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

这种逆变器由两个晶闸管和两个二极管组成，接线如下图所示：

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

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。 

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

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：

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。