[工学]电力电子技术-第四章
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电力电子技术 王兆安第五版 第4章
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
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.
4.2 电压型逆变电路
4.2.1单相电压型逆变电路
（2） 全桥逆变电路
由四个臂构成，输 入端并有一个电容。 负载接在上下两组 臂之间。
*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
工作原理：与单向半桥 *思考1：在全桥中， 电路工作原理相同，只 续流过程如何完成？ 不过全桥中是两个臂同 ※ VD2,VD3同时续流。 时工作，半桥中一个臂 单独工作。全桥输出电 ※ VD1,VD4同时续流。 压，电流波形与半桥完 全一样，但幅值均为半 桥的两倍。
※并且为保证可 靠换流应在uo 过零前td= t5- t2 时刻触发VT2、 VT3 ※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。
t
t
Ud 6
Ud 6
Ud
u NN' O e) O u NN' u e) UN O
电力电子技术——第四章
第4章 无源逆变电路
逆变 有源逆变 无源逆变 逆变电路
把直流电变成交流电 交流侧接电网 交流侧直接和负载连接 一般指无源逆变电路
第4章 无源逆变电路
• 无源逆变电路：将直流电转换为频率、幅值固定 或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。
• 逆变电路应用广泛，在各种直流电池向交流负载 供时，就需要逆变电路。
4.2.1 单相半桥型逆变电路
• 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
Ud 2
V1 VD1
互串联的足够大的电
io R L Ud
容，两个电容的联结
Ud
uo
2
VD2
点是直流电源的中点。 -
V2
• 负载联结在直流电源
中点和两个桥臂联结
点之间。
4.2.1 单相半桥型逆变电路
矩形波
4.2.3 三相电压型逆变电路
+
V1
V3
V5
Ud
VD
VD
VD
2
1
3
5
N'
A B
N
C
Ud
VD
VD
VD
2
4
6
2
V
V
V
-
4
6
2
• 180°导电方式：每桥臂导电角度180°,任一时刻有三个管子导通 • 纵向换流：同一相上下两臂交替导电，相互换流
+
V1
V3
V5
Ud 2
N'
A B
C
Ud
2
V
V
V
-
4
6
2
t3 t4
逆变 有源逆变 无源逆变 逆变电路
把直流电变成交流电 交流侧接电网 交流侧直接和负载连接 一般指无源逆变电路
第4章 无源逆变电路
• 无源逆变电路：将直流电转换为频率、幅值固定 或可变的交流电并直接供给负载的逆变电路。
• 逆变电路应用广泛，在各种直流电池向交流负载 供时，就需要逆变电路。
4.2.1 单相半桥型逆变电路
• 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
Ud 2
V1 VD1
互串联的足够大的电
io R L Ud
容，两个电容的联结
Ud
uo
2
VD2
点是直流电源的中点。 -
V2
• 负载联结在直流电源
中点和两个桥臂联结
点之间。
4.2.1 单相半桥型逆变电路
矩形波
4.2.3 三相电压型逆变电路
+
V1
V3
V5
Ud
VD
VD
VD
2
1
3
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N'
A B
N
C
Ud
VD
VD
VD
2
4
6
2
V
V
V
-
4
6
2
• 180°导电方式：每桥臂导电角度180°,任一时刻有三个管子导通 • 纵向换流：同一相上下两臂交替导电，相互换流
+
V1
V3
V5
Ud 2
N'
A B
C
Ud
2
V
V
V
-
4
6
2
t3 t4
电力电子技术第4章PPT课件
如上图所示，输出电压的平均值Uo为
U o T 1 s0 toU nd d ttT o s0 n d ttT o sU nd D U d
(4-1)
式中 Ts—开关周期 D—开关占空比， D t on
Ts
9
Uo DUd
D ton Ts
改变负载端输出电压有3种调制方法：
1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时
15
4.3 降压变换器
16
降压变换器也称为Buck变换器，正如名字 所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于 输入电压Ud。
在实际应用中，有如下问题：
1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有 线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可 能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电 路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给 负载；
11
12
图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实 际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信 号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管 的导通和关断，得到期望的输出电压。
图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定 了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹
第4章 直流-直流变换器
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
主要内容：
降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的 拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式 下的各物理量之间的函数关系；
