全面解析逆變器用實(shí)例講話

靜思_書香閣 2016-09-30

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逆變器是一種把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電的裝置。簡(jiǎn)單來(lái)講，逆變器就是一種將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置。

常見(jiàn)逆變器類型

中小功率

中小功率逆變電源是戶用獨(dú)立交流光伏系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一，因而各國(guó)的光伏專家們一直在努力開發(fā)適于戶用的逆變電源，以促使該行業(yè)更好更快地發(fā)展。

多重串聯(lián)型

多重串聯(lián)型逆變器應(yīng)用于電動(dòng)汽車有諸多優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓矢量種類大大增加，增強(qiáng)了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時(shí)降低了電機(jī)中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)。逆變器的旁路特點(diǎn)可提高充電和再生制動(dòng)控制的靈活性。

隨著人們對(duì)城市環(huán)境的日益關(guān)切，電動(dòng)汽車的發(fā)展得到了一個(gè)難得的機(jī)遇。在城市交通中，電動(dòng)大客車由于載量大，綜合效益高，成為優(yōu)先發(fā)展的對(duì)象。電動(dòng)大客車大都采用三相交流電機(jī)，由于電機(jī)功率大，三相逆變器中的器件需要承受高電壓和大電流應(yīng)力的作用，較高的dv/dt又使電磁輻射嚴(yán)重，并且需要良好的散熱。

而采用多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的大功率逆變器則降低了單個(gè)器件承受的電壓應(yīng)力，降低了對(duì)器件的要求；降低了dv/dt值，減少了電磁輻射，器件的發(fā)熱也大大減少；由于輸出電平種類增加，控制性能更好。

多重串聯(lián)型逆變器適用于大功率的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，可降低多個(gè)蓄電池串聯(lián)帶來(lái)的危險(xiǎn)，降低器件的開關(guān)應(yīng)力和減少電磁輻射。但需要的電池?cái)?shù)增加了2倍。

多重串聯(lián)型結(jié)構(gòu)輸出電壓矢量種類大大增加，從而增強(qiáng)了控制的靈活性，提高了控制的精確性；同時(shí)降低電機(jī)中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)。為維持每組蓄電池電量的均衡，在運(yùn)行時(shí)需要確保電池的放電時(shí)間一致。通過(guò)旁路方式，可靈活地對(duì)蓄電池組充電，還可控制再生制動(dòng)的力矩。

車載

車載逆變器一般使用汽車電瓶或者點(diǎn)煙器供電，先將低壓直流電轉(zhuǎn)換為265V左右的直流電，然后將高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V、50Hz的交流電。車載逆變器打破了在車內(nèi)使用電器的諸多局限。車載電源不僅適用于車載系統(tǒng)，只要有DC12V直流電源的場(chǎng)合，都可使用。車載逆變器充分考慮到外部的使用環(huán)境，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路現(xiàn)象時(shí)將自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)。

單相電壓源逆變器

電壓源逆變器是按照控制電壓的方式將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔埽?是逆變技術(shù)中最為常見(jiàn)和簡(jiǎn)單的一種，下面主要介紹單相電壓源逆變器。

要從一個(gè)直流電源中獲取交流電能，有多種方式，但至少應(yīng)使用兩個(gè)功率開關(guān)元件，單相逆變器有推挽式、半橋式、全橋式三種電路拓樸結(jié)構(gòu)，如果每半個(gè)工頻周期內(nèi)只輸出一個(gè)脈沖，我們稱其為方波逆變器，如果每半個(gè)周期內(nèi)有多個(gè)脈寬組成，并且脈沖寬度符合正弦波調(diào)制（SPWM）規(guī)律，則稱其為正弦波脈寬調(diào)制輸出。方波逆變技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單脈沖調(diào)制技術(shù)，下面介紹其工作原理。

1、推挽式逆變電路

下圖是單相推挽式逆變器的拓樸結(jié)構(gòu)，該電路由兩只共負(fù)極的功率開關(guān)元件和一個(gè)初級(jí)帶有中心抽頭的升壓變壓器組成。

