单相逆变器

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

直流电源是单向的, 在一个方向上流动, 而交流电流交替方向的频率为50-60 赫兹。大多数常见的电子设备都是设计用于交流电源;因此, 输入直流电源必须倒置到 ac. 逆变器通过开关动作将直流电压转换为 ac, 在开关周期的输出端或负载侧反复翻转输入直流电源的极性。典型的电源逆变器需要稳定的直流电源输入, 然后使用机械或电磁开关反复切换。输出可以是方波、正弦波或正弦波的变化, 这取决于电路设计和用户需求。

本实验的目的是建立和分析直流/交流半桥逆变器的运行情况。半桥逆变器是一种最简单的直流/交流变流器形式, 但是 H 桥、三相、多电平逆变器的基石。本文对方波开关进行了简单的研究, 但正弦脉宽调制 (SPWM) 和其它调制和交换方案通常用于直流/交流逆变器。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 单相逆变器. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

逆变器由开关设备 (一、二、四、六或更多) 组成, 它们以转换直流输入电压的方式切换到 AC。交换机通常是 mosfet、igbt、中心或其他开关。

半桥逆变器提供的交流输出电压在/2 的最大值为 v, 而全桥逆变器在可实现最大的 v。半桥式逆变器需要两个与 DC 输入并联的电容器将输入分成两半, 每一个在V/2 中以类似于电压分配器的方式, 而全桥没有这个要求。半桥整流器使用两个开关, 而全桥使用四开关。

许多先进的逆变器拓扑、交换方案和控制器存在于电力电子文献中, 但半桥是其中最基本的构造块。在半桥逆变器中, 使用两个相同电容的相同电容器将输入直流电源分成两半。然后, 当上逆变器开关打开时, 逆变器可以将输出与+ vdc/2 绑定在一起, 并在较低的逆变器开关打开时, 将vdc/2。两个开关不应该在同一时间, 和死的时间时, 都应该添加使用硬件或软件电路。

Procedure

1. 切换源设置

  1. 设置两个函数发生器的输出为方波的10赫频率和48% 的占空比。
    1. 函数生成器应同步, 以使其输出信号的180°脱离相位。
    2. 2% 死时间被使用作为1% 在正方形波浪的每边输出。死时间防止了一个拍摄的情况下, 无论是上下开关进行, 从而做空输入直流电源。
  2. 通过在示波器屏幕上观察函数发生器的输出结果。
    1. 捕获范围屏幕。
  3. 关闭函数生成器输出, 但让生成程序自己打开。
  4. 将直流电源设置为15伏, 并使其与任何电路断开连接。
    1. 设置后将其关闭。

2. 半桥逆变器

  1. 对半桥逆变器进行了上、下 mosfet 独立切换的测试。
  2. 构建图1所示的电路。
    1. 使用51Ω电阻作为负载。
  3. 将输入Vdc 连接到 + 15 v
    1. 保持直流电源关闭。
  4. 将普通探头连接到高出 (HO) 和地面之间。
    1. 通过负载连接一个差分探头, 以测量V
      1. 确保示波器的缩放范围为 10X, 探头缩放比例为20X。
      2. 不要忘记相应地缩放所有测量。
  5. 将一个函数发生器输出连接到高 in (欣), 用于控制上部 MOSFET 开关。
    1. 将地面连接到电路的共同地面。
    2. 将其他函数发生器输出连接到低中 (LIN), 用于控制低 MOSFET 开关。
  6. 捕获波形并测量输出电压峰值和频率。
  7. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  8. 关闭直流电源并断开功能发生器输出电路。

Figure 1
图 1: 半桥安装

逆变器是一种电气设备, 它将直流输入转换为交流输出, 在选定的电压和频率, 一个过程称为 dc 到 ac 转换。例如, 逆变器被大量用于太阳能电池和电网之间的接口, 在这里, 太阳能电池所产生的直流电必须转换成交流电, 以便与电网兼容。它们对于在电池中存储能量的不间断电源来说也是必不可少的, 但必须为计算机生产120伏60赫兹的电源。逆变器的操作方式是将其直流输入切割成一系列的脉冲来产生振荡波。根据过滤量的不同, 输出可能是方波、伪正弦波或正弦波。该视频将介绍一个简单的逆变器的基本原理, 并在一个简单的电路中演示它的操作。

