武汉理工电力电子第4章 逆变电路PPT课件
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第四章逆变电路ppt课件
图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
2、各相负载相电压和线电压波形： 将一个工作周期分成6个区域。 在0<ωt≤π/3区域，设ug1>0, uTg线电压32导>通0u,ucu，abucabg3U>U00d d，相电压则有 u uuTcNbaNN1， 1133T32UU2U dd，d
T被加反压而关断。
图4.2.2 脉冲电 压
换流原理图
4.2.1 电力器件的换流方式
✓ 脉冲电流换流原理: 晶闸管T处于导通状态时，预
先给电容C按图中所示的极性充 电。
图(a)中，如果闭合开关S，
LC振荡电流流过晶闸管，直到其
正向电流为零后，再流过二极管
D。
LC
图(b)中，接通开关S后，LC
振荡电流先和负载电流叠加流过
2fsUO12源自d20.45Ud(4.3.3)
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
缓冲电感反馈的无功能量
1、电压型逆变电路半桥逆变电路
工作原理：
在一个周期内，电力晶体管T1和T2的 基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互 补。
若负载为阻感负载，设t2时刻以前， T1有驱动信号导通，T2截止，那么 u0=Ud/2。
在图4.2.1中，T1、T2表示由两个电力
半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2
导通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通
时，电流i从T2转移到T1。
图4.2.1 桥臂的换流
4.2.1 电力器件的换流方式
一般来说，换流方式可分为以下四种：
➢ （1〕器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能 力进行换流称为器件换流。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
（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。
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。
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
第四章 逆变 电力电子技术PPT课件
➢ t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成
9
4.1.2
换流方式分类
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）
通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称 为电容换流
S
VT +
负载
➢ 直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供 换流电压
c. t2<t<t3,V1、V2截止，VD2通。负载电流方向： LR C1 Ud VD2 .此时负载向电容Cd反馈无功。
d. t3<t<t4,V1截止，V2通。负载电流方向为：
Ud C1 R L V2,此时负载消耗有功。
22
4.2.1 单相电压型逆变电路
➢ io波形随负载而异，感性负载时，(图4-6b) ➢ V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量 ➢ VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈,暂存在直流
Rio L
uo
VD2 V4
VD4
d.忽略电路中的分布电感。 e. 逆变电路已达稳态。
图4-5 电压图5型-5 逆变电路 举例（全桥逆变电路）
20
4.2.1
1．半桥逆变电路 ➢ 电路结构
➢ 工作原理 ➢ V1和V2栅极信号在一周期内各半周 正偏、半周反偏，互补 ➢ uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2
14
b.零式电路：
负载中带有电感L，T1和T2交替导通和截 止，负载电路得到交替变化的电压和电流。
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD1
VD3
VD5
9
4.1.2
换流方式分类
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）
通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称 为电容换流
S
VT +
负载
➢ 直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供 换流电压
c. t2<t<t3,V1、V2截止，VD2通。负载电流方向： LR C1 Ud VD2 .此时负载向电容Cd反馈无功。
d. t3<t<t4,V1截止，V2通。负载电流方向为：
Ud C1 R L V2,此时负载消耗有功。
22
4.2.1 单相电压型逆变电路
➢ io波形随负载而异，感性负载时，(图4-6b) ➢ V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量 ➢ VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈,暂存在直流
Rio L
uo
VD2 V4
VD4
d.忽略电路中的分布电感。 e. 逆变电路已达稳态。
图4-5 电压图5型-5 逆变电路 举例（全桥逆变电路）
20
4.2.1
1．半桥逆变电路 ➢ 电路结构
➢ 工作原理 ➢ V1和V2栅极信号在一周期内各半周 正偏、半周反偏，互补 ➢ uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2
14
b.零式电路：
负载中带有电感L，T1和T2交替导通和截 止，负载电路得到交替变化的电压和电流。
+
V1
V3
V5
Ud 2
VD1
VD3
VD5
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 4.3 电压型逆变电路
0 2
2
(4.3.1)
输出电压瞬时值为:
uo
n 1, 3 , 5 ,
2U d n
s in nt
(4.3.2)
其中， 2f s 为输出电压角频率。
当 n=1时其基波分量的有效
值为:
U O1
2U d
2
0.45U d
(4.3.3)
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
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 。
3、特点： 优点： 简单，使用器件少；
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：
