第5章 无源逆变电路
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无源逆变
自换流逆变电路 外部换流逆变电路 熄灭 采用自换流方式逆变的电路 采用外部换流方式逆变的电路
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
5.3 负载换流逆变电路
• 由于负载换流，通常是利用负载与换流电容构 成RLC回路，当电路满足谐振条件时，这类逆 变电路称为负载谐振式逆变电路，或简称谐振 式逆变器。 •根据换流电容和负载的连接方式不同可分为： •并联谐振式逆变器 •串联谐振式逆变器两种。
单相桥式整流
如何实现逆变？
整流
u2正半周， VT1和VT4通 u2负半周， VT2和VT3通
如何实现逆变？
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
Ud
S1 S i o 负载 3
i o t 1 t 2
1) 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。
u u
u
u
A
A
VT
1
2) 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。
u
uo Um O -U m i o O t t 1 2
V1
a)
t
t3 t 4
t t 5 6
V2 V1 V2
2
t
2
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
5.3 负载换流逆变电路
• 由于负载换流，通常是利用负载与换流电容构 成RLC回路，当电路满足谐振条件时，这类逆 变电路称为负载谐振式逆变电路，或简称谐振 式逆变器。 •根据换流电容和负载的连接方式不同可分为： •并联谐振式逆变器 •串联谐振式逆变器两种。
单相桥式整流
如何实现逆变？
整流
u2正半周， VT1和VT4通 u2负半周， VT2和VT3通
如何实现逆变？
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
Ud
S1 S i o 负载 3
i o t 1 t 2
1) 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。
u u
u
u
A
A
VT
1
2) 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。
u
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V1
a)
t
t3 t 4
t t 5 6
V2 V1 V2
2
t
2
电力电子技术5 逆变电路
通过分析，实现有源逆变的条件有两个，应同时满足。 （1）外部条件：要有一个能提供逆变能量的直流电源，且极性必须与
晶闸管的导通电流方向一致，其电压只要稍大于变流器直流侧的平均电 压Ud。 （的2极）性内与部整条流件状：态变时流相电反路，必才须能工把作直在流β功小率于逆9变00区为域交，流使功直率流反端送电电压网U。d 这两个条件缺一不可。 （3）串接大电感
电力电子技术
第五章 逆变电路
第五章 逆变电路
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
电力器件的换流方式 有源逆变电路 无源逆变电路 电压型逆变电路 电流型逆变电路 负载换流式逆变电路 脉冲宽度调制型逆变电路
第五章 逆变电路
在实际应用中，有些场合需要将交流电转变为大小 可调的直流电——即前面讲过的整流。有时还需要 将直流电转变为交流电——即为逆变。它是整流电 路的逆过程。在一定条件下，一套晶闸管电路既可 用于整流又可用于逆变，这种装置称为变流器。
亦增大，导致
5.2 有源逆变电路
2、重物下放，变流器工作于逆变状 反送电网，这就是有源逆变的工
态
作原理。
在整流状态，电流Id由直流电压Ud产 生，整流电压Ud的波形必须使正面积 大于负面积。当重物下放时，电动
机转速方向相反，产生的电动势E亦
反向，为了防止两电源顺向串接形
成短路，此时Ud方向也要反向，即控 制角大于900，Ud波形出现负面积大 于正面积变成负值，但由于E的作用，
如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流 电逆变成同频率的交流电反送到电网去，称为有源 逆变。它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电 动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方 面。如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接 接到负载，即将直流电逆变成为某一频率或可变频 率的交流电供给负载，称为无源逆变。它用于交流 电机变频调速、感应加热、不间断电源等方面。
晶闸管的导通电流方向一致，其电压只要稍大于变流器直流侧的平均电 压Ud。 （的2极）性内与部整条流件状：态变时流相电反路，必才须能工把作直在流β功小率于逆9变00区为域交，流使功直率流反端送电电压网U。d 这两个条件缺一不可。 （3）串接大电感
