单相H桥逆变器原理



h桥电路工作原理

H桥电路的工作原理是通过开关的开合，将直流电逆变为某个频率或可变频率的交流电。以下是H桥电路工作原理的详细解释：

基本构造：

H桥电路因其外形与字母“H”相似而得名。它通常由四个开关组成，这些开关以特定的方式连接，形成一个“H”形结构。

工作原理：

当H桥电路中的对角线上的两个开关同时闭合，而另外两个开关断开时，电流将从直流电源的正极流出，经过闭合的开关，流向电机的绕组，然后再经过另一个闭合的开关流回电源的负极。通过改变对角线上闭合开关的组合，可以改变电流的方向，从而实现交流电的输出。通过控制开关的开合频率，可以调节输出交流电的频率。

应用场景：

H桥电路广泛应用于逆变器中，用于将直流电转换为交流电，以驱动交流电机。它还用于大多数直流交流转换器、交流/交流转换器、DCDC推挽式转换器、电机控制器等电力电子设备中。双极步进电机几乎总是由包含两个H桥的电机控制器驱动。

优点：

H桥电路具有结构简单、控制方便、效率高等优点。它能够实现电流方向的灵活控制，适用于需要精确控制电机转向和速度的应用场景。

H桥的工作原理

H 桥( H - Bridge ),因外形与 H 相似故得名,常用于逆变器( DC - AC 转换,即直流变交流)。其工作原理是通过开关的开合,将直流电(来自电池等)逆变为某个频率或可变频率的交流电,用于驱动交流电机(异步电机等)。

大多数直流-交流转换器(功率逆变器)、大多数交流/交流转换器、 DC - DC 推挽式转换器、大多数电机控制器和许多其他类型的电力电子设备都使用 H 桥。特别地,双极步进电机几乎总是由包含两个 H 桥的电机控制器驱动。

PLECS RT Box 应用示例 11 (99)：单相逆变器（Single-Phase Inverter）

PLECS RT Box 应用示例 11 (99)：单相逆变器（Single-Phase Inverter）

概述

此演示模型展示了单相并网逆变器在50千瓦和单位功率因数下的运行。模型利用PLECS的电气和控制域，实现了功率级和控制级的实现。电厂（Plant）和控制器（Controller）模型被分为两个不同的子系统，并分别部署在两个RT Box上。两个RT Box通过两条37针Sub-D电缆以虚拟原型配置连接，用于交换数字PWM信号和模拟电流测量值。这种配置为硬件在环（HIL）或快速控制原型（RCP）应用程序的开发提供了潜在的第一步。

模型要求

要运行此演示模型，需要以下项目：

两个PLECS RT盒和一个PLECS及PLECS编码器许可证。RT Box目标支持库。按照《RT Box用户手册》中的快速入门指南配置PLECS和RT盒。两条37针Sub-D电缆，用于将接线盒从前连接到前。

如果用户只有一个可用的RT Box，仍然可以使用两根37针Sub-D电缆将模拟输出接口与模拟输入接口连接，将数字输出接口与数字输入接口连接，但请注意，这种情况下可能需要调整模型配置。

对于RT Box 2和3，此演示中启用了多任务功能，将“控制器”部分用一个任务框架块圈出，并在一个核心中运行，而原理图上的其余电路属于“基本任务”，并在另一个核心中运行。对于RT Box 1，由于只有一个CPU核心可用于计算模型，包括电厂和控制器，因此多任务处理被禁用。

模型结构

顶层示意图包含两个独立的子系统，分别代表电厂（“Plant”）和控制器（“Controller”）模型。两个子系统都可以通过编辑执行设置菜单生成代码，这是生成RT Box模型代码的必要步骤。反馈路径中的附加延迟也被建模。

电源电路

电源电路由Vdc=750V的直流电压源供电，H桥由两个IGBT半桥电源模块组件组成。开关信号Q1、Q2、Q3和Q4由来自PLECS RT Box目标支持库的PWM捕获块捕获。H桥的输出通过滤波电感和断路器连接到电网。低压电网由Vrms=220V和f=50Hz的理想交流电压源建模。直流电压、电网电压和电网电流的测量通过PLECS RT Box目标支持库中的模拟输出组件输出子系统，比例因子和偏移被配置为将模拟输出电压限制在[-4V，+4V]范围内。

控制部分

闭环控制器将线路电流调节为与电网电压同相。包括基于正交信号发生器的锁相环（PLL）以检测电网的电角度和频率。PLL的相位角输出通过一个三角函数块和比例增益Ip转换为电网电流的参考信号。Ip表示所需电网电流的幅度。子系统“Controller”的内部结构可以在比例积分（PI）或比例谐振（PR）调节器之间切换。两种类型的调节器的参数Kp和Ki都是使用最佳幅值规则设置的。谐振频率ω0被选择为等于电网频率。此外，两个调节器都配备有反饱和逻辑，并且增益Kbc由Kbc=Ki/Kp确定。

在调节器的输出端，增加了电网电压的前馈，以改善瞬态响应。之后，将信号除以DC电压，并将其作为调制指数馈送到PWM Out块。如果该模型被编程到实时目标中，则PWM输出块已被配置为与控制器的执行步长同步。

