逆变器分析

1. 逆变器的电路组成逆变器一般由直流升压回路和逆变回路构成， 是一种由半导体器件组成的电力调整装置， 主要用于直流转换交流。 其中， 升压回路把太阳能电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压； 逆变回路把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压，而其中开关的打开和闭合由一个小的控制器调控。2. 逆变器的工作原理逆变器的种类很多， 各自的具体工作原理、 工作过程不尽相同， 但是最基本的逆变过程是相同的。如图 1（ a） 是最简单的逆变电路 ----- 单相桥式逆变电路 输入负载的直流电压为 E， R代表逆变器的纯电阻性负载，当开关 K 1 K 3 接通时，电流流过 K 1、 R、和 K 3 ，负载上电压极性是左正右负；当开关 K 2 K 4 接通时，电流流过 K 2 、 R和 K 4 ，负载上电压极性反向。若两组开关 K 31 、 K 42 以频率 f 交替切换工作时，负载 R上便可得到频率为f 的交变电压 U r , 其波形如图 1b 所示。该波形为方波，其周期为 T1/f 。（ a） b 图 1 DC-AC逆变原理3. 逆变器控制电路（ 1）方波在比较老的逆变器中可以见到这种最基本的 H桥电路，它产生几乎完美的方波，而且逆变器线路简单，价格便宜，实现比较容易，但这种波形因为包含太多高次谐波成分， 在负载中产生附加损耗， 对通信设备产生较大干扰， 所以不具有很好的利用价值，这个问题在改良的方波中依然存在，即使对其输出进行滤波，可以减少这些不期望的谐波， 但并不能完全滤除他们。 一般用在几百瓦的小容量逆变器中。改良方波波形（ 2）阶梯波输出电压为阶梯波， 已经非常接近正弦波了， 高次谐波含量少， 再对阶梯波进行滤波就基本可以得到非常纯净的正弦波， 即我们现代用户所需要的电能形式。 但需要多组直流电源供电，需要的功率开关管较多，给光伏阵列分组带来不便。（ 3）正弦波（并网逆变器）输出电压基本为正弦波， 在负载中只有很少的谐波损耗， 对同学设备干扰小， 整机效率高， 但设备复杂， 价格高。 PWM型逆变器大多使用功率场效应管 （ MOSFET） ，绝缘栅双极性晶体管（ IGBT） ，可关断晶闸管（ GTO）等作为开关管，控制部分采用专用 PWM集成电路以及带有 PWM输出的 DSP和单片机芯片。 逆变器输出所接的滤波器为低通滤波器， 由电感电容构成， 滤波器的设计要考虑滤波能力也要考虑可能带来的电磁谐振。4.DC-AC 变换电路的基本类型电压型单相半桥逆变电路， 电压型单相全桥逆变电路， 电流型单相全桥逆变电路 ，电压型三相桥式逆变电路5.DC-AC 变换电路的特点（ 1）电压型逆变器该逆变器输入端并接有大电容， 由电容稳压提供恒电压， 逆变桥输出到负载两端的电压为方波， 其幅值为电容电压， 而输出电流的大小由负载决定， 电流波形由负载的性质决定。电阻型负载的电流波形和电压波形一样是方波； 电阻电感型负载的电流波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间； 纯电感负载的电流波形是三角波， 且功率因数为零。对于电阻电感型负载，为了提高其逆变器的输出功率因数，加补尝电容，组成RLC 谐振负载， 当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时， 谐振负载等效为 R，而负载 R 上的电压和电流都是正弦波，相位差为零，这时逆变器输出最大的有功功率。 RLC 谐振负载有串联和并联两种。 将 RLC 串联可组成串联谐振逆变器，串联谐振逆变器采用电压型逆变器，由恒电压供电。（ 2）电流型逆变器该逆变器输入端串接有大电感， 由电感稳流提供恒电流， 逆变桥输出到负载两端的电流为方波， 其幅值为电感电流， 而输出电压的大小由负载决定， 电压波形由负载的性质决定。电阻型负载的电压波形和电流波形一样是方波； 电阻电感型负载的电压波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间； 纯电感负载的电压波形是三角波， 且功率因数为零。对于电阻电感型负载，为了提高其逆变器的输出功率因数，加补尝电容，组成RLC 并联型谐振负载，当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时，谐振负载等效为 R 0 L/RC ，这时逆变器输出最大的有功功率。并联谐振逆变器采用电流型逆变器，由恒电流供电。（ 3）单相全桥逆变器它有两个桥臂， 每个桥臂由开关器件和反并联二极管组成， 负载连接在两个桥臂中点。 单相全桥逆变器可组成电压型逆变器和电流型逆变器。 本文使用的是电压型单相全桥逆变器。6.电压型单相全桥逆变电路的参数计算和器件选择（ 1）负载类型（如下图）有电容补偿的电阻电感性负载，其等效阻抗为 ZRJ[ L-1/ C] ，谐振时，虚部为 0，负载为等效电阻 R。（ 2）电压电流等级设逆变器输入电压为 E，输出功率为 P 负载电流 i0 E/2Z,开关管上的额定电压 U2-3E,额定电流 I（ 1.5-2） 2 i0（ 3）逆变器的开关时间（ 4）主电路功率器件的选择逆变器主电路功率器件的选择至关重要。 小容量低压系统一般选择使用 MOSFET,因为其有较低的通态压降和较高的开关频率；大容量高压系统一般选择使用IGBT，因为随着电压的升高， MOSFET 的通态阻值增加，而 IGBT 在此时有较大的优势；在特高压系统中，一般选用 GTO。7.逆变器的控制电路控制电路主要的任务是产生逆变桥的驱动脉冲， 实现负载谐振频率和驱动脉冲频率的同步，实现频率的自动跟踪。要实现自动跟踪，可采用锁相环技术。锁相环电路是一个能够跟踪输入信号相位变化的闭环自动控制系统。其系统框图如下驱动信号如下