21
❖ 降压变换器的可能运行情况：
电感电流连续模式
电力电子技术第四章
电压型全桥逆变电路
电流型三相桥式逆变电路
逆变电路的分类 2 —— 根据电路的结构
电压型单相半桥逆变电路
电压型全桥逆变电路
带中心抽头变压器的逆变电路 三相电压型桥式逆变电路
3. 换流方式 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称
为换流。
▪ 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 ▪ 关断：
负载中点和电源中点间电压
u N N 1 3 ('u U N u V ' N u W ' ) N 1 3 (u 'U N u V N u W )N 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
uNN '1 3(uUN'uVN'uWN ) '
uUN uUN' uNN'
1
u UN'
uNN '3(uUN'uVN'uWN ) '
1 3U d
2U 3
d
1 3
U
d
三相电压型逆变电路负载等值电路
状态 电角度
1 0～60
2 60～120
3
4
5
6
120～180 180～240 240～300 300～360
导通 V5、V6、V1 V6、V1、V2 开关
负载 等值 电路
V1、V2、V3
V2、V3、V4 V3、V4、V5 V4、V5、V6
第四章 直流－交流变换器
直流－交流功率变换称为逆变。
逆变的概念
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。
浙江大学电力电子技术课件第4章第2部分(DC-AC)
uBO 2U d i1 = iT1 = 0, i3 = iT3 = iB = = , i5 = iT5 = 0 Rb 3R
• 入端电流
2U d iβ = i1 + i3 + i5 = 3R
定量分析－ 定量分析－1
• 输出相电压为六阶梯波，输出线电压为四阶梯波 输出相电压为六阶梯波，输出线电压为四阶梯波， 相电压为六阶梯波 线电压为四阶梯波 将它们用傅立叶展开： 将它们用傅立叶展开：
电路工作模式分析： 电路工作模式分析：
按照上述门极驱动时序，三相半桥电路任一时刻都有且只 有三个器件导通，分别是两个上管一个下管导通，或者一个 上管两个下管导通。 根据不同的控制模式 负载特性 控制模式和负载特性 控制模式 负载特性电路共有四种工作状态： 三个主开关载流，两个主开关和一个续流二极管载流，一个 主开关和两个续流二极管载流，【三个续流二极管载流 三个续流二极管载流】。 三个续流二极管载流 三相方波逆变电路中只可能出现前三种工作状态。 前三种工作状态 三相方波逆变电路中只可能出现前三种工作状态。
π
•
输出电压基波有效值： 输出电压基波有效值：
U A01m 2U d U A01 = = =0.451U d π 2
π
•
U A0
输出电压有效值： 输出电压有效值：
1 = 2π
6U d U AB1m U AB1 = = =0.78U d π 2
1 = 2π
2π
∫
2π
0
2 u dω t = U d =0.471U d 3
• 输出电压谐波指标较方波逆变大为改善，最低次 谐波接近开关频率，输出滤波器尺寸大为降低； • 输出电压可调； • 输出抗三相不对称负载能力差，可以利用母线中 点形成三相四线输出。 • 直流电压利用率较低， 改善方法：过调制、3次谐波（零序分量）注入、 改善方法 输出变压器匹配等。
电力电子技术 第4章 习题集答案
第四章 交流电力控制电路和交交变频电路 1、一调光台灯由单相交流调压电路供电，设该台灯可看作电阻负载，在α =0 时输出功 率为最大值，试求功率为最大输出功率的 80% ，50%时的开通角α。 解：α=0 时的输出电压最大，为
U o max
此时负载电流最大，为
1 ( 2U 1 sin t ) 2 dt U 1 0
Po max I
功率因数为：
2 o max
220 R 37.532( KW ) R37532 0.6227 U 1 I O 220 273.98
实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即
cos 0 .6227
60 .54
同理，输出功率为最大输出功率的 50%时，有：
U o 0.5U 1
又由
U O U1
解得：
sin 2 2
90
2、一单相交流调压器，电源为工频 220V ，阻感串联作为负载，其中 R=0.5 ΩL=2mH, 试求①开通角α的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧的功 率因数；④当α=
时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。 2
解：①负载阻抗角为：
arctan(
l 2 50 2 10 3 ) arctan( ) 0.89864 51.49 R 0.5
开通角α的变化范围为： 即： 0.89864 ③当 时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为
6、TCR 采用哪种三相交流调压电路（ C ） A、星型联结 B、线路控制三角型联结 C、支路控制三角形联结 D、中点控制三角形联结
2 0.803
U o max
此时负载电流最大，为
1 ( 2U 1 sin t ) 2 dt U 1 0
Po max I
功率因数为：
2 o max
220 R 37.532( KW ) R37532 0.6227 U 1 I O 220 273.98
实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即
cos 0 .6227
60 .54
同理，输出功率为最大输出功率的 50%时，有：
U o 0.5U 1
又由
U O U1
解得：
sin 2 2
90
2、一单相交流调压器，电源为工频 220V ，阻感串联作为负载，其中 R=0.5 ΩL=2mH, 试求①开通角α的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧的功 率因数；④当α=
时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。 2
解：①负载阻抗角为：
arctan(
l 2 50 2 10 3 ) arctan( ) 0.89864 51.49 R 0.5
