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变频器输出的单相 50Hz 220V 高频阶梯方波模拟的正弦波能给家用电器供电吗?

冀星

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【王冀星的回答(182票)】:

我们来看下图:

冀星 变频器输出的单相 50Hz 220V 高频阶梯方波模拟的正弦波能给家用电器供电吗?

这张图摘自某《电磁测量》教材。其实,任何一本有关电力电子和电磁测量的教科书或者技术手册中都有此表。这张图摘自某《电磁测量》教材。其实,任何一本有关电力电子和电磁测量的教科书或者技术手册中都有此表。

我们先来看最上方第一行的正弦波,我们看到它的有效值是0.707Um,平均值是0.637Um。

我们再看中间第五行的方波,它的有效值和平均值均为Um。

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现在我们不考虑方波来自于何种器件,认为电源的波形就是方波。我们来看看方波电源对电器将产生何种影响:

第一:对于感性负载

我们知道,电感的表达式是:

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,式中的

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就是电流对时间的变化率。

显然,方波的

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要大于正弦波。因此,在方波电源中电感器件产生的反向电动势一定大于正弦波电源产生的反向电动势。

同时,由于方波的电压脉冲上升沿斜率为

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,因此凡带有铁磁体的材料它的磁通会变大,波形会变宽。

这样一来,会出现何种结果呢?电机会严重发热,钢结构的涡流会增加。它的直接后果是冰箱电机和空调电机会提前老化。并且所有带有电机的电器,例如吹风机、干衣机和吸尘器等等,都会出现问题。

第二:对于阻性负载

由于方波电源的有效值大于正弦波电源的有效值,所以所有阻性负载的发热功率会加大。例如电炉、电饭煲和电炒锅之类的电器发热会加大,白炽灯会更亮,而女孩子用的加热头发的电器(我不知道叫做什么名字,笑!)可能会把头发给多烧几根,而男生用的剃须器也可能手感更热。

看来这是好事,但电线和电缆的阻性发热也趋于严重,因此现有的导线将提前老化,甚至出现绝缘破坏的漏电事故。

第三:对于容性负载

同样由于方波的电压脉冲上升沿斜率为

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,因此对电容器件输出的波形会产生很大的影响。我们来看下图:

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对于图1,若RC的乘积小于方波频率,则电容上的电压会下降;若RC的乘积大于方波频率,则此积分电路的输出电压会上升。对于图1,若RC的乘积小于方波频率,则电容上的电压会下降;若RC的乘积大于方波频率,则此积分电路的输出电压会上升。

对于图2,若RC的乘积小于方波频率,则此微分电路电阻上的输出电压会上升。

这样一来,对家用电器会产生何种后果?答案是:家用电器中的电源部分会受到重大影响。不管是电视、电话,甚至是手机充电器,都会受到一定程度的冲击,其效果就是加剧了电器内部电源的发热。

下图是充电器电路板:

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我们看到其中有电感,有电容,还有其它元件。通过前面的描述,我们可以推测,在方波下,这些元件的发热必然严重,整个电源的工作会受到严重影响。我们看到其中有电感,有电容,还有其它元件。通过前面的描述,我们可以推测,在方波下,这些元件的发热必然严重,整个电源的工作会受到严重影响。

对于普通的双股线,也由于电容效应,也包括邻近效应在内,电线也会发热。再加上电线的阻性发热,则合并后的线缆发热会越加严重起来。

第四:对于线路保护

下图是居家的配电箱,我们能看到其中的微型断路器面板。所谓微型断路器,就是俗称的空气开关:

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对于方波电源,由于电压方波脉冲的垂直上升沿的原因,断路器的磁脱扣器动作会提前,因此断路器有可能把正常运行的较大电流认为是短路并加以保护跳闸。对于方波电源,由于电压方波脉冲的垂直上升沿的原因,断路器的磁脱扣器动作会提前,因此断路器有可能把正常运行的较大电流认为是短路并加以保护跳闸。

同样,方波电源的有效值更大,因此断路器的热脱扣器也会提前动作,把正常运行的较大电流当作是过载电流,并加以保护跳闸。

其后果是:我们天天就守着总开关,不停地合闸和分闸。笑!

剩余电流保护装置也即漏电开关则不会受到影响。

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以下用高中生能看懂的方法,来探讨方波电源和正弦波电源下短路电流对线路的冲击作用。当然,不感兴趣就将这段文字忽略:

由毕奥萨法尔定律,我们可以推得两条导线之间的电动力作用:

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在这里,Kh是回路系数,Kc是截面系数。

如果方波电源和正弦波电源分别在完wei全相同的电路中流过,我们只需要分析电流的区别即可。

设正弦波的电流为:

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于是电流的平方为:

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这里的I是有效值。

我们把电流值代入到电动力表达式中,我们发现电动力由两部分构成。

第一部分是:

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,也即电动力的稳定分量。注意,这里的I是正弦电流的有效值。

第二部分是:

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,也即电动力的脉动分量。同样注意到这里的I是正弦电流的有效值。

即:

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仔细观察一下,因为余弦的值域是

【-1,1】,因此电动力的最大值为稳定分量的两倍,而最小值为零。也即:

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那么这个结论对于方波电源是否成立?

我们发现对于方波来说,根本就没有最小值,而且电流的有效值就等于电流的最大值,也即:

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注意这里的电流不是有效值,而是最大值Im。

我们来看下图:

冀星 变频器输出的单相 50Hz 220V 高频阶梯方波模拟的正弦波能给家用电器供电吗?

当发生短路时,我们发现短路电流的电动力(以最大瞬时值定义)作用不管是正弦波还是方波,都是一样的,但短路电流的热冲击作用就不一样了,方波是正弦波的当发生短路时,我们发现短路电流的电动力(以最大瞬时值定义)作用不管是正弦波还是方波,都是一样的,但短路电流的热冲击作用就不一样了,方波是正弦波的

冀星 变频器输出的单相 50Hz 220V 高频阶梯方波模拟的正弦波能给家用电器供电吗?

倍。

可见,一旦发生短路,方波电源对线路产生的热冲击作用要大得多。

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如果真的用变频器来产生方波供家电使用,其最大的恶果是三次谐波。由于三次谐波三相电流之间的相位差为零,因此N线和零线电流会加大,导致电源部分的PEN线或者N线发热严重。

事实上,在影视中心,由于调光设备多,三次谐波严重,因此电源部分需要加装三次谐波的滤波器和抑制器。

主要就是这些。

【我是一堵墙的回答(1票)】:

一般情况下不能

除非万不得已,不建议将变频器输出侧当电源用,如果万不得已,请加装输出滤波器和隔离变压器,这其实就是一个逆变器啦。

变频器输出的方波中含有较大谐波,不能直接连接一般的家用电器。

虽然现在大部分家用电器内部都是通过开关电源供电,好像直接连结没有什么问题,但是一般开关电源整流二极管的导通截止时间都比变频输出侧的PWM调制周期长,所以也是不行的。如果如题主所说的变频器输出的是频率50Hz 的方波(变频器输出的肯定不是这样的方波哈),也需要考虑整流二极管所能承受的电压变化率的极限呢!另外一般家用电器都设有进线滤波电容,很容易被变频器的谐波电流烧掉!

以上只是个人根据所学专业的理论推测,没有实践,仅供参考,如果题主是土豪可以买个小变频器试验一下,如果想买,可以私信我哈。

原文地址:知乎