电力电子技术-第4章逆变电路讲解
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电力电子技术4章 无源逆变电路
2020/6/17
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。
在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5 ，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组 合工作60°。
2、工作原理：
输出Ud负为载输。入直流电压，R为逆变器的
，当逆开变关器输T1、出T电4闭压u合0=，UTd；2、T3断开时
，当输开出关电压T1、u0T=4－断U开d
，T2、T3闭 ;
合
时
T4.2当2、.4以T(3b频时)所率，示f则S的交在交替电变切阻电换R压开上波关获形T1得，、如其T4
和 图 周
由
Ud
d L
io
dt
L2Iom Ts
2
可得负载电流峰值为：
Iom 4TLs Ud
(4.3.7)
2020/6/17
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
3）阻感负载RL时
0≤θ≤ωt期间，T1和T4有驱动信号 ，由于电流i0为负值，T1和T4不导通， D1、D4 导 通 起 负 载 电 流 续 流 作 用 ，
其线电压的瞬时值为：
u B C 2 3 U d si t n 1 5 s5 it n 7 1 s7 it n 1 1 s1 1 it n 1 1 1 s3 1 it n 3 (4.3.10)
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。
在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5 ，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组 合工作60°。
2、工作原理：
输出Ud负为载输。入直流电压，R为逆变器的
，当逆开变关器输T1、出T电4闭压u合0=，UTd；2、T3断开时
，当输开出关电压T1、u0T=4－断U开d
，T2、T3闭 ;
合
时
T4.2当2、.4以T(3b频时)所率，示f则S的交在交替电变切阻电换R压开上波关获形T1得，、如其T4
和 图 周
由
Ud
d L
io
dt
L2Iom Ts
2
可得负载电流峰值为：
Iom 4TLs Ud
(4.3.7)
2020/6/17
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
3）阻感负载RL时
0≤θ≤ωt期间，T1和T4有驱动信号 ，由于电流i0为负值，T1和T4不导通， D1、D4 导 通 起 负 载 电 流 续 流 作 用 ，
其线电压的瞬时值为：
u B C 2 3 U d si t n 1 5 s5 it n 7 1 s7 it n 1 1 s1 1 it n 1 1 1 s3 1 it n 3 (4.3.10)
电力电子技术 第四章逆变电路
V1
V2
VD1 VD2 VD1 VD2
t2~t3：负载—— C2——VD2，二极管VD2续流， 输出电压左正右负
Uo
+
Ud/2 Ud
Ud/2
-
C1 i0 R
+ u0
C2
V1 L
-
V2
Um
VD1 0
t
-Um
io
VD2 0
t3 t4
t
t1 t2
t5 t6
V1 V2
V1
V2
VD1 VD2 VD1 VD2
根据相关电路和变压器相关知识可以计算出 移相全桥零电压开关PWM变换器元器件参数：
变压器原和副边匝数比Ｋ＝32:6 输出滤波电感设计Lf=18.4uH 输出滤波电容Co=14.8uF 谐振电感设计Lr=80uH
DC/AC全桥移相电路驱动波形图
DC/AC全桥移相电路漏源电压波形图
输出直流电压波形图
强迫换流的定义：
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸 管强迫施加反电压或反电流的换流方式称为 强迫换流。
强迫换流的分类
直接耦合 式强迫换流
电感耦合 式强迫换流
S
--
VT
C
+
+
负载
图4-2 直接耦合式强迫换流原理图
S
S
-
VD
+ -
C
VT
+
L+
L
负载 (a)
负载 (b)
图4-3 电感耦合式强迫换流原理图
换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件 其余三种方式——针对晶闸管 器件换流和强迫换流——属于自换流 电网换流和负载换流——属于外部换流
电力电子整流逆变电路讲解
第4章 逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
e) f)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
uNN'
t
1 (uUN' uVN' uWN' ) 3
(4-7)
iU g) i h) O
d
t
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
◆负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 / 3时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60°脉动一次。
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而 变为零，则称为熄灭。
8/47
4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
e) f)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
uNN'
t
1 (uUN' uVN' uWN' ) 3
(4-7)
iU g) i h) O
d
t
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
◆负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 / 3时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60°脉动一次。
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而 变为零，则称为熄灭。
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4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
电力电子技术第4章 晶闸管有源逆变电路
17
第三节
三相桥式逆变电路
三相桥式逆变电路必须采用三相全控桥。其主 电路的结构与三相全控桥式整流电路完全相同，它 相当于共阴极三相半波与共阳极三相半波逆变电路 的串联，其逆变工作原理的分析方法与三相半波逆 变电路基本相同。因其变压器不存在直流磁势，利 用率高；而且输出电压脉动较小，主回路所需电抗 器的电感量较三相半波小，故应用较广泛。
