逆变器类型、电路图及其应用原理
交流(AC) 电源用于几乎所有的住宅、商业和工业需求,但交流电最大的问题是它无法存储以备将来使用。因此,交流电转换为直流电,然后直流电存储在电池和超级电容器中。
一旦需要交流电时,直流电再次转换为交流电(DC-AC)以运行基于交流电的设备,这种将直流电转换为交流电的装置称为逆变器。逆变器用于将直流电转换为可变交流电,这种变化可以是电压幅度、相数、频率或相位差。
逆变器的分类
逆变器可根据输出、源、负载类型等分为多种类型。以下是逆变器电路的完整分类:
1、根据输出特性划分
- 方波逆变器
- 正弦波逆变器
- 修正正弦波逆变器
- 电流源逆变器
- 电压源逆变器
- 单相逆变器
- 三相逆变器
4、根据不同的PWM技术换分
- 简单脉宽调制 (SPWM)
- 多脉冲宽度调制 (MPWM)
- 正弦脉冲宽度调制 (SPWM)
- 修正正弦脉冲宽度调制 (MSPWM)
- 普通两电平逆变器
- 多电平逆变器
逆变器按输出特性分类
根据逆变器的输出特性,可以分为三种不同类型的逆变器:
- 方波逆变器
- 正弦波逆变器
- 修正正弦波逆变器
1、方波逆变器
该逆变器的电压输出波形为方波。这种类型的逆变器在所有其他类型的逆变器中使用最少,因为所有电器都是为正弦波供电而设计的。如果向基于正弦波的设备提供方波,它可能会损坏或损失非常高。这种逆变器的成本很低,但应用非常少。主要用于带有通用电机的简单工具。
2、正弦波逆变器
电压的输出波形是正弦波,它提供了与公用电源非常相似的输出,这是该逆变器的主要优势,因为我们使用的所有设备都是为正弦波设计的。因此,这是完美的输出,并保证设备正常工作。这种类型的逆变器更昂贵,但广泛用于住宅和商业应用。
3、修正正弦波逆变器
这种逆变器的结构比简单的方波逆变器复杂,但比纯正弦波逆变器更容易。该逆变器的输出既不是纯正弦波也不是方波。这种逆变器的输出是两个方波中的一些。输出波形不完全是正弦波,但它类似于正弦波的形状。
逆变器按来源分类
逆变器按照来源可以划分为电压源逆变器和电流源逆变器。
1、电流源逆变器
在CSI中,输入是电流源。这种类型的逆变器用于要求高质量电流波形的中压工业应用。但CSI并不受欢迎。
2、电压源逆变器
在VSI中,输入是电压源。这种类型的逆变器用于所有应用,因为它更高效,具有更高的可靠性和更快的动态响应。VSI能够在不降低额定值的情况下运行电机。
逆变器按负载类型分类
逆变器按照负载类型可以划分:
- 单相逆变器
- 三相逆变器
通常,住宅和商业负载使用单相电源,单相逆变器又分为两部分:
- 单相半桥逆变器
- 单相全桥逆变器
A) 单相半桥逆变器
![半桥逆变电路 半桥逆变电路](https://resources.mrchip.cn/storage/images/20220428/e187901cfe4cd066c39d8e51b5e84a88.png)
在这种情况下,总直流电压为Vs并分为两个相等的部分Vs/2,一个周期的时间是T秒。
对于 0 <t <T/2 的半周期,晶闸管T1导通。由于上电压源Vs/2,负载电压为Vs/2。
对于 T/2 <t <T 的后半周期,晶闸管T1换相,T2导通。在此期间,由于源极Vs/2较低,负载电压为-Vs/2。
Vo = Vs / 2
通过这种操作,可以得到频率为1/T Hz、峰值幅度为Vs/2的交流电压波形,输出波形为方波。它将通过滤波器并去除不需要的谐波,从而提供纯正弦波形。波形的频率可以通过晶闸管的导通时间(Ton)和截止时间(Toff)来控制。
输出电压的幅度为电源电压的一半,电源利用率为50%。这是半桥逆变器的一个缺点,解决方案是全桥逆变器。
B) 单相全桥逆变器
在这种类型的逆变器中,使用了四个晶闸管和四个二极管,单相全桥电路图如下图所示。
在第一个半周期0 < t < T/2期间,两个晶闸管T1和T2一次导通。在此期间,负载电压为Vs,类似于直流电源电压。
