータトポロジー（フルHブリッジ）を使用すると、減速またはブレーキ時に自動車のバッテリーを充電できます。同様に、適切なトポロジー（フルHブリッジ）を使用すると、「ソース」と「負荷」の役割を反転できます。たとえば、AC「負荷」側の電圧が高い場合（発電機セットに似ていますが、ソリッドステートのソーラーインバーターを追加するなど）、エネルギーがDC「ソース」またはバッテリーに流れ込むことができます。
基本的なHブリッジトポロジーに基づいて、基本周波数可変ブリッジコンバータとPWM制御と呼ばれる2つの異なる基本的な制御戦略があります。[ 18 ]ここで、Hブリッジ回路の左図では、左上のスイッチが「S1」と名付けられ、他のスイッチは反時計回りの順に「S2、S3、S4」と名付けられています。
基本的な周波数可変ブリッジコンバータでは、スイッチは電力系統の交流と同じ周波数で動作させることができます。ただし、交流周波数を決定するのは、スイッチの開閉速度です。S1とS4がオンで他の2つがオフの場合、負荷には正の電圧が供給され、その逆も同様です。スイッチのオン/オフ状態を制御することで、交流の振幅と位相を調整できます。また、スイッチを制御して特定の高調波を除去することもできます。これには、出力波形にノッチ（0状態領域）を作成するようにスイッチを制御したり、互いに位相がずれた2つ以上のコンバータの出力を並列に追加したりすることが含まれます。
もう一つの方法としてPWM（パルス幅変調）があります。基本的な周波数可変ブリッジコンバータとは異なり、PWM制御方式では、スイッチS3とS4の2つだけが交流側の周波数、または任意の低周波数で動作します。残りの2つのスイッチは、より高速（通常100kHz ）でスイッチングし、振幅は同じだが持続時間が異なる方形波電圧を生成します。これは、より大きな時間スケールで振幅が変化する電圧のように動作します。
これら2つの方式では、異なる高調波が発生します。1つ目の方式では、フーリエ解析により、高調波の振幅は4/(π*k) (kは高調波の次数)となります。そのため、高調波エネルギーの大部分は低次の高調波に集中します。一方、PWM方式では、高速スイッチングのため、高調波のエネルギーはより高い周波数に集中します。これらの高調波特性の違いにより、THDと高調波除去の要件が異なります。「THD」と同様に、「波形品質」という概念は、高調波によって引き起こされる歪みのレベルを表します。上記のHブリッジによって直接生成される交流の波形品質は、私たちが望むほど良くはありません。
波形品質の問題は、さまざまな方法で対処できます。コンデンサやインダクタを使用して波形をフィルタリングできます。設計にトランスが含まれている場合は、トランスの一次側、二次側、または両側にフィルタリングを適用できます。ローパスフィルタは、波形の基本波成分を出力に通過させ、高調波成分の通過を制限するために適用されます。インバータが固定周波数で電力を供給するように設計されている場合は、共振フィルタを使用できます。可変周波数インバータの場合、フィルタは最大基本周波数よりも高い周波数に同調する必要があります。
ほとんどの負荷にはインダクタンスが含まれるため、スイッチがオフになったときにピークの誘導性負荷電流を流す経路を確保するために、各半導体スイッチにフィードバック整流器または逆並列ダイオードが接続されることがよくあります。逆並列ダイオードは、 AC/DCコンバータ回路で使用されるフリーホイーリングダイオードといくらか似ています。
フーリエ解析によると、方形波のように180度を中心として反対称な波形には、3次、5次、7次などの奇数次高調波のみが含まれる。特定の幅と高さのステップを持つ波形は、高調波を増幅する代わりに、特定の低次高調波を減衰させることができる。例えば、方形波の正と負のセクションの間にゼロ電圧ステップを挿入すると、3で割り切れるすべての高調波（3次、9次など）を除去できる。残るのは5次、7次、11次、13次などのみである。必要なステップの幅は、正と負のステップそれぞれで周期の3分の1、ゼロ電圧ステップそれぞれで周期の6分の1である。[ 20 ]