开通角α的变化范围为： 即： 0.89864 ③当 时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为
6、TCR 采用哪种三相交流调压电路（ C ） A、星型联结 B、线路控制三角型联结 C、支路控制三角形联结 D、中点控制三角形联结
2 0.803
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 4.4 电流型逆变电路
电力电子技术(第5版) 第4章 无源逆变电路
4.4 电流型逆变电路
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
1、工作原理：
I0=当Id ；T1反、之T4，导I通0=，-IdT。2、T3关断时， T如4图和当T以42、.频4.T1率3（时fb交，）替则所切在示换负的开载电关上流管获波得形T1、。
输出电流波形为矩形波，与 电路负载性质无关，而输出电压 波形由负载性质决定。
③ 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不 能反向，故可控器件不必反并联二极管。
④ 当用于交-直-交变频器且负载为电动机时，若交 -直变换为相控整流，则可很方便地实现再生制动。
导 通 顺 序 T1→T2→T3→T4→T5→T6， 依 次间隔60°，每个桥臂导通120°，每个 时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂 导通。
输出电流波形与负载性质无关。
输出电压波形由负载的性质决定。
输出电流的基波有效值I01和直流电流Id 的关系式为：
图4.4.2 电流型三相桥式逆变 电路原理图
主电路开关管采用自关断器 件时，如果其反向不能承受高电 压，则需在各开关器件支路串入 二极管。
图4.4.1 电流型单相桥式逆变 电路及电流波形
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
2、参数计算：
将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有
io
4Id
(sint
1 sin3t 3
1 sin5t 5
6 I01 Id 0.78Id
(4.4.4)
图4.4.3 电流型三相桥式逆变电路 的输出电流波形
4.4.3 电流型逆变电路的特点
① 直流侧接大电感，相当于电流源，直流电流基 本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
4.4 电流型逆变电路
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
1、工作原理：
I0=当Id ；T1反、之T4，导I通0=，-IdT。2、T3关断时， T如4图和当T以42、.频4.T1率3（时fb交，）替则所切在示换负的开载电关上流管获波得形T1、。
输出电流波形为矩形波，与 电路负载性质无关，而输出电压 波形由负载性质决定。
③ 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不 能反向，故可控器件不必反并联二极管。
④ 当用于交-直-交变频器且负载为电动机时，若交 -直变换为相控整流，则可很方便地实现再生制动。
导 通 顺 序 T1→T2→T3→T4→T5→T6， 依 次间隔60°，每个桥臂导通120°，每个 时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂 导通。
输出电流波形与负载性质无关。
输出电压波形由负载的性质决定。
输出电流的基波有效值I01和直流电流Id 的关系式为：
图4.4.2 电流型三相桥式逆变 电路原理图
主电路开关管采用自关断器 件时，如果其反向不能承受高电 压，则需在各开关器件支路串入 二极管。
图4.4.1 电流型单相桥式逆变 电路及电流波形
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
2、参数计算：
将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有
io
4Id
(sint
1 sin3t 3
1 sin5t 5
6 I01 Id 0.78Id
(4.4.4)
图4.4.3 电流型三相桥式逆变电路 的输出电流波形
4.4.3 电流型逆变电路的特点
① 直流侧接大电感，相当于电流源，直流电流基 本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
电力电子技术第4版第4章 无源逆变电路
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。 4、应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
电路工作原理：
全控型开关器件
TTTTT动T和之121214(和和和和有亦信TT3)驱TTTT无然号44343与构 构同 同驱动，互成成时时动信T两补2(一一通通信对号，T3对对、、号桥时即) 的桥桥断断臂，，T1臂臂各。反；驱和T2，, 交替导通180°。
①半桥式逆变电路； ②全桥式逆变电路； ③推换式逆变电路； ④其他形式：如单管晶体管逆变电路。
4.1.2 逆变电路的分类
（3）根据换流方式分类 ① 负载换流型逆变电路； ② 脉冲换流型逆变电路； ③ 自换流型逆变电路。
（4）根据负载特点分类
① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路
4.1.2 逆变电路的分类
输出电流波形为矩形波，与 电路负载性质无关，而输出电压 波形由负载性质决定。
主电路开关管采用自关断器 件时，如果其反向不能承受高电 压，则需在各开关器件支路串入 二极管。
图4.4.1 电流型单相桥式逆变 电路及电流波形
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
2、参数计算：
将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有
图4.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
2、工作原理：
在一个周期内，电力晶体 管 周正T1和偏T，2的半基周极反信偏号，各且有互半补。
