工程師寶典:幾種帶不平衡負載的逆變器拓撲結構

2020-11-30 電子產品世界

本文將就網友比較關心的話題——帶不平衡負載的逆變器，對典型的幾種拓撲結構進行解析。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227698.htm

Δ/Y變壓器的逆變器

Δ/Y變壓器三項逆變器拓撲結構

在三橋臂逆變器和負載之間加一個Δ/Y變壓器，Δ/Y形連接次級能給不平衡負載所產生的中性電流提供電流通路，而初級則給引起的由負載不平衡或3的倍數次諧波零序電流提供環流通路。而Δ/Y變壓器工作在基波頻率，因而體積、重量較大，成本較高。

中點形成變壓器(NFT)式三相逆變器

為了給不對稱負載供電，可以在三相輸出端加入一個中點形成變壓器，(Neutral Formed Transformer，NFT)，如圖所示。NFT是將三相三線制電源轉換為三相四線制電源的變壓器，有兩種結構形式：雙繞組和單繞組結構。在需要輸出隔離時用雙繞組變壓器，不需要輸出隔離時用單繞組變壓器(即自耦變壓器)可以顯著減輕重量。


NFT式三相逆變器的拓撲結構

當三相負載不對稱時，不對稱負載產生的零序電流將流入變壓器繞組，造成零序電壓，三相零序電壓同相，從而使三相輸出電壓對稱。減小零序阻抗、限制不對稱負載是減小三相電壓不對稱度的措施。也就是說，使用NFT後可以帶不對稱負載，但是輸出電壓仍不是完全對稱，NFT用在三相負載的不對稱度較小的場合較好：另外，NFT是一個低頻變壓器，工作頻率為輸出交流電的頻率，體積和重量很大，而且體積和重量隨著負載不對稱的程度變化而變化，不對稱度越大，NFT的體積重量也就越大。


分裂電容式的三相逆變器

用直流輸入電源的中點作為中性點也可以帶不平衡負載，如圖，這時三相逆變器等效成三個獨立的半橋逆變器，但由於中性電流直接流過直流分壓電容，需要較大電容還存在對分壓電容進行電壓平衡的問題 ，而且直流電壓利用率低。


分裂電容式的三相逆變器拓撲


組合式三相逆變器

組合式三相逆變器拓撲

組合式三相逆變器電路結構如上圖所示，它是由三個單相逆變器組合而成，通過三個單相變壓器合成三相電路。每相逆變器相互獨立，只要控制三相基準正弦波互差120度，將三臺輸出的地連接在一起作為中線，就可以實現三相四線制輸出，它不但具有極強的帶不平衡負載能力，且每相還可以分別控制，具有控制簡單、易實現模塊化結構、在線更換等特點。這種方法比較適合於大功率輸出場合，缺點是採用的開關管太多，而且輸出需要三個單相變壓器。

三相四橋臂逆變器

三相四橋臂逆變拓撲具有不平衡負載處理能力[5-10]，第四橋臂與負載中性點連接，可以直接控制中性電流，無須大分壓電容，控制靈活直流電壓利用率高，可以省去中點形成變壓器或Δ/Y變壓器，減小逆變器的體積和重量，是當下比較適合處理不平衡負載的拓撲，如下圖所示。

三相四橋臂逆變器的拓撲結構

應用場合：

1、逆變電源：例如微型渦輪發電機和燃料電池發電機，它們可以單獨結負載運行也可以在網絡並聯模式下運行向電網輸電。這些分布式功率發生器採用四橋臂逆變器來提供有一個中點連接的三相輸出，這類設備正快速發展並將有更大的市場需求。

2、有源電力濾波器，它用第四個橋臂來補償通過中性點的諧波電流。

3、三相功率因數校正變換器，額外的第四橋臂來提供處理線路失真和不平衡，及增強容錯能力。

綜上所述，三相變換器在處理不平衡負載時，採用四橋臂的拓撲使變換器具有直流電壓利用率高，變換器體積重量小，控制靈活等特點。
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