第4章无源逆变电路
逆变电路
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
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：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 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和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
电力电子技术基础课件：逆变电路
V2
VD1 VD2 VD1 VD2
逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
t3-t4:t3时刻电流过零边负，V2导通，负载电 流反向增加，输出电压uo =-Ud/2；
t4-t5:t4时刻V2关断，给V1驱动信号，由于 阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD1续流， 电流逐渐减小，输出电压uo =Ud/2；
通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术
第四章 逆变电路
4.2 单相逆变电路工作原理
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 单相电流型逆变电路
逆变电路
电压型逆变电路的特点
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、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 Ud
单相电流型逆变电路
iT
i VT1,4
i VT2,3
Id 0
tγ
uo/io
t
0
t1
Id t2 t3 t4
t5
tφ
t6 t7
t
tδ tβ
电流型逆变电路波形图
逆变电路
单相电流型逆变电路
t2-t4阶段：t2时刻四个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个回路LT1、VT1 、VT3 、LT3 和 LT2、VT2 、VT4 、LT4 放电；t4时刻VT1、VT4的 电流减小到零关断，直流侧电流Id全部转移到 VT2和VT3支路，换流结束。 。
VD3 VD4
u G1
0
t
u G2
0
t
u G3
q
0
t
u G4
0
t
uo io
chapter4习题
DC-AC变换器（无源逆变电路）一、学习目的：通过本章的学习，学者可以了解逆变器的电路结构、分类、特点及主要性能指标；对三种基本变换方式——方波变换、阶梯波变换、正弦波变换，有一定的认识；可以理解采用各种变换方式的逆变器的工作原理；了解空间矢量PWM控制的基本原理。
二、主要内容：1、基本概念DC-AC变换器是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压（或电流），并向无源负载（如电机、电炉、或其它用电器等）供电的电力电子装置，又称为无源逆变电路，常简称作逆变器（Inverter）。
完成直流电压变换的逆变器称为电压型逆变器，而完成直流电流变换的逆变器则称为电流型逆变器。
2、变换方式的分类（1）方波变换方式逆变器的交流输出有两种基本调制方式：脉冲幅值调制（PAM－Pluse Amplitude Modulation）和单脉冲调制（SPM－Single Pluse Modulation）。
所谓脉冲幅值调制（PAM）是指：逆变器的输出频率可由180°方波或120°方波（如图4-3b 所示）的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由输出方波的幅值即逆变器直流侧电压（或电流）的幅值来控制。
显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角恒定（180°方波或120°方波）。
所谓的单脉冲调制（SPM）是指：逆变器的输出频率仍由方波的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由逆变器输出方波的导通角进行控制，即可使导通角在0°～180°范围调节。
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。
（2）阶梯波变换方式（3）斩控调制方式：是指逆变器输出的调制脉冲幅值固定不变，而逆变器中的功率管以一定的控制规律进行调制。
斩控调制方式主要有以下二类即：①脉冲宽度调制（PWM）；②脉冲频率调制（PFM）3、逆变器的分类（1）按直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器（VSI－Voltage Source Inverter）和电流型逆变器（CSI－Current Source Inverter）。
电力电子技术-第4章逆变电路讲解
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。
电力电子整流逆变电路讲解
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'
第4章 无源逆变电路
I om
Ts Ud 4L
4.3.1 单相电压型逆变电路
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， u0=+Ud。 θ≤ωt≤π 期间， i0 为正值， T1 和 T4 才导 通。
π≤ωt≤π+θ 期间， T2 和 T3 有驱动信号，
本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在 本章集中讲述。
4-10
4.2.2 换流方式分类
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。
2) 电网换流（Line Commutation）
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-VSTI
4-17
4.3 电压型逆变电路· 引言
2）电压型逆变电路的特点
(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)输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同 而不同。
4-15
4.3 电压型逆变电路
4.3.1 单相电压型逆变电路 4.3.2 三相电压型逆变电路
4-16
4.3 电压型逆变电路· 引言
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
电感耦合式强迫换流
先使晶闸管电流减为零， 然后通过反并联二极管使其 加上反向电压。 也叫电流换流。
电力电子技术课后答案
电力电子技术课后答案第2章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：u AK >0且u GK >0。
2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
3. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 、I 、I 。
