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變頻器和逆變器你知道他們的工作原理嗎?

strongerHuang ? 來源:嵌入式專欄 ? 作者:劉芹 ? 2022-11-16 09:16 ? 次閱讀

我們都知道,變頻器逆變器在我們現實生活中應用非常廣泛,但你知道他們的工作原理嗎?

1

基礎概念

ACAlternating Current,交流電

DCDirect Current,直流電

逆變器:是把直流電能(如:電池、蓄電瓶)轉變成交流電(如:220V,50Hz正弦波),頻率也可調節。 轉換關系:『直->交』。

變頻器:將輸入的交流電轉換為所需頻率的交流電輸出。

轉換關系:『交->直->交』或『交->交』。

一般『交->直->交』比較常見,先將交流電轉換為直流,再將直流轉為交流,也就是“整流+逆變”。

『交->直』的原理相信大家都知道,但『直->交』估計很多人都不清楚,下面主要圍繞『直->交』來講述,也就是逆變器相關原理。

2

什么是交流電?

交流電是指電流方向隨時間作周期性變化的電流,在一個周期內的運行平均值為零。

bd3e0e7e-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

提示: 通常交流電(AC)波形為正弦曲線(如:家用220V交流電),交流電可以有效傳輸電力。但實際上還有應用其他的波形,例如三角形波、正方形波。

3

正方形波A.C產生原理

在講述正弦波生成之前,讓我們看看方波A.C是如何產生的。實際上,舊式逆變器就是用于產生簡單的方波作為其輸出。

bd591520-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

正方形波A.C輸出方法:

如下如,一個輸入電源,通過控制4個MOS管的開關,就可以改變在A,B兩點電流的方向,該電路也稱為全橋逆變器。

bd676cce-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

1.正向電流

接通S1和S4,斷開S2和S3,此時,通過AB點的電流為正向,如下圖:

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2.反向電流

與上面反之,斷開S1和S4,接通S2和S3,此時,通過AB點的電流為反向,如下圖:

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4

脈沖寬度調制 - 純正弦波產生

上面介紹了正方形波的產生原理,接下來講述正弦波的產生。

正方形波 ->正弦波的過程,我們稱之為脈沖寬度調制。

脈沖寬度調制的邏輯很簡單,以不同寬度的脈沖形式產生直流(DC)電壓。在需要更高振幅的區域,它會產生更大寬度的脈沖,如下圖所示:

bdcb1580-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

高精度

如果你在很短的時間間隔內平均這些脈沖會發生什么?

您會驚訝地發現平均脈沖的形狀看起來非常類似于正弦曲線。使用的脈沖越精細,正弦曲線的形狀就越好,如下圖:

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5

如何制作脈沖以及如何做出平均值

上面章節講述了實現產生正弦波的方法和原理,現在的問題是如何制作這些脈沖,我們以什么方式對它們進行平均?

在實際的逆變器中,是通過兩個比較器實現的。比較器將正弦波與三角波進行比較。一個比較器使用正常的正弦波,另一個比較器使用反相正弦波。第一個比較器控制S1和S2開關,第二個比較器控制S3和S4,如下圖:

be117372-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

S1和S2確定A點的電壓,另外兩個開關確定B點的電壓。

bd676cce-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

你可以看到比較器輸出的一個分支配有邏輯非門。這將確保當S1為ON時,S2將為OFF,反之亦然。

這也意味著,我們永遠不能同時打開S1和S2(不會短路)。

PWM的開關邏輯很簡單,當正弦波值大于三角波時,比較器產生信號1,否則產生信號0。

6

比較器輸出

1.切換邏輯

Vsine > Vtrian

Vsine < Vtrian

現在根據該邏輯觀察第一比較器的電壓變化,MOS管上的控制信號為1,顯示了在A點產生的電壓脈沖。

be41789c-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

應用相同的開關邏輯并觀察在B點產生的電壓,由于我們在A點和B點之間測量輸出電壓,因此凈電壓將是A和B之間的差值。

be552d60-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

三角波越精細,脈沖序列就越精確:

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7

濾波,平均

為了使其是真正的正弦波,還需要使用電感和電容等儲能元件來平滑電壓電流,它們被稱為無源濾波器。

電感器用于平滑電流,電容器用于平滑電壓。

總而言之,通過逆變橋,良好的PWM技術和無源濾波器,你就可以產生滿足要求的正弦波電壓了。

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8

拓展:多級逆變器

上面我們講述的逆變器只有兩級電壓,如果我們再引入一個電壓等級怎么辦?

bebd2f5a-6546-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

如上圖,使用電壓等級,就可以更好地逼近正弦波,并可以減少瞬時誤差。

這種多級逆變器技術用于風力渦輪機和電動汽車等高精度應用。







審核編輯:劉清

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原文標題:變頻器,逆變器工作原理

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