電機(jī)控制逆變器的分類有哪些

將整流電路取反，一端接通直流(DC)，另一端便能引出交流(AC)。這就是逆變器，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電的一種裝置。

大多數(shù)商業(yè)、工業(yè)和住宅負(fù)載都需要交流電源，但交流電源不能存儲在電池中，而電池的存儲對于備用電源很重要。如今，這個缺陷可以通過直流電源來克服。

直流電源的極性不像交流電源那樣隨時間變化，因此直流電源可以儲存在電池和超級電容器中。所以我們可以先把交流電轉(zhuǎn)換成直流電后，然后便能存儲于電池中，這樣，每當(dāng)需要交流電來運(yùn)行交流電器時，直流電會轉(zhuǎn)換回交流電來運(yùn)行交流電器。

根據(jù)應(yīng)用的輸入源、連接方式、輸出電壓波形等，逆變器分為以下17種主要類別。

逆變器的分類

一、按輸入源分類

逆變器的輸入可以是電壓源或電流源，故分為電壓源逆變器（VSI）和電流源逆變器（CSI）。

電壓源逆變器(VSI)

當(dāng)逆變器的輸入為恒定直流電壓源時，該逆變器被稱為電壓源逆變器。

電壓源逆變器的輸入有一個剛性直流電壓源，其阻抗為零。實際上，直流電壓源的阻抗可以忽略不計。假設(shè)VSI由理想電壓源（極低阻抗源）供電，則交流輸出電壓完全由逆變器中開關(guān)器件的狀態(tài)和應(yīng)用的直流電源決定。

電流源逆變器(CSI)

當(dāng)逆變器的輸入為恒定直流電流源時，該逆變器被稱為電流源逆變器。

剛性電流從直流電源提供給CSI，其中直流電源具有高阻抗。通常，使用大電感器或閉環(huán)控制電流來提供剛性電流。由此產(chǎn)生的電流波是剛性的，不受負(fù)載的影響。交流輸出電流完全由逆變器中的開關(guān)器件和直流施加電源的狀態(tài)決定。

二、按輸出相位分類

根據(jù)輸出電壓和電流相位，逆變器主要分為兩大類：單相逆變器和三相逆變器。

單相逆變器

單相逆變器將直流輸入轉(zhuǎn)換為單相輸出。單相逆變器的輸出電壓/電流只有一相，其標(biāo)稱頻率為50Hz或60Hz的標(biāo)稱電壓。

標(biāo)稱電壓定義為電氣系統(tǒng)運(yùn)行的電壓水平。有不同的標(biāo)稱電壓，即120V、220V、440V、690V、3.3KV、6.6KV、11kV、33kV、66kV、132kV、220kV、400kV和765kV。低標(biāo)稱電壓可以通過使用內(nèi)部變壓器或升降壓電路的逆變器直接實現(xiàn)，而對于高標(biāo)稱電壓，則使用外部升壓變壓器。

單相逆變器用于低負(fù)載。單相損耗較多，單相效率比三相逆變器低。因此，三相逆變器是高負(fù)載的首選。

三相逆變器

三相逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相電源。三相電源提供三路相角均勻分離的交流電。在輸出端產(chǎn)生的所有三個波的幅度和頻率都相同，但由于負(fù)載而略有變化，而每個波彼此之間有120度的相移。

基本上，單個三相逆變器是3個單相逆變器，其中每個逆變器的相位相距120度，每個單相逆變器連接到三個負(fù)載端子之一。

三、按換向技術(shù)分類

根據(jù)換向技術(shù)，可分為線換向和強(qiáng)制換向逆變器這兩主要類型。此外，還可有輔助換向逆變器和互補(bǔ)換向逆變器，但因他們不常用，因此我們這里簡要討論兩種主要類型。

線路換向

在這些類型的逆變器中，交流電路的線電壓可通過設(shè)備獲得；當(dāng)SCR中的電流經(jīng)歷零特性時，器件被關(guān)閉。這種換向過程稱為線路換向，而基于此原理工作的逆變器稱為線路換向逆變器。