逆变器的输入是恒定的直流电压。一种逆变电路包括电子开关, 如金属氧化物场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或在时钟或频率发生器控制下的可控硅整流器。当时钟信号打开开关时, 直流输入被切碎, 或者它的极性被翻转。这个过程叫做减刑。重复的斩波产生一系列的脉冲或方波。由于时钟周期决定了脉冲速率, 改变变频器的控制频率相应地改变输出频率。一种叫做脉宽调制的开关, 产生一串不同宽度的脉冲, 可以被过滤以近似正弦波。脉冲宽度调制是可取的, 因为机器和电气设备往往需要功率与正弦变化的电压正常运行。对于许多逆变器的拓扑结构, 如 H 桥、三相和多电平逆变器, 半桥逆变电路是一个基本的构造块。该简化图中的半桥逆变器在串联的两个相同的电容器上应用其直流电源 V, 作为电压分配器。由于电容器具有相同的价值, 它们在其终端上具有相同的电压, 并且它们之间的节点处于 V in/2。这一点是负载的交流地面。半桥逆变器使用两个串联开关和两个非重叠或出相时钟交替连接到 V 和零伏之间的节点。为了避免直流电源的短路, 一个开关必须在另一台打开之前关闭。负载从两个开关之间的点连接到两个电容器之间的点。当开关 a 打开且开关 B 关闭时, 负载将连接至 v, 并在其上有一个正电压为1/2 伏, 相对于交流接地。当开关 a 关闭且开关 B 处于打开状态时, 负载将连接到零伏, 并且相对于交流地线, 它的负电压为1/2 伏。由于这个开关过程重复负载交替有正负电压横跨它与振幅 1/2 V in。在这个简单的例子中, 交流电源是方波。对单相逆变器的基本原理进行了说明, 并通过方波切换的方法对交流半桥逆变器进行了设计, 并对其运行进行了验证。

首先, 配置双功能发生器, 产生10赫兹方波振荡从0到10伏, 48% 的工作周期。将输出同步到180度的相位。每个函数发生器独立控制半桥逆变器的两个场效应晶体管开关之一。方波在输出高时打开晶体管, 当输出为低或零伏时将其关闭。由于工作周期是 48%, 剩余的2% 的期间是死的时间在两个晶体管的状态之间。在这段时间内, 两个信号发生器的输出都很低, 防止晶体管同时导电, 避免了直流电源的短路。将示波器的一个通道连接到每个功能发生器的输出。然后确定方波具有预期的振幅、频率和占空比。两个方波也必须有相反的相位, 所以一个是高的, 而另一个是低的。捕获范围屏幕以供以后参考。关闭函数生成器输出, 但让发电机打开。最后, 将直流电源设置为正15伏, 但不要将其连接到任何电路, 然后将其关闭。

建立半桥逆变电路和使用51欧姆电阻器的负载电阻, R 负载。直流电源关闭后, 将其输出连接到逆变器输入 VDC。将差分探头连接到 R 负载以测量 V, 然后将常规范围探头连接到高出, 即引脚七和地线之间。将范围缩放到 10x, 并将探头缩放到20x。相应地缩放所有测量值。记录从探头和示波器的比例, 以便在以后的遗漏因素的帐户。将一个函数发生器的输出连接到高, 也就是 pin 10, 并控制上部晶体管的开关。将函数发生器的地线连接到电路的公共地线。将其他函数生成器的输出连接到低, 即 pin 12, 并控制下晶体管的切换。将其他功能发生器的地线连接到电路的共同接地处。捕获高出和 V 的波形, 并测量输出电压、振幅和频率。记录直流电源上的电流和电压读数。重复测量, 输入频率为五赫兹, 观察输出交流波形的差异。最后, 关闭直流电源, 断开功能发生器与电路的连接。

这个半桥逆变器的输出电压是一个方波, 其振幅为 1/2 VDC, 一些死时间导致输出电压为零, 约4% 的开关周期。方波逆变器具有高总谐波失真, 在实际应用中很少使用。然而, 它们是许多更先进的逆变器的积木, 具有更好的开关方案, 如正弦脉宽调制。这些更复杂的方法不仅减少了总的谐波失真, 而且也简化了交流输出电压中不需要的谐波的滤波要求。

逆变器是常用的接口之间的可用直流电源和交流应用设备和机械。现在, 大量的太阳能电池在许多地区产生了电能, 并为当地的电网做出了贡献。太阳能电池产生直流电, 而逆变器被用来将其转换为交流电源, 其电压和频率适合于电网。许多机器使用 AC 电源, 但不在固定的120伏 RMS 和60赫兹频率主要供应。例如, 感应电动机的转子转速取决于驱动电流的频率。变频调速使用交流到直流转换, 以产生内部直流电源。逆变器反过来使用这种直流电源产生交流电源的电压和频率可调, 这使得控制感应电机的速度和扭矩。

