CN1241839A - 一种双换相式逆变电路 - Google Patents

Abstract

一种由变压器初级逆变电路换向开关和以桥式方式连接的变压器次级电路换向开关组成的逆变电路。本电路的主要技术特征为变压器次级线圈有四个抽头,每两个抽头之间的两对四只换向开关SW都是桥式连接,这一电路在工作中初级逆变电路换向开关与次级输出电路换向开关有选择地配合同步开通、关断来得到初级逆变电路换相和次级输出电路同步换相,以实现高频逆变、低频输出的目的。

Description

一种双换相式逆变电路

本发明涉及一种用变压器初级逆变电路换相与变压器次级输出电路换相相结合来实现直----交逆变的逆变电路。属于直流功率转换为交流功率输出的电路。

逆变器是一种将直流电能转变成交流供电的电器设备。它被广泛应用于电机调速、计算机停电备急电源及电能转换等各个方面。

现有逆变器按其输出交流电压波形一般分为方波型，阶梯形近正弦波型。

现有方波型逆变电路的原理如图1所示，图中开关K1a、K1b为换向工作开关。E为供电直流电源，其在电路中正负极的连接方向依所用开关器件K1a、K1b的要求而定，D1、D2为续流二极管，其在电路中正负极的连接方向依供电直流电源E在电路中正负极的连接方向而定，B为变压器，L1为它的初级绕组，[1]端为L1的中心抽头端，L2为它的次级输出绕组，RL为负载电阻。

下面结合附图叙述一下现有技术的工作原理和存在的缺点。

如图1，图中电路工作开始时K1a、K1b为关断状态，开始后按一定节拍顺序接通K1a、关断K1a；接通K1b、关断K1b；接通K1a、关断K1a。一直循环下去，就在输出端得到一个有间歇期的正负连续方波形输出电压。调整开关接通与关断时间的比值，可改变输出电压有效值的大小。这种电路的工作频率和输出交流电压的频率一致，在50Hz或更低频率工作时，变压器的体积大、重量重、效率较低、噪音较大；输出电压为方波，对有些电器设备及电动机等会产生不良影响；带动正负半波不平衡的负载时会出现效率下降，发热，不能工作，甚至损坏的现象。

如图2，图中各开关为换向开关。变压器B的初级绕组L1中，[1]端为中心抽头，2端与[1]端间匝数和[1]端与22端间匝数相同； 3端与[1]端间匝数和[1]端与33端间匝数相同，并且3端与[1]端间匝数大于2端与[1]端间匝数；4端与[1]端间匝数和[1]端与44端间匝数相同，并且4端与[1]端间匝数大于3端与[1]端间匝数。电路工作开始时所有开关都处于关断状态，开始后接通K3a、关断K3a；接通K2a，关断K2a；接通K1a，关断K1a；接通K2a，关断K2a；接通K3a，关断K3a；接通K3b，关断K3b；接通K2b，关断K2b；接通K1b，关断K1b；接通K2b，关断K2b；接通K3b，关断K3b；接通K3a，关断K3a……一直循环下去，就在输出端得到一幅值随工作开关接通的不同而变化的输出电压，这就相当于交流电压瞬时值的改变。增加电路中工作开关对的数量，增加变压器绕组L1抽头对的数量并合理选择各抽头的位置时，就可得到近正弦波的阶梯波交流输出电压。这一电路中各开关都在直流供电侧，因逆变器工作时直流供电侧的开关工作状态控制较难，故这种电路的元器件成本及制作难度都较大；另外变压器工作在低频情况下，其体积大、重量重、效率较低、噪音较大；这种电路在带动正负半波不平衡的负载时会出现效率下降，发热，不能工作，甚至损坏的现象。

本发明的目的是对现有逆变电路提出改进的一种方案。本发明的电路是使逆变电路的初级逆变部分工作在高频状态，以减小变压器体积、减轻重量、提高电路转换效率、降低电路工作噪音；并在输出端通过波形组合，将变压器次级边的正负高频方波群组合成所需波形如低频阶梯形近正弦波输出。

