電子設(shè)計競賽(6)-逆變電路

1 ?逆變電源基本原理

1.1 ?半橋式逆變電路

??從直流電源中獲取交流電能，有多種方式，但至少需要兩個功率開關(guān)器件，如圖1所示的半橋式逆變電路是單相逆變電源的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此電路由兩個串聯(lián)的功率開關(guān)和兩只串聯(lián)的電容組成。兩只串聯(lián)電容的中點為參考點。電路工作原理如下：當(dāng)V1導(dǎo)通V2關(guān)斷時，電容C1上的能量釋放到負(fù)載R上，輸出電壓Uo為正，同時電容C2充電；當(dāng)V1關(guān)斷V2導(dǎo)通時，電容C2上的能量釋放到負(fù)載R上，輸出電壓Uo為負(fù)，同時電容C1充電。開關(guān)管V1、V2交替導(dǎo)通使得負(fù)載獲得交流電能。
??半橋式逆變電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，兩個電容的串聯(lián)中心作為中性參考點，這樣不會帶來直流分量和磁偏，適合帶動變壓器負(fù)載。其不足之處在于，當(dāng)電路工作在工頻(50Hz- 60Hz)情況下，所需電容的容量比較大，增加電路的體積和成本。

1.2 ?全橋式逆變電路

??在大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，全橋式逆變電路是應(yīng)用最廣泛的一種電路。下面以下圖圖2(a)的單相全橋逆變電路說明全橋式逆變電路的基本原理。單相全橋逆變電路也稱為‘H橋’電路，由四個功率開關(guān)管及其驅(qū)動輔助電路構(gòu)成，工作時Q1與Q4通斷互補(bǔ)、Q2與Q3通斷互補(bǔ)。當(dāng)Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開時，負(fù)載電壓Uo為正;當(dāng)Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時，負(fù)載電壓Uo為負(fù)，Uo波形如圖2(b)所示。Q1、Q3和Q2、Q4交替導(dǎo)通，使得負(fù)載上獲得交流電能。當(dāng)負(fù)載不是純電阻時，負(fù)載電壓和負(fù)載電流不是同相位，這時開關(guān)管的寄生二極管D1-D4則起著電流續(xù)流的作用。

1.3 ?PWM控制技術(shù)

??在電力電子發(fā)展史上，逆變電源占據(jù)非常重要的一環(huán)，而PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電源絕大多數(shù)都是PWM型逆變電源。正是由于在逆變電源中的應(yīng)用，PWM技術(shù)才會發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。
??PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如下圖3(a)(b)和(c)所示的三個波形分別為矩形波脈沖、三角波形脈沖以及正弦波形脈沖，顯然它們的形狀完全不同，但是面積完全相同，如果把它們分別加在具有同一個慣性的環(huán)節(jié)上時，其輸出作用完全相同。

2 ?多相逆變電路與控制方法

??在歷年的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，對逆變電源的考察主要以多相的形式出現(xiàn)。如2005年G題三相正弦波變頻電源，2017年微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)。在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電源方向的培訓(xùn)中，多相逆變電源設(shè)計制作必不可少的，其中三相逆變電源最主要的。

2.1 ?三相基本概念

??（1）三相交流電：是電能的一種輸送形式，是由三個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢組成，分別為A、B、C三相。三相電的波形圖和矢量圖如下圖所示。
??（2）星形接法和三角形接法
??星形接法：也稱Y型接法，如下圖圖5(a)所示每一相的負(fù)載的一端都接在公共點上。公共點為中性點，N為中性線。

??（3）線電壓、線電流、相電壓和相電流
??線電壓：三相供電系統(tǒng)兩線之間的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三線間的電壓Uab ，Uac，Ubc。
??相電壓：三相供電系統(tǒng)ABC三相分別對中性線的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三相電壓Uan，Ubn，Ucn。
??線電流：線電流是三相電源中每根導(dǎo)線中的電流為線電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ia，ib，ic。
??相電流：相電流是指三相電源中流過每相負(fù)載的電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ian，ibn，icn。
??在Y型均衡接法中，線電壓和相電壓之間是呈現(xiàn)等邊三角形關(guān)系，如下圖圖8所示的電壓矢量圖。線電壓等效于等邊三角形的三邊，相電壓等效于等邊三角形的中心與頂點的連線。三個線電壓是對稱的：大小相等，為相電壓的 倍，相位領(lǐng)先對應(yīng)的相電壓30度，互成120度。而線電流和相電流相等。
??在三角形接法中，線電壓與相電壓是相等的，線電流和相電流的關(guān)系和Y型接法中線電壓和相電壓的關(guān)系一樣。