Stellt die Quellenimpedanz des DC-AC-Wandlers immer Verluste dar?

Dies ist eine grundlegende theoretische Frage zur Leistung und Effizienz einer Wechselspannungsquelle mit sehr niedriger Ausgangsimpedanz, beispielsweise eines DC-AC-Wandlers; H-Brückenwandler oder Klasse-E-Verstärker.

Meine Frage ist:

Stellt die Quellenimpedanz des DC-AC-Wandlers immer Verluste dar?

Um die Frage weiter zu präzisieren,

Nehmen wir an, der Wandler sei eine reine Sinusquelle mit einer Quellenimpedanz von Rs folgt. Ich verstehe, dass die Quellenimpedanz eine zeitveränderliche Größe sein kann, aber nehmen wir vorerst an, dass eine äquivalente Quellenimpedanz Rs für einen bestimmten Betriebszustand ist.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Mit dieser Darstellung wissen wir, dass bei Rs=RL die maximale Leistung an die Last geliefert wird und der Wirkungsgrad 50 % beträgt.

Meine Frage hier ist, dass bei tatsächlichen Implementierungen eines solchen leistungselektronischen Wandlers, wenn die Last optimiert ist, um maximale Leistung zu liefern, der Wirkungsgrad immer auf 50% begrenzt ist? Wenn nein, wie ist es zu erklären? Oder mit anderen Worten: Entspricht die Quellenimpedanz des DC-AC-Wandlers immer den Verlusten? Ich habe das Gefühl, dass mir hier etwas fehlt.

Um dies weiter auszuführen,

Betrachten wir nun zum Beispiel einen Klasse-E-Konverter, so wissen wir, dass der theoretische maximale Wirkungsgrad 100 % beträgt, in praktischen Umsetzungen kann er leicht über 90 % liegen. Der höchste Wirkungsgrad wird jedoch nicht im impedanzangepassten Zustand erreicht, und ich verstehe, dass es nicht üblich ist, für ein solches Szenario im angepassten Zustand zu arbeiten, dies dient jedoch dem theoretischen Verständnis eines solchen Betriebszustands.

Die folgende Abbildung stammt beispielsweise aus diesem IEEE-Papier , der Wirkungsgrad scheint nicht weniger als 50 % zu betragen, wenn die maximale Leistung an die Last geliefert wird.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zusätzliche Erklärung:

Selbst wenn wir davon ausgehen, dass der Lastwiderstand kein fester Wert ist (er kann in Bezug auf die Last variabel sein und auch eine zeitveränderliche Größe in Abhängigkeit von Schalttransienten sein), können wir eine äquivalente Quellenimpedanz berücksichtigen, wenn die Ausgangsleistung maximal ist. Nehmen wir beispielsweise an, dass in der obigen Veröffentlichung die ungefähre Leistung bei 4,5 Ohm maximiert wird (sagen wir, die Leistung wird maximiert, wenn der normalisierte Widerstand in der obigen Grafik etwa 0,5 beträgt), dann können wir ableiten, dass die von der Last gesehene Quellenimpedanz nahe bei liegt 4,5 Ohm. Wenn wir nur diesen bestimmten Arbeitspunkt betrachten, was stellt diese Quellenimpedanz dar (ich betone, es kann eine äquivalente oder sogar eine zeitlich gemittelte sein)?

Wenn wir uns darauf einigen können, dass die Quellenimpedanz nahe bei 4,5 Ohm liegt, erleidet die Quelle dann Verluste, die 4,5 Ohm entsprechen? Sollte dann, wie die Antwort von @Neil_UK vorschlägt, der Wirkungsgrad bei maximaler Leistungsabgabe immer weniger als 50% betragen?

Ich habe diese spezielle Referenz und Zahlen verwendet, um die Frage zu klären. Meine Frage ist nicht unbedingt auf diesen speziellen Konverter oder die Topologie der Klasse E beschränkt. Es ist ein allgemeiner Begriff für DC-AC-Wandler. Ich konnte keine gute Referenz finden, die dieses Problem behandelt?

Oder ist es auf andere Weise völlig falsch, mit diesem Modell einen DC / AC-Wandler mit niedriger Impedanz zu modellieren (unter der Annahme eines hohen Q und eines ziemlich sinusförmigen Laststroms).

Ich denke nicht, dass Ihre Vereinfachung der Auswahl einer festen Quellenimpedanz und einer passenden Lastimpedanz für jedes reale System gültig ist. Da sie geregelt sind, versuchen sie, sich wie 0-Ω-Quellenimpedanzsysteme zu verhalten.
@PlasmaHH, danke, ich stimme zu, dass die Quellenimpedanz nicht festgelegt ist. Aber wenn wir nur die maximale Leistungsabgabebedingung betrachten, wird die Ausgangsimpedanz des Wandlers an die Last angepasst. Was stellt dann diese Quellenimpedanz dar? Verursacht es nicht einen erheblichen Energieverlust (50% oder fast so viel)?
In diesem Artikel geht es nicht um DC-AC-Wechselrichter, sondern um HF-Verstärker (es sei denn, Sie betrachten einen Verstärker eher pervers als eine Art DC-Wechselstrom-Signalwandler). Die Anpassung der Ausgangsimpedanz an die Impedanz der Übertragungsleitung ist bei HF-Frequenzen weitaus wichtiger als bei denen, mit denen Leistungswechselrichter normalerweise betrieben werden.
Ich beziehe mich auf jeden DC-AC-Wandler im Allgemeinen, ich glaube, dass Wandler/Verstärker der Klasse E bei niedrigen Frequenzen auch in diese Kategorie fallen können. Diese spezielle Schaltung in der Zeitung arbeitet um 190 kHz.
@PlasmaHH, ich habe versucht, meine Frage weiter zu erklären.

