Трёхфазный инвертор напряжения: как из постоянного тока получают три фазы
Трёхфазный инвертор напряжения состоит из шести силовых ключей (IGBT или MOSFET), собранных в три полумоста, которые питаются от звена постоянного тока и по очереди формируют три синусоидальных напряжения со сдвигом 120°. Чтобы получить линейное 400 В, амплитуда линейного напряжения должна составлять 400 × √2 ≈ 566 В, поэтому звено постоянного тока в таких инверторах выше, чем у однофазных, — как правило, несколько сотен вольт.
Статья — учебный разбор для техника и инженера. О том, нужна ли в доме трёхфазная станция, мы пишем в отдельной статье «Однофазная или трёхфазная СЭС для дома»; о том, чем трёхфазный сетевой инвертор отличается от однофазного в работе с сетью, — в статье про трёхфазные инверторы для сетевых станций. Здесь — сама схема: как из постоянного тока получить три фазы.
Три полумоста и шесть ключей
Базовая схема трёхфазного мостового инвертора напряжения проста. Есть две шины звена постоянного тока: плюс и минус. К ним подключены три стойки (полумоста), по одной на каждую фазу. В каждой стойке два ключа: верхний соединяет выход фазы с плюсом, нижний — с минусом. Верхний и нижний ключи одной стойки никогда не бывают открыты одновременно — иначе получится сквозной ток между шинами. Чтобы избежать его, между переключениями вводят «мёртвое время», когда закрыты оба ключа.
Всего получается шесть управляемых ключей. Параллельно каждому стоит обратный диод, по которому течёт ток, когда нагрузка индуктивная и ток продолжает идти после закрытия ключа. В зависимости от напряжения и мощности применяют разные типы ключей: на более высоких напряжениях и мощностях — IGBT, при более низком напряжении звена — MOSFET. Для понимания схемы тип ключа не принципиален.
Три выхода стоек — это фазы A, B и C. К ним подключают фильтр и дальше нагрузку или сеть.
Звено постоянного тока и почему у трёхфазных оно выше
Мост может сформировать на выходе только такое мгновенное напряжение, которое не превышает напряжения звена. Поэтому звено должно быть выше амплитуды того, что мы хотим получить.
- Однофазный выход 230 В. Амплитуда фазного напряжения: 230 × √2 ≈ 325 В. Звено должно быть выше этой величины с запасом — в однофазных инверторах оно обычно находится в диапазоне порядка 360–400 В и выше.
- Трёхфазный выход 400 В линейных. Между двумя фазами действует линейное напряжение 400 В, его амплитуда: 400 × √2 ≈ 566 В. Мост должен сформировать это напряжение между двумя выходами, а значит, звено должно быть заведомо выше 566 В.
С учётом способов модуляции (при пространственно-векторной ШИМ звено используется на 15 % эффективнее, чем при обычной синусоидальной) минимальное звено составляет примерно 566 / 1,15 ≈ 490 В. Но реальные инверторы имеют ещё и запас на падения напряжения в ключах, на изменения сети и на колебания питания, поэтому рабочее напряжение звена трёхфазных схем обычно составляет порядка 600–800 В. Конкретное значение определяет разработчик конкретной модели и указано в технической документации.
Отсюда же следует и практический вывод для солнечной станции. Если панели дают, например, 300–500 В на стринге, то трёхфазному сетевому инвертору нужен повышающий преобразователь постоянного тока (MPPT-boost), который поднимет напряжение до уровня звена. У низковольтных гибридных инверторов на 48 В звено постоянного тока тоже формируется повышающим преобразователем или трансформатором, а не напрямую от батареи.
Синусоидальная ШИМ, фильтр и сдвиг фаз 120°
Мост выдаёт не синус, а последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды (напряжение звена), у которых меняется ширина. Управляющая схема сравнивает три синусоидальных опорных сигнала, сдвинутых на 120° друг относительно друга, с треугольным несущим сигналом высокой частоты (обычно несколько килогерц и выше). Когда опорный синус выше несущей, в стойке включён верхний ключ, когда ниже — нижний. Среднее напряжение на выходе каждой стойки за период несущей оказывается пропорциональным мгновенному значению опорного синуса.
Этот метод и называется синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Фильтр на выходе (индуктивность и конденсатор в каждой фазе) пропускает основную гармонику 50 Гц и подавляет высокочастотные составляющие несущей. В результате на выходе получаются три синусоиды, сдвинутые по фазе на 120° (то есть на треть периода — 20 мс / 3 ≈ 6,67 мс). Для симметричной нагрузки сумма токов трёх фаз в каждый момент равна нулю, поэтому нейтральный ток отсутствует. Качество синуса и коэффициент гармоник мы обсуждали в статье «Чистый синус и THD».
Автономный инвертор напряжения и сетевой: кто задаёт частоту
Принципиальная разница между режимами не в схеме моста, а в том, чем управляют ключи.