电力电子技术
第五章 逆变电路
第五章 逆变电路
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
电力器件的换流方式 有源逆变电路 无源逆变电路 电压型逆变电路 电流型逆变电路 负载换流式逆变电路 脉冲宽度调制型逆变电路
第五章 逆变电路
在实际应用中，有些场合需要将交流电转变为大小 可调的直流电——即前面讲过的整流。有时还需要 将直流电转变为交流电——即为逆变。它是整流电 路的逆过程。在一定条件下，一套晶闸管电路既可 用于整流又可用于逆变，这种装置称为变流器。
亦增大，导致
5.2 有源逆变电路
2、重物下放，变流器工作于逆变状 反送电网，这就是有源逆变的工
态
作原理。
在整流状态，电流Id由直流电压Ud产 生，整流电压Ud的波形必须使正面积 大于负面积。当重物下放时，电动
机转速方向相反，产生的电动势E亦
反向，为了防止两电源顺向串接形
成短路，此时Ud方向也要反向，即控 制角大于900，Ud波形出现负面积大 于正面积变成负值，但由于E的作用，
如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流 电逆变成同频率的交流电反送到电网去，称为有源 逆变。它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电 动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方 面。如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接 接到负载，即将直流电逆变成为某一频率或可变频 率的交流电供给负载，称为无源逆变。它用于交流 电机变频调速、感应加热、不间断电源等方面。
电力电子技术最新版配套习题答案详解第5章
目录第1章电力电子器件 (1)第2章整流电路 (4)第3章直流斩波电路 (20)第4章交流电力控制电路和交交变频电路 (26)第5章逆变电路 (31)第6章PWM控制技术 (35)第7章软开关技术 (40)第8章组合变流电路 (42)第5章逆变电路1．无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。
而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。
2．换流方式各有那几种？各有什么特点？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。
全控型器件采用此换流方式。
电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。
负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。
强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。
通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。
晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。
3．什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。
答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要特点是：①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为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，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路的主要特点是：①直流侧串联有大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
电力电子技术第5章 无源逆变电路方波
2π
iD2 iT2
ωt ωt
西南交通大学
uo
=
2U d p
(sin wt
+
1 3
sin
3wt
+
1 5
sin
5wt
+
1 7
sin
wt
+ L)
基波有效值Uo(1)
U o(1)
=
2U d p2
=
2U d p
特点：电路简单，使用的器件少；输出电压低，需要 两个直流电源。适用于小功率场合。
在实际应用中常用一个直流电压源与两个容量足够大 的电容器串联来代替带有中点的直流电压源。
西南交通大学
3）逆变电路在不同负载时的特点
+ T1
Ud/2
a
-
o
+
Ud/2 T4 -
T3
T5
b
c
T6
T2
+
+
uan
ubn
-
-
n
1.当逆变电路的负载是
三相对称电阻时，续流
二极管将不工作。或者
说电路中可以取消它。
此时：
+
id = iT1 + iT 3 + iT 5
ucn -
= iT 2 + iT 4 + iT 6
b
c
+
Ud/2 T4
T6
T2
-
+
+
+
-uno+
uan
ubn
ucn
-
-
-
n
西南交通大学
即，有如下关系成立：
《无源逆变电路》课件
无源逆变电路可用于电动汽车充电桩 中，将直流电能转换为交流电能，为 电动汽车充电提供方便。