(4.3.7)
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
0≤ ωt ≤ θ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、
逆变器的工作原理和控制技术全解ppt课件
u UN'
a)
O
Ud
u VN'
2
b)
O
u WN'
c)
O
u UV
Ud
d)
O
u NN'
e)
O
u UN
f)
O
iU
g)
O
id
h)
O
2Ud 3
t
t
t
t
Ud 6
t
Ud 3
t
t
22 t
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
改进SPWM的技术
直流电压利用率
——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。
设计
uUN'
uVN'
Ud 2
k
k sin
sint t 1200
Ud 2
uWN'
k sin t 2400
关键： uUN’、 uVN’、 uWN’
的幅值小于Ud/2
三次谐波注入法
uWN
uWN'
uNN
'
负载中点电压
uNN '
uUN'
uVN' 3
uWN'
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0
19
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
开关动作与输出电压关系
电压基准点：
以电源中点N’为0电平基准点。
根据电路结构
开关模式
输出电压
U相上开关管导通
逆变电路(电力电子技术课件)
载电流相减，直到VT 的合成正向电流
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
断的换流也叫电压换流（前图）
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（左图）
换流方式小结
器件换流——适用于全控型器件
其余三种方式——针对晶闸管
断的换流也叫电压换流（前图）
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（左图）
换流方式小结
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
因为器件或变流器自身的原因而实现换流
电网换流和负载换流——外部换流
借助于外部手段（电网电压或负载电压）
电感耦合式强迫换流
图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断
图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断
在图（a）中，接通开关S后，LC振荡
电流将反向流过晶闸管VT，与VT 的负
载电流相减，直到VT 的合成正向电流
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
其中交一直一交变频电路由交一直变换电路和直一交变换电路两
部分组成，
前一部分属于整流电路，后一部分就是逆变电路。
逆变器的工作原理
单相桥式逆变电路
当将开关Q1、Q4闭合，Q2、
Q3断开时，电阻上得到左
正右负的电压；
（a）逆变电路图
（b）输出电压波形
图5-1 逆变器的工作原理
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
断的换流也叫电压换流（前图）
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（左图）
换流方式小结
器件换流——适用于全控型器件
其余三种方式——针对晶闸管
断的换流也叫电压换流（前图）
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（左图）
换流方式小结
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
因为器件或变流器自身的原因而实现换流
电网换流和负载换流——外部换流
借助于外部手段（电网电压或负载电压）
电感耦合式强迫换流
图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断
图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断
在图（a）中，接通开关S后，LC振荡
电流将反向流过晶闸管VT，与VT 的负
载电流相减，直到VT 的合成正向电流
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
其中交一直一交变频电路由交一直变换电路和直一交变换电路两
部分组成，
前一部分属于整流电路，后一部分就是逆变电路。
逆变器的工作原理
单相桥式逆变电路
当将开关Q1、Q4闭合，Q2、
Q3断开时，电阻上得到左
正右负的电压；
（a）逆变电路图
（b）输出电压波形
图5-1 逆变器的工作原理
电力电子技术06第4章无源逆变电路精品PPT课件
当S闭合， LC振荡电流在前 半周期反向流经晶闸管，使 原来通过VT的电流减小。
当VT电流降为零，振荡电流 流向VD，而VD正向压降使 VT反偏而彻底可靠关断。
6
4.1.2 逆变器的分类
（1）逆变种类
有源逆变：不可变频。 使用晶闸管可以利用电网换流。
无源逆变：可以变频。 使用晶闸管必须采用负载换流或强迫换流。
Ud
2
其中二极管导通的续流过程， t
即为能量回馈的过程。
t1 t2 t4
t6
t3
t5
14
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（4）其他问题
若采用晶闸管作为开关器
Ud 2
C
i0 R
V1
L
VD1
件，必需考虑强迫换流。
Ud
优缺点
Ud 2
C
u0
V2
VD2
优点为电路简单，功 率器件少。
uo io
Ud
缺点是输出电压低，
t
i0>0 ，重复上述过程， 。
t1 t2 t4
t6
t3
t5
13
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（3）能量传递
当输出电压与输出电流方向
Ud 2
C
i0 R
V1
L
VD1
相同，直流电源向交流负载 Ud
提供能量。
Ud 2
C
u0
V2
VD2
当输出电压与输出电流方向
相反，电感储能回馈给直流 u o i o
电源。
VD4
L → VD3 → C → VD2 → R。
uo io
当输出电流为负时，由
VD1与VD4续流，电流通路为：
当VT电流降为零，振荡电流 流向VD，而VD正向压降使 VT反偏而彻底可靠关断。
6
4.1.2 逆变器的分类
（1）逆变种类
有源逆变：不可变频。 使用晶闸管可以利用电网换流。
无源逆变：可以变频。 使用晶闸管必须采用负载换流或强迫换流。
Ud
2
其中二极管导通的续流过程， t
即为能量回馈的过程。
t1 t2 t4
t6
t3
t5
14
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（4）其他问题
若采用晶闸管作为开关器
Ud 2
C
i0 R
V1
