簡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)實生活中應用非常廣泛，但你知道他們的工作原理嗎？

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基礎概念

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）轉變成交流電（如：220V,50Hz正弦波），頻率也可調節(jié)。

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。

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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。

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 。

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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。實際上，舊式逆變器就是用于產(chǎn)生簡單的方波作為其輸出。

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。

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：

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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脈沖寬度調制 - 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制。

脈沖寬度調制的邏輯很簡單，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

如果你在很短的時間間隔內平均這些脈沖會發(fā)生什么？

您會驚訝地發(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，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，我們以什么方式對它們進行平均？

在實際的逆變器中，是通過兩個比較器實現(xiàn)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：

S1和S2確定A點的電壓，另外兩個開關確定B點的電壓。

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(chǎn)生信號1，否則產(chǎn)生信號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管上的控制信號為1，顯示了在A點產(chǎn)生的電壓脈沖。

應用相同的開關邏輯并觀察在B點產(chǎn)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。

三角波越精細，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(chǎn)生滿足要求的正弦波電壓了。

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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？

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。