24
二、晶闸管出现故障 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择 裕量不足；或者晶闸管质量本身的问题，使晶闸管 在应该阻断的时候丧失了阻断能力，而应该导通的 时候却无法导通。读者不难从有关波形图上进行分 析，从而将会发现，由于晶闸管出现故障，也将导 致电路的逆变失败．
25
三、交流电源出现异常 从逆变电路电流公式 可看出当电路在有源逆变状态下，如果交流电 源突然断电，或者电源电压过低，上述公式中的 Ud 都将为零或减小，从而使电流 Id 增大以至发生 电路逆变失败
21
输出电流的有效值为 晶闸管流过电流平均值为 晶闸管流过电流有效值为
22
第四节
逆变失败原因分析及逆变角的限制
电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流 失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联并 相互加强，由于回路电阻很小，必将产生很大的短 路电流，以致可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事 故称之为逆变失败，或叫做逆变颠覆。 造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为下列 几个方面：
18
一、逆变工作原理及波形分析 三相桥式逆变电路结构如图 4.6（a）所示。 如果变流器输出电压 Ud 与直流电机电势 ED的极 性如图所标示（均为上负下正），当电势 ED 略大 于平均电压 Ud，则回路中产生电流 Id 为
19
图 4.6 三相桥式有源逆变电路
第三节
三相桥式逆变电路
三相桥式逆变电路必须采用三相全控桥。其主 电路的结构与三相全控桥式整流电路完全相同，它 相当于共阴极三相半波与共阳极三相半波逆变电路 的串联，其逆变工作原理的分析方法与三相半波逆 变电路基本相同。因其变压器不存在直流磁势，利 用率高；而且输出电压脉动较小，主回路所需电抗 器的电感量较三相半波小，故应用较广泛。
24
二、晶闸管出现故障 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择 裕量不足；或者晶闸管质量本身的问题，使晶闸管 在应该阻断的时候丧失了阻断能力，而应该导通的 时候却无法导通。读者不难从有关波形图上进行分 析，从而将会发现，由于晶闸管出现故障，也将导 致电路的逆变失败．
25
三、交流电源出现异常 从逆变电路电流公式 可看出当电路在有源逆变状态下，如果交流电 源突然断电，或者电源电压过低，上述公式中的 Ud 都将为零或减小，从而使电流 Id 增大以至发生 电路逆变失败
21
输出电流的有效值为 晶闸管流过电流平均值为 晶闸管流过电流有效值为
22
第四节
逆变失败原因分析及逆变角的限制
电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流 失败，则变流器输出电压与直流电压将顺向串联并 相互加强，由于回路电阻很小，必将产生很大的短 路电流，以致可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事 故称之为逆变失败，或叫做逆变颠覆。 造成逆变失败的原因很多，大致可归纳为下列 几个方面：
18
一、逆变工作原理及波形分析 三相桥式逆变电路结构如图 4.6（a）所示。 如果变流器输出电压 Ud 与直流电机电势 ED的极 性如图所标示（均为上负下正），当电势 ED 略大 于平均电压 Ud，则回路中产生电流 Id 为
19
图 4.6 三相桥式有源逆变电路
电力电子技术——有源逆变电路
当=60，Id=0时，设对应的反电动势为 E0 ，
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电
第4章 4逆变电路多重化
该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动12 次，称为12脉波逆变电路。一般来说，使m个三相桥式逆变 电路的相位依次错开 /(3m) 运行，连同使它们输出电压合
成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成脉波数为6m的
逆变电路。
8
自动化与信工程学院电气系
--电力电子技术--
3. Cascaded Inverter Topology 由若干个基本变换单元，例如H桥逆变器、两电平逆变器、 三电平逆变器等，通过串联或并联连接而形成的单相或三相 逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出 波形的叠加合成，形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近正弦 输出电压或电流。
110kV 馈线A 27.5kV 馈线B 27.5kV
Lfa Cdc Cdc
Tb
Cdc
Cdc
Cdc
Cdc
独立直流电源型
9
自动化与信工程学院电气系
110kV
--电力电子技术-110kV
馈线A 27.5kV
馈线B 27.5kV
馈线A 27.5kV
馈线B 27.5kV
Ta
Cdc
--电力电子技术--
2.Three-phase Cascaded Inverter 1)电路结构分析 ☞由两个三相桥式 逆变电路构成，输出通 过变压器串联合成。 ☞两个逆变电路均 为180°导通方式。 ☞工作时，逆变桥II 的相位比逆变桥I滞后 30°。
5
自动化与信工程学院电气系
--电力电子技术--
6U d n
n次谐波有效值为： U U1n
☞输出相电压uUN的基波电压有效值为：
U UN1
7
2 6U d
1.56U d
电力电子技术(第5版)课件：逆变电路
a)
o
Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1 V 2
V1 V2
VD1 VD 2 VD 1 VD2 b)
图4-6 单相半桥电压型逆
变电路及其工作波形
■半桥逆变电路
◆在直流侧接有两个相互串联的足够大
的电容，两个电容的联结点便成为直流电 源的中点，负载联接在直流电源中点和两 个桥臂联结点之间。
e) u NNO' u UN
f)
O
2Ud 3
Ud 6
t
Ud 3
t
iU
g)
O
t
id
h)
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
4.2.2 三相电压型逆变电路
u UN'
a)
O
Ud
t
u VN'
2
b)
O
t
u WN'
c)
O
t
u UV
Ud
d)
O
t
e) u NNO' u UN
f)
O
2Ud 3
Ud 6
t
Ud 3
逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路
本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。