強(qiáng)制換向

在這種類型的換向中，電源不會出現(xiàn)零點。這就是為什么需要一些外部源來對設(shè)備進(jìn)行整流的原因。這種換向過程稱為強(qiáng)制換向，而基于此過程的逆變器稱為強(qiáng)制換向逆變器。

兩種換向逆變器的對比區(qū)別

四、按連接方式分類

根據(jù)電路中晶閘管的連接方式，可分為串聯(lián)逆變器、并聯(lián)逆變器、橋式逆變器，其中橋式逆變器又分為半橋、全橋和三相橋式。

串聯(lián)逆變器

串聯(lián)逆變器由一對晶閘管和RLC（電阻、電感和電容）電路組成。一個晶閘管與RLC電路并聯(lián)，一個晶閘管串聯(lián)在直流電源和RLC電路之間。這種逆變器被稱為串聯(lián)逆變器，因為負(fù)載在晶閘管的幫助下直接與直流電源串聯(lián)。

串聯(lián)逆變器也稱為自換相逆變器，因為這種逆變器的晶閘管是由負(fù)載自行換向的。該逆變器的另一個名稱是“負(fù)載換向逆變器”。之所以給出這個名稱，是因為LCR是提供換向的負(fù)載。

并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器由兩個晶閘管、一個電容器、中心抽頭變壓器和一個電感器組成。晶閘管用于為電流流動提供路徑，而電感器用于使電流源恒定。這些晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷由連接在它們之間的換向電容器控制。

它之所以被稱為并聯(lián)逆變器，是因為在工作狀態(tài)下，電容器通過變壓器與負(fù)載并聯(lián)。

半橋逆變器

半橋逆變器需要兩個電子開關(guān)才能工作。開關(guān)可以是MOSFET、IJBT、BJT或晶閘管。帶有晶閘管和BJT開關(guān)的半橋需要兩個額外的二極管，純電阻負(fù)載除外，而MOSFET具有內(nèi)置體二極管。簡而言之，兩個開關(guān)足以滿足純電阻負(fù)載，而其他負(fù)載（電感和電容）需要兩個額外的二極管。這些二極管被稱為反饋二極管或續(xù)流二極管。

半橋逆變器的工作原理對于所有開關(guān)都是相同的，但這里討論的是帶有晶閘管開關(guān)的半橋。有兩個互補(bǔ)的晶閘管，這意味著一次導(dǎo)通一個晶閘管。對于阻性負(fù)載，電路工作在兩種模式。開關(guān)頻率將決定輸出頻率。輸出頻率為50HZ時，每個晶閘管一次導(dǎo)通20ms。

全橋逆變器

單相全橋逆變器具有四個受控開關(guān)，用于控制負(fù)載中電流的流動方向。該電橋有4個反饋二極管，可將負(fù)載中存儲的能量反饋回電源。這些反饋二極管僅在所有晶閘管關(guān)閉且負(fù)載不是純電阻負(fù)載時才起作用。

對于任何負(fù)載，一次只有2個晶閘管工作。晶閘管T1和T2將在一個周期導(dǎo)通，而T3和T4將在另一個周期導(dǎo)通。換句話說，當(dāng)T1和T2處于ON狀態(tài)時，T3和T4處于OFF狀態(tài)，而當(dāng)T3和T4處于ON狀態(tài)時，則其他兩個處于OFF狀態(tài)。一次打開兩個以上的晶閘管會引起短路，產(chǎn)生過多的熱量并立即燒毀電路。

三相橋式逆變器

工業(yè)和其他重負(fù)載需要三相電源。為了從存儲設(shè)備或其他直流電源運(yùn)行這些重負(fù)載，需要三相逆變器。為此可以使用三相橋式逆變器。

三相橋式逆變器是另一種橋式逆變器，由6個受控開關(guān)和6個二極管組成，如圖所示。

五、按操作模式分類

根據(jù)操作模式，逆變器分為3個主要類別：

獨立逆變器

獨立逆變器直接連接到負(fù)載，不會被其他電源中斷。獨立逆變器或“離網(wǎng)模式逆變器”，逆變器在不受電網(wǎng)或其他電源影響的情況下自行為負(fù)載供電。

