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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2-5 所示,由兩個(gè)半橋
單相全橋電路拓樸結(jié)構(gòu)
圖2-5 單相全橋電路拓樸結(jié)構(gòu)
電路組成,以1800 方波為例說(shuō)明單相全橋電路的工作原理,功率開(kāi)關(guān)元件Q1 與Q4 互補(bǔ),Q2 與Q3 互補(bǔ),當(dāng)Q1 與Q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí),負(fù)載電壓U0= +Ud;當(dāng)Q2 與Q4 同時(shí)悼通時(shí),負(fù)載兩端U0= -Ud,Q1 Q3 和Q2 Q4 輪流導(dǎo)通,負(fù)載兩端就得到交流電能。
全橋輸出電壓、電流波形
圖2-6 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 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,下面介紹輸出電壓的調(diào)節(jié)方法——移相調(diào)壓法和脈寬調(diào)壓法。
3.1 移相調(diào)壓法
圖2-7 為移相控制原理,Q1 Q4 互鎖,Q2 Q3 互鎖,且均為180℃方波信號(hào),但Q1Q4 橋臂所加的方波與Q2 Q3 橋臂所加的方波相位錯(cuò)開(kāi) 角度,移相控制原理
圖2-7 移相控制原理
假設(shè)負(fù)載功率因數(shù)在(0~ 1)之間,且電流滯后于電壓某一角度,則移相電路可分為6 個(gè)不同的工作時(shí)間段:
第一時(shí)段:有功輸出模式,輸出電壓電流均為正——Q1 Q3 導(dǎo)通
第二時(shí)段:續(xù)流模式,電壓為零但電流為正——Q1 Q2 導(dǎo)通
第三時(shí)段:回饋模式,電壓為負(fù)但電流為正——D2D4 導(dǎo)通
第四時(shí)段:有功輸出模式,電壓為負(fù)電流為負(fù)——Q2 Q4 導(dǎo)通
第五時(shí)段:續(xù)流模式,電壓為零但電流為負(fù)——Q4 D3 導(dǎo)通
第六時(shí)段:回饋模式,電壓為正但電流為負(fù)——D1D3 導(dǎo)通
采用移相控制方式調(diào)節(jié)輸出電壓只需調(diào)節(jié)相移角y 即可,由于四個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件和四個(gè)續(xù)流二極管輪流對(duì)稱工作,因此每個(gè)器件所承受的應(yīng)力對(duì)稱相等,對(duì)延長(zhǎng)器件壽命
有利。
3.2 脈寬調(diào)節(jié)法
脈寬調(diào)節(jié)的控制波形如圖2-8 所示,用一個(gè)幅值為Ur 的直流參考電平與幅值為Uc
脈寬調(diào)節(jié)的控制波形
圖2-8 脈寬調(diào)節(jié)的控制波形的三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較,得到Q1 Q3 和Q2Q4 的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào),其中Q1 和Q4 互補(bǔ)。當(dāng)Uc 在0~1 范圍內(nèi)變化時(shí),脈沖寬度可在0~1800 范圍內(nèi)變化,從而改變輸出電壓Uo。圖2-8 所示的控制方式中“H 橋”斜對(duì)角的功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,四個(gè)功率開(kāi)關(guān)在不導(dǎo)通區(qū)間區(qū)間均不導(dǎo)通,在這種情況下若負(fù)載功率因數(shù)在(0~1)之間,續(xù)流二極管將完成部分能量從負(fù)載回饋至直流側(cè)的作用,這種工作方式中輸出只有+1、-1 兩種狀態(tài),我們稱之為雙極性調(diào)制;與之相反的單極性調(diào)制法是保證輸出具有+1、0、-1 三種狀態(tài),該方法將在后續(xù)章節(jié)中討論。
4、單相方波逆變器的輸出波形分析
推挽式、半橋式、全橋式逆變器輸出的方波或矩形波,如圖2-9 所示。
單相方波逆變器的輸出波形分析
圖2-9 矩形波形
a)脈寬為1800 b)脈寬為(1800 -y)
圖2-9a 所示方波的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為
傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式
式中i U ——推挽式方波逆變器一次測(cè)單個(gè)繞組上的電壓;
1 N ——推挽式方波逆變器一次測(cè)兩個(gè)相同的繞組匝數(shù);
2 N ——推挽式方波逆變器二次測(cè)繞組匝數(shù)
方波中含有幅值為4Ui N2 I(N1π)的基波分量外,還含有較大的低次諧波(3,5,7,9次)分量。該方波輸出電壓的有效值為
方波輸出電壓的有效值
該矩形波同樣只含有各奇次諧波,并且基波及諧波的幅值隨脈寬變化,當(dāng)脈寬等于1200時(shí),3 次及3 倍數(shù)次諧波等于零。由圖2-9b 可知,脈寬θ與調(diào)制度m 有關(guān),即
θ=mπ (2-6)
式中θ ——脈寬
m——調(diào)制度
輸出電壓的有效值為
輸出電壓的有效值
由式(2-4)、(2-5)、(2-6)可知,n 次諧波的含量U2n /(Ui N2 /N1)、總的諧波畸變度THD 與調(diào)制度m 的關(guān)系,如圖2-10 所示。矩形波的THD 隨脈寬變化,即使脈寬為1200時(shí),THD 仍有30%。
矩形波的n 次諧波含量、總諧波畸變度與調(diào)制度的關(guān)系
圖2-10 矩形波的n 次諧波含量、總諧波畸變度與調(diào)制度的關(guān)系
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