无源逆变电路的重要性
提高能源利用效率
无源逆变电路能够实现电能的双向转换，提高能源的利用效率， 降低能源浪费。
促进可再生能源利用
无源逆变电路在分布式电源系统中的应用，能够促进可再生能源的 利用，减少对传统能源的依赖。
电流型无源逆变电路
总结词
通过电感或电容储能，利用半导体开关器件进行高速的导通和关断，将直流电能 转换为交流电能。
详细描述
电流型无源逆变电路采用电感或电容作为储能元件，通过半导体开关器件的高速 导通和关断，将直流电能转换为交流电能。其输出电流为矩形波，输出电压为正 弦波。
不同种类无源逆变电路的比较
统的可靠性和稳定性。
选用高质量器件
02
选用高质量的器件，如高品质的电容、电感等，提高系统的可
靠性和稳定性。
加强可靠性设计
03
采用冗余设计、容错设计等可靠性设计方法，提高系统的可靠
性和稳定性。
06
无源逆变电路的发展趋势与展望
高效能与低成本的发展趋势
高效能
随着电力电子技术的不断进步，无源逆 变电路的高效能发展趋势日益明显。通 过优化电路设计、采用先进的控制算法 等手段，不断提高无源逆变电路的能量 转换效率和电能质量，以满足各种应用 场景的需求。
复杂。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的无源逆变电路类型。
03
无源逆变电路的工作过程
电压型无源逆变电路工作过程
01
02
03
04
输入直流电压通过升压斩波电 路提高电压幅值。
提高后的直流电压作为逆变电 路的输入，经过全控开关器件
电力电子技术(第四版)课后答案
第5章逆变电路5.l.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同?答:两种电路的不同主要是:有源逆变电路的交流侧接电阿,即交流侧接有电源。
而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。
5.2.换流方式各有那儿种?各有什么特点?答:换流方式有4种:器件换流:利用全控器件的自关断能力进行换流。
全控型器件采用此换流方式。
电网换流:由电网提供换流电压,只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。
负载换流:由负载提供换流电压,当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时,可实现负载换流。
强迫换流:设置附加换流电路,给欲关断的晶闸管强追施加反向电压换流称为强迫换流。
通常是利用附加电容上的能量实现,也称电容换流。
晶闸管电路不能采用器件换流,根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。
5.3.什么是电压型逆变电路?什么是电流型逆变电路?二者各有什么特点？答:按照逆变电路直流测电源性质分类,直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路,直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要持点是:①直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为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,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路的主要特点是:①直流侧串联有大电感,相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流测电惑起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
无源逆变电路
u
o
U
m
+
V
O
t
U
1
d
VD
1
-Um
i
o
2
i
o
R
L
U
d
t O t
1
3
t
u
4
U
o
d
t
2
t
5
t
6
t
V2
2
2
VD
2
V1 VD
1
V VD
2
2
V1 VD
1
V
2
VD
a)
• V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量 • VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈
V4
VD 4
-
t3时刻V3和V4栅极信号再 次反向， V3截止， V4不能
34
V4
VD 4
-
+
V1 Ud C V2 VD1 R io L uo VD 2 V3 VD 3
t1时刻前V1和V4导通，输出电 压uo为ud t1时刻V3和V4栅极信号反向， V4截止，因io不能突变，V3不能 立即导通，VD3导通续流，因V1 和VD3同时导通，所以输出电压
V4
VD 4
-
u G1 O u G2 O u G3 O u G4 O uo io O io t1 t2 t3 uo
1
V VD
2
2
V VD
1
1
VD
2
u
o
+
m
U O
U
d
V
1
t
第5章-逆变电路
