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变频器和逆变器工作原理是什么?

凡亿PCB 来源:嵌入式专栏 作者:strongerHuang 2021-02-15 11:47 次阅读

我们都知道,变频器逆变器在我们现实生活中应用非常广泛,但你知道他们的工作原理吗?

1

基础概念

AC:Alternating Current,交流电

DC:Direct Current,直流电 逆变器:是把直流电能(如:电池、蓄电瓶)转变成交流电(如:220V,50Hz正弦波),频率也可调节。 转换关系:『直->交』。 变频器:将输入的交流电转换为所需频率的交流电输出。 转换关系:『交->直->交』或『交->交』。 一般『交->直->交』比较常见,先将交流电转换为直流,再将直流转为交流,也就是“整流+逆变”。 『交->直』的原理相信大家都知道,但『直->交』估计很多人都不清楚,下面主要围绕『直->交』来讲述,也就是逆变器相关原理。

2

什么是交流电?

交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流,在一个周期内的运行平均值为零。

74ba091a-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

提示:通常交流电(AC)波形为正弦曲线(如:家用220V交流电),交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。

3

正方形波A.C产生原理

在讲述正弦波生成之前,让我们看看方波A.C是如何产生的。实际上,旧式逆变器就是用于产生简单的方波作为其输出。

74f23c4a-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

正方形波A.C输出方法:

如下如,一个输入电源,通过控制4个MOS管的开关,就可以改变在A,B两点电流的方向,该电路也称为全桥逆变器。

7566b408-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

1.正向电流接通S1和S4,断开S2和S3,此时,通过AB点的电流为正向,如下图:

75bfb08a-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

2.反向电流与上面反之,断开S1和S4,接通S2和S3,此时,通过AB点的电流为反向,如下图:

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4

脉冲宽度调制 - 纯正弦波产生

上面介绍了正方形波的产生原理,接下来讲述正弦波的产生。

正方形波->正弦波的过程,我们称之为脉冲宽度调制。 脉冲宽度调制的逻辑很简单,以不同宽度的脉冲形式产生直流(DC)电压。在需要更高振幅的区域,它会产生更大宽度的脉冲,如下图所示:

7680aa56-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

高精度如果你在很短的时间间隔内平均这些脉冲会发生什么? 您会惊讶地发现平均脉冲的形状看起来非常类似于正弦曲线。使用的脉冲越精细,正弦曲线的形状就越好,如下图:

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5

如何制作脉冲以及如何做出平均值

上面章节讲述了实现产生正弦波的方法和原理,现在的问题是如何制作这些脉冲,我们以什么方式对它们进行平均?

在实际的逆变器中,是通过两个比较器实现的。比较器将正弦波与三角波进行比较。一个比较器使用正常的正弦波,另一个比较器使用反相正弦波。第一个比较器控制S1和S2开关,第二个比较器控制S3和S4,如下图:

77220338-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

S1和S2确定A点的电压,另外两个开关确定B点的电压。

7566b408-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

你可以看到比较器输出的一个分支配有逻辑非门。这将确保当S1为ON时,S2将为OFF,反之亦然。

这也意味着,我们永远不能同时打开S1和S2(不会短路)。

PWM的开关逻辑很简单,当正弦波值大于三角波时,比较器产生信号1,否则产生信号0。

6

比较器输出

1.切换逻辑

Vsine> Vtrian

Vsine< Vtrian

现在根据该逻辑观察第一比较器的电压变化,MOS管上的控制信号为1,显示了在A点产生的电压脉冲。

77a03d34-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

应用相同的开关逻辑并观察在B点产生的电压,由于我们在A点和B点之间测量输出电压,因此净电压将是A和B之间的差值。

77dc04f4-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

三角波越精细,脉冲序列就越精确:

784c24a0-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

7

滤波,平均

为了使其是真正的正弦波,还需要使用电感和电容等储能元件来平滑电压电流,它们被称为无源滤波器

电感器用于平滑电流,电容器用于平滑电压。总而言之,通过逆变桥,良好的PWM技术和无源滤波器,你就可以产生满足要求的正弦波电压了。

78c25b52-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

8

拓展:多级逆变器

上面我们讲述的逆变器只有两级电压,如果我们再引入一个电压等级怎么办?

78fbb4ce-5426-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

如上图,使用电压等级,就可以更好地逼近正弦波,并可以减少瞬时误差。

这种多级逆变器技术用于风力涡轮机和电动汽车等高精度应用。

原文标题:详解变频器、逆变器工作原理

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责任编辑:haq

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