若负载为纯电阻，在[0,π] 期 T2通π2截间 ，]期止，T间1，T截1，则有止T驱，u20有动则=U驱信ud0动。号=-信在导Ud号[通π。导，, 动 信信 号若号 ，负截 由载止于为，感纯尽性电管负感载T，1有中T驱的2无动电驱 流i。不能立即改变方向，于 是 D1导通续流，u0=－Ud /2 。
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。 4、应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
电路工作原理：
全控型开关器件
TTTTT动T和之121214(和和和和有亦信TT3)驱TTTT无然号44343与构 构同 同驱动，互成成时时动信T两补2(一一通通信对号，T3对对、、号桥时即) 的桥桥断断臂，，T1臂臂各。反；驱和T2，, 交替导通180°。
①半桥式逆变电路； ②全桥式逆变电路； ③推换式逆变电路； ④其他形式：如单管晶体管逆变电路。
4.1.2 逆变电路的分类
（3）根据换流方式分类 ① 负载换流型逆变电路； ② 脉冲换流型逆变电路； ③ 自换流型逆变电路。
（4）根据负载特点分类
① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路
4.1.2 逆变电路的分类
输出电流波形为矩形波，与 电路负载性质无关，而输出电压 波形由负载性质决定。
主电路开关管采用自关断器 件时，如果其反向不能承受高电 压，则需在各开关器件支路串入 二极管。
图4.4.1 电流型单相桥式逆变 电路及电流波形
4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
2、参数计算：
将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有
图4.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
2、工作原理：
在一个周期内，电力晶体 管 周正T1和偏T，2的半基周极反信偏号，各且有互半补。
若负载为纯电阻，在[0,π] 期 T2通π2截间 ，]期止，T间1，T截1，则有止T驱，u20有动则=U驱信ud0动。号=-信在导Ud号[通π。导，, 动 信信 号若号 ，负截 由载止于为，感纯尽性电管负感载T，1有中T驱的2无动电驱 流i。不能立即改变方向，于 是 D1导通续流，u0=－Ud /2 。
电力电子技术第4章
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置其电路的核心部分都是逆变电路。
2
第4章 无源逆变电路
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
3
4.1 概述
4.1.1 逆变器的分类 4.1.2 换流方式
4
4.1.1 逆变器的分类：
➢ 按相数：单相、三相 ➢ 按输入侧直流电源：电压型、电流型 ➢ 按接线方式：半桥式、全桥式、推挽式 ➢ 按换流方式：全控型开关器件换流逆变器、负载谐振式
u
o
U
m
O
t
-U m
i
o
tt
3
4
O
tt
tt
t
1
2
5
6
ON
V
V
1
2
V
V
1
2
VD VD
VD
VD
1
2
1
2
输出电流io波形和半桥电路 的io形状相同，幅值增加一倍
VD1 、V1、VD2、V2相继导 通的区间，分别对应VD1和VD4、 V1和V4、VD2和VD3、V2和V3 相继导通的区间
单相半桥电压型逆变电路工作波形
2
VD VD
VD
VD
1
2
1
2
• t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向并逐渐增大。
• 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V1才开通。
25
u
o
U
m
O
t
-U m
i
o
tt
O
3
2
第4章 无源逆变电路
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
3
4.1 概述
4.1.1 逆变器的分类 4.1.2 换流方式
4
4.1.1 逆变器的分类：
➢ 按相数：单相、三相 ➢ 按输入侧直流电源：电压型、电流型 ➢ 按接线方式：半桥式、全桥式、推挽式 ➢ 按换流方式：全控型开关器件换流逆变器、负载谐振式
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输出电流io波形和半桥电路 的io形状相同，幅值增加一倍
VD1 、V1、VD2、V2相继导 通的区间，分别对应VD1和VD4、 V1和V4、VD2和VD3、V2和V3 相继导通的区间
单相半桥电压型逆变电路工作波形
2
VD VD
VD
VD
1
2
1
2
• t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向并逐渐增大。
• 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V1才开通。
25
u
o
U
m
O
t
-U m
i
o
tt
O
3
电力电子技术 第4章有源逆变电路
2018年9月25日
4.3
逆变电路的应用
分析可得整流后电机转子直流回路电压平衡方程式: Ud=Ui＋IdR (4-6)
设异步电机带动恒转矩负载在某一转速下稳定运行。现在要改变其 转速，可以通过控制逆变电路的逆变角β来实现。当β角增大时，逆 变电压Ui相应减小，但受机械惯性作用，电机转速不会立即变化， 所以Ud仍维持原值。这样，根据式(4-6)，转子整流回路电流Id就要 增大，转子电流和电磁转矩都会相应增大，而负载转矩未变，电机 做加速运动。在加速过程中，转子整流电压Ud随之减小，又使电流 Id减小，直到Ud、Ui与Id间依式(4-6)取得新的平衡为止。最后，电 机进人新的稳定运行状态，并以比原转速更高的转速运行。同理可 知，减小β角时，电机将降低转速运行。这就是以电力电子器件组成 的绕线转子异步电机电气串级调速系统的工作原理。
4.1
4.1.1
有源逆变电路
认识整流与逆变的关系
整流时能量是交流电网发出经过电路转换成 能量 直流电供给负载，如图4.1(a)所示。而逆变时 传递： 能量是直流电源（此电源或为电机或为直流 电池）经过电路转换成交流电返回给电网或 者给负载，如图4.1(b)所示。
2018年9月25日
4.1