实时操作

该模型既可以在计算机上以离线模式运行，也可以在PLECS RT Box上以实时模式运行。为了进行实时操作，需要设置两个RT盒（称为“Plant”和“Controller”），并将“Plant”RT Box的模拟输出接口连接到“Controller”RT Box模拟输入接口，将“Plant”RT Box的数字输入接口连接到“Controller”RT Box数字输出接口（例如，使用两根DB37电缆）。然后，从编码器选项窗口的系统选项卡中，选择“Plant”并将其构建到“Plant”RT Box中，选择“Controller”并将其构建到“Controller”RT Box上。上传模型后，从编码器选项窗口的外部模式选项卡连接至RT Box并激活自动触发。将“Controller”子系统中的“断路器Breaker”常数值更改为1，以接合连接逆变器和电网的断路器。

在外部模式下的实时操作过程中，可以使用PLECS示波器观察控制器箱上的测量值和中间信号。通过改变“控制器Controller”子系统中的增益块“Ip”，可以改变电网电流的参考振幅。通过将控制器子系统内部的“断路器Breaker”常数设置回0，可以断开逆变器与电网的连接。

结论

该模型展示了一个单相并网逆变器模型，该模型可以在离线模拟和实时操作中运行，用于硬件在环测试和快速控制原型设计。

电驱动系列：四十一、逆变器的工作过程及基本原理

逆变器的工作过程及基本原理

逆变器是一种将直流电（DC）转换为交流电（AC）的电力电子设备。在电机控制系统中，当输入为直流电而电机类型为交流电机时，需要使用逆变器来实现电能的转换，并控制交流电的频率，从而实现调速功能。

一、逆变器的基本工作原理

逆变器的基本工作原理是通过控制功率开关元件（如IGBT或MOSFET）的开通与关断，将直流电转换为交流电。在逆变器电路中，功率开关元件起到关键作用，它们的组合可以实现对电路的有效控制。

对于单相交流负载，逆变器可以通过一个H桥电路来实现逆变功能。该电路由四个功率开关元件组成，通过控制它们的开通与关断，可以输出正弦波或其他形式的交流电。

对于三相交流负载，逆变器则使用更为复杂的电路结构，如三相桥式电路。这种电路由六个功率开关元件组成，每个元件都连接到一个相应的负载上。通过精确控制这些开关元件的开通与关断，可以输出三相交流电。

二、逆变器的工作过程

逆变器的工作过程涉及多个开关元件的协同工作。以三相逆变器为例，其工作过程可以概括为以下几个步骤：

初始状态：在初始状态下，所有开关元件都处于关断状态。此时，逆变器没有输出任何电能。开关元件导通：根据控制信号，逆变器中的部分开关元件开始导通。例如，在某一时刻，V1、V5和V6三个开关元件可能同时导通，而其他开关元件则保持关断状态。电流流动：当开关元件导通时，电流开始通过负载流动。由于负载中存在电感，电流不会立即达到最大值，而是会逐渐增加。开关元件关断：经过一段时间后，控制信号会指示某些已经导通的开关元件关断。例如，V1、V5和V6可能关断，而V1、V2和V6等其他组合可能开始导通。电流方向变化：随着开关元件的导通与关断，电流的方向会发生变化。这种变化是逆变器输出交流电的关键。循环导通：上述过程会不断重复，形成一个循环。在每个循环中，不同的开关元件组合会依次导通和关断，从而输出连续的交流电。

三、逆变器获得的电压与电流

逆变器输出的电压和电流波形取决于开关元件的导通与关断规律以及负载的特性。在理想情况下，逆变器可以输出正弦波交流电。然而，在实际应用中，由于开关元件的非理想特性、负载的变化以及控制信号的误差等因素，逆变器输出的电压和电流波形可能会存在一定的畸变。

为了获得更精确的电压和电流波形，逆变器通常采用PWM（脉冲宽度调制）控制技术。通过调整开关元件的导通时间（即脉冲宽度），可以实现对输出电压和电流的有效控制。此外，还可以使用滤波器等电路元件来进一步改善输出电压和电流的波形质量。

四、逆变器控制电路的基本原理

逆变器控制电路是逆变器的重要组成部分，它负责产生控制信号以控制开关元件的开通与关断。控制电路通常由微处理器、比较器、驱动电路等元件组成。

微处理器是控制电路的核心部件，它根据输入信号（如电压、电流、频率等）和预设的控制算法计算出所需的控制信号。然后，这些控制信号通过比较器和驱动电路被转换为适合开关元件工作的电平信号。最终，这些电平信号被送到开关元件的控制端，以控制它们的开通与关断。

五、逆变器中的关键元件

IGBT或MOSFET：作为功率开关元件，它们负责将直流电转换为交流电。IGBT和MOSFET具有高开关速度、低损耗和易于控制等优点，是逆变器中常用的开关元件。稳压电容：用于稳定直流输入电压，确保逆变器在输入电压波动时仍能正常工作。续流二极管：与开关元件并联，用于平缓负载中的电流。当开关元件关断时，续流二极管可以提供一个反向电流路径，从而防止电感产生的反向电动势击穿开关元件。

六、总结

逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子设备，在电机控制系统中具有广泛应用。其基本原理是通过控制功率开关元件的开通与关断来实现电能的转换。逆变器的工作过程涉及多个开关元件的协同工作，通过精确控制这些开关元件的导通与关断规律，可以输出连续的交流电。为了获得更精确的电压和电流波形，逆变器通常采用PWM控制技术和滤波器等电路元件来改善输出电压和电流的波形质量。

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