你刚才看了朱庇特介绍单相逆变器。现在, 您应该了解 DC 到交流转换的基本知识, 以及如何通过更改开关频率来调整交流输出的频率。谢谢收看

Results

这是预计从建设这个半桥逆变器, 输出电压波形是一个方波, 最大的Vdc/2 和最小的-Vdc/2, 某些死区会导致输出电压为零, 大约4%切换周期。

方波逆变器具有较高的总谐波失真, 在实际应用中很少使用, 但是, 它们是许多更先进的逆变器的构造块, 具有更好的开关方案, 如 SPWM, 可以提供更多的正弦输出电压.这不仅改善了谐波, 而且降低了输出电压中不需要的谐波的滤波要求, 除了基波谐波, 如50或60赫兹。

Applications and Summary

逆变器是非常常见的接口清洁能源, e, g, 太阳能光伏, 燃料电池, 风力涡轮机, 以及与能源存储系统, 如电池, 与电网。它们在间断电源 (UPS 系统)、具有清洁能源渗透的微网格系统以及混合和电力运输系统中至关重要。在变频器的主要应用之一是在电机驱动器, 可以通过调整逆变开关模式来提供马达控制, 以达到预期的速度和/或扭矩。

1. 切换源设置

  1. 设置两个函数发生器的输出为方波的10赫频率和48% 的占空比。
    1. 函数生成器应同步, 以使其输出信号的180°脱离相位。
    2. 2% 死时间被使用作为1% 在正方形波浪的每边输出。死时间防止了一个拍摄的情况下, 无论是上下开关进行, 从而做空输入直流电源。
  2. 通过在示波器屏幕上观察函数发生器的输出结果。
    1. 捕获范围屏幕。
  3. 关闭函数生成器输出, 但让生成程序自己打开。
  4. 将直流电源设置为15伏, 并使其与任何电路断开连接。
    1. 设置后将其关闭。

2. 半桥逆变器

  1. 对半桥逆变器进行了上、下 mosfet 独立切换的测试。
  2. 构建图1所示的电路。
    1. 使用51Ω电阻作为负载。
  3. 将输入Vdc 连接到 + 15 v
    1. 保持直流电源关闭。
  4. 将普通探头连接到高出 (HO) 和地面之间。
    1. 通过负载连接一个差分探头, 以测量V
      1. 确保示波器的缩放范围为 10X, 探头缩放比例为20X。
      2. 不要忘记相应地缩放所有测量。
  5. 将一个函数发生器输出连接到高 in (欣), 用于控制上部 MOSFET 开关。
    1. 将地面连接到电路的共同地面。
    2. 将其他函数发生器输出连接到低中 (LIN), 用于控制低 MOSFET 开关。
  6. 捕获波形并测量输出电压峰值和频率。
  7. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  8. 关闭直流电源并断开功能发生器输出电路。

Figure 1
图 1: 半桥安装

逆变器是一种电气设备, 它将直流输入转换为交流输出, 在选定的电压和频率, 一个过程称为 dc 到 ac 转换。例如, 逆变器被大量用于太阳能电池和电网之间的接口, 在这里, 太阳能电池所产生的直流电必须转换成交流电, 以便与电网兼容。它们对于在电池中存储能量的不间断电源来说也是必不可少的, 但必须为计算机生产120伏60赫兹的电源。逆变器的操作方式是将其直流输入切割成一系列的脉冲来产生振荡波。根据过滤量的不同, 输出可能是方波、伪正弦波或正弦波。该视频将介绍一个简单的逆变器的基本原理, 并在一个简单的电路中演示它的操作。