Antworten (2)

Es hängt davon ab, welche Leistung Sie aus Ihrer Quelle liefern möchten.

Wenn Sie sich dafür entscheiden, das maximal Mögliche zu liefern, indem Sie die Lastimpedanz so variieren, dass sie der Ausgangsimpedanz der Quelle entspricht, dann ja, Ihr Wirkungsgrad ist auf 50 % begrenzt.

Wenn Sie stattdessen viel weniger als diese maximale Leistung liefern, kann Ihre Effizienz 100 % erreichen.

Stellen Sie sich eine 200-V-Quelle mit einer Ausgangsimpedanz von 0,1 Ohm vor. Dies könnte ein vernünftiges Modell eines mittelgroßen DC-AC-Wandlers sein.

Wenn Sie versuchen möchten, die maximal mögliche Leistung zu extrahieren, indem Sie sie an eine 0,1-Ohm-Last anschließen, erhalten Sie mit 200 V an 0,2 Ohm einen Laststrom von 1000 A, wobei 100 V an der Last anliegen und 100 kW bei 50 % Wirkungsgrad liefern.

Ich habe jedoch gesagt, dass dies ein mittelgroßer Wandler mit einer Nennleistung von vielleicht 2 kW ist, der einen Ausgangsstrom von 1000 A nicht verarbeiten kann, obwohl er eine niedrige Ausgangsimpedanz hat. Bei 2 kW, 200 V würden wir 10 A Laststrom laufen lassen. 10 A in der Ausgangsimpedanz von 0,1 Ohm würden 1 V abfallen, sodass der Wirkungsgrad allein aufgrund der Ausgangsimpedanz bei etwa 99,5 % liegt.

Nur weil ein Wandler eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, bedeutet das nicht, dass er in der Lage ist, die maximale Ausgangsleistung der angepassten Last zu liefern.

Ich habe versucht, die Frage näher zu erläutern. In meinem Beispiel wird die Ausgangsleistung auf etwa 4,5 Ohm maximiert. Ist es also legitim anzunehmen, dass die Quellenimpedanz in diesem Fall nahe bei 4,5 Ohm liegt?
Wenn wir in Bezug auf Ihr Beispiel davon ausgehen, dass der Quellenwiderstand konstant bei 0,1 Ohm liegt, sollte die Leistung mit abnehmendem Lastwiderstand zunehmen. Oder steigt der äquivalente Quellenwiderstand mit abnehmender Last? Auf diese Weise kann normalerweise, denke ich, die Last, bei der die maximale Leistung geliefert wird, innerhalb der maximalen Nennleistung des Wandlers liegen. Meine Frage war, die Analogie und die Gültigkeit dieser Ersatzschaltung zu verstehen. Gibt es eine gute Referenz, die diesen Ansatz diskutiert?

Die maximale Leistungsübertragung tritt auf, wenn Zs = Zl*, aber das ist im Allgemeinen nicht der maximale Wirkungsgradpunkt und möglicherweise kein Betriebspunkt, zu dem die Versorgung überhaupt in der Lage ist. Es gibt auch die implizite Annahme, dass die Versorgung wie eine reine Impedanz aussieht, was sie selten wirklich tun.

Normalerweise werden Quellen so ausgelegt, dass sie entweder eine sehr niedrige (Spannungsquelle) oder eine sehr hohe (Stromquelle) Ausgangsimpedanz haben, selbst wenn sie beispielsweise an eine 50-Ohm-Last angesteuert werden, wobei die Beschränkungen des Lastwerts mehr damit zu tun haben, den Verstärker innerhalb seines sicheren Betriebs zu halten Bereich und linearer Bereich (falls zutreffend).

Die Sache mit der angepassten Impedanz ist sinnvoll, wenn Sie eine Quelle haben, die implizit eine Impedanz hat, die weder nahe bei Null noch sehr hoch ist, z. B. wenn Sie eine Antenne verwenden, die die 377 Ohm des freien Raums in etwas niedrigeres oder etwas mit transformiert eine nicht vernachlässigbare Übertragungsleitung, bei der die in die Leitung blickende Impedanz von Bedeutung ist.

Vielen Dank für Ihre Antwort. Es hat mich dazu gebracht, meine Frage klarer zu stellen. In dieser Frage interessiere ich mich für Spannungsquellen mit sehr niedriger (aber nicht Null) Ausgangsimpedanz. Ich stimme zu, dass es nicht üblich ist, mit solchen Quellen unter abgestimmten Bedingungen zu arbeiten. Aber theoretisch, wenn wir davon ausgehen, dass wir unter angepassten Bedingungen arbeiten, sollte der Wirkungsgrad dann weniger als 50 % betragen? Oder anders gesagt, entspricht diese Quellenimpedanz immer Verlusten?
Stellt die Quellenimpedanz des DC-AC-Wandlers immer Verluste dar?
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