（2）当S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 （3）当S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
当变化两组开关切换频率，就可变化输出交流电频
率相也；位不若也同接相。电同阻；负若载阻时感，负负载载时电，i流o相io和位u滞o旳后波于形uo相，同波，形
如图所示，设t1前S1、S4通，则uo和io均为正。 若在t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，则uo旳极性变负，但io 不能立即反向且仍维持原方向；
交直交变频电路由交直变换（整流）和直交变换两部分构成， 后一部分就是逆变。
3. 应用
多种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等在向交流 负载供电时就需要逆变电路。
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力 电子装置旳关键部分都是逆变电路。
2024/9/22
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路旳基本工作原理 5.1.2 换流方式分类
优点：电路简朴，使用器件少。
缺陷电：容输器出串交联流，电须压控幅制值两仅者为电压Ud均/2衡，。且直流侧需要两个
应用： 常用于几kW下列旳小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路 旳组合。
2024/9/22
5.2.1 单相电压型逆变电路
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°。 输出电压和电流波形与半 桥电路形状相同，但幅值 高出一倍。 变化输出交流电压旳有效 值只能经过变化直流电压 Ud来实现。
2024/9/22
5.1.2 换流方式分类
4. 逼迫换流 举例：
设置附加旳换流电路，给欲关断旳晶闸管逼迫施加 反向电压或反向电流旳换流方式称为逼迫换流 (forced commutation), 这一般是利用附加电容上储存 旳能量来实现，故也称为电容换流。
当变化两组开关切换频率，就可变化输出交流电频
率相也；位不若也同接相。电同阻；负若载阻时感，负负载载时电，i流o相io和位u滞o旳后波于形uo相，同波，形
如图所示，设t1前S1、S4通，则uo和io均为正。 若在t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，则uo旳极性变负，但io 不能立即反向且仍维持原方向；
交直交变频电路由交直变换（整流）和直交变换两部分构成， 后一部分就是逆变。
3. 应用
多种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等在向交流 负载供电时就需要逆变电路。
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力 电子装置旳关键部分都是逆变电路。
2024/9/22
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路旳基本工作原理 5.1.2 换流方式分类
优点：电路简朴，使用器件少。
缺陷电：容输器出串交联流，电须压控幅制值两仅者为电压Ud均/2衡，。且直流侧需要两个
应用： 常用于几kW下列旳小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路 旳组合。
2024/9/22
5.2.1 单相电压型逆变电路
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°。 输出电压和电流波形与半 桥电路形状相同，但幅值 高出一倍。 变化输出交流电压旳有效 值只能经过变化直流电压 Ud来实现。
2024/9/22
5.1.2 换流方式分类
4. 逼迫换流 举例：
设置附加旳换流电路，给欲关断旳晶闸管逼迫施加 反向电压或反向电流旳换流方式称为逼迫换流 (forced commutation), 这一般是利用附加电容上储存 旳能量来实现，故也称为电容换流。
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第5章无源逆变电路
• • • • • • 5.1无源逆变电路的工作原理 5.2电压型逆变电路 5.3电流型逆变电路 5.4多重逆变器和多电平逆变器 5.5脉宽调制型逆变器 5.6 无源逆变电路的应用
5.1无源逆变电路的工作原理
• 5.1.1无源逆变基本工作原理 • 5.1.2换流方式分类 • 5.1.3 逆变电路的其他分类方式
5.5脉宽调制型逆变器
PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断 进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不 等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改 变逆变电路输出电压的大小，又可以改变输出电压 的频率。 • 5.5.1 PWM控制的基本原理 • 5.5.2 PWM逆变器及其优点 • 5.5.3 SPWM控制电路
