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(chǔ)在電池中，而電池的存儲(chǔ)對(duì)于備用電源很重要。如今，這個(gè)缺陷可以通過直流電源來(lái)克服。

直流電源的極性不像交流電源那樣隨時(shí)間變化，因此直流電源可以儲(chǔ)存在電池和超級(jí)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(chǔ)于電池中，這樣，每當(dāng)需要交流電來(lái)運(yùn)行交流電器時(shí)，直流電會(huì)轉(zhuǎn)換回交流電來(lái)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(shí)，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(gè)剛性直流電壓源，其阻抗為零。實(shí)際上，直流電壓源的阻抗可以忽略不計(jì)。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(shí)，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(lái)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：?jiǎn)蜗嗄孀兤骱腿嗄孀兤鳌?/p>

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(shí)現(xiàn)，而對(duì)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(gè)波的幅度和頻率都相同，但由于負(fù)載而略有變化，而每個(gè)波彼此之間有120度的相移。

基本上，單個(gè)三相逆變器是3個(gè)單相逆變器，其中每個(gè)逆變器的相位相距120度，每個(gè)單相逆變器連接到三個(gè)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(jiǎn)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)。這就是為什么需要一些外部源來(lái)對(duì)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(duì)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(duì)晶閘管和RLC（電阻、電感和電容）電路組成。一個(gè)晶閘管與RLC電路并聯(lián)，一個(gè)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?yàn)樨?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?yàn)檫@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(gè)名稱是“負(fù)載換向逆變器”。之所以給出這個(gè)名稱，是因?yàn)長(zhǎng)CR是提供換向的負(fù)載。

并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器由兩個(gè)晶閘管、一個(gè)電容器、中心抽頭變壓器和一個(gè)電感器組成。晶閘管用于為電流流動(dòng)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?yàn)樵诠ぷ鳡顟B(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(gè)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(gè)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(jiǎn)而言之，兩個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)互補(bǔ)的晶閘管，這意味著一次導(dǎo)通一個(gè)晶閘管。對(duì)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(shí)，每個(gè)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(gè)受控開關(guān)，用于控制負(fù)載中電流的流動(dòng)方向。該電橋有4個(gè)反饋二極管，可將負(fù)載中存儲(chǔ)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(shí)才起作用。

對(duì)于任何負(fù)載，一次只有2個(gè)晶閘管工作。晶閘管T1和T2將在一個(gè)周期導(dǎo)通，而T3和T4將在另一個(gè)周期導(dǎo)通。換句話說，當(dāng)T1和T2處于ON狀態(tài)時(shí)，T3和T4處于OFF狀態(tài)，而當(dāng)T3和T4處于ON狀態(tài)時(shí)，則其他兩個(gè)處于OFF狀態(tài)。一次打開兩個(gè)以上的晶閘管會(huì)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(chǔ)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(gè)受控開關(guān)和6個(gè)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(gè)主要類別：

獨(dú)立逆變器

獨(dú)立逆變器直接連接到負(fù)載，不會(huì)被其他電源中斷。獨(dú)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?yàn)檫@些逆變器不受公用電網(wǎng)的影響。這些逆變器無(wú)法連接到公用電網(wǎng)，因?yàn)樗鼈儾痪哂型侥芰?，其中同步是匹配兩個(gè)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(gè)主要功能。并網(wǎng)逆變器的一個(gè)功能是從存儲(chǔ)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(gè)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(dòng)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(dú)立逆變器工作。這些逆變器可以將來(lái)自可再生能源和存儲(chǔ)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(shí)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(dú)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(dú)立逆變器和并網(wǎng)逆變器的功能。

雙峰逆變器的功能會(huì)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(shí)，其功能將更改為獨(dú)立逆變器（它成為獨(dú)立逆變器）。在這種情況下，轉(zhuǎn)換開關(guān)會(huì)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(huì)從獨(dú)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(hào)轉(zhuǎn)換為純正弦交流輸出的逆變器。實(shí)際逆變器的問題在于它們的輸出信號(hào)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(jiǎn)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(shí)，方波逆變器也更便宜。

這些逆變器的最簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的版本。該變壓器還將有助于實(shí)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(jiǎn)單。只需打開和關(guān)閉開關(guān)就會(huì)同時(shí)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(gè)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(jiǎn)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(hào)以正極性逐步增加。觸及正峰值后，輸出信號(hào)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(jiǎn)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(huì)進(jìn)一步減少失真，但失真量仍然很大。由于這個(gè)原因，這些逆變器不是驅(qū)動(dòng)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(huì)永久損壞電路中有定時(shí)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(wú)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(huì)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?yàn)樗鼤?huì)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(hào)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?yàn)榇蠖鄶?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(huì)損壞電器，尤其是那些裝有電機(jī)的電器。因此，對(duì)于實(shí)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(gè)或兩個(gè)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(gè)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(gè)電平。將三電平逆變器歸入這一類的原因是因?yàn)槠渲?個(gè)電平是零電壓。實(shí)際上零是第三級(jí)，但它仍被歸類為兩級(jí)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(lái)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(shí)用的首選。

多電平逆變器(MLI)

多電平逆變器將直流信號(hào)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(jí)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(huì)產(chǎn)生更平滑的波形。如前所述，這種特性使其可用于實(shí)際應(yīng)用。