电力电子技术-4.1单相方波电压逆变

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。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 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。
4-6
4.2 电压型逆变电路
输出电压分析
基波幅值：U 01 m
4U d
u0

n
4U n
d
sin n t
(n 1,3,5, )

1 . 27 U d
不可调
基波电压有效值： 谐波相对幅值： 总谐波失真度THD：
THD
U 0 1 rm s
Cn U 0 nm U 01 m U 0 nm 4U d /
100 10
2
1 0 0 0W
I0
IV
U0 R
I0 2

100 10
10 A
5A
THD
U 0 U 01
2 2

0 .5 0 .4 5
2
2
4 8 .4 %
4-11
U 01
0 .4 5
4.2.1 单相电压型方波逆变电路
优点：电路简单，使用器件少。 缺点： 输出交流电压幅值为 Ud/2，基波有效值为
4-18
4.2.1 单相电压型逆变电路的调压
阻感负载时，还可采用移 相的方式来调节输出电压 －移相调压。
V3的栅极信号比V1落后 （0＜ ＜180 °）。V3、 V4的栅极信号分别比V2、 V1的前移180°－。输 出电压是正负各为的脉 冲。 改变就可调节输出电压。
单相全桥逆变电路的 移相调压方式
u0
t
Ud
0
u d i d u 0 1i0 1 交流功率幅值与直流功率相当，回
i 01 u 01
强制换流
馈时注入直流电网，直流侧必须有 1 i足够的吸收能力以保持直流电压基 1 2U 0 1 sin t 2 I 0 1 sin t d Ud 本恒定。一般直流侧须并联一大容 U 01 U 01 量的电容器。
第4章 逆变电路 • 引言【原第5章】
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。 本章讲述无源逆变 交流侧接负载，为无源逆变。
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。
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。
1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
直流侧是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI
4-7
4-13
单相方波逆变电路工作特点 臂内换流：电流在同一
导电桥臂内器件间转移。 输出电压波形与负载无关，恒为交变方波；输出电流波 电流过零时换流，称为 形与负载性质和参数有关。 自然换流。 臂间换流：电流在 输出电压含奇次 u 不同桥臂间转移。 谐波，幅值随谐 电流非零时换流， u U i 波次数增加递减。 称为强制换流。
4-2
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。
uo
S1 Ud io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
b)
逆变电路及其波形举例
4-3
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。
2 1 4
u 0关 断 UDd 流D 0 流 ， V, DV， 断 < 0 , 通 : 电 t , 准备 V , 导, , 过续 流 , D 1关 i 0 V V
4 2
4 2 2 4
i1
0

i2


t
u 0 关 U ， D 1D 续 流 , V2， i 0准0备 V 4 断 d : 1 , t 1 ,V 3 > , u 0 0 : 2 3 t 3， i 0 > 0 , V1 ,V 3导 通 流 过 电 流 ， D 1 , D 3 关 断 , V 3 关 断 ， V1 , D 2 续 流
2
[a
n 1

n
co s n t b n sin n t ]
a0 0, an 0 1 0 U d bn 2 sin n t d t 输 出 电 压 u0


0
Ud
2U d sin n t d t , n 1, 3, 5, 2 n
直流电
交流电
4-4
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
逆变电路最基本的工作 原理 ——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。
a) uo
io
t1 t2
t b)
逆变电路及其波形举例
4-5
4.1.2 换流方式分类【阅读】
Ud I 0 1 co s 1 Ud I 0 1 co s( 2 t 1 )
i0
0
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
自然换流

t


t
p
0
pAC
p0
P DC
t
T D
13 13 24
24
基波功率瞬时值包含直流分量和交流分量
p 01 U 01 I 01 cos 1 U 01 I 01 cos( 2 t - 1 ) PDC p AC
4-16
例：单相桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负 载电阻10W，求
输出电压基波有效值； 输出功率； 功率管每管电流平均 值；总谐波失真度THD
U 0 1 rm s 4U d 2 0 .9U d 0 .9 2 0 0 1 8 0V
2
U 0 U d 2 0 0V , P0 U 0 / R
200 10
2
4 0 0 0W
I0
IV
U0 R
I0 2