对于后半周期T/2 < t < T,两个晶闸管T3和T4导通,在此期间的负载电压为-Vs。
在这里,可以得到与直流电源电压相同的交流输出电压,并且电源利用率为100%。输出电压波形为方波,通过滤波器将其转换为正弦波。
如果所有晶闸管同时或成对(T1 和 T3)或(T2 和 T4)导通,则电源将短路。二极管作为反馈二极管连接在电路中,因为它用于将能量反馈到直流电源。
如果将全桥逆变器与半桥逆变器进行比较,对于给定的直流电源电压负载,输出电压是全桥逆变器的两倍,输出功率是四倍。
2、三相桥式逆变器
在工业负载的情况下,使用三相交流电源,为此,必须使用三相逆变器。在这种类型的逆变器中,使用了六个晶闸管和六个二极管,它们的连接方式如下图所示。
三相逆变器可以根据门脉冲的程度以两种模式工作:
- 180度模式
- 120度模式
A) 180度模式
在这种操作模式下,晶闸管的导通时间为180度。在周期的任何时间,三个晶闸管(每相一个晶闸管)处于导通模式。如下图图所示,相电压波形为三阶波形,线电压波形为准方波。
Vab = Va0 – Vb0
Vbc = Vb0 – Vc0
Vca = Vc0 – Va0
A阶段 | T1 | T4 | T1 | T4 | |||||||||
B阶段 | T6 | T3 | T6 | T3 | T6 | ||||||||
C期 | T5 | T2 | T5 | T2 | T5 | ||||||||
程度 | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | |
晶闸管导通 | 1 5 6 | 6 1 2 | 1 2 3 | 2 3 4 | 3 4 5 | 4 5 6 | 1 5 6 | 6 1 2 | 1 2 3 | 2 3 4 | 3 4 5 |
4 5 6 |
![线电压波形为准方波 线电压波形为准方波](https://resources.mrchip.cn/storage/images/20220428/f2347b8809497bb65610106e7733e6a4.png)
不过,在此操作中,引出晶闸管换向与引入晶闸管导通之间的时间间隔为零,所以进出晶闸管同时导通是可能的,它会导致源短路。为了避免这种情况发生,使用了120度操作模式。
B) 120度模式
在此操作中,一次只有两个晶闸管导通,晶闸管的其中一相既不接正极也不接负极。每个晶闸管的导通时间为120度。线电压波形为三阶波形,相电压波形为准方波。
A阶段 |
T1 |
T4 |
T1 |
T4 |
||||||||
B阶段 |
T6 |
T3 |
T6 |
T3 |
T6 |
|||||||
C期 |
T2 |
T5 |
T2 |
T5 |
||||||||
程度 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
晶闸管导通 |
1 6 |
2 1 |
3 2 |
3 4 |
4 5 |
6 5 |
1 6 |
2 1 |
3 2 |
3 4 |
4 5 |
5 6 |
![栅极脉冲波形 栅极脉冲波形](https://resources.mrchip.cn/storage/images/20220428/310cd77b9e9b8417c6fd740edb249b14.png)
晶闸管的线电压、相电压和栅极脉冲波形如上图所示。
在任何电力电子开关中,都有两种类型的损耗;传导损耗和开关损耗。导通损耗是指开关的导通损耗,开关损耗是指开关的关断损耗。通常情况下,在大多数操作中,导通损耗大于开关损耗。
如果考虑一次60度操作的180度模式,则三个开关打开,三个开关关闭。意味着总损耗等于三倍的导通损耗加上三倍的开关损耗。
180度总损耗 = 3(电导损耗)+ 3(开关损耗)