■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。
电力电子技术41逆变
4.1.1 逆变器的基本原理
3. 斩控调制方式
②脉冲频率调制（PFM）：
u
这种控制方式是指调制脉
冲宽度和幅值固定不变，而
o
t
脉冲调制频率可调。基于PFM 控制的逆变器输出波形如图
b)
4-5b所示。PFM控制方式由于
需要很宽的开关频率变化范
围，考虑到输出滤波器设计
的困难，因此在逆变器中一
般较少采用。
显然，采用SPM控制方式时，逆变 器输出方波的幅值即逆变器直流侧 电压（或电流）的幅值恒定。
4.1.1 逆变器的基本原理
1. 方波变换方式
采用SPM变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一定，因此逆 变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的直流电源整流输入方 式（如二极管整流电路）。
但是SPM方式由于需要调节方波的导通角，因而需要采用快速功 率元件（如IGBT等）
方波逆变器常采用脉冲幅值调制（PAM）控制 阶梯波逆变器常采用移相叠加或多电平控制 正弦波逆变器则常采用脉冲宽度调制（PWM）控制
3. 按逆变器功率电路结构形式的不同，逆变器可分为半桥逆变器、 全桥逆变器、推挽式逆变器等。
4. 按逆变器功率电路的功率器件的不同，逆变器可分为半控型逆 变器和全控型逆变器。
4.1 概述
许多场合下，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的特殊需 要，要用交直交变频电路进行电能变换。如感应加热，根据加 热工艺和对象的不同，所需感应加热电源的频率范围从几百Hz 到几千Hz。
交流电机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源，这些 电源的核心就是逆变电路。
有些负载虽然也用工频电源供电，但对电源的频率稳定性、波 形畸变等有严格要求，且绝不允许瞬时停电。比如对于计算机 一类的负载，特别是银行、证券公司、医院以及大型计算机中 心的计算机，瞬时的停电会带来严重后果。因此，需要不间断 电源（Uninterruptable Power Supply——UPS），其核心就 是逆变电路。
电力电子技术-逆变电路输出电压及波形的控制
t
(c) 宽度 θ < 180o 方波
vo = +VD vo = −VD vo = 0
VD
ωt
0
T/2
T
t
PWM输出电压波形
直流－交流变换器(3)
“面积等效原理”对逆变器波形控制的启示
Vd θ
V1m sinω t i
ω
i
△t期间
△t
在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作 用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则它们所形成的 电流响应就相同。
u
u
u
rU
rV
c
rW
2Ud 3
Ud 3
直流－交流变换器(3)
三相桥式PWM逆变电路输出电压波形特点：
输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。 防直通的死区时间
同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。
二பைடு நூலகம் 管整 流器
DC/DC 斩波器
滤波器
逆 变 器
负 载
斩波调压方案
直流－交流变换器(3)
控制方案3:
vo
逆逆变变器器自自身身控控制制方方案案：：
通过PWM控制即可控制 输出电压幅值又可控制 输出电压波形
A
S1
S3
v0
VD
C
D
L
v1
C
0
VD
0
R
VD
电力电子技术06第4章 无源逆变电路
第4章 无源逆变电路 章
4.1 概 述 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 谐振型逆变电路 4.5 多重化与多电平逆变电路 多重化与多电平逆变电路*
1
4.1 概
述
4.1.1 换流方式 4.1.2 逆变器的分类
2
4.1.1 换流方式
（1）换流过程 ）
电流在不同支路中的转移，称为换流，又称换相。 换流过程就是器件通态与断态间的转换过程。 全控器件开通与关断相对简单，而半控器件的关断必 须利用外部自然条件，或者采取专门的措施。 可见，研究换流问题主要是研究如何使器件有效且可 靠的关断。
uUV
Ud
电压波形（见教材第98页图4−7） ③ 电压波形
uUV = uUN ′ − uVN ′
u NN ′ 1 = (uUN ′ + uVN ′ + uWN ′ ) 3
uNN’ uUN
t
Ud 6
t
2U d 3
uUN = uUN ′ − u NN ′
t
22
4.2.3 三相电压型逆变电路
（3）有关电流波形 ）
9
4.2 电压型逆变电路
4.2.1 单相半桥型逆变电路 4.2.2 单相全桥型逆变电路 4.2.3 三相电压型逆变电路 4.2.4 电压型逆变电路的特点
10
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（1）分析假设 ）
以阻感负载为例。 直流侧电容器的 容量足够大，可 维持电压恒定。 V1与V2为全控型 器件，并且交替 导通，二者互补。 不计管压降。
uG1 t uG2 uG3 uG4 u0 t uG4 t u0 t t t t uG2 uG3 t uG1 t t
V1 V3
VD 1
4.1 概 述 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 谐振型逆变电路 4.5 多重化与多电平逆变电路 多重化与多电平逆变电路*
1
4.1 概
述
4.1.1 换流方式 4.1.2 逆变器的分类
2
4.1.1 换流方式
（1）换流过程 ）
电流在不同支路中的转移，称为换流，又称换相。 换流过程就是器件通态与断态间的转换过程。 全控器件开通与关断相对简单，而半控器件的关断必 须利用外部自然条件，或者采取专门的措施。 可见，研究换流问题主要是研究如何使器件有效且可 靠的关断。
uUV
Ud
电压波形（见教材第98页图4−7） ③ 电压波形
uUV = uUN ′ − uVN ′
u NN ′ 1 = (uUN ′ + uVN ′ + uWN ′ ) 3
uNN’ uUN
t
Ud 6
t
2U d 3
uUN = uUN ′ − u NN ′
t
22
4.2.3 三相电压型逆变电路
（3）有关电流波形 ）
9
4.2 电压型逆变电路
4.2.1 单相半桥型逆变电路 4.2.2 单相全桥型逆变电路 4.2.3 三相电压型逆变电路 4.2.4 电压型逆变电路的特点
10
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（1）分析假设 ）
以阻感负载为例。 直流侧电容器的 容量足够大，可 维持电压恒定。 V1与V2为全控型 器件，并且交替 导通，二者互补。 不计管压降。
uG1 t uG2 uG3 uG4 u0 t uG4 t u0 t t t t uG2 uG3 t uG1 t t
V1 V3
VD 1