這些逆變器被稱為離網(wǎng)模式逆變器，因為這些逆變器不受公用電網(wǎng)的影響。這些逆變器無法連接到公用電網(wǎng)，因為它們不具有同步能力，其中同步是匹配兩個交流電源的相位和標(biāo)稱頻率(50/60hz)的過程。

并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)或并網(wǎng)逆變器(GTI)有兩個主要功能。并網(wǎng)逆變器的一個功能是從存儲設(shè)備（直流電源）向交流負(fù)載提供交流電，而并網(wǎng)逆變器的另一個功能是向電網(wǎng)提供額外的電力。

并網(wǎng)逆變器也稱為公用事業(yè)互動逆變器、電網(wǎng)互聯(lián)逆變器或電網(wǎng)反饋逆變器，它們同步電流的頻率和相位以適應(yīng)公用電網(wǎng)。通過增加逆變器電壓的電壓電平，將功率從直流電源傳輸?shù)焦秒娋W(wǎng)。

雙峰逆變器

雙峰逆變器既可作為并網(wǎng)逆變器工作，也可作為獨立逆變器工作。這些逆變器可以將來自可再生能源和存儲設(shè)備的額外能量注入電網(wǎng)，并在可再生能源產(chǎn)生的能量不足時從電網(wǎng)收回電力。換句話說，這些逆變器可以根據(jù)負(fù)載的要求作為獨立逆變器和并網(wǎng)逆變器運(yùn)行。雙峰逆變器是多功能的，包括獨立逆變器和并網(wǎng)逆變器的功能。

雙峰逆變器的功能會隨著負(fù)載而變化。如果電網(wǎng)出現(xiàn)問題或當(dāng)可再生能源的功率足以滿足負(fù)載時，其功能將更改為獨立逆變器（它成為獨立逆變器）。在這種情況下，轉(zhuǎn)換開關(guān)會斷開逆變器與電網(wǎng)的連接。

一旦可再生能源開始產(chǎn)生額外的能量，運(yùn)行模式就會從獨立模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式。逆變器與逆變器同步其相位和頻率，并開始將額外的能量注入電網(wǎng)。

六、按輸出波形分類

理想的逆變器是指將直流信號轉(zhuǎn)換為純正弦交流輸出的逆變器。實際逆變器的問題在于它們的輸出信號不是純正弦的。根據(jù)輸出波形，逆變器分為三大類：

方波逆變器

這些是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的最簡單的逆變器，但輸出波形不是所需的純正弦波。這些逆變器在輸出端具有方波。換句話說，這些逆變器將直流輸入以方波的形式轉(zhuǎn)換為交流。同時，方波逆變器也更便宜。

這些逆變器的最簡單結(jié)構(gòu)可以是H橋逆變器。如圖所示，在變壓器之前使用SPDT（單推雙擲）開關(guān)可以實現(xiàn)更簡單的版本。該變壓器還將有助于實現(xiàn)任何理想的輸出電壓水平。

給定模型的工作操作極其簡單。只需打開和關(guān)閉開關(guān)就會同時改變輸出端的電流。換言之，以所需頻率切換單刀雙擲將在典型逆變器（即中心抽頭變壓器）的輸出端產(chǎn)生交流方波。一個典型的正弦波的諧波失真為約45％，這可以通過使用可進(jìn)一步降低過濾器將過濾掉一些諧波。

準(zhǔn)正弦波逆變器

準(zhǔn)正弦波逆變器或簡稱為具有階梯正弦波的修正正弦波逆變器。換言之，這些反相器的輸出信號以正極性逐步增加。觸及正峰值后，輸出信號開始逐步下降，直至負(fù)峰值，如圖所示。

準(zhǔn)正弦波逆變器的結(jié)構(gòu)比純正弦波逆變器簡單得多，但比純方波逆變器要復(fù)雜一些。

雖然這些逆變器的最終輸出波形不是純正弦波，但輸出的諧波失真仍降低到24%。濾波會進(jìn)一步減少失真，但失真量仍然很大。由于這個原因，這些逆變器不是驅(qū)動包括電子電路在內(nèi)的多種負(fù)載的首選。

