逆变电路的主要应用及基本工作原理

1引言

我们先来说一说逆变的概念，它与整流相对，整流是交流变直流，而逆变是直流变交流。分为有源逆变和无源逆变：

有源逆变：交流侧接电网，如光伏，风电，和去年开始火起来的储能，这些都是交流侧接电网的。后续我们也会慢慢针对光伏、风电、储能等展开讨论。

无源逆变：即交流侧接负载。

两者的主要区别就在于其交流侧的不同，接下来，我们主要以无源逆变展开，因为电网的工况跟常见的负载是有区别的，有的人会说，电网不也可以看作负载吗？这些我们后面再进行展开，这里我们就不论述具体的区别了。

逆变和变频，变频电路分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换(整流)和直交变换(逆变)组成。

逆变电路的主要应用：

各种直流电源，如蓄电池，干电池，太阳能、风能等新能源行业。变频器，UPS(不间断电源)，感应加热电源等电力电子设备的核心都是逆变电路。

02基本工作原理

这里以最简单的单相桥式逆变电路为例来说明逆变的基本工作原理，基本电路图如下：

S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

当开关S1、S4 闭合，S2、S3 断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4 断开，S2、S3 闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电，电路波形如下：

改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同；阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。

以上便是逆变(DC-AC)的基本工作原理，有单相的，也有三相的；对于所用开关器件的不同，逆变的相关参数也会有所不同，但是基本的工作原理是不会变的。

03换流方式

换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

换流方式分为以下几种：

①器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。

②电网换流

电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

③负载换流

由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同 步电动机。

下图是基本的负载换流的逆变电路：

整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以uo接近正弦波。注意触发VT2、VT3 的时刻必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。

④强迫换流

设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。

分类：

直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供换流电压。基本电路图如下

当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。也叫电压换流。

电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。基本电路图如下

图(a)中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图(b)中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。也叫电流换流。

换流方式的总结：

①器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。

②器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。

③当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。