电压型逆变电路的应用与研究

逆变电路分为直流侧(电源端)和交流侧(负载端),电压型逆变电路是指直流侧采用电压源的逆变电路。电压源是指能提供稳定电压的电源,另外,电压波动小且两端并联有大电容的电源也可视为电压源。图7-18中就是两种典型的电压源(点画线框内部分)。

图7-18 两种典型的电压源

图7-18a中的直流电源E能提供稳定不变的电压U_d,所以它可以视为电压源。图7-18b中的桥式整流电路后面接有一个大滤波电容C,交流电压经变压器降压和二极管整流后,在C上会得到波动很小的电压U_d(电容往后级电路放电后,整流电路会及时充电,故U_d变化很小,电容容量越大,U_d波动越小,电压越稳定),故点画线框内的整个电路也可视为电压源。

电压型逆变电路种类很多,常用的有单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路、单相变压器逆变电路和三相电压逆变电路等。

1.单相半桥逆变电路

单相半桥逆变电路及有关波形如图7-19所示,C₁、C₂是两个容量很大且相等的电容,它们将电压U_d分成相等的两部分,使B点电压为U_d/2,晶体管VT₁、VT₂基极加有一对相反的脉冲信号,VD₁、VD₂为续流二极管,R、L代表感性负载(如电动机就为典型的感性负载,其绕组对交流电呈感性,相当于电感L,绕组本身的直流电阻用R表示)。

电路工作过程说明如下:

1)在t₁~t₂期间,VT₁基极脉冲信号U_b1为高电平,VT₂的U_b2为低电平,VT₁导通、VT₂关断,A点电压为U_d,由于B点电压为U_d/2,故R、L两端的电压U_o为U_d/2,VT₁导通后有电流流过R、L,电流途径是:U_d+→VT₁→L、R→B点→C₂→U_d-,因为L对变化电流的阻碍作用,流过R、L的电流I_o慢慢增大。

图7-19 单相半桥逆变电路

a)电路 b)波形

2)在t₂~t₃期间,VT₁的U_b1为低电平,VT₂的U_b2为高电平,VT₁关断,流过L的电流突然变小,L马上产生左正右负的电动势,该电动势通过VD₂形成电流回路,电流途径是:L左正→R→C₂→VD₂→L右负,该电流方向仍是由右往左,但电流随L上的电动势下降而减小,在t₃时刻电流I_o变为0。在t₂~t₃期间,由于L产生左正右负电动势,使A点电压较B点电压低,即R、L两端的电压U_o极性发生了改变,变为左正右负,由于A点电压很低,虽然VT₂的U_b2为高电平,VT₂仍无法导通。

3)在t₃~t₄期间,VT₁基极脉冲信号U_b1仍为低电平,VT₂的U_b2仍为高电平,由于此时L上的左正右负电动势已消失,VT₂开始导通,有电流流过R、L,电流途径是:C₂上正(C₂相当于一个大小为U_d/2的电源)→R→L→VT₂→C₂下负,该电流与t₁~t₃期间的电流相反,由于L的阻碍作用,该电流慢慢增大。因为B点电压为U_d/2,A点电压为0(忽略VT₂导通压降),故R、L两端的电压U_o大小为U_d/2,极性是左正右负。

4)在t₄~t₅期间,VT₁的U_b1为高电平,VT₂的U_b2为低电平,VT₂关断,流过L的电流突然变小,L马上产生左负右正的电动势,该电动势通过VD₁形成电流回路,电流途径是:L右正→VD₁→C₁→R→L左负,该电流方向由左往右,但电流随L上电动势的下降而减小,在t₅时刻电流I_o变为0。在t₄~t₅期间,由于L产生左负右正电动势,使A点电压较B点电压高,即U_o极性仍是左负右正,另外因为A点电压很高,虽然VT₁的U_b1为高电平,VT₁仍无法导通。

5)t₅时刻以后,电路重复上述工作过程。

半桥式逆变电路结构简单,但负载两端得到的电压较低(为直流电源电压的一半),并且直流侧需采用两个电容器串联来均压。半桥式逆变电路常用在几千瓦以下的小功率逆变设备中。