有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 以卷扬机械为例，由单相全波整流电路供电给直流电 动机为动力，分析提升和下放重物两种工作情况。 1.提升重物时，变流器工作于整流状态 (0°≤α ≤ 90° )
L V1 a ud b V3 V4 + E 重物 M _ V2 + id T + u2 i2 R+ u1 -源自4.1有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 2.下放重物时，变流器工作于逆变状态(0°≤α ≤ 90°)
电力电子技术chapter4-1课件,张兴
a)
ui
T1 DC-AC 1 T2 DC-AC 2
u2 uo Cf RL u1 Lf
TN DC-AC 3 b)
uN
实现这种交流阶梯波变换的原理电 路如图4-4b所示 —— 分相叠加的组 合逆变器结构，通过多组采用方波 变换的逆变器进行移相叠加组合
电
力
电
子
技
术
4.1.1 逆变器的基本原理
3. 斩控调制方式 ①脉冲宽度调制（PWM）：
1 THD U1
Un
2
n 2, 3
1 2
对于理想正弦波而 言，其THD为零。
电
力
电
子
技
术
4.1.3 逆变器的性能指标
1．逆变器的输出波形性能指标
⑶ 畸变系数DF（Distortion Factor） 表征实际波形中每一次谐波分量对波形畸变的影响程度。 第n次谐波系数HFn定义为： 1
电
力
电
子
技
术
4.1.3 逆变器的性能指标
1．逆变器的输出波形性能指标
⑴ 谐波系数HF（Harmonic Factor）: 表征实际波形中第n次谐波与基波相比的相对值。 第n次谐波系数HFn定义为第n次谐波分量有效值Un与基波分量有效 值U1之比，即 U HF n U1 ⑵ 总谐波畸变系数THD（Total Harmonic Distortion Factor） 表征实际波形同基波分量的接近程度。 总谐波畸变系数THD定义为各次谐波分量有效值Un（n=2、3……） 平方之和的开方与基波分量有效值U1之比，即
逆变器的原理拓扑
电
力
电
子
《电力电子技术》第四章习题解答
4-1.根据图4.3(a)所示电路，U s = 120V ，频率60Hz ，L = 10mH ，R= 5Ω。
计算并绘出随u s 变化的电流i 。
解：由图可列微分方程：cos()m u diL Ri U wt dtφ+=+ (1)式中u φ为初相角，m U s 其通解为：'''i i i =+ 其中：''ti Aeτ-= LRτ='i 为方程''cos()m u di LRi U wt dtφ+=+的特解。
故设 'm c o s ()i I w t θ=+， 其中m s I = 代入（1）式有： m m cos()sin()cos()m u I R wt wLI wt U wt θθφ+-+=+ (2)引入tan wLRϕ=，有：sin ϕ=cos ϕ=再令Z =2）式可改写为：[]m m cos()sin()cos()sin()R wL I R wt wL wt I Z wt wt Z Z θθθθ⎡⎤+-+=+-+⎢⎥⎣⎦m cos()I Z wt θϕ=++于是得：m cos()I Z wt θϕ++=cos()m u U wt φ+ 因此有：m m U I Z ==u θφϕ=- 所以，特解'i 为：'cos()mu U i wt Zφϕ=+- 方程的通解为：cos()t mu U i wt Ae Zτφϕ-=+-+代入初始条件，由于(0)(0)0i i +-== 有：0cos()mu U A Zφϕ=-+ 于是：cos()mu U A Zφϕ=-- 故有：cos()cos()t m mu u U U i wt e Z Zτφϕφϕ-=+---波形图如下：4-2.根据图4.4(a)所示电路，U s =120V ，频率60Hz ，L = 10mH ，U d =150V 。
计算并绘出随u s 变化的电流i 。
《电力电子技术》第五版 第4章 逆变电路.ppt
ωt
√负载对基波的阻抗大而对谐
ωt 波的阻抗小，所以uo接近正弦波。
ωt
√注意：触发VT2、VT3的时刻
ω t t1必须在uo过零前并留有足够的裕
量，才能使换流顺利完成。
图4-2 负载换流电路及其工作波形
4、强迫换流（Forced Commutation）
☞设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强 迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现， 因此也称为电容换流。
☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。
2、电网换流（Line Commutation）
☞利用电网电压有自动过零并变负的特点提供 换流电压的换流方式。
☞将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即 可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力， 但不适用于没有交流电网的无源逆变电路（即对 直流回路中的SCR不适用）。
3、负载换流（Load Commutation）
☞由负载提供换流电压的换流方式。 ☞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
a)
uo
uo
io
O io
i iVT1 iVT4
O i
iVT2 iVT3
O uVT
O
t1
u VT1
u
VT4
b)
☞负载：电阻、电感串联后和电容 并联，整个负载工作在接近并联 谐振状态而略呈容性，电容为改 善负载功率因数使其略呈容性而 接入，直流侧串大电感，id基本没 有脉动。
第四章 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 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。
电力电子技术 第3版课件第4章
（2）交流调功电路或无触点开关电路对交流电源实现 通断控制，电路结构与相控交流调压类似。区别在于 调功电路仅在交流电过零时刻开关。在接通期间，负 载上承受的电压与流过的电流均是正弦波，仅仅表现 为负载通断。
交流调压和交流调功技术统称为交流开关控制技术 或交流电力控制技术。 （3）交-交变频电路也称直接变频电路（或周波变流 器），它不通过中间直流环节把电网频率的交流电直 接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式 交-交变频和矩阵式交-交变频。