图5- 8 180º 导电型三桥式 逆变电路的工作波形
表5-1 180º 导电型三相桥式逆变电路各阶段等效电路及相电压和线电压
5.2.3电压型逆变电路的特点
(1)直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动， 直流回路呈现低阻抗。 (2)由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波， 与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角 的不同而异，其波形接近三角波或接近正弦波。 (3)当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，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能量提供 通道，各逆变臂都并联了续流二极管。 (4)逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流 电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 (5)当逆变电路用于交-直-交变频器且负载为电动机时，如果 电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。 因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方 向来实现，这就需要给交-直整流桥再反并联一套逆变桥，或 在整流侧采用四象限脉冲变流器。
5.4多重逆变器和多电平逆变器
• 5.4.1多重逆变器 • 5.4.2多电平逆变器
5.4.1多重逆变器
如图 5-15(a) 所示， 逆变器Ⅰ和Ⅱ是电 路完全相同的两个 电压型逆变器，将 两变压器二次侧按 图 5-15(a) 所示方 法串联起来(图中 只画了A相)，则可 获得图 5-15(b) 所 示波形。通过傅氏 级数分析可知，该 输出相电压的波形 中不含11次以下 的谐波。
改变中频输出功率的大小。
2 (5-12) Ud 1 Po 1.23 2 由式(5-12) 可见，调节直流电压 Ud或改变逆变角，都能 cos R f
5.3.2电流型三相桥式逆变器
串联二极管式逆变器是电流型逆变器，性能优于电压型逆 变器，主要用于中大功率交流电动机调速系统。图5-12即为 其主电路，VT1~VT6组成三相桥式逆变器，C1~C6为换流电 容，VD1~ VD 6为隔离二极管，其作用是防止换流电容直接 通过负载放电。Za、Zb、Zc为电动机三相负载。该逆变器为 120导电型，与三相桥式整流相似，任意瞬间只有两只晶闸 管同时导通，电动机正转时，管子的导通顺序为VT1~VT6， 触发脉冲间隔为60，每个管子导通120电角度。
图5-12 串联二极管式电流型三相桥式逆变电路
(1)换流前 (2)晶闸管换流 (3)二极管换流 (4)正常运行
图5-13 串联二极管式逆变电路换流过程
图5-14为电流型三相桥式 逆变电路的输出波形。由于 在换流期间引起电动机绕组 中电流的迅速变化，在绕组 漏感中产生感应电动势，叠 加在原有电压上，所以在电 流型逆变器输出的近似正弦 波的电压波形上，出现换流 尖峰电压(毛刺)，其数值较 大，在选择晶闸管耐压时必 须考虑。
5.2.1电压型单相桥式逆变器
1．半桥逆变电路
图5-5 电压型单相半桥逆变电路及其工作波形
2．单相全桥逆变电路
图5-6 单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将uo 展 开成傅氏级数，得
4U d 1 1 uo sin t sin 3t sin 5t 3 5 其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分别为
图5-10 并联谐振式逆变电路的换流过程
图5-11 并联谐振式逆变电路的工作波形
为了保证可靠换相，应在负载电压uo过零前tf时刻触发 VT2、VT3，tf称为触发引前时间。从图5-11可知：
t f t t
式中，一般取t＝(2~3) tq。 从图5-11还可知，为了关断已导通的晶闸管实现换流，必 须使整个负载电路呈现容存性，使流入负载电路的电流基波 分量io1超前uo中频电压，负载电流超前负载电压的时间t
5.1.1无源逆变基本工作原理
该电路有两种工作 状态： (1) S1、S4闭合， S2、S3断开，加在负 载R上的电压为左正 右负，输出电压 uo=Ud； (2) S2、S3闭合， S1、S4断开，加在负 载R上的电压为左负 右正，输出电压uo= －Ud。
图5-1单相桥式逆变电路工作原理
5.1.2换流方式分类
(5-1)
U o1m
4U d
1.27U d
(5-2)
(5-3)
U o1
2 2U d
0.9U d
5.2.2电压型三相桥式逆变器
电压型三相桥式逆变电路如图5-7所示。
图5-7 电压型三相桥式逆变电路
就180º 导电型进行分析。
180º 导电型三桥式逆变电路 的工作波形如图5-8所示。 为分析方便，将一个工作周 期分为6个区间，每区间占 60º 。每隔60º 的各阶段等值电 路图形及相电压、线电压的 数值如表5-1所示。表中，负 载为三相星形对称负载： Za＝Zb＝Zc
