单相全桥逆变器工作原理_计算公式_应用特点
逆变器是在输出侧将直流输入电源转换为标准幅值和频率的对称交流电压的电气设备,它也被称为DC-AC转换器。理想的逆变器输入和输出可以用正弦波形和非正弦波形表示。如果逆变器的输入源是电压源,则逆变器称为电压源逆变器(VSI),如果逆变器的输入源是电流源,则称为电流源逆变器(CSI) 。
另外,根据使用的负载类型,逆变器分为两种类型,即单相逆变器和三相逆变器。单相逆变器又分为半桥逆变器和全桥逆变器两种。本文简单介绍单相全桥逆变器的结构特点和工作原理。
基本概念
单相全桥逆变器是一种开关器件,通过根据适当的开关顺序调节开关的导通和关断,在应用直流输入时产生方波交流输出电压,其中产生的输出电压具+Vdc、-Vdc或0等形式。
据悉,在相同之输入电压下,单相全桥式逆变器之最大输出电压为单相半桥式的两倍,这表示在相同之功率下,单相全桥式逆变器的输出及开关电流仅为半桥式之一半,这个对于高功率用途是一大优点,因为它可以降低使用并联组件的需求。
结构特点
单相全桥逆变器的结构是由4个斩波器组成,每个斩波器由一对晶体管或晶闸管和二极管组成,一对连接在一起,分别是:
- T1和D1并联
- T4与D2并联
- T3与D3并联
- T2和D4并联
负载V0连接在“AB”处的一对斩波器之间,T1和T4的末端连接到电压源VDC,如下图所示:
上图的等效电路可以用开关的形式表示,具体如下图所示:
工作原理
可以使用以下场景解释使用RLC负载的单相全桥逆变器的工作过程。
1、过阻尼和欠阻尼
如果将直流激励应用于RLC负载,则从0到T/2处的图表,得到的输出负载电流为正弦波。由于正在使用RLC负载,因此RLC负载的电抗在2种情况下表示为XL和XC。
- 条件1:如果XL>XC,它就像滞后负载一样,被称为过阻尼系统
- 条件2:如果XL<XC,它就像超前负载一样工作,称为欠阻尼系统。
2、导通角
每个开关和每个二极管的导通角可以使用V0和I0的波形来确定。
在滞后负载条件下:
- 情况1:从φ到π,V0>0和I0>0,开关S1、S2导通。
- 情况2:从0到φ,V0>0和I0<0,二极管D1、D2导通。
- 情况3:从π+φ到2π, V0<0且I0<0,开关S3、S4导通。
- 情况4:形成 π至π+φ,V0<0且I0>0,二极管D3、D4导通。
- 情况1:从0到π – φ,V0>0且I0>0,开关S1、S2导通。
- 情况2:从π – φ到π,V0>0且I0<0,则二极管D1、D2导通。
- 情况3:从π到2π–φ,V0<0且I0<0,开关S3、S4导通。
- 情况4:从2π–φ到2π,V0<0且I0>0,二极管D3、D4导通。
- 情况5:在φ变为0之前,D3和D4导通。
因此,每个二极管的导通角为“φ”,每个晶闸管或晶体管的导通角为“π – φ”。
3、强制换向和自换向
在超前负载条件下可以观察到自换向情况如下:
从上图中可以看出,“φ到π-φ”时,S1和S2导通,“π-φ”后,D1、D2导通,此时D1和D2两端的正向压降为1伏特。其中S1和S2在“π – φ”后面临负电压,因此S1和S2关闭。因此,在这种情况下可以进行自换向。
在滞后负载条件下可以观察到强制换流情况如下:
从图中可以看出,“o到φ”,D1、D2导通,“π到φ”,S1、S2导通并短路。“φ”后D3和D4只有在S1和S2关断的情况下才导通,但只有强制S1和S2关断才能满足这个条件。因此,这里使用了强制换向的概念。
4、计算公式
1、每个二极管的导通角为φ。
2、每个晶闸管的导通角为π – φ。
3、自换向仅在超前功率因数负载或欠阻尼系统中在电路关闭时间tc=φ/w0时才有可能,其中w0是基频。
4、傅里叶级数V0(t) =∑n=1,3,5α[ 4VDC/nπ ]Sin nw0t。
5、I0 (t) =∑n=1,3,5α [ 4VDC/nπlznl] Sin nw0t+φn。
6、V01max=4Vdc/π。
7、I01max=4Vdc/πZ1。
8、Mod Zn=R2+ ( nw0L–1/nw0C) ; 其中n=1,2,3,4……。
9、φn=tan-1[ (/R ]。
10、基本位移系数FDF=cosφ。
11、二极管电流方程ID和波形给出如下:
ID01 (avg)=1/2π[∫0 φ I01max Sin (w0t–φ1 ) ]dwt
ID01 (rms) = [1/2π[ ∫0φ I012max Sin2 (w0t–φ1 ) dwt ] ]1/2
12、开关或晶闸管电流方程式IT和波形给出如下:
IT01 (avg) =1/2π [∫φπ I01max Sin ( w0t – φ1 ) ]dwt
IT01 (rms) = [1/2π [∫φπ I012max Sin2 ( w 0 t – φ 1 ) dwt ] ]1/2
优缺点
单相全桥逆变器的优点包括以下几点内容:
- 电路中无电压波动
- 适用于高输入电压
- 高效节能
- 功率器件的额定电流等于负载电流。
单相全桥逆变器的缺点包括以下几点内容:
- 全桥逆变器的效率 (95%) 不到桥式逆变器 (99%) 的一半
- 损失交大
- 高噪音
主要应用
单相全桥逆变器的主要应用包括以下几点内容:
- 适用于中低功率示例方波/准方波电压等应用。
- 失真的正弦波用作高功率应用中的输入。
- 使用高速功率半导体器件,通过PWM技术可以降低输出端的谐波含量。
- 其他应用如交流变速电机、加热感应装置、备用电源。
- 太阳能逆变器。
- 压缩机等应用。
总结
逆变器是一种在输出侧将直流输入电源转换为标准幅度和频率的不对称交流电压的电气设备。根据负载类型,单相逆变器分为半桥逆变器和全桥逆变器两种类型。其中,全桥单相逆变器,它由4个晶闸管和4个二极管组成,它们一起充当开关。全桥逆变器根据开关位置运行。全桥相对于半桥的主要优点是输出电压是输入电压的2倍,输出功率是半桥逆变器的4倍。