怎么實(shí)現(xiàn)變頻器50Hz至60Hz的設(shè)計(jì)

實(shí)際上，如今很少有設(shè)備與頻率相關(guān)，而且許多設(shè)備都具有可連接到各種電壓的不斷變化的電源。如果只有電壓是問(wèn)題，那么變壓器可以解決問(wèn)題，但仍有一些設(shè)備需要特定的線路頻率，而頻率的更改要復(fù)雜得多。一位朋友有一個(gè)剃須刀，它與60Hz的線路頻率產(chǎn)生機(jī)械共振，但在50Hz時(shí)效果不佳。（我仍然擁有并每天使用1967年左右的BRAUN剃須刀，該剃須刀在50Hz下共振，即使電壓可以從單相110V更改為220V，也無(wú)法在60Hz下正常工作。我還有另一個(gè)更新的剃須刀取決于我出國(guó)旅行時(shí)的頻率。）即使是通過(guò)較慢旋轉(zhuǎn)以50Hz工作的電機(jī)也需要向下調(diào)整電壓，因?yàn)?0Hz的阻抗較低，因此有時(shí)即使不是絕對(duì)必要，提供正確的頻率也是有意義的。

使用變壓器或開(kāi)關(guān)適配器很容易轉(zhuǎn)換電壓，但改變頻率并不那么容易。經(jīng)過(guò)一番搜索，我發(fā)現(xiàn)有固態(tài)變頻器，但它們是非常昂貴的專業(yè)設(shè)備，而不是旅行者和家用電器的小工具，所以我開(kāi)始自己設(shè)計(jì)和制造一個(gè)更便宜的。

規(guī)格為：

輸入：230 伏交流電，48 赫茲至 400 赫茲。

輸出：110 伏 RMS 交流（修正正弦波），60 赫茲。

本變頻器的功率能否輸出主要取決于C1和C2的值；它們?cè)酱?，輸出越大。?duì)于這種低功率應(yīng)用，晶體管尺寸過(guò)大，并且可以處理更多的功率，前提是它們安裝在足夠的散熱器上并且控制部分根本不會(huì)受到影響。由于該電路輸出 110 V RMS，它可以用作電壓轉(zhuǎn)換器，即使該設(shè)備不需要 60Hz 并且可以在 50Hz 下工作，但在這種情況下，變壓器確實(shí)是更好的解決方案。

警告！該變頻器電路可處理極高且危險(xiǎn)的電壓。除非您擁有必要的知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，否則甚至不要考慮構(gòu)建它。這不是盲目遵循的食譜，而是要開(kāi)發(fā)以滿足個(gè)人需求的一般想法的示例。如果您沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，那么甚至不要嘗試。

逆變器部分

我們可以將變頻器分成三個(gè)不同的部分。一個(gè)是輸出110V RMS方波的開(kāi)關(guān)部分（逆變器），另一個(gè)是控制開(kāi)關(guān)的控制部分，第三個(gè)是控制部分的低壓電源。讓我們首先快速瀏覽一下從開(kāi)關(guān)逆變器部分開(kāi)始的不同部分。

C1 和 C2 從單相 230 V 電源通過(guò)二極管橋串聯(lián)充電到總共約 320 V 的電壓，該電壓在兩者之間均分。沒(méi)有功率因數(shù)校正，因此這種設(shè)計(jì)實(shí)際上只適用于相對(duì)較小的負(fù)載。一對(duì)與 C1 和 C2 并聯(lián)的等值電阻器確保電壓在兩個(gè)電容器之間平均分配。我碰巧有 330K，但我可能會(huì)選擇一個(gè)稍低的值，如 100K。NTC 限制了浪涌電流。我還在逆變器部分添加了一個(gè)保險(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲未在線路輸入的圖中顯示。這是常識(shí)，也是防止過(guò)載的唯一保護(hù)措施。

