簡(jiǎn)述變頻器以及逆變器工作原理

我們都知道，變頻器和逆變器在我們現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛，但你知道他們的工作原理嗎？

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基礎(chǔ)概念

AC： Alternating Current，交流電

DC： Direct Current，直流電

逆變器： 是把直流電能（如：電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（如：220V,50Hz正弦波），頻率也可調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)換關(guān)系：『直->交』。

變頻器： 將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為所需頻率的交流電輸出。

轉(zhuǎn)換關(guān)系：『交->直->交』 或 『交->交』。

一般『 交->直->交 』比較常見，先將交流電轉(zhuǎn)換為直流，再將直流轉(zhuǎn)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(jì)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(guān)原理。

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什么是交流電？

交流電是指電流方向隨時(shí)間作周期性變化的電流，在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行平均值為零。

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(shí)際上還有應(yīng)用其他的波形，例如 三角形波、正方形波 。

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正方形波A.C產(chǎn)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(chǎn)生的。實(shí)際上，舊式逆變器就是用于產(chǎn)生簡(jiǎn)單的方波作為其輸出。

正方形波A.C輸出方法：

如下如，一個(gè)輸入電源，通過控制4個(gè)MOS管的開關(guān)，就可以改變?cè)贏,B兩點(diǎn)電流的方向，該電路也稱為全橋逆變器。

1.正向電流

接通S1和S4，斷開S2和S3，此時(shí)，通過AB點(diǎn)的電流為正向，如下圖：

2.反向電流

與上面反之，斷開S1和S4，接通S2和S3，此時(shí)，通過AB點(diǎn)的電流為反向，如下圖：

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脈沖寬度調(diào)制 - 純正弦波產(chǎn)生

上面介紹了正方形波的產(chǎn)生原理，接下來講述正弦波的產(chǎn)生。

正方形波 -> 正弦波的過程，我們稱之為脈沖寬度調(diào)制。

脈沖寬度調(diào)制的邏輯很簡(jiǎn)單，以不同寬度的脈沖形式產(chǎn)生直流（DC）電壓。在需要更高振幅的區(qū)域，它會(huì)產(chǎn)生更大寬度的脈沖，如下圖所示：

提高精度

如果你在很短的時(shí)間間隔內(nèi)平均這些脈沖會(huì)發(fā)生什么？

您會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)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(xì)，正弦曲線的形狀就越好，如下圖：

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如何制作脈沖以及如何做出平均值

上面章節(jié)講述了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生正弦波的方法和原理，現(xiàn)在的問題是如何制作這些脈沖，我們以什么方式對(duì)它們進(jìn)行平均？

在實(shí)際的逆變器中，是通過兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)的。比較器將正弦波與三角波進(jìn)行比較。一個(gè)比較器使用正常的正弦波，另一個(gè)比較器使用反相正弦波。第一個(gè)比較器控制S1和S2開關(guān)，第二個(gè)比較器控制S3和S4，如下圖：

S1和S2確定A點(diǎn)的電壓，另外兩個(gè)開關(guān)確定B點(diǎn)的電壓。

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

這也意味著，我們永遠(yuǎn)不能同時(shí)打開S1和S2（不會(huì)短路）。

PWM的開關(guān)邏輯很簡(jiǎn)單，當(dāng)正弦波值大于三角波時(shí)，比較器產(chǎn)生信號(hào)1，否則產(chǎn)生信號(hào)0。

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比較器輸出

1.切換邏輯

Vsine > Vtrian

Vsine < Vtrian

現(xiàn)在根據(jù)該邏輯觀察第一比較器的電壓變化，MOS管上的控制信號(hào)為1，顯示了在A點(diǎn)產(chǎn)生的電壓脈沖。

應(yīng)用相同的開關(guān)邏輯并觀察在B點(diǎn)產(chǎn)生的電壓，由于我們?cè)贏點(diǎn)和B點(diǎn)之間測(cè)量輸出電壓，因此凈電壓將是A和B之間的差值。

三角波越精細(xì)，脈沖序列就越精確：

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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(chǔ)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(shù)和無源濾波器，你就可以產(chǎn)生滿足要求的正弦波電壓了。

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拓展：多級(jí)逆變器

上面我們講述的逆變器只有兩級(jí)電壓，如果我們?cè)僖胍粋€(gè)電壓等級(jí)怎么辦？

如上圖，使用電壓等級(jí)，就可以更好地逼近正弦波，并可以減少瞬時(shí)誤差。

這種多級(jí)逆變器技術(shù)用于風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)汽車等高精度應(yīng)用。