电力电子技术4章 逆变电路
u WN'
c)
O
u UV
Ud
d)
O
t t
负载相电压
uUN uUN' uNN'
uVN uVN'
uNN'
uWN uWN' uNN '
图4-10电压型三相桥式逆 变电路的电压工作波形
College of Electrical Engineering and Automation
4.1.2 换流方式分类
换流方式总结：
器 件 换 流 —— 适 用 于 全 控 型 器 件 （ IGBT 、 MOSFET等）。
其余三种方式——针对晶闸管（SCR）。
器件换流和强迫换流——属于自换流（器件、 变流器自身）。
电网换流和负载换流——属于外部换流(电网、 负载电压)。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而
Automation
College of Electrical Engineering and Automation
15/53
优缺点：
结构简单，使用器件较少。
输出交流电压的幅值 Um=±Ud/2。 ，且直流侧需 要两个电容器并联，工作时需 要考虑两个电容电压的均衡， 因而仅使用于小功率逆变电路。
与全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件。
器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。
College of Electrical Engineering and Automation
19/53
4.2.2 三相电压型逆变电路
三个单相半桥单元逆变电路可组合成一个三 相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路
详细逆变电路原理分析
图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输 入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时 直流电源输入电流的波形。
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。 在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5， T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合 工作60°。
UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）， 即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机 逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计 算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正 常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压 器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池 的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载 维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压 太低都提供保护。
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.3
1、工作过程：
电压型三相桥式逆变电路
电压型三相桥式逆变电路的基 本工作方式为180°导电型，即每个 桥臂的导电角为180°，同一相上下 桥臂交替导电的纵向换流方式，各 相开始导电的时间依次相差120°。 在一个周期内，6个开关管触 发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时 刻均有三个管子同时导通，导通的 组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5， T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合 工作60°。
UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply）， 即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机 逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计 算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正 常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压 器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池 的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载 维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压 太低都提供保护。
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要 接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输 出电压中的高次谐波。 应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
电力电子技术_王兆安第五版_第4章
➢ 输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120° 的矩形波，线电流为阶梯波。
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 连一端极性为正，另一端为 负，不与导通晶闸管相连的 电容器电压为零
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 连一端极性为正，另一端为 负，不与导通晶闸管相连的 电容器电压为零
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：
第4章__逆变电路分析与实践
第4章 §4.2
无源逆变及基本电路
Ud 2
电力电子技术
1、半桥逆变器电路 及原理
uo
t io
O
U d 2
C1
O
C2
t3
t1 t2
t4
t5 t6 t
V2 V1 V2 V1 VD1 VD2 VD1 VD2
Ud C1作用 u0 0 V2断仍i0 0 2 t4 t t5 VD1通 反极性放能 L i0 且i0 0
第4章 §4.2
无源逆变及基本电路
电力电子技术
1）负载换相电路及波形
