三相逆變器-180度導通模式的工作原理淺析

為了更容易理解，示出了六個晶閘管的操作和相關波形。

三相逆變器 主要用于中高功率應用。現(xiàn)代三相逆變器用于工業(yè)驅(qū)動、光伏發(fā)電和電機驅(qū)動等的精確控制。這些逆變器還提供電壓控制和頻率控制等附加功能。

三相逆變器采用至少六個晶閘管開關，如圖1所示。這種電力電子轉(zhuǎn)換器將直流輸入變換為三相交流輸出。



圖 1. 三相逆變器的電路圖

圖片由 Rakesh Kumar 博士提供 圖 1 所示的傳統(tǒng)三相逆變器有六個晶閘管開關，負載星形連接，中性點 (n) 位于中心。

晶閘管的命名方式源于其工作方式，以便于理解。

逆變器有三個橋臂，每個橋臂有兩個晶閘管。

上橋臂中的晶閘管編號為奇數(shù)，下橋臂中的晶閘管編號為偶數(shù)。

星形連接的負載在每條支路的中點處分接，即兩個晶閘管的交匯處。

三相逆變器180度導通模式的階段

圖2顯示了整個360度周期中每個60度間隔內(nèi)不同晶閘管的導通周期。

因此，有六種操作模式?？梢杂^察到每個晶閘管導通3*60度，即180度連續(xù)導通。 每條腿上的晶閘管對相移 180 度。這意味著在任何給定時間段內(nèi)，每條腿中只有一個晶閘管導通。另一個觀察結(jié)果是，每個晶閘管與其相鄰支路上緊鄰的晶閘管相移 120 度。



圖 2. 三相逆變器 180 度導通模式下每 60 度晶閘管的工作周期 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 1 操作 - 0 至 60 度 [M1]

模式 1 對應于 0 到 60 度的周期。在此期間，晶閘管T1、T5、T6導通。這可以在圖 3 中看到。 在負載側(cè)，電流進入a相和c相，經(jīng)b相離開。其等效電路圖位于圖3的右側(cè)。 應用分壓規(guī)則時，相電壓如下： 范 = Vin/3 (1) Vbn = -2*Vin/3 (2) Vcn = Vin/3 (3) 相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = Vin (4) Vbc = Vbn - Vcn = -Vin (5) Vca = Vcn - Van = 0 (6)



圖 3. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 1 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 2 操作 - 60 至 120 度 [M2]

模式 2 對應于 60 至 120 度的周期。

在此期間，晶閘管T1、T2、T6導通。這可以在圖 4 中看到。

在負載側(cè)，電流進入a相并經(jīng)b相和c相離開。其等效電路圖位于圖4的右側(cè)。

應用分壓規(guī)則時，

相電壓如下： 范 = 2*Vin/3 (7) Vbn = -Vin/3 (8) Vcn = -Vin/3 (9)

相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = Vin (10) Vbc = Vbn - Vcn = 0 (11) Vca = Vcn - Van = -Vin (12)



圖 4. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 2 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供

模式 3 操作 - 120 至 180 度 [M3]

模式3對應于120至180度的周期。在此期間，晶閘管T1、T2、T3導通。這可以在圖 5 中看到。

在負載側(cè)，電流進入a相和b相，經(jīng)c相離開。其等效電路圖位于圖5的右側(cè)。

應用分壓規(guī)則時，相電壓如下： 范 = Vin/3 (13) Vbn = Vin/3 (14) Vcn = -2*Vin/3 (15)

相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = 0 (16) Vbc = Vbn - Vcn = Vin (17) Vca = Vcn - Van = -Vin (18)



圖 5. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 3 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供

模式 4 操作 - 180 至 240 度 [M4]

模式 4 對應于 180 至 240 度的周期。

在此期間，晶閘管T2、T3、T4導通。這可以在圖 6 中看到。 在負載側(cè)，電流進入b相并經(jīng)a相和c相離開。其等效電路圖位于圖6的右側(cè)。

應用分壓規(guī)則時，相電壓如下： 范 = -Vin/3 (19) Vbn = 2*Vin/3 (20) Vcn = -Vin/3 (21)

相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = -Vin (22) Vbc = Vbn - Vcn = Vin (23) Vca = Vcn - Van = 0 (24)



圖 6. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 4 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 5 操作 - 240 至 300 度 [M5]

模式 5 對應于 240 至 300 度的周期。

在此期間，晶閘管T3、T4、T5導通。這可以在圖 7 中看到。 在負載側(cè)，電流進入b相，c相經(jīng)a相離開。其等效電路圖位于圖7的右側(cè)。

應用分壓規(guī)則時，相電壓如下： 范 = -2*Vin/3 (25) Vbn = Vin/3 (26) Vcn = Vin/3 (27)

相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = -Vin (28) Vbc = Vbn - Vcn = 0 (29) Vca = Vcn - Van = Vin (30)



圖 7. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 5 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 6 操作 - 300 至 360 度 [M6]

模式6對應于300至360度的周期。

在此期間，晶閘管T4、T5、T6導通。這可以在圖 8 中看到。

在負載側(cè)，電流進入c相并經(jīng)a相和b相離開。其等效電路圖位于圖8的右側(cè)。

應用分壓規(guī)則時，

相電壓如下： 范 = -Vin/3 (31) Vbn = -Vin/3 (32) Vcn = 2*Vin/3 (33)

相間電壓如下： Vab = Van - Vbn = 0 (34) Vbc = Vbn - Vcn = -Vin (35) Vca = Vcn - Van = Vin (36)



圖 8. 三相逆變器在 180 度導通模式下的模式 6 操作 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供

三相逆變器輸出相電壓波形

圖9顯示了單周期（360度）的負載相電壓波形。可以觀察到，各個相電壓波形在每個 60 度相位期間逐步變化。

另一個觀察結(jié)果是，每個相電壓波形都相移 120 度。所有三個波形放在一起假定為三相輸出。



圖 9. 180 度導通模式下三相逆變器的相電壓波形 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供

三相逆變器輸出相間電壓波形

圖10顯示了單周期（360度）的負載相間電壓波形。

可以觀察到，單個相間電壓波形連續(xù)120度，隨后為零電壓。

另一個觀察結(jié)果是，每個相電壓波形也相移 120 度，就像相電壓波形一樣。



圖 10. 180 度導通模式下三相逆變器的相間波形 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供 為了用一張圖片來概括整篇文章，請參見圖 11，其中以動畫形式展示了 GIF，以顯示所有六種操作模式。



圖 11. GIF 展示了三相逆變器在 180 度導通模式下的所有六種操作模式 圖片由 Rakesh Kumar 博士提供。

作者：拉克什·庫馬爾博士(Rakesh Kumar) 擁有博士學位。電氣工程專業(yè)，專攻電力電子。

審核編輯：劉清