本发明的目的是通过以下电路来实现：电路结构包括变压器初级电路有两只逆变换向开关K1a、K1b，并接的两只续流二极管D1、D2及直流电源E等，变压器次级线圈L2(18)有抽头(1)、抽头(2)、抽头(3)、抽头(4)四个抽头，每两个抽头之间的两对四只换向开关SW都是桥式连接，(如抽头(1)和抽头(2)之间的换向开关SW(5)、SW(6)、SW(7)、SW(8)；抽头(2)和抽头(4)之间的换向开关SW(7)、SW(8)、SW(11)、SW(12))，四对换向开关SW(5)、SW(6)；SW(7)、SW(8)；SW(9)、SW(10)；SW(11)、SW(12)每对都串联成头尾相接，SW(5)、SW(7)、SW(9)、SW(11)的头部接在一起成为整个逆变电路输出端(15)，SW(6)、SW(8)、SW(10)、SW(12)的尾部接在一起再串联接一只电感L(14)后成为整个逆变电路的另一输出端(13)，两输出端(15)和(13)之间并联接电容C(16)和负载RL(17)。

如图3，在变压器B中，L1为它的初级绕组，其中[1]端为绕组L1的中心抽头；L2(18)为它的次级绕组，L2(18)共有抽头(1)、抽头(2)、抽头(3)、抽头(4)四个抽头，绕制时抽头(1)和抽头(2)间匝数与抽头(1)和抽头(4)间匝数比为N1＝N12/N14＝0.15。抽头(1)和抽头(3)间匝数与抽头(1)和抽头(4)间匝数比为N2＝N13/N14＝0.40。在抽头(1)与抽头(4)所接换向开关掉角选通时，输出电压最大为Um。而抽头(1)与抽头(2)所接换向开关掉角选通时，输出电压为N1UM＝0.15Um。又有抽头(2)和抽头(3)所接换向开关掉角选通时，输出电压为(N2-N1)Um＝(0.4-0.15)Um＝0.25Um。再抽头(1)与抽头(3)所接换向开关掉角选通时，输出电压为N2Um＝0.4Um。还有抽头(3)与抽头(4)所接换向开关掉角选通时，输出电压为(1-N2)Um＝(1-0.4)Um＝0.6Um。最后抽头(2)与抽头(4)所接换向开关掉角选通时，输出电压为(1-N1)Um＝(1-0.15)Um＝0.85Um。这时电路输出端可产生由0.15Um、0.25Um、0.40Um、0.60Um、0.85Um、Um共6种不同电压组成的阶梯波。

电路工作开始时关断所有开关；开始后按一定节拍顺序接通K1a、SW(6)、SW(7)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(7)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(8)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(8)三开关；接通K1a、SW(8)、SW(9)三开关，关断K1a、SW(8)、SW(9)三开关；接通K1b、SW(7)、SW(10)三开关，关断K1b、SW(7)、SW(10)三开关；接通K1a、SW(6)、SW(9)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(9)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(10)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(10)三开关；接通K1a、SW(10)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(10)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(9)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(9)、SW(12)三开关，接通K1a、SW(8)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(8)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(7)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(7)、SW(12)三开关；接通K1a、SW(6)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(12)三开关，接通K1a、SW(6)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(12)三开关，接通K1a、SW(8)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(8)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(7)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(7)、SW(12)三开关；接通K1a、SW(10)、SW(11)三开关，关断K1a、SW(10)、SW(11)三开关；接通K1b、SW(9)、SW(12)三开关，关断K1b、SW(9)、SW(12)三开关；接通K1a、SW(6)、SW(9)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(9)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(10)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(10)三开关；接通K1a、SW(8)、SW(9)三开关，关断K1a、SW(8)、SW(9)三开关；接通K1b、SW(7)、SW(10)三开关，关断K1b、SW(7)、SW(10)三开关；接通K1a、SW(6)、SW(7)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(7)三开关；接通K1b、SW(5)、SW(8)三开关，关断K1b、SW(5)、SW(8)三开关；通过上面的工作循环，在输出端就得到由6级阶梯组成的输出交流电压的上半波；紧接着仍按原来的节拍顺序接通K1a、SW(5)、SW(8)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(8)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(7)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(7)三开关；接通K1a、SW(7)、SW(10)三开关，关断K1a、SW(7)、SW(10)三开关；接通K1b、SW(8)、SW(9三开关，关断K1b、SW(8)、SW(9)三开关，接通K1a、SW(5)、SW(10)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(10)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(9)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(9)三开关；接通K1a、SW(9)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(9)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(10)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(10)、SW(11)三开关，接通K1a、SW(7)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(7)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(8)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(8)、SW(11)三开关；接通K1a、SW(5)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(11)三开关，接通K1a、SW(5)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(11)三开关，接通K1a、SW(7)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(7)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(8)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(8)、SW(11)三开关；接通K1a、SW(9)、SW(12)三开关，关断K1a、SW(9)、SW(12)三开关；接通K1b、SW(10)、SW(11)三开关，关断K1b、SW(10)、SW(11)三开关，接通K1a、SW(5)、SW(10)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(10)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(9)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(9)三开关；接通K1a、SW(7)、SW(10)三开关，关断K1a、SW(7)、SW(10)三开关；接通K1b、SW(8)、SW(9)三开关，关断K1b、SW(8)、SW(9)三开关；接通K1a、SW(5)、SW(8)三开关，关断K1a、SW(5)、SW(8)三开关；接通K1b、SW(6)、SW(7)三开关，关断K1b、SW(6)、SW(7)三开关；通过这一工作循环，在输出端又得到由6级阶梯组成的输出交流电压的下半波；紧接着仍按原来的节拍顺序回到一开始的循环，接通K1a、SW(6)、SW(7)三开关，关断K1a、SW(6)、SW(7)三开关；……。如此循环下去，就实现了阶梯波交流逆变输出。

