由于逆变电路的内阻很小，就会形成很大的短路电流，烧坏变流装置，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。综上所述，为了防止逆变失败，不仅逆变角β 不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。确定最小逆变角βmin的依据逆变时允许采用的最小逆变角β 应为式中，δ 为晶闸管的关断时间tq 折合的电角度；γ 为换相重叠角；θ′为安全裕量角。......
2025-09-29
单相电压型逆变电路设计及应用
【摘要】：图3.5单相半桥电压型逆变电路及其工作波形设开关器件V1 和V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，其二者互补。图3.6单相全桥电压型逆变电路全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。图3.7单相全桥电压型逆变电路的移相调压方式设在t1 时刻前V1 和V4 导通，其输出电压uo 为Ud，t1 时刻V3 和V4 栅极信号反向，V4 截止，而因负载电感中的电流io 不能突变，V3 不能立刻导通则VD3 续流导通。
（1）单相半桥电压型逆变电路
单相半桥电压型逆变电路原理图如图3.5 所示，它有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联的二极管组成。在直流侧有两个互相串联的足够大的电容，两个电容的联接点便成为直流电源的中点。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。
图3.5 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
设开关器件V1 和V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，其二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图3.5（b）所示。输出电压uo 为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。输出电流io 随负载情况而异。设t2 时刻以前V1 为通态，V2 为断态。t2 时刻给V1 关断信号，给V2 开通信号，则V1 关断，但感性负载中的电流io 不能立刻改变方向，于是VD2 导通续流。当t3 时刻io 降为零时，VD2 截止，V2 导通，io 开始反向。同样，在t4 时刻给V2 关断信号，给V1开通信号，V2 关断，VD1 先导通续流，t5 时刻V1 才开通。各段时间内导通器件的名称标于图3.5（b）的下部。
当V1 或V2 为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1 或VD2为通态时，负载电压和电流反向，负载电流中储存的能量向直流侧回馈，即负载电感将其吸收的无功能量回馈到直流侧。回馈能量暂时存储在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲无功能量的作用。因为二极管VD1、VD2 是负载向直流侧回馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VD1、VD2 起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。
当可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能正常工作。
半桥逆变电路的优点是电路结构简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于几kW 以下的小功率逆变电路。
（2）单相全桥电压型逆变电路
单相全桥电压型逆变电路如图3.6（a）所示，它共有4 个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1 和4 作为一对，桥臂2 和3 作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°。其输出电压uo 的波形如图3.6（b）所示，也是矩形波，但其幅值比单相半桥电压型逆变电路高出一倍，Um=Ud。在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流io 的波形当然也和图3.5（b）中io 形状相同，其幅值增加一倍。关于无功能量的交换，对于半桥逆变电路的分析也完全适用于全桥逆变电路。
图3.6 单相全桥电压型逆变电路
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形进行定量分析，把幅值为Ud 的矩形波uo 展开成傅里叶级数得(https://www.chuimin.cn)
其中，基波的幅值和基波有效值分别为
上述公式对于半桥逆变电路也是适用的，只是公式中的Ud 要换成Ud/2。
前面分析的都是uo 为正负电压各为180°导通时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变电压Ud 来实现。
在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在图3.7（a）的单相全桥逆变电路中，各IGBT 的栅极信号仍为180°正偏，180°反偏，并且V1 和V2 的栅极信号互补，V3和V4 的栅极信号互补，但V3 的基极信号不是比V1 落后180°，而是只落后θ（0 < θ < 180°） 。也就是说，V3、V4 的栅极信号不是分别和V2、V1 同相位，而是前移了180°-θ。这样输出电压uo 就不再是正负各为180°的脉冲宽度，而是正负各为θ 的脉冲宽度，各IGBT 的栅极信号uG1～uG4 及输出电压uo、输出电流io 的波形如图3.7（b）所示。下面对其工作过程进行具体分析。
图3.7 单相全桥电压型逆变电路的移相调压方式
设在t1 时刻前V1 和V4 导通，其输出电压uo 为Ud，t1 时刻V3 和V4 栅极信号反向，V4 截止，而因负载电感中的电流io 不能突变，V3 不能立刻导通则VD3 续流导通。因为V1 和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2 时刻V1 和V2 栅极信号反向，V1 截止，而V2 不能立刻导通，VD2 导通续流，和VD3 构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2 和VD3 截止，V1 和V3 开始导通，uo 仍为-Ud，t3 时刻V3 和V4 栅极信号再次反向，V3 截止，而V4 不能立刻导通，VD4 导通续流，uo 再次为零。以后的过程和前面的类似。这样其输出电压uo 的正负脉冲宽度各为θ。改变θ，这样可以调节输出电压。
在纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相同的结果，只是VD1～VD4 不再导通，不起续流作用。在uo 为零期间，四个桥臂均不导通，负载也没有电流。
显然，上述移相调压方式并不适用于半桥逆变电路。不过在纯电阻负载时，仍可采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压。这时，上下两臂的栅极信号不再各是180°正偏、180°反偏并且互补，而是正偏宽度为θ、反偏的宽度为180°-θ，二者相位差为180°。这时输出电压uo 也是正负脉冲的宽度各为θ。
移相调压控制方案用于电压调节，控制较复杂，在功率器件开关容量低、最高电机容量小的时候有其实用价值。相反，若只为实现电压调节显然得不偿失。要使输出电压调节更方便，谐波含量更低，更好的方式是采用后面第6章介绍的SPWM 控制方式。
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