逆變變流器的誤區(qū)

鄙人自小尊敬師長，敬畏科學(xué)，對教科書都奉為圭臬，凡是讀不懂的，都將其作為需要死死記憶的定律處理。在學(xué)習(xí)逆變技術(shù)時對教科書也是深信不疑的。直到有一天突發(fā)奇想，反正手頭元件都有，就搭一個實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)際地認(rèn)識斬波逆變技術(shù)。然而，不管我如何努力也不能夠在實(shí)驗(yàn)電路中測量出教科書規(guī)定的電流波形。因?yàn)椋救瞬⒉皇菍I(yè)學(xué)習(xí)電學(xué)相關(guān)專業(yè)的，只怪自己專業(yè)素養(yǎng)不夠，能力差，只有努力，爭取做出正確的波形。

說一下實(shí)驗(yàn)電路方案，IGBT—FGA25N120，4只全橋{MOSFET，K1358，4只—全橋；IRFP150，4只—全橋}，驅(qū)動模塊SG3525，驅(qū)動變壓器磁芯EI-28，試驗(yàn)供電電源24V蓄電池，電感磁芯-C型非晶合金CACC-20，線圈30匝，電感380微亨，隔直流電容110uF，電路圖是網(wǎng)上到處可見的IGBT單管逆變焊機(jī)圖如下：

測試器件：互感器，以下相同。

逆變電流曲線：橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

    不管如何換元件，始終做不出教科書的波形。從上圖看不見回饋電源的能量，只有換向脈沖和在應(yīng)該出現(xiàn)回饋電流的位置的振蕩波形。于是只好從基礎(chǔ)做起。下圖是美國人COLONEL WM.T.McLyman 著《變壓器與電感器設(shè)計手冊》（第三版）的內(nèi)容。

    根據(jù)上圖組搭“單端正激變換器”，進(jìn)行測試，結(jié)果如下5圖。

1，線圈電流：10mV 20us*1                  1030871#

橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

只有IGBT導(dǎo)通時的電流，IGBT關(guān)斷時仍然和全橋換向時一樣，只有換向脈沖和振蕩波形。

2，回饋線圈電流：5mV 20us*1    1030872#

橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

    回饋線圈回饋的電流和上圖線圈導(dǎo)通電流相比極小。

3，回饋線圈電流：5mV 20us*1    1030873#

橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

    回饋換向電流脈沖極大。

4，電源供電電流：5mV 20us*1    1030875#

橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

5，電源供電電流：10mV 20us*1    1030876#

橫軸—時間，每格10us；豎軸—電流，每格0.5A。

    和1圖相比，供電電源送出的電流比線圈導(dǎo)通電流要小。

 

也組搭了“雙端正激變換器”，測量結(jié)果也找不到回饋能量的影子，同樣的是供電電源送出的電流小于線圈導(dǎo)通時的電流。這使我想起在林忠岳主編的高等院校教材《現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)》〉p339中，在論述UPS時說“由于MUI3000采用PFC，輸入功率因數(shù)高于0.98，因此出現(xiàn)輸入電流小于輸出電流的事實(shí)?！苯Y(jié)合本人實(shí)際測量的結(jié)果，似乎是“能量未必是守恒的”，只不過沒有明說罷了。

然而在同一頁上又說“MUI3000 UPS，-------輸出功率因數(shù)0.67，------，輸入功率因數(shù)0.98”。可見總的輸出仍是小于輸入的。

面對實(shí)際測量的結(jié)果，實(shí)在無能做出正確的結(jié)果。真是無能?。。?！

路走不通，很難受，經(jīng)常會對著圖、書發(fā)呆。雖然不至于像王陽明先生格竹子，格到死去活來，卻也幾日不知肉味。直到有一天，偶然坐到磨上竟然想轉(zhuǎn)了，原來我沒有錯，而是書錯了?，F(xiàn)在將我的心得寫出來和大家分享。

