变频器，逆变器工作原理

strongerHuang 2022-11-16 08:20 1647浏览 0评论 0点赞

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作者 | strongerHuang

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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？

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。

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。

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：

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：

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。

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：

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。

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。

详细介绍可以参看下面视频：

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strongerHuang 作者黄工，高级嵌入式软件工程师，分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。

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