2.单相全桥逆变电路

单相全桥逆变电路如图7-20所示,VT₁、VT₄组成一对桥臂,VT₂、VT₃组成另一对桥臂,VD₁~VD₄为续流二极管,VT₁、VT₂基极加有一对相反的控制脉冲,VT₃、VT₄基极的控制脉冲相位也相反,VT₃基极的控制脉冲相位落后VT₁,落后θ角,0°＜θ＜180°。

图7-20 单相全桥逆变电路

a)电路 b)波形

电路工作过程说明如下:

1)在0~t₁期间,VT₁、VT₄的基极控制脉冲都为高电平,VT₁、VT₄都导通,A点通过VT₁与U_d正端连接,B点通过VT₄与U_d负端连接,故R、L两端的电压U_o大小与U_d相等,极性为左正右负(为正压),流过R、L电流的方向是U_d+→VT₁→R、L→VT₄→U_d-。(www.xing528.com)

2)在t₁~t₂期间,VT₁的U_b1为高电平,VT₄的U_b4为低电平,VT₁导通,VT₄关断,流过L的电流突然变小,L马上产生左负右正的电动势,该电动势通过VD₃形成电流回路,电流途径是L右正→VD₃→VT₁→R→L左负,该电流方向仍是由左往右,由于VT₁、VD₃都导通,使A点和B点都与U_d正端连接,即U_A=U_B,R、L两端的电压U_o为0(U_o=U_A-U_B)。在此期间,VT₃的U_b3也为高电平,但因VD₃的导通使VT₃的c、e极电压相等,VT₃无法导通。

3)在t₂~t₃期间,VT₂、VT₃的基极控制脉冲都为高电平,在此期间开始一段时间内,L能还未完全释放,还有左负右正电动势,但VT₁因基极变为低电平而截止,L的电动势转而经VD₃、VD₂对直流侧电容C充电,充电电流途径是:L右正→VD₃→C→VD₂→R→L左负,VD₃、VD₂的导通使VT₂、VT₃不能导通,A点通过VD₂与U_d负端连接,B点通过VD₃与U_d正端连接,故R、L两端的电压U_o大小与U_d相等,极性为左负右正(为负压),当L上的电动势下降到与U_d相等时,无法继续对C充电,VD₃、VD₂截止,VT₂、VT3马上导通,有电流流过R、L,电流的方向是Ud+→VT3→L、R→VT2→Ud-。

4)在t₃~t₄期间,VT₂的U_b2为高电平,VT₃的U_b3为低电平,VT₂导通,VT₃关断,流过L的电流突然变小,L马上产生左正右负的电动势,该电动势通过VD₄形成电流回路,电流途径是L左正→R→VT₂→VD₄→L右负,该电流方向是由右往左,由于VT₂、VD₄都导通,使A点和B点都与U_d负端连接,即U_A=U_B,R、L两端的电压U_o为0(U_o=U_A-U_B)。在此期间,VT₄的U_b4也为高电平,但因VD₄的导通使VT₃的c、e极电压相等,VT₄无法导通。

5)t₄时刻以后,电路重复上述工作过程。

全桥逆变电路的U_b1、U_b3脉冲和U_b2、U_b4脉冲之间的相位差为θ,改变θ值,就能调节负载R、L两端电压U_o脉冲宽度(正、负宽度同时变化)。另外,全桥逆变电路负载两端的电压幅度是半桥逆变电路的两倍。

3.单相变压器逆变电路

单相变压器逆变电路如图7-21所示,变压器T有L₁、L₂、L₃三组线圈,它们的匝数比为1∶1∶1,R、L为感性负载。

电路工作过程说明如下:

1)当晶体管VT₁基极的控制脉冲U_b1为高电平时,VT₁导通,VT₂的U_b2为低电平,VT₂关断,有电流流过线圈L₁,电流途径是U_d+→L₁→VT₁→U_d-,L₁产生左负右正的电动势,该电动势感应到L₃上,L₃上得到左负右正的电压U_o供给负载R、L。