5.5.1 PWM控制的基本原理
正弦波脉宽调制的控制思 想是利用逆变器的开关元 件，由控制线路按一定的 规律控制开关元件是否通 断，从而在逆变器的输出 端获得一组等幅、等距而 不等宽的脉冲序列。 SPWM 控制方式就是对逆 变电路开关器件的通断进 行控制，使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相 等的脉冲，用这些脉冲来 代替正弦波或者其他所需 要的波形。
I o1 2 2 I d 0.9 I d
P o U d I d U o I o1 cos
(5-9) (5-10)
所以
Uo
Ud Id U 1.11 d Ud I o1 cos 2 2 cos cos
中频输出功率为
2 (5-11) Uo Po 式中，Rf为对应于某一逆变角 负载阻抗的电阻分量。将 Rf 式(5-10)代入上式得
(5-4)
Байду номын сангаас
(5-5) 因此，负载的功率因数角，即电流超前电压的相位角为 式中，为电路的工作角频率。
t 2 t
t t t 2
(5-6)
3．中频电流、电压和输出功率的计算 忽略换相重叠时间t，则中频负载电流io为交变矩形波， 用傅氏级数展开得 4I 1 1 io d sin t sin 3t sin 5t (5-7) 3 5 上式中基波电流有效值为 (5-8) 忽略逆变电路的功率损耗，则逆变电路输入的有功功率即直 流功率等于输出的基波功率(高次谐波不产生有功功率)，即
图5-3 直接耦合式强迫换流原理图
图5-4 电感耦合式强迫换流原理图
5.1.3 逆变电路的其他分类方式
(1)根据输入直流电源特点分 类 ① 电压型： 电压型逆变器的输入端并接 有大电容，输入直流电源为 恒压源，逆变器将直流电压 变换成交流电压。 ② 电流型： 电流型逆变器的输入端串接 有大电感，输入直流电源为 恒流源，逆变器将输入的直 流电流变换为交流电流输出。 (2)根据电路的结构特点分类 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。 (3)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
图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形
5.3.3电流型逆变器的特点
(1)直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动， 由于大电感抑流作用，直流回路呈现高阻抗，短 路的危险性也比电压型逆变电路小得多。 (2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通 路径，因此交流侧输出的电流为矩形波，与负载 性质无关。而交流侧电压波形因负载阻抗角的不 同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用不能反向，故 不必给开关器件反并联二极管，电路相对电压型 也较简单。
(3)负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。
图5-2 负载换流电路及其工作波形
(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。 强迫换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电 容换流。 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称 为电感耦合式强迫换流。
5.3电流型逆变电路
• 5.3.1电流型单相桥式逆变器 • 5.3.2电流型三相桥式逆变器 • 5.3.3电流型逆变器的特点
5.3.1电流型单相桥式逆变器
1．电路结构
图 5-9(a) 所示是一种单相桥式电流型逆变电路的原理图。电 路由四个晶闸管桥臂构成，每个桥臂均串联一个电抗器LT， 用来限制晶闸管的电流上升率di/dt。桥臂1、4和桥臂2、3 以1 000~2 500Hz的中频轮流导通，从而使负载获得中频交 流电。 图5-9(a)中的负载是一个中频电炉，如图5-9(b)所示实际上是 一个电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。
5.2电压型逆变电路
按照直流侧电源性质，逆变电路可分为电压型 逆变电路和电流型逆变电路两类，直流侧电源是电 压源的逆变电路称为电压型逆变电路，而直流侧电 源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 • 5.2.1电压型单相桥式逆变器 • 5.2.2电压型三相桥式逆变器 • 5.2.3电压型逆变电路的特点
• • • • • • 5.1无源逆变电路的工作原理 5.2电压型逆变电路 5.3电流型逆变电路 5.4多重逆变器和多电平逆变器 5.5脉宽调制型逆变器 5.6 无源逆变电路的应用
5.1无源逆变电路的工作原理
• 5.1.1无源逆变基本工作原理 • 5.1.2换流方式分类 • 5.1.3 逆变电路的其他分类方式
5.5脉宽调制型逆变器
PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断 进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不 等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改 变逆变电路输出电压的大小，又可以改变输出电压 的频率。 • 5.5.1 PWM控制的基本原理 • 5.5.2 PWM逆变器及其优点 • 5.5.3 SPWM控制电路
图5- 8 180º 导电型三桥式 逆变电路的工作波形
表5-1 180º 导电型三相桥式逆变电路各阶段等效电路及相电压和线电压
5.2.3电压型逆变电路的特点
(1)直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动， 直流回路呈现低阻抗。 (2)由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波， 与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角 的不同而异，其波形接近三角波或接近正弦波。 (3)当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，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能量提供 通道，各逆变臂都并联了续流二极管。 (4)逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流 电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。 (5)当逆变电路用于交-直-交变频器且负载为电动机时，如果 电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。 因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方 向来实现，这就需要给交-直整流桥再反并联一套逆变桥，或 在整流侧采用四象限脉冲变流器。
5.4多重逆变器和多电平逆变器
• 5.4.1多重逆变器 • 5.4.2多电平逆变器
5.4.1多重逆变器
如图 5-15(a) 所示， 逆变器Ⅰ和Ⅱ是电 路完全相同的两个 电压型逆变器，将 两变压器二次侧按 图 5-15(a) 所示方 法串联起来(图中 只画了A相)，则可 获得图 5-15(b) 所 示波形。通过傅氏 级数分析可知，该 输出相电压的波形 中不含11次以下 的谐波。
改变中频输出功率的大小。
2 (5-12) Ud 1 Po 1.23 2 由式(5-12) 可见，调节直流电压 Ud或改变逆变角，都能 cos R f
5.3.2电流型三相桥式逆变器
串联二极管式逆变器是电流型逆变器，性能优于电压型逆 变器，主要用于中大功率交流电动机调速系统。图5-12即为 其主电路，VT1~VT6组成三相桥式逆变器，C1~C6为换流电 容，VD1~ VD 6为隔离二极管，其作用是防止换流电容直接 通过负载放电。Za、Zb、Zc为电动机三相负载。该逆变器为 120导电型，与三相桥式整流相似，任意瞬间只有两只晶闸 管同时导通，电动机正转时，管子的导通顺序为VT1~VT6， 触发脉冲间隔为60，每个管子导通120电角度。
图5-12 串联二极管式电流型三相桥式逆变电路
(1)换流前 (2)晶闸管换流 (3)二极管换流 (4)正常运行
图5-13 串联二极管式逆变电路换流过程
图5-14为电流型三相桥式 逆变电路的输出波形。由于 在换流期间引起电动机绕组 中电流的迅速变化，在绕组 漏感中产生感应电动势，叠 加在原有电压上，所以在电 流型逆变器输出的近似正弦 波的电压波形上，出现换流 尖峰电压(毛刺)，其数值较 大，在选择晶闸管耐压时必 须考虑。
5.2.1电压型单相桥式逆变器
1．半桥逆变电路
图5-5 电压型单相半桥逆变电路及其工作波形
2．单相全桥逆变电路
图5-6 单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将uo 展 开成傅氏级数，得
4U d 1 1 uo sin t sin 3t sin 5t 3 5 其中基波分量的幅值Uo1m和有效值Uo1分别为
图5-10 并联谐振式逆变电路的换流过程
图5-11 并联谐振式逆变电路的工作波形
为了保证可靠换相，应在负载电压uo过零前tf时刻触发 VT2、VT3，tf称为触发引前时间。从图5-11可知：
t f t t
式中，一般取t＝(2~3) tq。 从图5-11还可知，为了关断已导通的晶闸管实现换流，必 须使整个负载电路呈现容存性，使流入负载电路的电流基波 分量io1超前uo中频电压，负载电流超前负载电压的时间t
5.1.1无源逆变基本工作原理
该电路有两种工作 状态： (1) S1、S4闭合， S2、S3断开，加在负 载R上的电压为左正 右负，输出电压 uo=Ud； (2) S2、S3闭合， S1、S4断开，加在负 载R上的电压为左负 右正，输出电压uo= －Ud。
图5-1单相桥式逆变电路工作原理
5.1.2换流方式分类
(5-1)
U o1m
4U d
1.27U d
(5-2)
(5-3)
U o1