200 10
20 A
10 A
THD
U 0 U 01
2 2

1 0 .9
2
2
4 8 .4 %
4-17
U 01
0 .9
讨论
对相同的直流电压输入，半桥和全桥方波逆变每 功率管承受的阻断电压相同，但全桥输出功率是 半桥的4倍，电流、电压基波分量均为半桥的1倍。 两种逆变器输出的总谐波失真度相同。 输出电压频率可通过调节开关周期连续调节。
u g1 =-u
D2 B D3
0
g4 t g2
ud
u g3 =-u u0
0
全桥移相式电路电量波形
t
Ud
i 01

u 01
t
全桥式电路结构
i0
0

u 0 － U d d : : 3 t 5 4， <00> 0 , t ， i0 i , －U 4 0
4-8
4.2.1 单相电压型方波逆变电路
1）半桥逆变电路 V1和V2栅极信号在一周 工作原理 实际因功率管关断 期内各半周正偏、半周反 不能瞬时完成，为防 偏，两者互补，输出电压 止电源经功率管短路， uo为矩形波，幅值为 上下管交替导通间须 Um=Ud/2。 插入死区保证先关后 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。
n 1,3 ,5 ,


2U d n
sin n t
基波有效值 输出电流
i0
U 0 1 rm s
2U d 2
0 .4 5U d
sin n ω t n ,
n 1,3 ,5 ,


2U d n R L
2 2
n tg
1
n L R
4-10
g13 感性负载 0 0 d 01 0
t
P id Cd A T4 N i T1 i1 D1 i 0 ,u 0 R 0 L0 D4 T3 T2 i2 D2 B D3
i0
0
1

u 01

t
自然换流 强制换流


t
ud
p
0
pAC
p0
P DC
t
全桥式电路结构
T D
13 13 24
24
4-14

U 01m 2
1 n
0 .9U d
n 1 , 3 , 5 .
1 U 01 m

U
2 0 nm

n2
C
n2

2 n
单相方波逆变Cn
1
n
,TH D 4 5 .2 %
谐波含量较高
4-15
忽略损耗，对阻感负载，当开关频率足够高时，主要考虑输出 的基波正弦量，则有： u
g13 感性负载 0
0.45Ud， 且直流侧需两电容器串联，要控制两者电 压均衡。
应用：
用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电 路的组合。
4-12
单相电压型方波全桥逆变电路
2) 全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥 电路组合而成。
两对桥臂交替导通180°。 输出电压合电流波形与半 桥电路形状相同，幅值高 出一倍。 改变输出交流电压的有效 值只能通过改变直流电压 Ud来实现。 重复频率和脉宽由控制极信 号决定，幅值由直流电源电 压决定。
4-1
Introduction
DC-to-ac converters are knows as inverters. The function of an inverter is to change a dc input voltage to a symmetric ac output voltage of desired magnitude and frequency. The output voltage could be fixed or variable frequency. A variable output voltage can be obtained by varying the input dc voltage and maintaining the gain of the inverter constant. On the other hand, if the dc input voltage is fixed and it is not controllable, a variable output voltage can be obtained by varying the gain of the inverter, which is normally accomplished by pulsewidth-modulation (PWM) control within the inverter.
4.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路的特点
(3)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。
(1)直流侧为电压源或 并联大电容，直流侧电 压基本无脉动。
(2)输出电压为交流方波，输出 电流因负载阻抗不同而不同。
电压型全桥逆变电路
u G1 O u G2 O u G3 O u G4 O uo io O a) t
?
t
t t io t 1 t2 b) t3 uo
t
4-19
相移式方波逆变电路
P id Cd A R0 V4 N D4 i V1 i1 D1 i 0 ,u 0 L0 V3 V2 i2
电路工作模式：改变移相角即改 变输出电压基波有效值
开
u o Um O -Um io a)
t
单相半桥电压型逆变电路及其 工作波形
4-9
t 3 t4 O t t t5 t6 1 2 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
t
输出电压有效值
u0 a0 2
U 0 rm s
2 T0
T0

2 0
U Ud dt d 2 2
例：单相半桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V， 负载电阻10W，求
输出电压基波有效值； 输出功率； 功率管每管电流平均值； 总谐波失真度THD
U 0 1 rm s
U0 Ud 2
2U d 2
0 .4 5U d 0 .4 5 2 0 0 9 0V
2
1 0 0V , P0 U 0 / R