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『汤叔解惑』不可小看的逆变器 没有它电动车有电池也跑不起来(图解)

2019-05-10 08:28

来自 :电动邦

作者 :汤启隆

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我在之前的专栏文章中为大家介绍过交流电机(感应电机)的工作原理。在那期内容中我们曾经介绍过,交流电机必须要正弦波交流电才能驱动旋转。但车载动力电池能够输出的是直流电,本期来为大家解读逆变器是如何把直流电转换成正弦波交流电的,并且交流电机的转速和扭矩是如何被逆变器所控制的。

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对于配备交流感应电机的电动车,必须通过逆变器,把电池包输出的高压直流电转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电,才能驱动车辆行驶。

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交流电分很多种,有方波,正弦波,三角波等,我们家用的 220 V 交流电就是频率为 50 Hz 的正弦波,对于感应电机来说需要正弦波才能驱动运转。

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要想知道正弦波如何获得,我们先要知道如何获得方波。以上电路叫做 Full BridgeInverter,也叫全桥逆变电路。它的结构很简单,由四个开关(S1-S4)组成。A和B为电路输出端的正负极。

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当 S1 接通 S2 断开,S4  接通 S3 断开的时候,电路会从 B 端流向 A 端。

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相反,当 S2 接通 S1 断开;S3 接通 S4 断开的话,电流的流向发生了逆转,变成了从 A 端流向了 B 端。

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我们日常的家用 220 V 电源频率为 50 Hz 这就意味着每分钟需要开关 100 次。这样高的频率是不可能用人工的方式控制的,所以需要接入场效应管(Mosfet),这个电子元件可以实现每分钟上千次的开关。

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通过场效应管的开关控制,可以获得我们所需要的方波,至少电池输出的直流电此时已经变成了交流电,但是光有这样的方波还不够,我们还需要把它调至为正弦波。

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通过控制开关接通和断开的时间,可以获得不同的方波脉冲宽度,用于调制出接近正弦波的波形。

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把这些脉冲的时间平均就能获得接近正弦波的波形。

那么逆变器是如何通过电路设计调制出纯正的正弦波的呢?

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这就需要我们在电路上增加两个比较器,分别为比较器 1 和比较器 2 ——比较器能够比较正弦波和三角波。

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当正弦波大于三角波时比较器发出 1 的信号,当正弦波小于三角波时比较器发出0的信号。

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通过比较器我们可以获得所需要的脉冲方波。

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在每个比较器支路上接入一个非门。它能自动控制S1和S2的开关逻辑。也就是说,当 S1 接通时 S2 必须断开;S2 接通时 S1 必须断开,否则将会短路。S3 和 S4 的控制也是同样的道理。

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在两组开关的相互配合控制下,我们就能获得方向相反的脉冲交流方波。

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三角波越精细,获得的脉冲串越准确。再通过对脉冲串的调制就能获得平滑的正弦波曲线。

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通常设计者会通过在电路当中增加电容和电感的方式用于平滑曲线。电容用于平滑电压曲线,电感用于平滑电流曲线。就好比在电路上增加了一个小容量的水库(或者说二级缓存)电容就相当于一个可以瞬间充放电的电池,它能吸收电压脉冲,让输出曲线变得平滑而不是像方波那样充满锯齿。

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以上所说的只有一组电压就能实现正弦波的输出,如果用多组电压进行调制,就能获得精度更高的正弦波曲线,并且控制精度也更加精准。这种方法叫做多重电压逆变技术,多用于风力发电机或电动汽车

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特斯拉就是通过控制交流电的频率来控制电机的转速,通过控制交流电的幅值来实现控制电机的扭矩输出。这种多重电压逆变技术可以非常精准的控制交流感应电机的扭矩和转速输出。

逆变器属于电动汽车三电系统中的电控系统。逆变器性能的好坏直接影响着电机的性能表现,这也是各大新能源汽车企业的核心技术。目前国内只有少数主机厂掌握逆变器技术,大部分主机厂都需要从供应商购买。所以逆变器技术的掌握和突破就如同燃油车时代的变速箱技术一样,将会成为新能源汽车产品的核心技术。

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