逆变器的输入是恒定的直流电压。一种逆变电路包括电子开关, 如金属氧化物场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或在时钟或频率发生器控制下的可控硅整流器。当时钟信号打开开关时, 直流输入被切碎, 或者它的极性被翻转。这个过程叫做减刑。重复的斩波产生一系列的脉冲或方波。由于时钟周期决定了脉冲速率, 改变变频器的控制频率相应地改变输出频率。一种叫做脉宽调制的开关, 产生一串不同宽度的脉冲, 可以被过滤以近似正弦波。脉冲宽度调制是可取的, 因为机器和电气设备往往需要功率与正弦变化的电压正常运行。对于许多逆变器的拓扑结构, 如 H 桥、三相和多电平逆变器, 半桥逆变电路是一个基本的构造块。该简化图中的半桥逆变器在串联的两个相同的电容器上应用其直流电源 V, 作为电压分配器。由于电容器具有相同的价值, 它们在其终端上具有相同的电压, 并且它们之间的节点处于 V in/2。这一点是负载的交流地面。半桥逆变器使用两个串联开关和两个非重叠或出相时钟交替连接到 V 和零伏之间的节点。为了避免直流电源的短路, 一个开关必须在另一台打开之前关闭。负载从两个开关之间的点连接到两个电容器之间的点。当开关 a 打开且开关 B 关闭时, 负载将连接至 v, 并在其上有一个正电压为1/2 伏, 相对于交流接地。当开关 a 关闭且开关 B 处于打开状态时, 负载将连接到零伏, 并且相对于交流地线, 它的负电压为1/2 伏。由于这个开关过程重复负载交替有正负电压横跨它与振幅 1/2 V in。在这个简单的例子中, 交流电源是方波。对单相逆变器的基本原理进行了说明, 并通过方波切换的方法对交流半桥逆变器进行了设计, 并对其运行进行了验证。

首先, 配置双功能发生器, 产生10赫兹方波振荡从0到10伏, 48% 的工作周期。将输出同步到180度的相位。每个函数发生器独立控制半桥逆变器的两个场效应晶体管开关之一。方波在输出高时打开晶体管, 当输出为低或零伏时将其关闭。由于工作周期是 48%, 剩余的2% 的期间是死的时间在两个晶体管的状态之间。在这段时间内, 两个信号发生器的输出都很低, 防止晶体管同时导电, 避免了直流电源的短路。将示波器的一个通道连接到每个功能发生器的输出。然后确定方波具有预期的振幅、频率和占空比。两个方波也必须有相反的相位, 所以一个是高的, 而另一个是低的。捕获范围屏幕以供以后参考。关闭函数生成器输出, 但让发电机打开。最后, 将直流电源设置为正15伏, 但不要将其连接到任何电路, 然后将其关闭。

建立半桥逆变电路和使用51欧姆电阻器的负载电阻, R 负载。直流电源关闭后, 将其输出连接到逆变器输入 VDC。将差分探头连接到 R 负载以测量 V, 然后将常规范围探头连接到高出, 即引脚七和地线之间。将范围缩放到 10x, 并将探头缩放到20x。相应地缩放所有测量值。记录从探头和示波器的比例, 以便在以后的遗漏因素的帐户。将一个函数发生器的输出连接到高, 也就是 pin 10, 并控制上部晶体管的开关。将函数发生器的地线连接到电路的公共地线。将其他函数生成器的输出连接到低, 即 pin 12, 并控制下晶体管的切换。将其他功能发生器的地线连接到电路的共同接地处。捕获高出和 V 的波形, 并测量输出电压、振幅和频率。记录直流电源上的电流和电压读数。重复测量, 输入频率为五赫兹, 观察输出交流波形的差异。最后, 关闭直流电源, 断开功能发生器与电路的连接。

这个半桥逆变器的输出电压是一个方波, 其振幅为 1/2 VDC, 一些死时间导致输出电压为零, 约4% 的开关周期。方波逆变器具有高总谐波失真, 在实际应用中很少使用。然而, 它们是许多更先进的逆变器的积木, 具有更好的开关方案, 如正弦脉宽调制。这些更复杂的方法不仅减少了总的谐波失真, 而且也简化了交流输出电压中不需要的谐波的滤波要求。

逆变器是常用的接口之间的可用直流电源和交流应用设备和机械。现在, 大量的太阳能电池在许多地区产生了电能, 并为当地的电网做出了贡献。太阳能电池产生直流电, 而逆变器被用来将其转换为交流电源, 其电压和频率适合于电网。许多机器使用 AC 电源, 但不在固定的120伏 RMS 和60赫兹频率主要供应。例如, 感应电动机的转子转速取决于驱动电流的频率。变频调速使用交流到直流转换, 以产生内部直流电源。逆变器反过来使用这种直流电源产生交流电源的电压和频率可调, 这使得控制感应电机的速度和扭矩。

你刚才看了朱庇特介绍单相逆变器。现在, 您应该了解 DC 到交流转换的基本知识, 以及如何通过更改开关频率来调整交流输出的频率。谢谢收看

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