電壓源逆變器的概念及工作原理

電力電子中的逆變器一詞是指一種稱為轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，它使用固態(tài)電子設(shè)備將特定頻率的直流 (DC) 功率轉(zhuǎn)換為另一頻率的交流電。

目前有兩種傳統(tǒng)方法可以轉(zhuǎn)換靜態(tài)交流頻率，例如循環(huán)轉(zhuǎn)換器和整流逆變器。循環(huán)轉(zhuǎn)換器將特定頻率的直流電直接轉(zhuǎn)換為另一頻率的交流電，而整流逆變器首先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后將直流電轉(zhuǎn)換為變頻的交流電。

整流逆變器由整流器和逆變器組成，這些逆變器可以采用外部換向和自換向等2種技術(shù)中的任何一種構(gòu)建。外部換向逆變器從電機或電源外部獲取源，自換向逆變器借助電容器功能控制電路。自換相逆變器分為電流源逆變器和電壓源逆變器。本文將簡單介紹下電壓源逆變器原理、種類和應(yīng)用特點。

電壓源逆變器的概念

電壓源逆變器(VSI)是將單向電壓波形轉(zhuǎn)換為雙向電壓波形的裝置，換句話說，是將其電壓從直流形式轉(zhuǎn)換為交流形式的轉(zhuǎn)換器。理想的電壓源逆變器在整個過程中保持電壓恒定。

電壓源逆變器通常由一個直流電壓源、一個用于開關(guān)目的的晶體管和一個大的直流鏈路電容器組成。直流電壓源可以是電池或發(fā)電機，或太陽能電池，使用的晶體管可能是IGBT、BJT、MOSFET或GTO。電壓源逆變器可以表示為2種拓撲結(jié)構(gòu)，即單相和三相逆變器，其中每相又可進一步分為半橋逆變器和全橋逆變器。

1、單相半橋電壓源逆變器

它由1個直流電壓源、4個晶體管S1、S2、S3、S4 和4個用于開關(guān)目的的反并聯(lián)二極管D1、D2、D3、D4和一個大直流母線電容器“C”組成，具體如下圖所示：

2、三相全橋電壓源逆變器

它由6個帶T1、T2、T3、T4、T5、T6的晶體管、6個反并聯(lián)二極管(如 D1、D2、D3、D4、D5、D6)、3個負載端子、一個直流電源和一個大型直流連接電容器組成，并與換流電路連接一個晶閘管。三個輸出，如“ABC”，其中“A”連接到 T1 和 T4，“B”連接到 T3 和 T6，“C”連接到T5和T2。這些ABC依次連接到3相平衡負載。

平衡負載由兩個主要組件組成，一個源和一個負載，其中平衡源意味著相位和幅度相等并且相移120°。根據(jù)KCL原理，平衡負載意味著所有3相中的所有負載阻抗在幅度和相位上都相等。晶閘管T1、T3、T5 為負載提供電流或充當(dāng)正向路徑，而晶閘管T6、T4、T2將電流帶回源并充當(dāng)返回路徑，具體如下圖所示：

三相電壓源逆變器的工作原理

電壓源逆變器可以在兩種傳導(dǎo)模式中的任何一種下運行，即：

180°

120°

現(xiàn)在考慮三相逆變器中180°導(dǎo)通模式的場景。三相逆變器以180°導(dǎo)通模式，因為開關(guān)S1和S2都以180°導(dǎo)通。而在全橋電壓源逆變器中，所有4個開關(guān)S1、S2、S3、S4以180°導(dǎo)通?？紤]如下所示的電路圖，開關(guān)T1和T4連接到一個相，其中T1和T4各自以180°導(dǎo)通，其中總持續(xù)時間為1800 + 1800 = 3600。如果兩個開關(guān)一起導(dǎo)通，則可能導(dǎo)致短路。

在上圖中，X軸是wt，Y軸是幅度，從圖中可以觀察到：

T1 從0進行到 180°

T4從180°進行到 360°

對于平衡輸出，A相和B相必須有120°的相移，即當(dāng)角度A為0°時，角度B應(yīng)為120°，角度C應(yīng)為-240°。

因此，T3將從120°開始導(dǎo)通到300°。在此階段之后，T6開始從300°導(dǎo)通到360°。T6也從0°導(dǎo)通到120°。

T5在240°到360°之后開始導(dǎo)通，也在0°到60°導(dǎo)通。

T2從60°進行到240°。

從上圖中，可以得出結(jié)論，3個晶閘管開關(guān)同時導(dǎo)通。

分析1、從0到60°，T1、T6、T5導(dǎo)通，其中T1和T5將電流帶入負載，T6將電流帶出負載。

分析2：從60°到120°，器件T1、T6、T2導(dǎo)通，其中T1將電流帶入負載，T2和T6將電流帶出負載。

分析3：從120°到180°，器件T1、T3、T2 導(dǎo)通，其中T1和T3將電流帶入負載，T2將電流帶出負載。

分析4：從180°到240°，器件T4、T3、T2 導(dǎo)通，其中T3將電流帶入負載，T4和T2將電流帶出負載。

電流源和電壓源逆變器的區(qū)別

電流源和電壓源逆變器的區(qū)別如下表所示：

電壓源逆變器的優(yōu)缺點

電壓源逆變器的優(yōu)點包括以下幾點內(nèi)容：

占用面積少

輸出電壓與所使用的負載無關(guān)

使用簡單的邏輯

一臺電壓源逆變器可運行多臺電機

設(shè)計范圍高達 500 Hz

電壓源逆變器的缺點包括以下幾點內(nèi)容：

發(fā)生短路時不安

速度較慢

輸入功率因數(shù)小于1。

電壓源逆變器的主要應(yīng)用

以下是電壓源逆變器的幾點應(yīng)用：

不間斷電源

交流速度驅(qū)動器

過濾器

電子變頻器電路

總結(jié)

簡單來說，逆變器是將直流轉(zhuǎn)換為交流的設(shè)備，自換相逆變器分為電流源逆變器和電壓源逆變器。電壓源逆變器是將其電壓從直流形式轉(zhuǎn)換為交流形式的設(shè)備，它可以用單相或 3 個相來表示。