π4π4π25π4a)b)c)图1-431图1-43 晶闸管导电波形解：a)I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m=π2mI (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m=2mIπ2143+≈0.4767 I m b) I d2=π1⎰ππωω4)(sin t td I m=πmI (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t Im =22m I π2143+≈0.6741I mc) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41 I mI 3 =⎰22)(21πωπt d I m=21 I m4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56c) I m3=2 I = 314,I d3=41I m3=78.59. 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
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
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联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。
半桥逆变电路只适用于小功率பைடு நூலகம்变电路。
＋。
。 VD2 VT2
VT4
4.2.2 全－ 桥逆变电路(a)电路原理图
ug1,4
VT1
VD1
VT3
VD3 ug 2,3
t
Ud
C0
io 负载
。 VT2
－
uo
VD2
VT4
ug1,4 当 0 t (a)电T0路原2理期图间， VT1、4导通，VT2、3
uo VD4 Ud
U d io
（b）控制信号
t
T0
T0
t
2
（c）电压波形
ug2,3 关断，这时 u0 Ud
t
uo VT当2、T03导2（通bt），控T制0V信期T号1间、，4
C02
uo
ＶD2
。 补，即ug1>0时,ug2=0 ；
2
ug2>0时， ug1=0 。
－
ＶT2
（a）电路原理图
ug1
。2
1．输出电压－分析
ＶT2 （a）电路原理图
当 T0 2 t T0 期间，VT1导通， ug1
VT2关断，这时 u0 Ud 2
ug2
t
当 0 t T0 2期间，VT2导通，
DFn
Un U1n2
4．最低次谐波LOH（Lowest order harmonic）
其它性能指标：
（1）逆变效率； （2）单位重量（或体积）输出功率； （3）可靠性指标； （4）逆变电路输入电流交流分量的数值和脉动频率； （5）电磁干抗EMI及电磁兼容性EMC。
4.2 电压源单相方波逆变电路
4.2.1 半桥逆变电路
输出电路主要是滤波电路；对于隔离式逆变电路，还应包 含逆变变压器；对于闭环控制的逆变电路还应包括输出量检测 电路，使输出量反馈到控制电路。
4．辅助电路 包括辅助电源和保护电路等。
辅助电源是为电路中各个部分提供直流工作电压。
保护电路是防止在故障或非正常情况下电路受到破坏。
4.1.4 逆变电路输出波形性能指标
（2）根据输出交流电压的性质可分为恒频恒压正弦波逆变电路 和方波逆变电路，变频变压逆变电路，高频脉冲电压（电流） 逆变电路。 （3）根据逆变电路结构的不同可分为半桥式、全桥式和推挽式 逆变电路。 （4）根据所用电力电子器件的换流方式不同，可分为自关断、 强迫关断、电网换流（有源逆变电路）、负载谐振换流逆变电 路等。
实际应用中大都是采用单相或三相，单相逆变电路适用小 功率，三相逆变电路适用于中、大功率。
4.1.2 逆变电路的基本工作原理
当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；当 开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u0为负。
S1
uo
S3
Ud
负载
S2
S4
uo t
（b）
（a）
4.1.3 逆变电路的基本构成
VT1关断，这时 u0 Ud 2
uo
u0
2Uｄ sin nt n n1,3,5,…
式中， 2 f0 为输出电压基波
Ud 2
Ud 2
角频率；f0 1 T0为输出电压基 波频率。
io
（b）控制信号
t
T0
T0
t
2
（c）电压波形
输出电压的基波有效值
t1
t2 t3
t4
t5 t
U1
2Ud
2
0.45Ud
逆变电路输出交流电波形除基波外总含有谐波。
1．谐波系数HF（Harmonic factor）
HFn
Un U1
2．总谐波系数THD（Total harmonic distortion factor）
THD
1 U1
(
U
2 n
n2,3,4,…
1
)2
3．畸变系数DF（Distortion factor）
U Ln
Un
nL
1
1 Un
nC n22LC 1
nC
当1 nC nL ，则谐振频率0 1 LC n
U Ln
Un
n22 LC
Un
n2
0
2
Un
n 2
0
为了表征经LC滤波后负载电压波形还存在畸变的程度引
入畸变系数
1
DF
1 U1
n2,3,4,…
Un n2
2
2
对于第n次谐波的畸变系数
假定：
（1）电力电子开关器件无损耗、无时延，开关状态的切换在
瞬间完成；
（2）给逆变电路供电的为理想直流电压源，直流侧电压无脉
动且不受负载影响；
＋。
（3）负载为理想负载，
变压器和电抗器无直流
Ud
内阻、铁心不饱和。
2
直流侧大电容分压，且 Ud
ＶT1 C01
io 负载
ＶD1
CO1=CO2 ，控制信号互
Ud
ＶD1
注意：先断后通
ＶT1 ＶD2 ＶT2 ＶD1 （d）电感性负载电流波形
2．负载电流分析
（1）电阻负载 (电流电压波形一致） （2）电感性负载
可见，当VT1或VT2通态时，负载电流和电压同方向， 直流侧电源向负载提供能量。而当VD1或VD2通态时，负载 电流和电压反向，负载电流也在减小，电感中储存的无功能 量向直流侧反馈，并暂存在电容中，直流侧的电容器起着缓 冲无功能量的作用。
第4章 无源逆变电路
把直流电变换成交流电称为逆变。完成逆变功能的电路 叫逆变电路，实现逆变过程的装置称为逆变器。 ➢有源逆变 交流侧接在交流电网上 ➢无源逆变 交流侧直接和交流用电负载相接
教学要求: (1)掌握逆变电路的基本结构、工作原理和特点，PWM控制方 法的理论基础、波形生成方法，SPWM逆变电路的控制方式； (2)了解逆变电路的多电平化和多重化； (3)学会无源逆变电路的设计方法。
4.1 概 述
绝大多数逆变电路都采用全控型器件，小功率多用MOSFET, 中功率多用IGBT，大功率则用GTO。
4.1.1 逆变电路的类型
（1）根据输入直流电源的类型可分为电压源型逆变电路(VSI) 和电流源型逆变电路（CSI） 电压源型的输入端并接有大电容，是为了保证电压稳定， 形成平稳的直流电压，同时为交流侧无功电流提供通路； 电流源型的输入端串接有大电感，是为了保证电流稳定， 形成平稳的直流电流。同时也为来自逆变侧的无功电压分量 提供支撑，维持电路电压平衡，保证无功功率流传。
输入电路 DC
逆变主电路 AC
输出电路
驱动与控制电路
保护电路
1．逆变主电路：由开关器件等组成，是能量变换的主体。
2．驱动与控制电路：按照要求产生一系列的控制信号，对 主电路实现逆变控制，完成逆变电路的调压、调频或稳压、稳 频等功能。
3．输入、输出电路
输入电路是为了保证直流电源为恒压源或恒流源，必须设 置储能元件。电容元件能保证电压稳定，电感元件可保证电流 稳定。