2 2U d
0.9U d
5.2.2电压型三相桥式逆变器
电压型三相桥式逆变电路如图5-7所示。
图5-7 电压型三相桥式逆变电路
就180º 导电型进行分析。
180º 导电型三桥式逆变电路 的工作波形如图5-8所示。 为分析方便，将一个工作周 期分为6个区间，每区间占 60º 。每隔60º 的各阶段等值电 路图形及相电压、线电压的 数值如表5-1所示。表中，负 载为三相星形对称负载： Za＝Zb＝Zc
5.5.1 PWM控制的基本原理
正弦波脉宽调制的控制思 想是利用逆变器的开关元 件，由控制线路按一定的 规律控制开关元件是否通 断，从而在逆变器的输出 端获得一组等幅、等距而 不等宽的脉冲序列。 SPWM 控制方式就是对逆 变电路开关器件的通断进 行控制，使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相 等的脉冲，用这些脉冲来 代替正弦波或者其他所需 要的波形。
I o1 2 2 I d 0.9 I d
P o U d I d U o I o1 cos
(5-9) (5-10)
所以
Uo
Ud Id U 1.11 d Ud I o1 cos 2 2 cos cos
中频输出功率为
2 (5-11) Uo Po 式中，Rf为对应于某一逆变角 负载阻抗的电阻分量。将 Rf 式(5-10)代入上式得
(5-4)
Байду номын сангаас
(5-5) 因此，负载的功率因数角，即电流超前电压的相位角为 式中，为电路的工作角频率。
t 2 t
t t t 2
(5-6)
3．中频电流、电压和输出功率的计算 忽略换相重叠时间t，则中频负载电流io为交变矩形波， 用傅氏级数展开得 4I 1 1 io d sin t sin 3t sin 5t (5-7) 3 5 上式中基波电流有效值为 (5-8) 忽略逆变电路的功率损耗，则逆变电路输入的有功功率即直 流功率等于输出的基波功率(高次谐波不产生有功功率)，即
图5-3 直接耦合式强迫换流原理图
图5-4 电感耦合式强迫换流原理图
5.1.3 逆变电路的其他分类方式
(1)根据输入直流电源特点分 类 ① 电压型： 电压型逆变器的输入端并接 有大电容，输入直流电源为 恒压源，逆变器将直流电压 变换成交流电压。 ② 电流型： 电流型逆变器的输入端串接 有大电感，输入直流电源为 恒流源，逆变器将输入的直 流电流变换为交流电流输出。 (2)根据电路的结构特点分类 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。 (3)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
图5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形
5.3.3电流型逆变器的特点
(1)直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动， 由于大电感抑流作用，直流回路呈现高阻抗，短 路的危险性也比电压型逆变电路小得多。 (2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通 路径，因此交流侧输出的电流为矩形波，与负载 性质无关。而交流侧电压波形因负载阻抗角的不 同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用不能反向，故 不必给开关器件反并联二极管，电路相对电压型 也较简单。
(3)负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。
图5-2 负载换流电路及其工作波形
(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。 强迫换流通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电 容换流。 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称 为电感耦合式强迫换流。
5.3电流型逆变电路
• 5.3.1电流型单相桥式逆变器 • 5.3.2电流型三相桥式逆变器 • 5.3.3电流型逆变器的特点
5.3.1电流型单相桥式逆变器
1．电路结构
图 5-9(a) 所示是一种单相桥式电流型逆变电路的原理图。电 路由四个晶闸管桥臂构成，每个桥臂均串联一个电抗器LT， 用来限制晶闸管的电流上升率di/dt。桥臂1、4和桥臂2、3 以1 000~2 500Hz的中频轮流导通，从而使负载获得中频交 流电。 图5-9(a)中的负载是一个中频电炉，如图5-9(b)所示实际上是 一个电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。
5.2电压型逆变电路
按照直流侧电源性质，逆变电路可分为电压型 逆变电路和电流型逆变电路两类，直流侧电源是电 压源的逆变电路称为电压型逆变电路，而直流侧电 源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 • 5.2.1电压型单相桥式逆变器 • 5.2.2电压型三相桥式逆变器 • 5.2.3电压型逆变电路的特点