工程師寶典：幾種帶不平衡負載的逆變器拓撲結構

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。

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(shù)次諧波零序電流提供環(huán)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后可以帶不對稱負載，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，但由于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(xiàn)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(xiàn)模塊化結構、在線更換等特點。這種方法比較適合于大功率輸出場合，缺點是采用的開關管太多，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(fā)電機和燃料電池發(fā)電機，它們可以單獨結負載運行也可以在網絡并聯(lián)模式下運行向電網輸電。這些分布式功率發(fā)生器采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(fā)展并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(shù)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，采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。