电压源逆变器（VSI）原理、种类和应用特点

电力电子中的逆变器一词是指一种称为转换器的设备，它使用固态电子设备将特定频率的直流 (DC) 功率转换为另一频率的交流电。

目前有两种传统方法可以转换静态交流频率，例如循环转换器和整流逆变器。循环转换器将特定频率的直流电直接转换为另一频率的交流电，而整流逆变器首先将交流电转换为直流电，然后将直流电转换为变频的交流电。

整流逆变器由整流器和逆变器组成，这些逆变器可以采用外部换向和自换向等2种技术中的任何一种构建。外部换向逆变器从电机或电源外部获取源，自换向逆变器借助电容器功能控制电路。自换相逆变器分为电流源逆变器和电压源逆变器。本文将简单介绍下电压源逆变器原理、种类和应用特点。

电压源逆变器的概念

电压源逆变器（VSI）是将单向电压波形转换为双向电压波形的装置，换句话说，是将其电压从直流形式转换为交流形式的转换器。理想的电压源逆变器在整个过程中保持电压恒定。

电压源逆变器通常由一个直流电压源、一个用于开关目的的晶体管和一个大的直流链路电容器组成。直流电压源可以是电池或发电机，或太阳能电池，使用的晶体管可能是IGBT、BJT、MOSFET或GTO。电压源逆变器可以表示为2种拓扑结构，即单相和三相逆变器，其中每相又可进一步分为半桥逆变器和全桥逆变器。

1、单相半桥电压源逆变器

它由1个直流电压源、4个晶体管S1、S2、S3、S4 和4个用于开关目的的反并联二极管D1、D2、D3、D4和一个大直流母线电容器“C”组成，具体如下图所示：

2、三相全桥电压源逆变器

它由6个带T1、T2、T3、T4、T5、T6的晶体管、6个反并联二极管（如 D1、D2、D3、D4、D5、D6）、3个负载端子、一个直流电源和一个大型直流连接电容器组成，并与换流电路连接一个晶闸管。三个输出，如“ABC”，其中“A”连接到 T1 和 T4，“B”连接到 T3 和 T6，“C”连接到T5和T2。这些ABC依次连接到3相平衡负载。

平衡负载由两个主要组件组成，一个源和一个负载，其中平衡源意味着相位和幅度相等并且相移120°。根据KCL原理，平衡负载意味着所有3相中的所有负载阻抗在幅度和相位上都相等。晶闸管T1、T3、T5 为负载提供电流或充当正向路径，而晶闸管T6、T4、T2将电流带回源并充当返回路径，具体如下图所示：

三相电压源逆变器的工作原理

电压源逆变器可以在两种传导模式中的任何一种下运行，即：

• 180°
• 120°

现在考虑三相逆变器中180°导通模式的场景。三相逆变器以180°导通模式，因为开关S1和S2都以180°导通。而在全桥电压源逆变器中，所有4个开关S1、S2、S3、S4以180°导通。考虑如下所示的电路图，开关T1和T4连接到一个相，其中T1和T4各自以180°导通，其中总持续时间为1800 + 1800 = 3600。如果两个开关一起导通，则可能导致短路。

在上图中，X轴是wt，Y轴是幅度，从图中可以观察到：

• T1 从0进行到 180°
• T4从180°进行到 360°
• 对于平衡输出，A相和B相必须有120°的相移，即当角度A为0°时，角度B应为120°，角度C应为-240°。
• 因此，T3将从120°开始导通到300°。在此阶段之后，T6开始从300°导通到360°。T6也从0°导通到120°。
• T5在240°到360°之后开始导通，也在0°到60°导通。
• T2从60°进行到240°。
• 从上图中，可以得出结论，3个晶闸管开关同时导通。

分析1、从0到60°，T1、T6、T5导通，其中T1和T5将电流带入负载，T6将电流带出负载。

分析2：从60°到120°，器件T1、T6、T2导通，其中T1将电流带入负载，T2和T6将电流带出负载。

分析3：从120°到180°，器件T1、T3、T2 导通，其中T1和T3将电流带入负载，T2将电流带出负载。

分析4：从180°到240°，器件T4、T3、T2 导通，其中T3将电流带入负载，T4和T2将电流带出负载。

电流源和电压源逆变器的区别

电流源和电压源逆变器的区别如下表所示：

电压源逆变器的优缺点

电压源逆变器的优点包括以下几点内容：

• 占用面积少
• 输出电压与所使用的负载无关
• 使用简单的逻辑
• 一台电压源逆变器可运行多台电机
• 设计范围高达 500 Hz

• 发生短路时不安
• 速度较慢
• 输入功率因数小于1。

电压源逆变器的主要应用

以下是电压源逆变器的几点应用：

• 不间断电源
• 交流速度驱动器
• 过滤器
• 电子变频器电路

总结

简单来说，逆变器是将直流转换为交流的设备，自换相逆变器分为电流源逆变器和电压源逆变器。电压源逆变器是将其电压从直流形式转换为交流形式的设备，它可以用单相或 3 个相来表示。