图7-21 单相变压器逆变电路

2)当晶体管VT₂的U_b2为高电平,VT₁的U_b1为低电平时,VT₁关断,VT₂并不能马上导通,因为VT₁关断后,流过负载R、L的电流突然减小,L马上产生左正右负的电动势,该电动势送给L₃,L₃再感应到L₂上,L₂上感应电动势极性为左正右负,该电动势对电容C充电将能量反馈给直流侧,充电途径是L₂左正→C→VD₂→L₂右负,由于VD₂的导通,VT₂的e、c极电压相等,VT₂虽然U_b2为高电平但不能导通。一旦L₂上的电动势降到与U_d相等时,无法继续对C充电,VD2截止,VT2开始导通,有电流流过线圈L₂,电流途径是U_d+→L₂→VT₂→U_d-,L₂产生左正右负的电动势,该电动势感应到L₃上,L₃上得到左正右负的电压U_o供给负载R、L。

3)当晶体管VT₁的U_b1再变为高电平,VT₂的U_b2为低电平时,VT₂关断,负载电感L会产生左负右正电动势,通过L₃感应到L₁上,L₁上的电动势再通过VD₁对直流侧的电容C充电,待L₁上的电动势左负右正电动势降到与U_d相等后,VD₁截止,VT₁才能导通。以后电路会重复上述工作。

变压器逆变电路的优点是采用的开关器件少,缺点是开关器件承受的电压高(2U_d),并且需用到变压器。

4.三相电压逆变电路

单相电压逆变电路只能接一相负载，而三相电压逆变电路可以同时接三相负载。图7-22所示是一种应用广泛的三相电压逆变电路,R₁、L₁、R₂、L₂、R₃、L₃构成三相感性负载(如三相异步电动机)。

电路工作过程说明如下:

1)当VT₁、VT₅、VT₆基极的控制脉冲均为高电平时,这3个晶体管都导通,有电流流过三相负载,电流途径是:U_d+→VT₁→R₁、L₁,再分作两路,一路经L₂、R₂、VT₅流到U_d-,另一路经L₃、R₃、VT₆流到U_d-。

2)当VT₂、VT₄、VT₆基极的控制脉冲均为高电平时,这3个晶体管不能马上导通,因为VT₁、VT₅、VT₆关断后流过三相负载的电流突然减小,L₁产生左负右正电动势,L₂、L₃均产生左正右负电动势,这些电动势叠加对直流侧电容C充电,充电途径是:L₂左正→VD₂→C,L₃左正→VD₃→C,两路电流汇合对C充电后,再经VD₄、R₁→L₁左负。VD₂的导通使VT₂集射极电压相等,VT₂无法导通,VT₄、VT₆也无法导通。当L₁、L₂、L₃叠加电动势下降到U_d大小,VD₂、VD₃、VD₄截止,VT₂、VT₄、VT₆开始导通,有电流流过三相负载,电流途径是:U_d+→VT₂→R₂、L₂,再分作两路,一路经L₁、R₁、VT₄流到U_d-,另一路经L₃、R₃、VT₆流到U_d-。

3)当VT₃、VT₄、VT₅基极的控制脉冲均为高电平时,这3个晶体管不能马上导通,因为VT₂、VT₄、VT₆关断后流过三相负载的电流突然减小,L₂产生左负右正电动势,L₁、L₃均产生左正右负电动势,这些电动势叠加对直流侧电容C充电,充电途径是:L₁左正→VD₁→C,L₃左正→VD₃→C,两路电流汇合对C充电后,再经VD₅、R₂→L₂左负。VD₃的导通使VT₃集射极电压相等,VT₃无法导通,VT₄、VT₅也无法导通。当L₁、L₂、L₃叠加电动势下降到U_d大小,VD₂、VD₃、VD₄截止,VT₃、VT₄、VT₅开始导通,有电流流过三相负载,电流途径是:U_d+→VT₃→R₃、L₃,再分作两路,一路经L₁、R₁、VT₄流到U_d-,另一路经L₂、R₂、VT₅流到U_d-。

以后的工作过程与上述相同,这里不再叙这。通过控制开关器件的导通关断,三相电压逆变电路实现了将直流电压转换成三相交流电压功能。

图7-22 一种应用广泛的三相电压逆变电路