L
VD1
件，必需考虑强迫换流。
Ud
优缺点
Ud 2
C
u0
V2
VD2
优点为电路简单，功 率器件少。
uo io
Ud
缺点是输出电压低，
t
i0>0 ，重复上述过程， 。
t1 t2 t4
t6
t3
t5
13
4.2.1 单相半桥型逆变电路
（3）能量传递
当输出电压与输出电流方向
Ud 2
C
i0 R
V1
L
VD1
相同，直流电源向交流负载 Ud
提供能量。
Ud 2
C
u0
V2
VD2
当输出电压与输出电流方向
相反，电感储能回馈给直流 u o i o
电源。
VD4
L → VD3 → C → VD2 → R。
uo io
当输出电流为负时，由
VD1与VD4续流，电流通路为：
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 4.6 负载换流式逆变电路
电力电子技术(第5版) 第4章 无源逆变电路
4.6 负载换流式逆变电路
4.6.1 并联谐振式逆变电路
１、电路结构:
负载为中频电炉，实际上 是一个感应线圈，图中L和R串 联为其等效电路。因为负载功 率因数很低，故并联补偿电容 器C。
大滤波电感
小电感，限制晶闸 管电流上升率
电容C和电感L、电阻R构成
并联谐振电路，所以称这种电 路为并联谐振式逆变电路。
图 4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程
4.6.1 并联谐振式逆变电路
2、工作原理
t2时刻触发T2，T3 ，电路开始换流。由于 T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的 两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸 管都串有换相电抗器LT ，故T1和T4在t2时刻不 能立刻关断，T2，T3中的电流也不能立刻增大
4Id
sint
1 sin3t
3
1 sin5t
5
②负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系：
基波电流有效值
I 01
(4.6.3 ) (4.6.4)
逆变电路的输入功率Pi为
Pi U d Id
逆变电路的输出功率Po为 因为Po=Pi，于是可求得
Po U 0 I01 cos
负载的功率因数角φ由负载电流与电 压的相位差决定，从图4.6.3可知：
( tr
2
t
)
其中ω为电路的工作频率。
（4.6.1）
图4.6.3 并联谐振式逆变电路 的工作波形
4.6.1 并联谐振式逆变电路
3、参数计算
①负载电流i0和直流侧电流Id的关系：如果忽略换流过程，i0为矩形波。 展开成傅氏级数得
i0
到稳定值。
4.6 负载换流式逆变电路
4.6.1 并联谐振式逆变电路
１、电路结构:
负载为中频电炉，实际上 是一个感应线圈，图中L和R串 联为其等效电路。因为负载功 率因数很低，故并联补偿电容 器C。
大滤波电感
小电感，限制晶闸 管电流上升率
电容C和电感L、电阻R构成
并联谐振电路，所以称这种电 路为并联谐振式逆变电路。
图 4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程
4.6.1 并联谐振式逆变电路
2、工作原理
t2时刻触发T2，T3 ，电路开始换流。由于 T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的 两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸 管都串有换相电抗器LT ，故T1和T4在t2时刻不 能立刻关断，T2，T3中的电流也不能立刻增大
4Id
sint
1 sin3t
3
1 sin5t
5
②负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系：
基波电流有效值
I 01
(4.6.3 ) (4.6.4)
逆变电路的输入功率Pi为
Pi U d Id
逆变电路的输出功率Po为 因为Po=Pi，于是可求得
Po U 0 I01 cos
负载的功率因数角φ由负载电流与电 压的相位差决定，从图4.6.3可知：
( tr
2
t
)
其中ω为电路的工作频率。
（4.6.1）
图4.6.3 并联谐振式逆变电路 的工作波形
4.6.1 并联谐振式逆变电路
3、参数计算
①负载电流i0和直流侧电流Id的关系：如果忽略换流过程，i0为矩形波。 展开成傅氏级数得
i0
到稳定值。
第四章武汉理工大学,电路课件
方法更有一般性。
注： (1) 外电路可以是任意的线性或非线性电路，外电路
发生改变时，含源一端口网络的等效电路不变(伏 -安特性等效)。 (2) 当一端口内部含有受控源时，控制电路与受控源 必须包含在被化简的同一部分电路中。
例1.
4
a Rx b + 10V I
6 4
计算Rx分别为1.2、 5.2时的I；
Isc
独立源置零 方法2：开路电压、短路电流 6 I1 + 9V – 独立源保留 b 3 – 6I + a I
I=-6I/3=-2I Isc=I1=9/6=1.5A
I=0
Req = Uoc / Isc =9/1.5=6
独立电压源，或者用一个电流等于 ik的 独立电流源， 或用R=uk/ik的电阻来替代，替代后电路中全部电压和 电流均保持原有值(解答唯一)。
ik
支 路 k
+
+ –
uk
–
uk
ik
+ uk –
ik
R=uk/ik
例1
u 10 ＋ i 110 / 5 ( 5 10 ) // 10 解 1 110V － 10 A － i2 3i1 / 5 6 A i3 2i1 / 5 4 A 替 代 u 10i2 60V
i
i '=1A
2 RL A
+ 2V –
解
则
采用倒推法：设i'=1A。
i us ' i' us
us 51 即 i ' i' 1 1.5 A us 34
4. 2
替代定理 (Substitution Theorem)
电力电子技术第4章 逆变电路1
第4章 逆变电路
学习指导
※ 熟悉逆变电路的电路结构、分类及主要性能指标 ※ 掌握基本方波逆变电路及其特点 ※ 了解多重化逆变电路和多电平逆变电路 ※ 掌握逆变电路的脉冲宽度调制（PWM）控制技术 ※ 熟悉PWM整流电路
第4章 逆变电路
4.1 逆变电路综述 4.2 方波逆变电路 4.3 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4 逆变电路的脉宽调制控制技术——PWM控制技术 4.5 PWM跟踪控制技术 4.6 空间电压矢量PWM(SVPWM)控制技术 4.7 PWM整流电路
逆变电路换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支 路要从断态转移到通态。
从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电 子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。
但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门 极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能 通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取措施才 能使其关断，所以关断晶闸管需要设置强迫换流电路。这种情 况增加了逆变电路的复杂，降低了可靠性，也限制了开关频率。