推挽電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若交流負(fù)載為純阻性負(fù)載，當(dāng) t 1 ≤t≤t 2 時(shí) VT 1 功率管加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào) Ug1，VT 1 導(dǎo)通，VT 2 截止，變壓器輸出端感應(yīng)出正電壓；當(dāng) t 3 ≤t≤t 4 時(shí)，VT 2 功率管加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào) Ug2，VT 2 導(dǎo)通，VT 1 截止，變壓器輸出端感應(yīng)出負(fù)電壓，波形如圖下圖所示，若負(fù)載為感性負(fù)載，則變壓器內(nèi)的電流波形連續(xù)，輸出電壓、電流波形如下圖推挽電路波形。

推挽電路波形

推挽電路感性負(fù)載波形

推挽逆變器的輸出只有兩種狀態(tài) V0 和-V0 ，實(shí)質(zhì)上是雙極性調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié) VT1 和 VT2 的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。推挽式方波逆變器的電路拓樸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)功率管可共地驅(qū)動(dòng)，但功率管承受開關(guān)電壓為 2 倍的直流電壓，因此適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場(chǎng)合。另外，變壓器的利用率較低，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載困難。

2、半橋式逆變電路

半橋式逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示，兩只串聯(lián)電容的中點(diǎn)作為參考點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)元件 VT 1 導(dǎo)通時(shí)，電容 C 1 上的能量釋放到負(fù)載 RL 上，而當(dāng) VT 2 導(dǎo)通時(shí)，電容C 2 上的能量釋放到負(fù)載 RL 上，VT 1 和 VT 2 輪流導(dǎo)通時(shí)在負(fù)載兩端獲得了交流電能，半橋逆變電路在功率開關(guān)元件不導(dǎo)通時(shí)承受直流電源電壓 Ud，由于電容 C 1 和 C 2 兩端的電壓均為 Ud/2（假設(shè) C 1 =C 2 ），因此功率元件 VT 1 和 VT 2 承受的電流為 2Id。實(shí)質(zhì)上單相半橋電路和前一節(jié)討論的單相推挽電路在電路結(jié)構(gòu)上是對(duì)偶的，讀者可自行分析半橋電路的工作過(guò)程。

半橋電路拓樸結(jié)構(gòu)

半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于兩只串聯(lián)電容的作用，不會(huì)產(chǎn)生磁偏或直流分量，非常適合后級(jí)帶動(dòng)變壓器負(fù)載，當(dāng)該電路工作在工頻（50 或者 60H Z ）時(shí)，電容必須選取較大的容量，使電路的成本上升，因此該電路主要用于高頻逆變場(chǎng)合。

3、單相全橋逆變電路

單相全橋逆變電路也稱“H 橋”電路，其電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖所示，由兩個(gè)半橋電路組成，以 180度方波為例說(shuō)明單相全橋電路的工作原理，功率開關(guān)元件 Q 1 與 Q 4 互補(bǔ)，Q 2 與 Q 3 互補(bǔ)，當(dāng) Q 1 與 Q 3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓 U 0 = Ud；當(dāng) Q 2 與 Q 4 同時(shí)悼通時(shí)，負(fù)載兩端 U 0 = -Ud，Q 1 Q 3 和 Q 2 Q 4 輪流導(dǎo)通，負(fù)載兩端就得到交流電能。

單相全橋電路拓樸結(jié)構(gòu)

全橋輸出電壓、電流波形

假設(shè)負(fù)載具有一定電感，即負(fù)載電流落后與電壓 j 角度，在 Q1Q3 功率管柵極加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于電流的帶后，此時(shí) D1 D3 仍處于導(dǎo)通續(xù)流階段，當(dāng)經(jīng)過(guò) y 電角度時(shí)，電流過(guò)零，電源向負(fù)載輸送有功功率，同樣當(dāng) Q2 Q4 加上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí) D2D4 仍處于續(xù)流狀態(tài)，此時(shí)能量從負(fù)載饋送回直流側(cè)，再經(jīng)過(guò) y 電角度后，Q2 Q4 才真正流過(guò)電流。