设在t1 时刻前VT1、VT4为通 态，VT2、VT3为断态，u0 、 i0 均为正，VT2、VT3上施加 的电压即为u0 ,在t1时刻 触发VT2、VT3导通，负载电 压就通过VT2、VT3分别加到 VT4、VTl上，使其承受反向 电压而关断，电流从VTl、 VT4转移到VT3、VT2。触发 VT2、VT3的时刻tl必须在 u0 过零前并留有足够的裕量， 才能使换相顺利完成。从VT2、 VT3到VT4、VTl的换相过程和 上述情况类似。
第4章
§4.1
晶闸管的有源逆变工作状态
电力电子技术
4、三相全控桥有源逆变电路参数计算 4）流过晶闸管的电流平均值
I dT
5）流过晶闸管的电流有效值
1 Id 3
1 IT I d 0.577I d 3
6） 流进变压器次级的电流有效值
2 I 2 2 IT I d 0.816I d 3
第4章 §4.2
无源逆变及基本电路
Ud 2
电力电子技术
1、半桥逆变器电路 及原理
uo
t io
电力电子技术第4章 逆变电路总结
u a)
UN'
◆把上面各式相加并整理可求得
U d 2
O u
VN'
t t t
b) u c) u d) u u
O
WN'
1 1 u NN' (uUN' uVN' uWN' ) (uUN uVN uWN ) 3 3
(4-6)
O
UV
U O
NN' UN
d
t
U d 6
设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得
图4-8 带中心抽头变 压器的逆变电路
◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud，比全桥 电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。
15/47
4.2.2 三相电压型逆变电路
■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路 ◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度 差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。
u
UN'
a)
u b) u c) u d)
O
VN'
U d 2
t t t
O
WN'
O
UV
U O u u
NN' UN
d
t
U d 6
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
◆负载各相的相电压分别为
UN'
◆把上面各式相加并整理可求得
U d 2
O u
VN'
t t t
b) u c) u d) u u
O
WN'
1 1 u NN' (uUN' uVN' uWN' ) (uUN uVN uWN ) 3 3
(4-6)
O
UV
U O
NN' UN
d
t
U d 6
设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得
图4-8 带中心抽头变 压器的逆变电路
◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud，比全桥 电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。
15/47
4.2.2 三相电压型逆变电路
■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路 ◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度 差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。
u
UN'
a)
u b) u c) u d)
O
VN'
U d 2
t t t
O
WN'
O
UV
U O u u
NN' UN
d
t
U d 6
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
◆负载各相的相电压分别为
电力电子技术——无源逆变电路及PWM控制技术(04-05)
半波镜对称：通常要求正负半周对应的PWM波形 半波镜对称，以消除偶次谐波。通常四分之一波 也要对称。
uo
+Ud/2
0
t
t1
-Ud/2
图8-21 两点式（双极性）PWM波形
• 两点式PWM波形不如三点式波形更逼近正弦： 要达到同样的基波、谐波成分要求，两点式PWM 需要更高的开关频率，每半周脉冲个数N要增大。 三点式PWM采用较低的开关频率可以获得较好的 波形质量，故开关损耗小，更适用于大功率逆变 器。但实际上，直接输出三点式PWM波形的三点 式逆变器往往主电路结构比较复杂，使用器件较 多。所以，目前直接输出两点式PWM波形的两点 式逆变器应用较多。
• 改变等效正弦波（基波）的幅值：根据PWM波 形的面积等效原理，要改变等效输出正弦波的幅 值时，只要按照同一比例系数改变各脉冲的宽度 （占空比）即可。
• 输出电压为方波或阶梯波的电压型逆变电路， 谐波比重大。传统的120、180导电方式控制 的逆变器已远不能适应技术发展的要求。随着 现代电力电子技术及计算机控制技术的发展， 快速全控型功率器件性能越来越完善，器件的 开关频率越来越高，容量也越来越大，为研制 高性能变频器提供了良好的条件。PWM控制技 术是目前在电力电子领域研究和应用的热点， 得到了非常广泛的应用。逆变电路是PWM控制 技术最为重要的应用场合。
§8.4 PWM控制的基本原理
• 面积等效原理 ：将正弦半波分成N等份，就可以 把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组 成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅 值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线， 各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲 序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代 替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点 重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积 （冲量）相等，这就是PWM波形。各脉冲的幅值 相等，宽度按正弦规律变化。PWM波形和正弦半 波等效，即面积等效原理。对于正弦波的负半周， 也可以用同样的方法得到PWM波形。
电力电子技术：第4章 逆变电路
5/47
4.1.2 换流方式分类
◆负载换流（Load Commutation）
☞由负载提供换流电压的换流方式。
uo
uo a)
io
O
ωt
io
i
iVT1 iVT4
O i
iVT2 iVT3
ωt
O uVT
O
t1
u VT1
u
VT4
ωt
ωt
b) 图4-2 负载换流电路及其工作波形
☞负载电流的相位超前于负载电压的场合， 都可实现负载换流，如电容性负载和同步电 动机。