在單端正激變換器中，在開關(guān)元件關(guān)斷時，線圈感應(yīng)電壓換向，回饋線圈電壓一般是電源電壓的兩倍，因此回饋線圈通過回饋二極管和電源內(nèi)阻構(gòu)成回路，線圈通過該回路放電（續(xù)流），當(dāng)線圈電壓低于電源電壓加上二極管的正向電壓時，二極管關(guān)斷，剩余的電磁能就只能儲存在磁場里了。因?yàn)槿绻娫词切铍姵貏t其內(nèi)阻是很小的，故當(dāng)線圈電壓大于電源電壓加二極管正向電壓時，放電很快，脈沖幅值很高。而當(dāng)二極管關(guān)斷后，電流就在線圈內(nèi)部振蕩——這就是實(shí)測波形圖中的振蕩部分。

在單端正激變換器中，由于剩余電磁能放不出去，而在下一個工作周期開關(guān)元件導(dǎo)通時，電感元件的磁芯繼續(xù)朝同一個方向磁化，在電路上的表現(xiàn)就是：電源供電電流小，而線圈電流大。（相當(dāng)于一個容器里一次裝滿水，并不將他放完又再一次加滿水，則第二次加的水必然比裝在容器里的水要少。）這也就是前面所說的似乎是能量不守恒。

也有人會問電源上還并聯(lián)著一個電容器呢，是有一個電容器，這就有可能通過電容器放電啊。如果忽略電源，回饋線圈通過二極管以及電容器會構(gòu)成LRC串聯(lián)自由振蕩。若電容值小，振蕩周期小，但電容電壓會很高，這就不能忽略電源，因?yàn)殡娫磳﹄娙蓦妷旱你Q位，電容電壓上不去，能量自然也轉(zhuǎn)化不了。若電容值大振蕩周期長，放電時間長，電就放不出去。

雙端正激變換器和單端正激變換器的情形是一樣一樣的，而推挽和全橋變換器有所不同。推挽和全橋的線圈磁化電流要換向。第一次若磁芯從正方向磁化，換向時如果磁能沒有放出去，則第二次反方向通入的電流首先要消耗以使正方向的磁場歸零——去磁，然后剩余的電流才能使磁芯向負(fù)方向磁化。

由此可見，雙端正激變換器和單端正激變換器雖然磁場能量放不出去，但卻不至于打架，只是累積在磁場里。而推挽和全橋變換器不僅磁場能量放不出來，還要在系統(tǒng)內(nèi)部打架——無謂地消耗掉。

單端正激變流器只是電壓效率較低，轉(zhuǎn)換效率低下，在沒有好的變流器拓?fù)淇蛇x的情況下，用于小功率變流器也無可厚非。這也是大多數(shù)開關(guān)電源書籍所說：僅用于設(shè)計制作幾百瓦的變換器。但也有用MOSFET元件做到輸出電流100A，功率應(yīng)該到達(dá)4000W的逆變焊機(jī)。摘自《弧焊電源及其數(shù)字化控制》p189。

而從網(wǎng)絡(luò)上介紹的情況看，市場上流行的IGBT單管焊機(jī)基本上是全橋結(jié)構(gòu)的，所謂單管是指由4只單管IGBT，而非由4個IGBT模塊組成全橋。全橋的電感儲能只有一部分在開關(guān)元件換向初期釋放出來，其余的能量都消耗在橋的內(nèi)部了。筆者在做實(shí)驗(yàn)時，僅僅24V，用SG3525，經(jīng)EI28的脈沖變壓器驅(qū)動開關(guān)元件，感覺電流不大，而全橋發(fā)熱已較大，因看不到放電曲線，就調(diào)低驅(qū)動頻率——即調(diào)大驅(qū)動周期，卻致使開關(guān)元器件過流燒壞。首先燒壞K1358，不明白原因，以為是元件電流能力小了，換上IRPF150模塊立馬燒壞，再懷疑是否承受感應(yīng)電壓的能力不夠，又換上FGA25N120，結(jié)果仍然是壞。每個全橋都是損壞一只開關(guān)元件。筆者搞個小實(shí)驗(yàn)都萬般艱難，真佩服那么多多的搞逆變焊機(jī)的大俠。在《現(xiàn)代高級開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)》〉序言中，劉勝利說：“研制現(xiàn)代高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源是一項(xiàng)要求知識面廣，難度很大，又有危險的復(fù)雜技術(shù)。------有人勸告太危險不能再搞，我回答：即使戴盔甲也要堅(jiān)持干下去。”真不知那些搞幾千伏，幾千安的大型逆變站的要配備什么裝備——一笑。