準(zhǔn)正弦波可能會永久損壞電路中有定時器的電子設(shè)備。如果與準(zhǔn)正弦波逆變器連接，所有帶有電機(jī)的電器將無法像連接純正弦波逆變器那樣高效工作。此外，波形的快速轉(zhuǎn)變可能會引起噪聲。由于這些問題，準(zhǔn)正弦波逆變器的應(yīng)用受到限制。

純正弦波逆變器

純正弦逆變器將直流轉(zhuǎn)換為幾乎純正弦交流。純正弦波逆變器的輸出波形仍然不是理想的正弦波，但比方波和準(zhǔn)正弦波逆變器平滑得多。

純正弦波逆變器的輸出波形具有極低的諧波。諧波是具有不同幅度的基頻奇數(shù)倍的正弦波。諧波是非常不受歡迎的，因為它會導(dǎo)致各種電器出現(xiàn)嚴(yán)重問題。通過使用各種PWM技術(shù)，然后將輸出信號通過低通濾波器，可以進(jìn)一步減少這些諧波。

純正弦波逆變器的構(gòu)造和工作比方波和修正方波逆變器復(fù)雜得多。

這些逆變器優(yōu)于前兩種逆變器，因為大多數(shù)電氣設(shè)備需要純正弦波才能更好地運(yùn)行。如前所述，方波或準(zhǔn)正弦波逆變器會損壞電器，尤其是那些裝有電機(jī)的電器。因此，對于實際用途，使用純正弦逆變器。

七、按輸出電平數(shù)量分類

任何逆變器的輸出電平數(shù)可以至少為兩個或兩個以上。根據(jù)輸出電平的數(shù)量，逆變器分為兩電平逆變器和多電平逆變器兩類。

兩電平逆變器

兩電平逆變器有兩個輸出電平。輸出電壓在正負(fù)之間交替，并以基本頻率（50Hz或60Hz）交替。

一些所謂的“雙電平逆變器”在其輸出波形中具有三個電平。將三電平逆變器歸入這一類的原因是因為其中1個電平是零電壓。實際上零是第三級，但它仍被歸類為兩級逆變器。

二電平逆變電路由源極和一些控制電流或電壓的開關(guān)組成。由于開關(guān)損耗和器件額定值的限制，兩電平逆變器在高壓應(yīng)用中的高頻操作方面受到限制。然而，開關(guān)的額定值可以通過串聯(lián)和并聯(lián)組合來增加。兩電平逆變器中提供正半周的一組開關(guān)稱為正組開關(guān)，而提供負(fù)半周的另一組開關(guān)稱為負(fù)組。

由于以下原因，不優(yōu)選兩電平逆變器。逆變器需要使用最少數(shù)量的開關(guān)和最少的電源進(jìn)行操作，以在小電壓階躍中轉(zhuǎn)換功率。較小的電壓階躍將提供高質(zhì)量的波形。此外，它還可以降低負(fù)載上的電壓(dv/dt)應(yīng)力和電磁兼容性問題。因此，多電平逆變器是更實用的首選。

多電平逆變器(MLI)

多電平逆變器將直流信號轉(zhuǎn)換為多電平階梯波形。多電平逆變器的輸出波形不是直接正負(fù)交替，而是多級交替。由于波形的平滑度與電壓電平的數(shù)量成正比。因此，多電平逆變器會產(chǎn)生更平滑的波形。如前所述，這種特性使其可用于實際應(yīng)用。

兩電平逆變器和多電平逆變器的對比區(qū)別

結(jié)語：

篇幅有限，但事實上，逆變器的分類還有很多，比如多電平逆變器還可分為飛電容逆變器(FCMI)、二極管鉗位逆變器(DCMI)、級聯(lián)H橋逆變器。

而從實際應(yīng)用出發(fā)，三相逆變器適合高負(fù)載應(yīng)用，純正弦逆變器能更好地保護(hù)電器，還有多電平逆變器是更實用的首選。

編輯：黃飛

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