■电压型逆变电路的特点 ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 ◆由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负
载阻抗不同而不同。 ◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功
能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
10/47
电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给
电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关 断。
√也叫电压换流。
图4-3 直接耦合式 强迫换流原理图
7/47
4.1.2 换流方式分类
☞电感耦合式强迫换流 √图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡
◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud，比全桥
电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。
15/47
4.2.2 三相电压型逆变电路
■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路
◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度 差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。
4.1.2 换流方式分类
◆负载换流（Load Commutation）
☞由负载提供换流电压的换流方式。
uo
uo a)
io
O
ωt
io
i
iVT1 iVT4
O i
iVT2 iVT3
ωt
O uVT
O
t1
u VT1
u
VT4
ωt
ωt
b) 图4-2 负载换流电路及其工作波形
☞负载电流的相位超前于负载电压的场合， 都可实现负载换流，如电容性负载和同步电 动机。
■电压型逆变电路的特点 ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 ◆由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负
载阻抗不同而不同。 ◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功
能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
图4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
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电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给
电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关 断。
√也叫电压换流。
图4-3 直接耦合式 强迫换流原理图
7/47
4.1.2 换流方式分类
☞电感耦合式强迫换流 √图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图4-4b中晶闸管在LC振荡
◆与全桥电路相比较 ☞比全桥电路少用一半开关器件。 ☞器件承受的电压为2Ud，比全桥
电路高一倍。 ☞必须有一个变压器。
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4.2.2 三相电压型逆变电路
■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■三相桥式逆变电路
◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度 差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。 ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。
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（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
第四章 逆变电路
学习内容： 4.1 换流方式
4.2 电压型逆变电路（单相，三相） 4.3 电流型逆变电路
※重在电路结构，工作原理
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及 辅助电路组成。
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
的io形状相同，幅值增加一倍
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。
能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：
移相导电方式。
课程回顾
• 全桥逆变电路
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
t
a)
b)
图1 单相桥式图逆5变-1电路及其波形
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
直流 交流
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
阻感负载时电流波形分析：
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
t反感反1时向能向io电刻量并从流断向增电从开电大源一S源负t11条、反极前支S馈流：4路，，出S1转合i，、o逐移上图经S渐45到SS通-221减另、、，小一S负u3，o条，载和t支u和2io时o路变S均刻3称负流为降为，回正为换但正零流i极o，不。，之能负后立载i刻o电才
课程回顾
整流——交流电变成直流电； 所用电力电子器件 ——晶闸管，电力二极管； 应用——为直流用电设备提供电源，
如直流电动机，电镀、电解电源等。
第四章 逆变电路
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电 交流侧接电网，为有源逆变 交流侧接负载，为无源逆变
本章讲述无源逆变
• 应用
第四章 逆变电路
因此研究换流方式主要 是研究如何使器件关断
4.1.2 换流方式分类
①器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET) ②电网换流（有交流电网） ③负载换流（负载满足的条件？） ④强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）
