| 送交者: 浏留浏留[♂☆★★声望品衔12★★☆♂] 于 2024-01-06 17:53 已读 8825 次 14 赞 | 浏留浏留的个人频道 |
直流电磁弹射的技术瓶颈是固态逆变电路。半导体固态逆变器，工作原理非常简单。如图所示是一个三相全波固态逆变器示意图。它由三组桥式逆变器电路，LC低通滤波器和变压器组成。当然还要加上相应的控制电路。其难度在于逆变功率大了以后会有很多问题要解决。 6park.com
6park.com典型的交流电是正弦交流，如图1所示。图2所示的也是交流电，不过它是方波而不是正弦波。图3所示的是方波可以分解为正弦波基频和高次谐波分量。红色是方波，蓝色是正弦波基频，绿色的是三次谐波，橙色的是五次谐波，更高的谐波没有表示，因为这只是示意图。所谓半导体固态逆变器转换效率高是说的把直流电变成方波交流电。如果要变成正弦交流电，其转换效率就要大打折扣。我们小时候玩的高保真音频放大器，推挽电路。就可以放大正弦交流电，实际上也是把直流电变成交流电。那个电路转换效率太低，但是出来的正弦波型很漂亮。现在的半导体固态逆变电路从线路图看跟高保真音频放大器差不多。不同的是工作区间，前者工作在开关区，后者工作在线性区。 交流电顾名思义就是正负电压，电流不断变化的。而直流电，正就是正，负就是负，电流的方向是不变化的。
计算正弦交流电纯度的指标叫“总谐波失真”（THD，Total Harmonic Distortion）就是高次谐波的均方根值（RMS， Root Mean Square）加起来占总的均方根值百分比。纯粹的正弦波（图1和图3中的蓝色波），THD=0,而占空比50%的方波交流（图2和图3中红色的方波），THD=48%。THD大有什么问题呢？ 6park.com
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图6所示为小功率12V直流到120V/60Hz 交流逆变器波型。THD=25%左右。接普通电炉或电磁炉都没有问题，但是用它驱动家用电风扇就有问题，电风扇会转，但是它会呜呜响，还会抖动。为什么会震动，看图3就可以知道，蓝色基频跟三次，五次谐波大多数时间是不同相的。这就是感应电机运转不平稳的原因。还有，交流电通过带铁芯的线圈，铁芯里面会产生涡流，高次谐波产生的涡流比基频要大。而涡流是一种损耗。直流逆变电路产生的交流电要接入电网，THD必须小于3%，否则会给电网带来麻烦。 6park.com
如何用半导体开关电路产生近似正弦波，看图4，蓝色脉宽调制的方波经过定积分可以得到红色的近似正弦波。在电路里，这个积分过程是用低通滤波器来完成的。 6park.com
为什么半导体逆变电路实际转换效率比理论计算要低得多？图1所示的纯正弦波，通过线性电路（电感，电容，电阻）后，如图8所示，它仍然是纯正弦波，而图2所示的方波，通过一个电感，就变成图7的模样。我们取第3格到第11格的一个周期来看一下。上升沿原来是垂直的，现在变成一个大斜坡。原因是半导体开关器件内部有分布电容存在，开关电路断开了，电压应该立即上升，但是电容作用还在，而电容两端的电压是不能突变的，只能缓慢上升。峭壁就变成了斜坡。斜坡上面的小尾巴叫过冲，已经用反向二极管削平了，否则还要高。过冲的原因是因为LC（电感电容）都是惯性元件。接着又是一个斜坡，因为电感里面的电流是不能突变的，只能缓慢上升。等斜坡到了，方波的下降沿来了，原理跟上升沿一样。麻烦就在上升沿和下降沿的两个斜坡，这个时候半导体开关器件被迫工作在线性区，功耗极大。比如说，最高电压3000V，最大电流10000A。电压电流都取中间值，1500X5000=7500000W。也就是7.5兆瓦的功耗在半导体器件上面。而工作在开关区，电压高的时候，电流很小。电流大的时候，电压很低，电压X电流还是很小。有人会说，图6的波型也是实际电路来的。为什么很好看？那是没有加上负载的波型，加上负载就不好看了。还有，上面说的直流变交流方波的电路又叫斩波电路，图2所示方波，一个周期只要斩两次，而图4所示蓝色脉宽调制方波，一个周期要斩十几次。没有免费的午餐，滤波简单了，斩波就要付出代价。 6park.com
说完了半导体器件上面的功耗，再来看低通滤波器带来的功耗。上面说过，脉宽调制的方波通过低通滤波器变成近似正弦波。大功率低通滤波器都用LC电路。而且L都是有铁芯的。理论上LC低通滤波器不耗电，实际上完全两码事。电感用铜线绕成，铜线有电阻，电容的引线到电极之间也有电阻。过了电流就会耗电发热，俗称铜损。线圈里面的铁芯会产生涡流，因为铁也是导体，交变磁场作用下会产生电流。也要耗电发热，俗称铁损。小功率可以忽略不计，大功率必须计较。我们看到小功率变压器不需要散热，变电站里面大功率变压器要泡在变压器油里面，通过油循环把热量传到散热片去。 6park.com
最后，半导体逆变电路产生的交流电，达不到图8所示的波型。也就是说，滤不干净的。看图5，低通滤波器频率响应曲线。横坐标和纵坐标都是对数坐标。因为纵坐标所示的dB（分贝）也是从对数来的。红色的叫欠阻尼（系统不稳定），蓝色的叫临界阻尼（理想曲线），绿色的叫过阻尼（损耗太大）阻尼系数由Q值决定。而Q值跟前面说过的铜损铁损有关。看蓝色理想曲线如果基频是10kHz，对应纵坐标是0dB，功率没有损耗。三次谐波是30kHz，对应纵坐是-7.5dB，功率损耗约80%。还剩下20%，显然没有滤干净。看图4的红色波也可以知道它不干净。当然你可以再滤一次，但是损耗会又一次增加。最后的转换效率跟交流方案差不多，白忙一场了。 6park.com
前面说过，THD>0的交流电驱动电机会产生不规则震动，家里的电风扇，呜呜响已经令人不舒服。高速运行的直线感应电机产生不规则震动，结果可想而知。所以，直流电磁弹射比交流电磁弹射没有优越性。并不能解决电能不足的问题。要上电磁弹射，必须采用核动力发电。解决了能源问题，有足够的电能余粮，不管采用什么方案都能得心应手，游刃有余。反之再怎么折腾也是竹篮打水一场空。 6park.com
贴主:浏留浏留于2024_01_06 17:55:31编辑评分完成：已经给 浏留浏留 加上 150 银元！
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