变频器,逆变器(AC-DC)工作原理

strongerHuang 2019-09-10 18:01

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我们都知道,变频器和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?

一、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:->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。

二、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。


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

三、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。


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。


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:


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:


四、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:


提高精度
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:


五、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:


S1和S2确定A点的电压,另外两个开关确定B点的电压。

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。


六、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


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。


三角波越精细,脉冲序列就越精确:


七、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。


八、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?


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。

文章相关内容,汇总在这个视频中:


文章就写到这里,希望本文对大家有所帮助。(文章素材来源learnengineering,由我整理并发布。)



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