1. 器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流
•在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控 型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
2
o
VT
3
VT
4
4.3 电流型逆变电路
Ld i
d
VT1
C
VT3
电流型逆变
直流侧Ed输入电io源R为L电流源
VT2
uo
VT4
电流型逆变电路的特性：
（1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧 电流基本无脉动。
（2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输 出电压波形与负载有关系。
（3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？）
不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部手段 （电网电压或负载电压）来实现换流的它们属于 外部换流
4.2 电压型逆变电路
电压型逆变电路 （电压源型逆变电路）
电流型逆变电路 （电流源型逆变电路）
直流侧是电压源
L d
i
d
VT 1
C
VT 3
E d
iR L
o
VT
u
2
o
VT 4
直流侧是电流源
电压型逆变电路 的主要特点：
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信 号互补，各导电 180゜。
u o
U m
O
t
-U m
i o
tt
O tt 3
4
tt
t
12
56
ON
V 14
V 23
V
V
14
2
VD VD VD VD
14
23
14
23
b)
思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
只能靠改变输入 直流电压的大小来改 变输出电压的有效值。
1.直流侧为电压源，或并联有大电容， 相当于恒压源。内阻抗近为0。 2.交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角 无关。而电流波形和相位因负载不同而不同。
3.阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲 无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功 能量提供通道，各桥臂都并联有反馈（续流）二极管。
结论：阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同.
4.1.2 换流方式分类
开通时 关断时
换流
换相
无论支路是由全控型还是半控型电力电子 器件组成，只要有适当的门极驱动信号， 就可使其开通。
全控型器件可通过门极的控制使其关断， 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采 取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电 流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。
VT1上使其承受反向电压而关断， 电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。
注意：触发VT2、VT3时刻 t1必 须在uo过零前并留有足够裕量，才
能使换流顺利完成。
•4.强迫换流 (1) 直接耦合式强迫换流
由换流电路内电容直接提供换流电压
给晶闸管加上反向 电压而使其关断的 换流
电压换流
(2)电感耦合式强迫换流
+
Ud 2
U d U d 2
-
V 1
i o
R
L
u o
V 2
a)
VD 1
VD 2
uo Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t 2
t4
t5 t6
t
ON
V1
V2
V1
V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
+
Ud 2
U d U d 2
V 1
i o
R
L
u o
V 2
• V1或V2通时，负载电流io
VD 1
• （2）工作过程
•t2时刻以前V1通，V2断； • t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但 感性负载中io不能立即改变 方向，于是VD2导通续流。
• t3时刻io降为零时，VD2截 止，V2开通，io开始反向。 • t4时刻给V2关断信号，给V1 开通信号，V2关断，VD1先 导通续流，t5时刻V才开通。
况而异。
思考：电路中的二极管主要起什么作用？
答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载 向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程）， 故这些二极管被称之为反馈二极管。
单向半桥电压逆变电路优缺点总结：
①优点：所用器件少。
②缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且 输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确 满足。
i o
tt
O tt 3 12
4
tt 56
t
ON
V 14
V 23
V 14
V2
VD VD VD VD
14
23
14
23
b)
固定180°移相方波控制方式
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180゜。
电压型全桥逆变电路输出电
压uo的*思波考形1和：半在桥全电路桥的中波，形 uo形续状相流同过，程也如是何矩完型波成，？但 幅值※高V出D一2倍,V，D3U同m=时Ud续流。 输※出V电D流1,iVo波D形4同和时半桥续电流路。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
第四章 逆变电路
学习内容： 4.1 换流方式
4.2 电压型逆变电路（单相，三相） 4.3 电流型逆变电路
※重在电路结构，工作原理
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及 辅助电路组成。
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
的io形状相同，幅值增加一倍
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。
能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：
移相导电方式。
课程回顾
• 全桥逆变电路