如今，绝大多数逆变电路都采用全控型电力半导体开关器件。 中、大功率逆变电路多用IGBT、IGCT，小功率逆变电路多用 功率MOSFET。
4.1.3晶闸管电路换流方式
1. 电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。对于 可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是 借助与电网电压实现换流的，都属于电网换流。
可见输出电压uo为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。输出电流io波形随负载情况而异。
逆变电路工作波形
设开关器件VT1和VT2的栅极信号在一个周 期内期内各有半周正偏，半周反偏，且二者
学习指导
※ 熟悉逆变电路的电路结构、分类及主要性能指标 ※ 掌握基本方波逆变电路及其特点 ※ 了解多重化逆变电路和多电平逆变电路 ※ 掌握逆变电路的脉冲宽度调制（PWM）控制技术 ※ 熟悉PWM整流电路
第4章 逆变电路
4.1 逆变电路综述 4.2 方波逆变电路 4.3 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4 逆变电路的脉宽调制控制技术——PWM控制技术 4.5 PWM跟踪控制技术 4.6 空间电压矢量PWM(SVPWM)控制技术 4.7 PWM整流电路
逆变电路换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支 路要从断态转移到通态。
从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电 子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。
但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门 极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能 通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取措施才 能使其关断，所以关断晶闸管需要设置强迫换流电路。这种情 况增加了逆变电路的复杂，降低了可靠性，也限制了开关频率。
如今，绝大多数逆变电路都采用全控型电力半导体开关器件。 中、大功率逆变电路多用IGBT、IGCT，小功率逆变电路多用 功率MOSFET。
4.1.3晶闸管电路换流方式
1. 电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。对于 可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是 借助与电网电压实现换流的，都属于电网换流。
可见输出电压uo为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。输出电流io波形随负载情况而异。
逆变电路工作波形
设开关器件VT1和VT2的栅极信号在一个周 期内期内各有半周正偏，半周反偏，且二者
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
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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
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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 。
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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
【图文】电力电子技术 第4章 逆变电路
本章小结■讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理◆四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。
■换流方式◆分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。
◆换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。
46
本章小结■逆变电路分类方法◆可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。
◆本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。
◆电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。
■与其它章的关系◆本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第7章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。
◆逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。
◆此
外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路，这些将在第10章介绍，学完第10章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。
47。
电力电子技术-第四章
每桥臂导电180°，同一相上 N'
UV
下两臂交替导电，各相开始导 电的角度差120 °
Ud 2
VD4
W VD6 VD2
N
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 -
V4
V6
V2
臂之间进行，也称为纵向换流。
图4-9 三相电压型桥式逆变电路
图5-9
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电力电子技术
18
uUN'
u NN' uNN'
uWN uWN' uNN '
（4-5）
负载中点和电源中点间电压：
uNN'
1 3
(uUN'
uVN'
uWN'
)
1 3 (uUN
uVN
uWN )
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电力电子技术
（4-6）
20
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
1 uNN' 3 (uUN' uVN' uWN' )
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