其實(shí)筆者悟出來的道理并非高深，那么些些專家學(xué)者不可能看不出來，以致有人認(rèn)為是故意設(shè)置的技術(shù)陷阱，但是即使是大名鼎鼎的Spice軟件，其仿真波形也是支持電磁儲能是可以釋放的，當(dāng)然也有人說Spice的處理電感的能力較弱。筆者是從最基本的原理出發(fā)得出：全橋斬波逆變變流器的電磁儲能不可能完全釋放，而是被有破壞副作用的浪費(fèi)掉了。這一結(jié)論實(shí)際上推翻了逆變技術(shù)的理論基礎(chǔ)。這里始終只說是“電感儲能的釋放問題”，實(shí)際上電路里的工作元件就只有三種：電阻，電感和電容。除了電阻消耗能量，純電感和純電容都只儲存能量而不消耗能量，而大多數(shù)工作機(jī)械都是含有電阻的電感器件，所以電感元件的儲能釋放就是一個有共性的問題。

異步電機(jī)如果功率因數(shù)為0.8，相角則為36.86度，意味著電機(jī)電感的儲能是消耗有用功的75%，這被稱之為“無功功率”，教科書上說被送回了電源，如何送回電源？電源又是如何接受的？看不懂！??！在有源逆變變流器中也明確說：逆變將直流變交流后送回電源，一樣的看不懂！美國最權(quán)威的《Modern Power Electronics and AC Drives》——中文名《現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動》，p152單相逆變器中說：“在反饋模式時，負(fù)載電流通過DD或DD 反饋回電源?！蹦孀兗夹g(shù)被稱之為節(jié)能技術(shù)，試問：有差不多要到一半的能量被莫名消耗掉的技術(shù)，能叫節(jié)能嗎？異步電機(jī)并接電容叫無功補(bǔ)償，真想不通如何補(bǔ)償（筆者曾經(jīng)參加過企業(yè)10千伏變電室的安裝工作，大部分不安裝電容補(bǔ)償柜，有的雖然安裝了電容補(bǔ)償柜但一般不用，也不知何時會用，應(yīng)該就是哄鬼的）。見過電感儲能轉(zhuǎn)化很好的例子，如有些步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的控制電路，都是利用LRC電磁振蕩實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，而且?guī)缀蹩梢酝耆D(zhuǎn)換，只不過電路非常復(fù)雜，成本高昂。面對高昂的成本，國人充分發(fā)揮了聰明才智，將逆變焊機(jī)作到了極致——舊貨市場都成堆地堆著賣嶄新的逆變焊機(jī)。網(wǎng)上競爭十萬分精彩激烈，吹噓其小巧，小孩就可以提得動。甚至打開外殼，讓你將內(nèi)部結(jié)構(gòu)看個夠，只見有一個圓環(huán)型元件，估計是變壓器，再也不見其他大件，難道沒有扼流電感？幾百安電流的扼流圈體積不會小，找不到，那就看不懂這屬于那類焊機(jī)了。如果是直流焊機(jī)，扼流圈是標(biāo)配件，否則連合格的直流電源都不是，也能做焊機(jī)？看不懂啊看不懂！

有電感就有儲能，如果沒有電感，豈不就沒有儲能問題了，于是飽和電感就橫空出世了。飽和電感聽說過，利用磁阻飽和時為零的特性，做開關(guān)使用。但飽和變壓器卻也有人用，變壓器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，有變化的磁場，就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。試問，變壓器初級使磁場飽和以后，磁場強(qiáng)度不管如何變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度都不變化，此時會有電磁感應(yīng)么？電磁飽和是變壓器之大忌，這些人高中物理要回回爐了。例子么俯拾即是，無須枚舉。