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
t
a)
b)
图1 单相桥式图逆5变-1电路及其波形
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
直流 交流
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
阻感负载时电流波形分析：
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
t反感反1时向能向io电刻量并从流断向增电从开电大源一S源负t11条、反极前支S馈流：4路，，出S1转合i，、o逐移上图经S渐45到SS通-221减另、、，小一S负u3，o条，载和t支u和2io时o路变S均刻3称负流为降为，回正为换但正零流i极o，不。，之能负后立载i刻o电才
课程回顾
整流——交流电变成直流电； 所用电力电子器件 ——晶闸管，电力二极管； 应用——为直流用电设备提供电源，
如直流电动机，电镀、电解电源等。
第四章 逆变电路
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电 交流侧接电网，为有源逆变 交流侧接负载，为无源逆变
本章讲述无源逆变
• 应用
第四章 逆变电路
因此研究换流方式主要 是研究如何使器件关断
4.1.2 换流方式分类
①器件换流（IGBT,GTO,GTR,BJT,MOSFET) ②电网换流（有交流电网） ③负载换流（负载满足的条件？） ④强迫换流（直接耦合式，电感耦合式）
1. 器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流
•在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控 型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
2
o
VT
3
VT
4
4.3 电流型逆变电路
Ld i
d
VT1
C
VT3
电流型逆变
直流侧Ed输入电io源R为L电流源
VT2
uo
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电流型逆变电路的特性：
（1）直流侧串大电感，相当于电流源。直流侧 电流基本无脉动。
（2）因为是恒流，输出电流波形是矩形波，输 出电压波形与负载有关系。
（3）电路中不必加反馈二极管。（为什么？）
不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部手段 （电网电压或负载电压）来实现换流的它们属于 外部换流
4.2 电压型逆变电路
电压型逆变电路 （电压源型逆变电路）
电流型逆变电路 （电流源型逆变电路）
直流侧是电压源
L d
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d
VT 1
C
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直流侧是电流源
电压型逆变电路 的主要特点：
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信 号互补，各导电 180゜。
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U m
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思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？
只能靠改变输入 直流电压的大小来改 变输出电压的有效值。
1.直流侧为电压源，或并联有大电容， 相当于恒压源。内阻抗近为0。 2.交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角 无关。而电流波形和相位因负载不同而不同。
3.阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲 无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功 能量提供通道，各桥臂都并联有反馈（续流）二极管。
结论：阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同.
4.1.2 换流方式分类
开通时 关断时
换流
换相
无论支路是由全控型还是半控型电力电子 器件组成，只要有适当的门极驱动信号， 就可使其开通。
全控型器件可通过门极的控制使其关断， 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采 取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电 流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。
VT1上使其承受反向电压而关断， 电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。
注意：触发VT2、VT3时刻 t1必 须在uo过零前并留有足够裕量，才
能使换流顺利完成。
•4.强迫换流 (1) 直接耦合式强迫换流
由换流电路内电容直接提供换流电压
给晶闸管加上反向 电压而使其关断的 换流
电压换流
(2)电感耦合式强迫换流
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• V1或V2通时，负载电流io
VD 1
• （2）工作过程
•t2时刻以前V1通，V2断； • t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但 感性负载中io不能立即改变 方向，于是VD2导通续流。
• t3时刻io降为零时，VD2截 止，V2开通，io开始反向。 • t4时刻给V2关断信号，给V1 开通信号，V2关断，VD1先 导通续流，t5时刻V才开通。
况而异。
思考：电路中的二极管主要起什么作用？
答：当负载为感性或阻感性时，二极管为负载 向直流电源反馈能量提供通道（即续流过程）， 故这些二极管被称之为反馈二极管。
单向半桥电压逆变电路优缺点总结：
①优点：所用器件少。
②缺点：u0幅值小，只有电源电压的一半，并且 输入端接两个电容，还需保证 C1=C2,不能精确 满足。
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固定180°移相方波控制方式
*导电方式一：
V1,V4同时通断；
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180゜。
电压型全桥逆变电路输出电
压uo的*思波考形1和：半在桥全电路桥的中波，形 uo形续状相流同过，程也如是何矩完型波成，？但 幅值※高V出D一2倍,V，D3U同m=时Ud续流。 输※出V电D流1,iVo波D形4同和时半桥续电流路。