2021/8/25
图5-1 电力电子技术
4
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）
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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◆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。
9
4.2 电压型逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路
10
4.2 电压型逆变电路·引言
■根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 ◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。 ◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。
◆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。 ☞分类 √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。 √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的
■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。
3
4.1 换流方式
4.1.2 换流方式分类
■换流 ◆电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 ◆研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
■换流方式分为以下几种 ◆器件换流（Device Commutation）
☞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 型器件的电路中的换流方式是器件换流。 ◆电网换流（Line Commutation） ☞电网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。
12
4.2.1 单相电压型逆变电路
☞V1或V2通时，io和uo同方向， 直流侧向负载提供能量；VD1或 VD2通时，io和uo反向，电感中贮 能向直流侧反馈。VD1、VD2称为 反馈二极管,它又起着使负载电流 连续的作用，又称续流二极管。
第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 √在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关
断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 √也叫电流换流。
■换流方式总结
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
◆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。
4.2.1 单相电压型逆变电路
a)
o
Um
O
t
-Um
io
O
Hale Waihona Puke t3 t1 t 2t4
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。
☞图4-2a是基本的负载换流逆变电路，整个 负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性， 直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有 脉动。
√负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小， 所以uo接近正弦波。
√注意触发VT2、VT3的时刻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。
7
4.1.2 换流方式分类
6
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
8
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
■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） 11
4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类
4
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
■以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理
◆ 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。
u o
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
◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开， S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。
◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 ◆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。
5
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
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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。
◆工作原理 ☞设开关器件V1和V2的栅极信号在一
个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二 者互补。
☞输出电压uo为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。
☞电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信 号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负 载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2 导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止， V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的 电流波形。