上記のように方形波を変化させることは、パルス幅変調の一例です。方形波パルスの幅を変調または調整することは、インバータの出力電圧を調整する方法としてよく用いられます。電圧制御が不要な場合は、特定の高調波を低減または除去するために、固定パルス幅を選択できます。高調波除去技術は、一般的に最低次の高調波に適用されます。これは、フィルタ部品をはるかに小型で安価にできる高周波数では、フィルタリングがはるかに実用的であるためです。複数のパルス幅またはキャリアベースのPWM制御方式では、多数の狭いパルスで構成される波形が生成されます。1秒あたりの狭いパルスの数で表される周波数は、スイッチング周波数またはキャリア周波数と呼ばれます。これらの制御方式は、出力電圧と周波数の調整範囲が広く、波形の品質も向上するため、可変周波数モータ制御インバータでよく使用されます。
マルチレベルインバータは、高調波キャンセルの別のアプローチを提供します。マルチレベルインバータは、複数の電圧レベルで複数のステップを示す出力波形を提供します。たとえば、2つの電圧で分割レール直流入力、または中央の接地を備えた正負の入力を持つことで、より正弦波に近い波形を生成することができます。インバータの出力端子を、正レールと接地、正レールと負レール、接地レールと負レール、そして両方を接地レールに順番に接続することで、インバータ出力にステップ波形が生成されます。これは、2つの電圧と接地を備えた3レベルインバータの例です。[ 21 ]
共振インバータは、LC回路を用いて単純な矩形波から高調波を除去し、正弦波を生成します。通常、複数の直列および並列共振LC回路が用いられ、それぞれが電源周波数の異なる高調波に同調されます。これにより電子回路は簡素化されますが、インダクタとコンデンサは大型で重量も大きくなる傾向があります。この方式は効率が高いため、データセンターの大型無停電電源装置（ UPS）で広く用いられています。UPSでは、停電時の切り替え時の過渡現象を避けるため、インバータを「オンライン」モードで常時稼働させます。（関連：共振インバータを参照）
密接に関連する手法として、定電圧トランスとも呼ばれる強磁性共振トランスを用いて高調波を除去し、負荷を数サイクルにわたって維持するのに十分なエネルギーを蓄積する方法がある。この特性により、通常アイドル状態のインバータが起動し、機械式リレーが出力に切り替わる際に発生する切り替え過渡現象を解消するため、待機電源装置に有用である。
Power Electronics誌で提案されたある技術は、DCバス電圧をどちらかの方向に印加するか、オフにすることしかできない一般的な市販技術よりも優れた2つの電圧を利用しています。この提案では、一般的な設計に中間電圧を追加しています。各サイクルでは、次の電圧シーケンスが供給されます: v1、v2、v1、0、-v1、-v2、-v1、0。[ 19 ]
三相インバータは、可変周波数駆動アプリケーションや、 HVDC送電などの高出力アプリケーションに使用されます。基本的な三相インバータは、3つの負荷端子のそれぞれに接続された3つの単相インバータスイッチで構成されています。最も基本的な制御方式では、3つのスイッチの動作が協調され、基本出力波形の各60度点で1つのスイッチが動作します。これにより、6ステップの線間出力波形が生成されます。6ステップ波形は、方形波の正と負のセクションの間にゼロ電圧ステップがあり、上記のように3の倍数である高調波が除去されます。キャリアベースのPWM技術を6ステップ波形に適用すると、波形の基本的な全体的な形状、つまりエンベロープが保持され、3次高調波とその倍数がキャンセルされます。グリッド接続インバータの主な目的は、主電源から家庭/オフィスに電力を供給し、太陽光発電を主電源に供給することです[ 22 ]
より高い電力定格を持つインバータを構築するには、電流定格を高めるために6ステップ三相インバータを2台並列接続するか、電圧定格を高めるために直列接続することができます。いずれの場合も、出力波形は位相シフトされ、12ステップ波形が得られます。さらにインバータを組み合わせると、3台のインバータで18ステップインバータが得られます。インバータは通常、電圧または電流定格の向上を目的として組み合わせられますが、波形の品質も向上します。
他の家庭用電気機器と比較すると、インバーターはサイズと体積が大きい。2014年、GoogleはIEEEと共同で、より小型のパワーインバーターを開発するための賞金100万ドルの「Little Box Challenge」というオープンコンペティションを開始した。 [ 23 ]
19世紀後半から20世紀半ばにかけて、直流から交流への電力変換は、回転式変換器または電動発電機セット（M-Gセット）を使用して行われました。20世紀初頭には、真空管やガス封入管がインバータ回路のスイッチとして使用されるようになりました。最も広く使用されたタイプの管はサイラトロンでした。グリッド規模の反転には、 1950年代から1970年代まで水銀アーク管が使用されました[ 24 ]。