从这一电路的工作情况可看出电路逆变部分工作频率是输出交流电频率的24倍。

这一电路可用于交流电压下正负半波特性不一致的负载下使用，如半波整流型负载。此时一般逆变器会因变压器磁饱和引起工作不正常，逆变效率下降，甚至损害。但由这一电路供电时却因它的工作特性，电路不仅能正常工作，而且逆变效率不会降低。

因这一电路在变压器初级逆变电路和次级交流电压输出电路两边都加有换向开关。它的交流输出电压相位改变与否不仅与变压器初级电路中开关换向工作状态有关，还与次级输出电路换向工作状态有关。也就是说，电路工作时当初级和次级两边同时换向时，输出交流电压相位不变；而仅初级边换向时，输出交流电压相位改变。因此可看出它与前述目前常用单换向式逆变电路有很大差别，再根据它双边换向的特点，故称为双换向式逆变电路。因为电路中开关换向使得初级逆变和次级输出电路的电压相位换相，故从电压波形角度出发，这里称这一电路为双换相式逆变电路。

这一发明比现有技术在性能上的改进在前面已有叙述，但在此再与其它未叙述的优点一并总结如下：

1)电路逆变部分工作在高频开关状态。从而可减小变压器体积，减轻变压器重量，提高逆变效率、降低工作噪音。

2)电路可在高频逆变、体积小、重量轻、波形失真小情况下输出50Hz或50Hz以下、甚至超低频的交流电压。

3)电路输出电压波形不因负载大小变化而改变。

4)电路可用于交流电压下正负半波特性不一致的负载下使用，如半波整流型负载。此时一般逆变器会因变压器磁饱和引起工作不正常，逆变效率下降，甚至损害。但由这一电路供电时却因它的工作特性，电路不仅能正常工作，而且逆变效率不会降低。

5)电路可做成在同一逆变器中非常方便地输出频率不同、电压不同的交流电，如即可输出220V/50Hz交流电，又可输出110V/60Hz交流电，还可输出多种直流电压。

6)电路可在同一逆变器中非常方便地实现特殊波形输出，如输出波形上大下小的交流电压；只有连续上半波，而无下半波的直流脉动电压；其它如方波、锯齿波、三角波、窄脉冲或其它特殊波形输出。可实现相同波形，不同频率的连续变化，相同波形，不同电压的连续变化。可实现不同波形、不同频率、不同电压的连续变化。

7)可做成供电直流电压12V、24V、36V、48V几档随意接入，由逆变器自我识别选用相应工作程序以使电路输出交流电频率、有效值不变的逆变器。并且电路工作效率不变，即可实现“傻瓜”型逆变器。

8)电路可做成快速后备式备急电源。这种情况下逆变器内部工作频率及相位被锁定在供电交流电的频率及相位上，一但供电交流电发生断电，可在几百微秒甚至几十微秒内开通逆变器输出侧可控硅，以维持供电。