負(fù)載一端接在C1和C2的中點(diǎn)，另一端通過(guò)TR1和TR2構(gòu)成的半橋交替切換高低軌。反向偏置的 1N4007 二極管與 TR1 和 TR2 并聯(lián)。這是為了防止由感性負(fù)載引起的瞬變。事實(shí)上，我沒(méi)有安裝它們，因?yàn)?MOSFET IRF830 在外殼中包含了這個(gè)二極管。我將這對(duì)晶體管安裝在散熱器上，盡管負(fù)載減少，它們幾乎不會(huì)升溫，但逆變器電路可以升級(jí)以通過(guò)增加 C1 和 C2 的值來(lái)處理更大的功率，并且晶體管熱量不會(huì)成為問(wèn)題。這是在低頻（例如 50 Hz、60 Hz）下工作的好部分。

為了保持輸出的峰值和 RMS 值等于 110 Vac RMS 正弦波，我們需要使輸出為：

1/4 周期 = 0 V（兩個(gè)晶體管都被阻斷），

1/4 周期 = +160 V（ TR2 導(dǎo)通），

1/4 周期 = 0 V（兩個(gè)晶體管都被阻斷），

1/4 周期 = -160 V（TR1 導(dǎo)通），

從數(shù)學(xué)上可以看出，該波形具有與 110V 交流正弦波相同的 RMS 和峰值。峰值對(duì)于將電容器充電到峰值的設(shè)備很重要，RMS 對(duì)于其他設(shè)備很重要。因此，該波形是正弦波的最佳矩形近似，通常稱為“修正正弦波”。我個(gè)人不喜歡這個(gè)營(yíng)銷術(shù)語(yǔ)，因?yàn)樗浅２粶?zhǔn)確。矩形波或“修正方波”會(huì)更準(zhǔn)確。某些設(shè)備可能需要來(lái)自變頻器的真正弦波。許多電壓表測(cè)量平均電壓并以 0.707/0.636 的系數(shù)進(jìn)行校正，以指示 RMS 假設(shè)為正弦波形并且對(duì)其他波形無(wú)效。測(cè)量矩形“修正正弦波”時(shí)的此類儀器波形真正弦修正正弦

頂峰1.0001.000

平均數(shù)0.6360.500

有效值0.7070.707

在下面的照片中，我們可以看到在“示波器”上看到的實(shí)際矩形輸出（綠色）和疊加的數(shù)學(xué)正弦波（紅色）。由于所有整流器電容器負(fù)載，來(lái)自市電的實(shí)際電壓的頂部被大幅削減。

因此，我們需要兩個(gè)信號(hào)來(lái)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間打開(kāi)/關(guān)閉 TR1 和 TR2。TR1（稱為“低端”）很容易控制，因?yàn)樵磁c控制電路處于相同的基本參考電平，但 TR2（稱為“高端”）有點(diǎn)棘手，因?yàn)樗歉?dòng)的并且一直在兩者之間兩個(gè)導(dǎo)軌。有很多方法可以解決轉(zhuǎn)換控制信號(hào)電平的問(wèn)題。您可以搜索“高端控制”或類似術(shù)語(yǔ)。有許多分立電路和集成解決方案。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我考慮使用 IRS2110，但它相對(duì)昂貴且難以找到，因此我決定使用我已經(jīng)擁有的舊光耦合器使用我自己的分立解決方案。該設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，在 60 Hz 下工作良好，但不適合高開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)?TR2 延遲關(guān)閉，必須更改電路以使其關(guān)閉更快（這并不復(fù)雜）。這是因?yàn)闁艠O通過(guò)電容器放電，而不是有信號(hào)迫使它下降。改變電阻值可加快關(guān)斷時(shí)間，但在晶體管導(dǎo)通時(shí)需要更高的電流。

需要特別注意理解自舉電容器，它為開(kāi)關(guān)高端 MOSFET TR2 提供極化。該電容器通過(guò)二極管從低壓電源充電至 15 V，該電源在 TR1 導(dǎo)通時(shí)為控制部分供電并使電容器接地。然后，當(dāng) TR1 停止導(dǎo)通時(shí)，電容器浮起，TR2 的源極通過(guò)光耦合器（或其他情況下使用的任何電路）為柵極開(kāi)關(guān)提供必要的電壓。我實(shí)際上使用了 47 uF，這已經(jīng)足夠了。