單相全橋電路上述工作狀況下 Q1Q3 和 Q2Q4 分別工作半個(gè)周期，其輸出電壓波形為 180 度的方波，事實(shí)上這種控制方式并不實(shí)用，因?yàn)樵趯?shí)際的逆變電源中輸出電壓是需要可以控制和調(diào)節(jié)的。

實(shí)例講解

以上是一款較為容易制作的逆變器電路圖，可以將12V直流電源電壓逆變?yōu)?20V市電電壓，電路由BG2和BG3組成的多諧振蕩器推動(dòng)，再通過(guò)BG1和BG4驅(qū)動(dòng)，來(lái)控制BG6和BG7工作。其中振蕩電路由BG5與DW組的穩(wěn)壓電源供電，這樣可以使輸出頻率比較穩(wěn)定。在制作時(shí)，變壓器可選有常用雙12V輸出的市電變壓器?？筛鶕?jù)需要，選擇適當(dāng)?shù)?2V蓄電池容量。

以下是一款高效率的正弦波逆變器電器圖，該電路用12V電池供電。先用一片倍壓模塊倍壓為運(yùn)放供電?？蛇x取ICL7660或MAX1044。運(yùn)放1產(chǎn)生50Hz正弦波作為基準(zhǔn)信號(hào)。運(yùn)放2作為反相器。運(yùn)放3和運(yùn)放4作為遲滯比較器。其實(shí)運(yùn)放3和開關(guān)管1構(gòu)成的是比例開關(guān)電源。運(yùn)放4和開關(guān)管2也同樣。它的開關(guān)頻率不穩(wěn)定。在運(yùn)放1輸出信號(hào)為正相時(shí)，運(yùn)放3和開關(guān)管工作。這時(shí)運(yùn)放2輸出的是負(fù)相。這時(shí)運(yùn)放4的正輸入端的電位(恒為0)總比負(fù)輸入端的電位高，所以運(yùn)放4輸出恒為1，開關(guān)管關(guān)閉。在運(yùn)放1輸出為負(fù)相時(shí)，則相反。這就實(shí)現(xiàn)了兩開關(guān)管交替工作。

當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)比檢測(cè)信號(hào)，也即是運(yùn)放3或4的負(fù)輸入端的信號(hào)比正輸入端的信號(hào)高一微小值時(shí)，比較器輸出0，開關(guān)管開，隨之檢測(cè)信號(hào)迅速提高，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)比基準(zhǔn)信號(hào)高一微小值時(shí)，比較器輸出1，開關(guān)管關(guān)。這里要注意的是，在電路翻轉(zhuǎn)時(shí)比較器有個(gè)正反饋過(guò)程，這是遲滯比較器的特點(diǎn)。比如說(shuō)在基準(zhǔn)信號(hào)比檢測(cè)信號(hào)低的前提下，隨著它們的差值不斷地靠近，在它們相等的瞬間，基準(zhǔn)信號(hào)馬上比檢測(cè)信號(hào)高出一定值。這個(gè)“一定值”影響開關(guān)頻率。它越大頻率越低。這里選它為0.1~0.2V。

C3，C4的作用是為了讓頻率較高的開關(guān)續(xù)流電流通過(guò)，而對(duì)頻率較低的50Hz信號(hào)產(chǎn)生較大的阻抗。C5由公式：50=算出。L一般為70H，制作時(shí)最好測(cè)一下。這樣C為0.15μ左右。R4與R3的比值要嚴(yán)格等于0.5，大了波形失真明顯，小了不能起振，但是寧可大一些，不可小。開關(guān)管的最大電流為：

I==25A。

現(xiàn)有的逆變器，有方波輸出和正弦波輸出兩種。方波輸出的逆變器效率高，對(duì)于采用正弦波電源設(shè)計(jì)的電器來(lái)說(shuō)，除少數(shù)電器不適用外大多數(shù)電器都可適用，正弦波輸出的逆變器就沒(méi)有這方面的缺點(diǎn)，卻存在效率低的缺點(diǎn)，如何選擇這就需要根據(jù)自己的需求了。

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來(lái)自：靜思_書香閣 > 《硬件技術(shù)》

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