兩種非隔離型單相逆變器的比較研究

吳岳芬，張 舸，萬(wàn) 力，周嘉偉，馮彩英

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兩種非隔離型單相逆變器的比較研究

吳岳芬，張 舸，萬(wàn) 力，周嘉偉，馮彩英

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006）

闡述了單相全橋電壓型和電流型逆變電路的工作原理，在MATLAB/Simulink中給出了兩種電路的具體建模過(guò)程，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。仿真結(jié)果表明，電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，而電流型逆變電路輸出電流波形為矩形波，并且電壓和電流幅值跟輸入電源電壓和電流幅值相等。

逆變電路 電壓型 電流型 建模和仿真

0 引言

近些年來(lái)，伴隨著電力電子半導(dǎo)體器件、電力電子技術(shù)的高速進(jìn)步，逆變器在各范疇也得到了高速發(fā)展，逆變技術(shù)的運(yùn)用也越來(lái)越寬泛。逆變電源已經(jīng)被普遍運(yùn)用到工業(yè)、動(dòng)力、交通、運(yùn)輸?shù)确懂牎Ｄ孀冸娫雌毡檫\(yùn)用于變頻器和不間斷電源。逆變電路按照逆變方式可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，其中電壓型逆變電路應(yīng)用更為廣泛。電壓型和電流型逆變電路二者之間主要的差別在于供電電源前者是電壓源，后者是電流源，而且所帶負(fù)載有很大的區(qū)別。因此對(duì)廣大科研工作者來(lái)說(shuō)，不但要求他們熟悉兩者的電路結(jié)構(gòu)以及工作原理，而且要掌兩種電路的工作特性，才能更好的區(qū)別它們和應(yīng)用。為了更好的了解這兩種電路的特工作特性，本文將單相電壓型和電流型逆變電路放在一起進(jìn)行比較研究，首先闡述其工作原理，然后借助仿真軟件對(duì)兩種電路的輸出電壓和電流進(jìn)行了仿真研究，指出了兩種電路的特點(diǎn)，為其實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 兩種逆變電路的工作原理介紹

1.1 單相全橋電壓型逆變電路

由于單相半橋電壓型逆變電路的不足，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是逆變電源容量較大的場(chǎng)合，常采用全橋式逆變電路。單相全橋電壓型逆變電路由四個(gè)開(kāi)關(guān)組成，如圖1（a）所示。每個(gè)開(kāi)關(guān)構(gòu)成一個(gè)橋臂，開(kāi)關(guān)是由一個(gè)全控型器件以及一個(gè)二極管反并聯(lián)構(gòu)成如圖所示。開(kāi)關(guān)的通斷是由開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的，驅(qū)動(dòng)控制方式有多種，包括固定脈沖控制、脈沖移相控制和脈沖寬度控制等。圖1(b)為單相全橋電壓型逆變電路的電壓和電流工作波形，其中矩形形狀的是電壓波形，電流為不規(guī)則波形。由于電壓型逆變電路應(yīng)用非常多，很多文獻(xiàn)都介紹過(guò)，具體工作過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，在這里不在過(guò)多闡述。

1.2 單相全橋電流型逆變電路

圖2(a)所示的為晶閘管組成的單相橋式電流型逆變電路[2,3]。

在圖2中，VT1～VT4組成逆變電路的四個(gè)橋臂，大電感串聯(lián)于直流電源的輸出端，因此直流回路電流基本不變。R、L為逆變器的負(fù)載，電容C是并聯(lián)在負(fù)載兩端的補(bǔ)充電容器，與L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。電容C處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，使并聯(lián)諧振回路的電流領(lǐng)先于電壓一個(gè)角度，即R、L、C呈容性，的大小取決于電容的補(bǔ)償程度。在VT1、VT3導(dǎo)通時(shí)有正向電流自A流向B，在VT2、VT4導(dǎo)通時(shí)有反向電流自B流向A，AB間的電流是方波型的交流電，如圖2（b）所示。設(shè)區(qū)間，VT1、VT3導(dǎo)通，，C與R、L工作于諧振狀態(tài)。在時(shí)刻之前，輸出電壓，VT2、VT4承受正向電壓。在時(shí)刻，VT1與VT2、VT3與VT4需要換流時(shí)，觸發(fā)VT2和VT4，VT2、VT4因受到正壓而導(dǎo)通，VT1、VT3受反向電壓而關(guān)斷。在的負(fù)半周時(shí)刻，觸發(fā)VT1、VT3，則VT2、VT4受到反向電壓關(guān)斷，VT1、VT3再次導(dǎo)通。可以看出，晶閘管觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻與負(fù)載電壓有關(guān)，這種運(yùn)用負(fù)載電壓使晶閘管關(guān)斷的方式稱為負(fù)載換流形式。