- Автономный инвертор напряжения (АИН). Сам задаёт частоту и амплитуду напряжения на нагрузке. Нагрузка получает от инвертора такое напряжение, какое он сформировал, а ток определяется нагрузкой. Так работает гибридный инвертор в резервном режиме при отсутствии сети. Требование к нему — удерживать напряжение при любых изменениях нагрузки и выдерживать пусковые токи.
- Сетевой инвертор. Не задаёт ни напряжение, ни частоту: они определяются сетью. Инвертор отслеживает её фазу и впрыскивает в неё ток, синфазный с напряжением сети. По сути, он работает как источник тока. Если сети нет, формировать нечего, и инвертор отключается.
Гибридные инверторы объединяют оба режима: при наличии сети ведут себя как сетевые, а при её пропадании переключаются на формирование собственного напряжения. Разница между ними и более новыми схемами, которые держат частоту сети, затронута в статье про grid-forming инверторы.
Откуда берётся нейтраль
В сети 230/400 В нагрузка подключается не только к фазам, но и к нейтрали. Три полумоста сами по себе дают три фазных выхода без нулевой точки, поэтому нейтраль нужно организовать. Существует несколько способов — по существу, без привязки к маркам.
- Трансформатор. На выходе стоит трёхфазный трансформатор, у которого вторичная обмотка соединена звездой; её центральная точка является нейтралью. Минус — масса, габариты и потери в трансформаторе. О плюсах и минусах трансформаторных схем — в статье «Трансформаторный и бестрансформаторный инвертор».
- Расщеплённое звено постоянного тока. Конденсаторы звена делят на два последовательных, их средняя точка соединяется с нейтралью. Тогда каждая фаза работает относительно этой точки, как отдельный однофазный мост. Требует аккуратного выравнивания напряжения на половинах звена.
- Четвёртый полумост. Добавляется ещё одна стойка, формирующая нейтраль и компенсирующая несимметричные токи. Чаще встречается там, где нужно работать с неравномерной нагрузкой по фазам.
Несимметричная нагрузка по фазам
В частном доме нагрузка по фазам почти всегда неравномерная: на одной фазе чайник и плита, на другой освещение. Для трёхфазного инвертора это значит, что токи разных фаз различаются, и по нейтрали течёт ток небаланса. Как с этим справляются разные схемы, зависит от конструкции:
- инверторы с нейтралью, поддерживаемой звеном или четвёртой стойкой, выдерживают несимметрию в пределах, указанных в документации;
- у ряда моделей предельная мощность задана на каждую фазу отдельно, поэтому суммарная мощность не может быть выдана через одну фазу — это нужно проверять по руководству;
- при сильной несимметрии нагрузки растут пульсации напряжения звена, греются конденсаторы и ключи.
Практический вывод для дома с однофазными потребителями: прежде чем выбирать трёхфазный гибридный инвертор, составьте таблицу нагрузок по фазам и сверьте её с допустимой мощностью на фазу. Что происходит, если однофазный инвертор поставить в трёхфазный дом, описано в статье «Перекос фаз и СЭС».
Однофазный и трёхфазный инвертор: сравнение
| Параметр | Однофазный | Трёхфазный |
|---|---|---|
| Число силовых ключей в мосте | Четыре (полный мост) или два (полумост) | Шесть (три полумоста) |
| Выходное напряжение | 230 В, амплитуда около 325 В | 400 В линейное, 230 В фазное; амплитуда линейного около 566 В |
| Напряжение звена постоянного тока | Порядка 360–400 В и выше | Порядка 600–800 В (минимум около 490 В при векторной ШИМ) |
| Ток при той же мощности | Выше: вся мощность идёт по одной фазе | В три раза ниже в каждой фазе (при симметрии) |
| Пульсации мощности | Мгновенная мощность пульсирует с частотой 100 Гц, нужна большая ёмкость звена | При симметричной нагрузке мгновенная мощность постоянна, звено нагружено меньше |
| Применение | Дома с однофазным вводом, небольшие мощности | Трёхфазный ввод, трёхфазные двигатели, предприятия |
Сравнение по выбору для дома и бизнеса — в статьях, на которые мы сослались выше; здесь важна именно разница в устройстве.
Частые вопросы
Зачем в трёхфазном инверторе именно шесть ключей?
Каждая фаза нуждается в своём полумосте, а полумост — в двух ключах: один подключает фазу к плюсу звена, другой — к минусу. Три фазы по два ключа дают шесть.
Можно ли получить три фазы из одной фазы сети?
Из постоянного тока — да, это и делает инвертор. Из одной фазы сети через выпрямитель и инвертор — тоже, это принцип частотных преобразователей, но максимальная мощность при этом ограничена током одной фазы.
Нужен ли трёхфазный инвертор для дома с трёхфазным вводом?
Не обязательно. Если в доме в основном однофазные потребители, можно рассмотреть однофазный инвертор или три однофазных, но надо оценить перекос. Решение зависит от нагрузки; для этого есть расчёт станции.
Чем отличается инвертор от частотного преобразователя?
Схема силовой части похожа: тоже трёхфазный мост. Но частотный преобразователь питается от сети и управляет двигателем, меняя частоту, а инвертор солнечной станции питается от панелей или батареи и формирует напряжение сети.