4.2、交流调压电路
交流调压就是把固定幅值、频率的交流电变成幅值 可调的交流电。 （1）自耦变压器调压：输入输出电压波形如图4-1(a) 所示。 （2）相控式交流调压：用两只反并联晶闸管实现可 控双向开关，通过改变触发脉冲相位来调节输出电压， 如图4-1(b) 。 （3）斩控式交流调压：用全控型器件实现可控双向 开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，在其他时 间内接通开关，如图4-1(c) 。
u
uu
uv
uw
(a) 0
t1 t 2 π
2π
t
ug (b)
61 2345
0
VT1 VT2 (c) VT3 VT4 VT5 VT6
(d)
VT1 VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
（e）uRU
t
uu
0
u RU
t
u
uu
uv
(a) 0 图43 /-π9 π
uw 2π
ug 6 1 2 3 4 5 6 (b)
0
VT1 VT2 (c) VT3 VT4 VT5 VT6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
u
uu
uv
uw
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〔换流〕：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通方式：适当的门极驱动信号就可使其开通。 关断方式：
全控型器件可通过门极关断； 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断； 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
本章仅讲述逆变电路基本内容，有关逆变电路的内容会进一步展开。
2019/5/12
电力电子技术
3
§4.1 换流方式
§4.1.1 逆变电路的基本工作原理
单相桥式逆变电路为例
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。 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，uo为负。把直流电变成了交流电。
略呈容性。
电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入；
直流侧串入大电感Ld，直流侧 id基本没有脉动。 uo
uo
Ld
io
id VT1
O
C
VT3 i
io iVT1 iVT4
t
Ed
io R
L
VT2
uo
O VT4 iΒιβλιοθήκη iVT2 iVT3t
O uVT
O
t1
uVT1
uVT4
t
t
a)
b)
图4-2 负载换流电路及其工作波形
逆变与变频 变频电路：交交变频和交直交变频两种； 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。
工业应用交流电源 变频变压电源 VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速； 恒频恒压电源 CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各种电源； 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。
由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）； 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流； 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。
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电力电子技术
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基本的负载换流逆变电路：
采用晶闸管作为主功率器件；
负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而
两种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振荡第二个半周
期内关断。
请同学们分析为什么反向电流从VT 流过，而不是通过VD？
原因是：此时VT上的压降和C上的电压顺 向串联，而流过VD，需要克服二极管的 正向压降，所以从VT流过，而不是通过 VD。
第4章 逆变电路
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
换流方式 电压型逆变电路 电流型逆变电路 多重逆变电路和 多电平逆变电路
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电力电子技术
1
引言
逆变概念 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。
2019/5/12
电力图电子5技-2术
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工作过程（工作波形图4-2b）
4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波；
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对 谐波阻抗很小，即将uo波形中的谐波成分滤除，而使之接近正弦波 （基波）；
t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3承受正 向电压uo；
t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而 关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。注意：由于有Ld的作用，不 会造成短路；
t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。
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电力电子技术
8
S