2 兩種逆變電路在MATLAB/Simulink的建模與仿真

2.1 單相全橋電壓型逆變電路的建模與仿真

單相全橋逆變電路主要由直流電源（DC Voltage Source）、IGBT、二極管（Diode）、串聯(lián)RLC支路(Series RLC Branch)、脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)等構(gòu)成。其在MATLAB中仿真電路模型如圖3所示[4]，其中直流電源電壓參數(shù)設(shè)置為100V。

根據(jù)圖3單相全橋電壓型逆變電路的仿真模型，得到了圖4單相全橋電壓型逆變電路的負(fù)載電壓和電流波形，單相全橋逆變電路負(fù)載電壓波形是矩形波，并且矩形波的幅值與直流電源的幅值相等，從這里看出要改變輸出電壓的幅值，只能改變電壓源的幅值。如果不通過(guò)電壓源的幅值，而改變負(fù)載兩端的電壓值，可以采用移相控制的方式。負(fù)載電流的波形也是與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)，圖4中下方的電流波形是在阻感性負(fù)載下的輸出電流波形。

2.2 單相全橋電流型逆變電路的建模與仿真

單相電流型逆變電路主要由可控電流源（Controlled Current Source）、晶閘管（Thyristor）、串聯(lián)RLC支路1(Series RLC Branch1)、串聯(lián)RLC支路2(Series RLC Branch2)、脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)等構(gòu)成。其在MATLAB中仿真電路模型如圖5所示[4]，其中可控電流源參數(shù)設(shè)置為10A。

根據(jù)圖5單相電流型逆變電路的仿真模型，得到了圖6(a)所示的負(fù)載電壓波形和圖6(b)所示的負(fù)載電流波形，單相電流型逆變電路是把電流逆變成矩形波，從圖6(b)可以看到負(fù)載電流波形的確為比較標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，并且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波幅值，與理論分析所得到的波形是一致的。由于基波頻率接近負(fù)載電路的諧振頻率，所以負(fù)載電路對(duì)基波呈現(xiàn)高阻抗，但是對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，因此在負(fù)載電路上產(chǎn)生的電壓降很低，所以負(fù)載電壓的波形是接近正弦波，如圖6(a)所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單相全橋電壓型和電流型逆變電路的比較研究，可以得出兩種逆變電路都能實(shí)現(xiàn)將電壓和電流逆變成矩形波，它們的區(qū)別在于電壓型逆變電路實(shí)現(xiàn)電壓的逆變，電流型逆變電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逆變，相同點(diǎn)就是負(fù)載電壓和電流幅值與輸入端電壓源和電流源幅值相同。

(a)輸出電壓

[1] 楊璐,榮軍,劉凱,等. 單相全橋逆變電路在MATLAB中的建模與仿真[J]. 電子技術(shù), 2015, 3(3):79-81.

[2] 郭榮祥,崔桂梅. 電力電子應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社, 2013.

[3] 王兆安, 劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M]. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)MATLAB 的仿真[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

Comparative Study on Two Kinds of Non Isolated Single Phase Inverter

Wu Yuefen, Zhang Ge, Wan Li, Zhou Jiawei, Feng Caiying

（Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology. Yueyang 414006，Hunan, China)

TM46

A

1003-4862（2017）03-0016-03

2016-09-15

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（16C0718）

吳岳芬（1976-），女，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)仿真和電子設(shè)計(jì)。