As locuções prepositivas «em lugar de» e «em vez de» são usadas em situações equivalentes, já a locução «ao invés de» tem um significado distinto.

Com efeito, nem sempre é fácil verbalizar o sentido de preposições ou de locuções prepositivas. Daí que, por vezes, nos dicionários se recorra a expressões com valor equivalente. Esta opção não se deverá, portanto, à falta de abonações, mas sim à tentativa de clarificar o valor das locuções e as situações de uso. 

A locução prepositiva «em lugar de» tem o valor de «em substituição de» ou de «em vez de¹», o que significa que entre esta última locução e a primeira se estabelece uma equivalência semântica que justifica o facto de elas surgirem como sinónimas nos respetivos verbetes de dicionário. Assim, ambas as locuções podem assinalar a substituição de uma realidade/estado de coisas por outro:

(1) «Prefiro um café em lugar de / em vez de sobremesa.»

Já a locução «ao invés de» significa «ao contrário de; ao revés de», o que significa que será usada para conectar referências a realidades que contrastam entre si, como em (2):

(2) «O João prefere correr ao invés do Ricardo, que prefere ler.»

Nesta situação, não se usariam as locuções «em lugar de» ou «em vez de» por não marcarem o contraste.

Disponha sempre!

1. Consultou-se o Dicionário da Língua Portuguesa, da Academia das Ciências de Lisboa.