4、强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的 晶闸管强迫施加反向电压或反向电 流的换流方式称为强迫换流 （Forced Commutation）。
t1前：S1、S4通，uo和io均为正； t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不
能立刻反向；
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负 载电感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为 零，之后io才反向并增大。
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§4.1.2 换流方式分类
通常利用附加电容上储存的 能量来实现，也称为电容换流。
直接耦合式强迫换流 —— 由换流 电路内电容提供换流电压。
VT通态时，先给电容C充电。合上 S就可使晶闸管被施加反压而关断。
VT +
负载
图4-3 直接耦合式强迫换流原理图
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电力电子技术
图5-3 9
电感耦合式强迫换流：通过换流 电路内电容和电感耦合提供换流电压 或换流电流；
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
图4-1 逆变电路及其波形举例
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图5-1 电力电子技术
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改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同； 阻感负载时， io相位滞后于uo，波形也不同（图4-1b）
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2
逆变电路的应用 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要 逆变电路； 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。
本章内容 4.1节——换流方式； 4.2节——电压型逆变电路； 4.3节——电流型逆变电路； 4.4节——逆变电路的多重化和多电平逆变电路。
1、器件换流：
利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）
2、电网换流：
由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）； 可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路； 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。
3、负载换流：
S
VD VT
+C
L
S
+C
VD VT L
负载
负载
a)
b)
图4-4 电感耦合图式5-4强迫换流原理图
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给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换 流（图4-3）；
先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其 加反压的换流叫电流换流 （图4-4）；
全控型器件可通过门极关断； 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断； 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
本章仅讲述逆变电路基本内容，有关逆变电路的内容会进一步展开。
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§4.1 换流方式
§4.1.1 逆变电路的基本工作原理
单相桥式逆变电路为例
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。 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，uo为负。把直流电变成了交流电。
略呈容性。
电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入；
直流侧串入大电感Ld，直流侧 id基本没有脉动。 uo
uo
Ld
io
id VT1
O
C
VT3 i
io iVT1 iVT4
t
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io R
L
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O VT4 iΒιβλιοθήκη iVT2 iVT3t
O uVT
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t1
uVT1
uVT4
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b)
图4-2 负载换流电路及其工作波形
逆变与变频 变频电路：交交变频和交直交变频两种； 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。
工业应用交流电源 变频变压电源 VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速； 恒频恒压电源 CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各种电源； 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。
由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）； 负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流； 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。