9)电路可做成能将两个或两个以上由相同电路做成的逆变器并联同步运行的逆变器，以增大输出功率。并且其中的每一个逆变器都可以单独使用。

附图图面说明

图1为现有技术的方波形逆变电路图。

图2为现有技术的一种阶梯波逆变电路图。

图3为本发明的一种双换相式逆变电路图。

图4为用三极管做初级逆变换向开关Ki、用双向可控硅做次级输出换向开关的电路图。

图5为用场效应管做初级逆变换向开关Ki、用16只单向可控硅做次级输出换向开关的电路图。

图6为用两组用如图5所示电路组合在一起做成的电路图。

下面结合附图举实施例：

在实际应用中，根据所采用换向开关器件的不同，图3所示双换向式逆变电路可转换成许多种不同形式，以下给出其中几种：

图4电路是用三极管Qi代替图3电路初级逆变换向开关Ki，用双向可控硅代替图3电路次级输出换向开关的电路图。

图5电路是用场效应管Fi代替图3电路初级逆变换向开关Ki，用单向可控硅代替图3电路次级输出换向开关的电路图。这一图中的每一对阴极和阳极接在一起的两只单向可控硅相当与图3中输出换向开关中的一只开关，也相当与图4中双向可控硅中的一只双向可控硅。

图6电路是由两个图5所示电路组合在一起成为的一个输出波形中无转换工作时输出电压下降槽，输出波形连续性更好的电路原理图。因逆变电路工作中推挽臂或桥臂转换工作时需防止一臂未彻底关断时另一臂就导通形成磁短路电流损坏换向开关管，电路工作中一般都设有两臂换向开关管转换工作中间歇止期也称为死区时间，在这一时间段中，两臂换向开关管都关断。另外变压器工作中的磁滞效应也会产生影响。这些困素都会造成输出波形的畸变，这些因素在本发明所述逆变电路工作中对输出波形影响较大，主要是在输出波形中存在转换工作时输出电压波形下降的槽，为解决这一问题，可将两个相同的逆变电路组合在一起，将它们的驱动时钟脉冲相差一定相位(0°-180°)同步运行，并使它们输出脉冲宽度之合大于脉冲周期使得两个逆变电路工作中的转换歇止期相互错开，并将它们的输出端连接在一起，如图6所示电路即为两个图5电路组合在一起电路的电路图。图6中虚线所框1、2为两组图5逆变电路，它们共用一个电源E，并且它们次级输出开关的输出侧并在一起接负载，(这一同步运行状态下逆变器输出侧可多机并接也是本发明的一大特点)这样工作中在输出电压波形的正半周及负半周波形中，任一时刻起码都有1组逆变电路处于工作状态中。电路工作中设置图6中虚线所框1部分逆变工作脉宽与虚线所框2部分逆变工作脉宽之合大于脉冲周期，并且两者的脉冲设置相差一定相位以错开槽区同步运行。这样，它们合成后的输出电压波形为连续低频阶梯波。

如上所述，这一发明的电路可由多种开关器件来组成，并且可有多种连接形式。虽然这样，但这一类电路有许多共同之处。

1)其变压器初级都接有一组或数组由初级逆变换向开关Ki组成的换向开关对或换向开关桥。而变压器次级都接有一组或数组由次级输出换向开关对组成的换向开关桥。

2)变压器B次级绕组L2(18)各抽头位置按输出波形各瞬时对应电压幅值比例决定。

3)电路工作中初级逆变换向开关Ki中的一只或几只和次级输出换向开关中的一只或几只同步配合关断、接通，从而实现变压器B初级边和次级边同步换相的目的。

4)可将两个或两个以上相同电路组合成一个电路，这些电路的输出端并在一起接负载，这些电路是同步运行工作的，这些电路之间输出脉冲的相位差为(0°-180°)，这些电路输出的脉冲宽度之合大于脉冲周期。以实现改善输出波形，加大输出功率等目的。

Claims (1)

1、一种双换相式逆变电路，电路结构包括变压器初级电路换向开关K1a、K1b，续流二极管D1、D2及直流电源E，其特征在于：变压器次级线圈L2(18)有抽头(1)、抽头(2)、抽头(3)、抽头(4)四个抽头，每两个抽头之间的两对四只换向开关SW都是桥式连接，四对换向开关SW(5)、SW(6)；SW(7)、SW(8)；SW(9)、SW(10)；SW(11)、SW(12)每对都串联成头尾相接，SW(5)、SW(7)、SW(9)、SW(11)的头部接在一起成为整个逆变电路的输出端(15)，SW(6)、SW(8)、SW(10)、SW(12)的尾部接在一起再串联接一只电感L(14)后成为整个逆变电路的另一输出端(13)，两输出端(15)和(13)之间并联接电容C(16)和负载RL(17)。

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