三相逆变器-180度导通模式的工作原理浅析

为了更容易理解，示出了六个晶闸管的操作和相关波形。

三相逆变器 主要用于中高功率应用。现代三相逆变器用于工业驱动、光伏发电和电机驱动等的精确控制。这些逆变器还提供电压控制和频率控制等附加功能。

三相逆变器采用至少六个晶闸管开关，如图1所示。这种电力电子转换器将直流输入变换为三相交流输出。



图 1. 三相逆变器的电路图

图片由 Rakesh Kumar 博士提供 图 1 所示的传统三相逆变器有六个晶闸管开关，负载星形连接，中性点 (n) 位于中心。

晶闸管的命名方式源于其工作方式，以便于理解。

逆变器有三个桥臂，每个桥臂有两个晶闸管。

上桥臂中的晶闸管编号为奇数，下桥臂中的晶闸管编号为偶数。

星形连接的负载在每条支路的中点处分接，即两个晶闸管的交汇处。

三相逆变器180度导通模式的阶段

图2显示了整个360度周期中每个60度间隔内不同晶闸管的导通周期。

因此，有六种操作模式。可以观察到每个晶闸管导通3*60度，即180度连续导通。 每条腿上的晶闸管对相移 180 度。这意味着在任何给定时间段内，每条腿中只有一个晶闸管导通。另一个观察结果是，每个晶闸管与其相邻支路上紧邻的晶闸管相移 120 度。



图 2. 三相逆变器 180 度导通模式下每 60 度晶闸管的工作周期 图片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 1 操作 - 0 至 60 度 [M1]

模式 1 对应于 0 到 60 度的周期。在此期间，晶闸管T1、T5、T6导通。这可以在图 3 中看到。 在负载侧，电流进入a相和c相，经b相离开。其等效电路图位于图3的右侧。 应用分压规则时，相电压如下： 范 = Vin/3 (1) Vbn = -2*Vin/3 (2) Vcn = Vin/3 (3) 相间电压如下： Vab = Van - Vbn = Vin (4) Vbc = Vbn - Vcn = -Vin (5) Vca = Vcn - Van = 0 (6)



图 3. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 1 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 2 操作 - 60 至 120 度 [M2]

模式 2 对应于 60 至 120 度的周期。

在此期间，晶闸管T1、T2、T6导通。这可以在图 4 中看到。

在负载侧，电流进入a相并经b相和c相离开。其等效电路图位于图4的右侧。

应用分压规则时，

相电压如下： 范 = 2*Vin/3 (7) Vbn = -Vin/3 (8) Vcn = -Vin/3 (9)

相间电压如下： Vab = Van - Vbn = Vin (10) Vbc = Vbn - Vcn = 0 (11) Vca = Vcn - Van = -Vin (12)



图 4. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 2 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供

模式 3 操作 - 120 至 180 度 [M3]

模式3对应于120至180度的周期。在此期间，晶闸管T1、T2、T3导通。这可以在图 5 中看到。

在负载侧，电流进入a相和b相，经c相离开。其等效电路图位于图5的右侧。

应用分压规则时，相电压如下： 范 = Vin/3 (13) Vbn = Vin/3 (14) Vcn = -2*Vin/3 (15)

相间电压如下： Vab = Van - Vbn = 0 (16) Vbc = Vbn - Vcn = Vin (17) Vca = Vcn - Van = -Vin (18)



图 5. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 3 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供

模式 4 操作 - 180 至 240 度 [M4]

模式 4 对应于 180 至 240 度的周期。

在此期间，晶闸管T2、T3、T4导通。这可以在图 6 中看到。 在负载侧，电流进入b相并经a相和c相离开。其等效电路图位于图6的右侧。

应用分压规则时，相电压如下： 范 = -Vin/3 (19) Vbn = 2*Vin/3 (20) Vcn = -Vin/3 (21)

相间电压如下： Vab = Van - Vbn = -Vin (22) Vbc = Vbn - Vcn = Vin (23) Vca = Vcn - Van = 0 (24)



图 6. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 4 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 5 操作 - 240 至 300 度 [M5]

模式 5 对应于 240 至 300 度的周期。

在此期间，晶闸管T3、T4、T5导通。这可以在图 7 中看到。 在负载侧，电流进入b相，c相经a相离开。其等效电路图位于图7的右侧。

应用分压规则时，相电压如下： 范 = -2*Vin/3 (25) Vbn = Vin/3 (26) Vcn = Vin/3 (27)

相间电压如下： Vab = Van - Vbn = -Vin (28) Vbc = Vbn - Vcn = 0 (29) Vca = Vcn - Van = Vin (30)



图 7. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 5 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供。

模式 6 操作 - 300 至 360 度 [M6]

模式6对应于300至360度的周期。

在此期间，晶闸管T4、T5、T6导通。这可以在图 8 中看到。

在负载侧，电流进入c相并经a相和b相离开。其等效电路图位于图8的右侧。

应用分压规则时，

相电压如下： 范 = -Vin/3 (31) Vbn = -Vin/3 (32) Vcn = 2*Vin/3 (33)

相间电压如下： Vab = Van - Vbn = 0 (34) Vbc = Vbn - Vcn = -Vin (35) Vca = Vcn - Van = Vin (36)



图 8. 三相逆变器在 180 度导通模式下的模式 6 操作 图片由 Rakesh Kumar 博士提供

三相逆变器输出相电压波形

图9显示了单周期（360度）的负载相电压波形。可以观察到，各个相电压波形在每个 60 度相位期间逐步变化。

另一个观察结果是，每个相电压波形都相移 120 度。所有三个波形放在一起假定为三相输出。



图 9. 180 度导通模式下三相逆变器的相电压波形 图片由 Rakesh Kumar 博士提供

三相逆变器输出相间电压波形

图10显示了单周期（360度）的负载相间电压波形。

可以观察到，单个相间电压波形连续120度，随后为零电压。

另一个观察结果是，每个相电压波形也相移 120 度，就像相电压波形一样。



图 10. 180 度导通模式下三相逆变器的相间波形 图片由 Rakesh Kumar 博士提供 为了用一张图片来概括整篇文章，请参见图 11，其中以动画形式展示了 GIF，以显示所有六种操作模式。



图 11. GIF 展示了三相逆变器在 180 度导通模式下的所有六种操作模式 图片由 Rakesh Kumar 博士提供。

作者：拉克什·库马尔博士 (Rakesh Kumar) 拥有博士学位。电气工程专业，专攻电力电子。  

审核编辑：刘清