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基本的负载换流逆变电路：
采用晶闸管作为主功率器件；
负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而
两种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振荡第二个半周
期内关断。
请同学们分析为什么反向电流从VT 流过，而不是通过VD？
原因是：此时VT上的压降和C上的电压顺 向串联，而流过VD，需要克服二极管的 正向压降，所以从VT流过，而不是通过 VD。
第4章 逆变电路
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
换流方式 电压型逆变电路 电流型逆变电路 多重逆变电路和 多电平逆变电路
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引言
逆变概念 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。
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工作过程（工作波形图4-2b）
4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波；
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对 谐波阻抗很小，即将uo波形中的谐波成分滤除，而使之接近正弦波 （基波）；
t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3承受正 向电压uo；
t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而 关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。注意：由于有Ld的作用，不 会造成短路；
t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。
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4、强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的 晶闸管强迫施加反向电压或反向电 流的换流方式称为强迫换流 （Forced Commutation）。
t1前：S1、S4通，uo和io均为正； t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不
能立刻反向；
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负 载电感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为 零，之后io才反向并增大。
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§4.1.2 换流方式分类
通常利用附加电容上储存的 能量来实现，也称为电容换流。
直接耦合式强迫换流 —— 由换流 电路内电容提供换流电压。
VT通态时，先给电容C充电。合上 S就可使晶闸管被施加反压而关断。
VT +
负载
图4-3 直接耦合式强迫换流原理图
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图5-3 9
电感耦合式强迫换流：通过换流 电路内电容和电感耦合提供换流电压 或换流电流；
uo
S1 io 负载 S3
Ud
S2
uo S4
io
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a)
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图4-1 逆变电路及其波形举例
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图5-1 电力电子技术
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改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同； 阻感负载时， io相位滞后于uo，波形也不同（图4-1b）
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逆变电路的应用 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要 逆变电路； 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。
本章内容 4.1节——换流方式； 4.2节——电压型逆变电路； 4.3节——电流型逆变电路； 4.4节——逆变电路的多重化和多电平逆变电路。
1、器件换流：
利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）
2、电网换流：
由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）； 可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路； 不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。
3、负载换流：
S
VD VT
+C
L
S
+C
VD VT L
负载
负载
a)
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图4-4 电感耦合图式5-4强迫换流原理图
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给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换 流（图4-3）；
先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其 加反压的换流叫电流换流 （图4-4）；