如果考虑一个 60度操作的120度模式,则两个开关打开,其余四个开关关闭,这意味着总损耗等于电导损耗的两倍加上开关损耗的四倍。
120度总损耗 = 2(电导损耗)+ 4(开关损耗)
逆变器按控制技术分类
按照控制技术划分,逆变器可以分为:
- 单脉宽调制(单 PWM)
- 多脉冲宽度调制 (MPWM)
- 正弦脉冲宽度调制 (SPWM)
- 修正正弦脉冲宽度调制 (MSPWM)
逆变器的输出为方波信号,该信号不用于负载。脉冲宽度调制 (PWM) 技术用于控制交流输出电压。这种控制是通过控制开关的ON和OFF周期来实现的。在PWM技术中,使用了两个信号;一是参考信号,二是三角载波信号。通过比较这两个信号来生成开关的栅极脉冲,有不同类型的PWM技术。
1、单脉宽调制(单PWM)
对于每半个周期,这种控制技术中只有一个脉冲可用。参考信号为方波信号,载波信号为三角波信号。通过比较参考信号和载波信号来生成开关的门脉冲,输出电压的频率由参考信号的频率控制。参考信号的幅度为Ar,载波信号的幅度为Ac,则调制指数可以定义为Ar/Ac。这种技术的主要缺点是谐波含量高。
2、多脉冲宽度调制(MPWM)
多路PWM解决了单脉宽调制技术的缺点。在这种技术中,不是一个脉冲,而是在输出电压的每个半周期中使用几个脉冲。通过比较参考信号和载波信号生成门,通过控制载波信号的频率来控制输出频率,从而调制指数用于控制输出电压。
每半个周期的脉冲数=fc/ (2*f0)
其中fc=载波信号的频率,f0=输出信号的频率
![多脉冲宽度调制 多脉冲宽度调制](https://resources.mrchip.cn/storage/images/20220428/940864bf41967f89f1be44b6f6b1b59c.png)
这种控制技术广泛用于工业应用。在上述两种方法中,参考信号都是方波信号。但在这种方法中,参考信号是正弦波信号。通过将正弦波参考信号与三角载波进行比较来生成开关的门脉冲。每个脉冲的宽度随着正弦波幅度的变化而变化。输出波形的频率与参考信号的频率相同。输出电压为正弦波,电压有效值可由调制指数控制。波形如下图所示:
![正弦脉冲宽度调制 正弦脉冲宽度调制](https://resources.mrchip.cn/storage/images/20220428/3d0513f5b44176c51e1b5bfacda1eb77.png)
由于正弦波的特性,在SPWM技术中,波的脉宽不能随着调制指数的变化而改变,这就是引入MSPWN技术的原因。在这种技术中,载波信号在每个半周期的第一个和最后一个60度间隔期间应用。这样,其谐波特性得到改善。该技术的主要优点是增加了基波元件,减少了开关功率器件的数量并降低了开关损耗。波形如下图所示:
逆变器按输出的电平数
逆变器按照输出的电平数可以划分为:
- 普通两电平逆变器
- 多电平逆变器
1、普通两电平逆变器
这些逆变器在输出端仅具有正峰值电压和负峰值电压的电压电平。有时,具有零电压电平也称为两电平逆变器。
2、多电平逆变器
这些逆变器可以在输出端具有多个电压电平。多电平逆变器分为四个类型,分别是:
- 飞跨电容逆变器
- 二极管钳位逆变器
- 混合逆变器
- 串级H型逆变器
逆变器的主要应用
逆变器可用于各种应用,例如微型汽车适配器、家庭应用以及大型电网系统,主要包括以下几个方面:
- 逆变器可用作UPS-不间断电源
- 可以用作独立的逆变器
- 可用于太阳能发电系统
- 逆变器是SMPS开关模式电源的基本组成部分
- 可以用于离心风机、泵、混合器、挤出机、输送机、计量泵、卷筒纸处理设备
总结
以上就是关于逆变器种类、原理和电路图等基础知识内容。从以上信息可以知道,逆变器的应用范围从不间断电源到电动机的速度控制器。逆变器这个名称也指一组整流逆变器,它是由交流激发并用于改变电压以及o/p AC的频率。
最后要知道的是,常用的逆变器o/p级有3种,分别是中心抽头变压器推挽、半桥推挽和全桥推挽。