控制部分

現(xiàn)在讓我們看看變頻器控制部分。它由一個(gè)以 960 Hz 振蕩的經(jīng)典 555 振蕩器、一個(gè)四級(jí) CD4029 分頻器（除以 16）和 CD4001 的三個(gè) NOR 門組成。顯示的波形是不言自明的。可以看出T1和T2是如何交替為1/4周期正的。T2 應(yīng)用于光耦合器，將電平轉(zhuǎn)換為 TR2 的電平。4001 中有第四個(gè)未使用的門，最好將輸入連接到地或 Vcc，而不是讓它們懸空。我還在電源引腳之間放置了一個(gè)旁路電容器。

當(dāng)連接到 Vcc 時(shí)，4029 計(jì)數(shù)器的引腳 1 將在引腳 4、12、13、3 上設(shè)置的值預(yù)加載到 Q1-Q4，并且計(jì)數(shù)器在接地時(shí)正常計(jì)數(shù)。這意味著我們可以通過(guò)拉高來(lái)停止輸出。使用如圖所示的電阻器和電容器，逆變器輸出將在通電后大約需要一秒鐘才能開(kāi)始工作。起初我將它用于變頻器，但后來(lái)我移除了電容器以加快測(cè)試速度，并且我從未更換過(guò)它。您可以使用或不使用它，也可以根據(jù)需要使用開(kāi)關(guān)。它還可用于通過(guò)電路在輸出端檢測(cè)到過(guò)電流時(shí)將其驅(qū)動(dòng)為高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

電源供應(yīng)

最后，我們?yōu)樽冾l器控制部分提供了 15 伏電源。我沒(méi)有測(cè)量消耗，但我想它可能是 10 或 15 mA。我們需要大約 15 V 的電壓來(lái)切換 MOSFET，并且控制電路 IC 在此電壓下也能正常工作。對(duì)于如此小的功耗，而不是復(fù)雜的穩(wěn)壓器電路，我總是采用非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，如圖所示。我只是將一個(gè)齊納二極管與負(fù)載并聯(lián)，并確保變壓器具有足夠的輸出電阻，這樣齊納二極管就不會(huì)過(guò)載。如果我正在設(shè)計(jì)商業(yè)產(chǎn)品，我可以指定具有所需輸出電阻的變壓器，這也有助于降低成本，因?yàn)槭褂昧吮M可能小的變壓器。但是，如果我使用從垃圾箱中取出的回收變壓器，例如在這種情況下，然后我只是將一個(gè)電阻器與初級(jí)串聯(lián)，然后嘗試幾個(gè)值，直到電阻器本身將電流降低到略高于電路需要的電流，并且齊納二極管吸收了少量多余的電流。沒(méi)有比這更簡(jiǎn)單的了。請(qǐng)注意，齊納二極管僅在交流輸入峰值期間短暫導(dǎo)通。另請(qǐng)注意，需要通過(guò)測(cè)試為每個(gè)變壓器和每個(gè)電路單獨(dú)確定電阻器的大小。具有相同標(biāo)稱輸出值的變壓器的實(shí)際開(kāi)路電壓和輸出阻抗差異很大，因此您必須自己測(cè)試。您可以從較大的電阻值開(kāi)始，然后逐漸減小，直到獲得所需的輸出電壓。

結(jié)構(gòu)

我在設(shè)計(jì)時(shí)在穿孔板上組裝了變頻器電路，并對(duì)其進(jìn)行了修補(bǔ)，直到它工作得很好。使用電阻負(fù)載它可以完美地工作，但是當(dāng)我連接一個(gè)電感負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)槊看尉w管切斷時(shí)，相反的晶體管都會(huì)立即導(dǎo)通一小段時(shí)間。我沒(méi)有嘗試修改電路，而是通過(guò)將一個(gè)電容器與負(fù)載并聯(lián)并將一個(gè)小電阻器與兩者串聯(lián)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。與每個(gè)晶體管并聯(lián)的 RC 緩沖器可能會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。

除了自己設(shè)計(jì)的，你可以簡(jiǎn)單地買GoHz變頻器來(lái)

轉(zhuǎn)換單相

110V 60HZ至220V 50HZ;

120V 60Hz 至 240V 50Hz；

230V 50Hz 至 110V 60Hz；

將三相

480V 60Hz轉(zhuǎn)換為 400V 50Hz；

240V 60Hz 至 440V 50Hz；

或者定制您的特定要求。
責(zé)任編輯人：CC