電気機械式インバータの起源は、インバータという用語の由来を説明しています。初期のAC-DCコンバータは、誘導モーターまたは同期ACモーターを発電機（ダイナモ）に直接接続し、発電機の整流子が適切なタイミングで接続を反転させてDCを生成するようにしていました。後の発展として同期コンバータがあり、これはモーターと発電機の巻線を1つの電機子にまとめ、片端にスリップリング、もう一方の端に整流子、そして1つの界磁フレームのみを備えています。どちらの場合も、入力はAC、出力はDCです。M-Gセットでは、DCはACとは別に生成されると考えることができます。同期コンバータでは、ある意味で「機械的に整流されたAC」と考えることができます。適切な補助機器と制御機器があれば、M-Gセットまたは回転コンバータを「逆方向に運転」してDCをACに変換することができます。したがって、インバータは反転コンバータです。[ 25 ]
初期のトランジスタは、ほとんどのインバータ用途に必要な電圧および電流定格を備えていなかったため、1957年にサイリスタまたはシリコン制御整流器（SCR）が導入されたことが、固体インバータ回路への移行のきっかけとなった。
SCRの転流要件は、SCR回路設計において重要な考慮事項です。SCRは、ゲート制御信号がオフになったときに自動的にオフになったり転流したりすることはありません。SCRは、外部プロセスによって順方向電流が最小保持電流（SCRの種類によって異なります）を下回った場合にのみオフになります。交流電源に接続されたSCRの場合、電源電圧の極性が反転するたびに自然に転流が発生します。直流電源に接続されたSCRは通常、転流が必要なときに電流をゼロにする強制転流手段を必要とします。最も単純なSCR回路は、強制転流ではなく自然転流を採用しています。強制転流回路を追加することで、SCRは上述のようなインバータ回路に利用されています。
インバータが直流電源から交流電源へ電力を伝達する用途では、反転モードで動作するAC-DC制御整流回路を使用することができます。反転モードでは、制御整流回路はライン転流インバータとして動作します。この動作方式は、高圧直流送電システムやモータ制御システムの回生ブレーキ動作などに利用できます。
SCRインバータ回路のもう1つのタイプは、電流源入力（CSI）インバータです。CSIインバータは、6ステップ電圧源インバータの双対です。電流源インバータでは、DC電源は電圧源ではなく電流源として構成されます。インバータのSCRは6ステップのシーケンスで切り替えられ、電流をステップ状の電流波形として三相AC負荷に供給します。CSIインバータの転流方式には、負荷転流と並列コンデンサ転流があります。どちらの方式でも、入力電流制御が転流を補助します。負荷転流の場合、負荷は力率が進みで動作する同期モータです。
より高い電圧および電流定格のものが入手可能になったことにより、制御信号によってオンオフできるトランジスタやIGBTなどの半導体は、インバータ回路で使用されるスイッチング部品として好まれるようになった。
整流回路は、交流入力電圧の1サイクルあたりに整流器の直流側に流れる電流パルスの数によって分類されることが多い。単相半波整流器は1パルス回路であり、単相全波整流器は2パルス回路である。三相半波整流器は3パルス回路であり、三相全波整流器は6パルス回路である。[ 26 ]
三相整流器では、より高い電圧または電流定格を得るために、2つ以上の整流器を直列または並列に接続することがあります。整流器の入力は、位相シフトされた出力を提供する特殊な変圧器から供給されます。これにより、位相乗算の効果が得られます。2つの変圧器からは6相、3つの変圧器からは12相、といった具合です。関連する整流回路は、12パルス整流器、18パルス整流器などとなります。
制御整流回路を反転モードで動作させる場合、パルス数によっても分類されます。パルス数が多い整流回路は、交流入力電流の高調波成分が少なく、直流出力電圧のリプルも少なくなります。反転モードでは、パルス数が多い回路ほど、交流出力電圧波形の高調波成分が少なくなります。
1970年まで電力伝送用途で設置されていた大型スイッチングデバイスは、主に水銀アーク管を使用していた。現代のインバータは通常、ソリッドステート（静的インバータ）である。現代の設計手法では、コンポーネントをHブリッジ構成で配置する。この設計は、小型の民生機器でも非常に人気がある。[ 27 ] [ 28 ]
