单相桥式无源逆变电路

黄石理工学院课程设计

绪论

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW 甚至GW，也可以小到数W 甚至1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。此技术的应用已深入到国家经济建设，交通运输，空间技术，国防现代化，医疗，环保和人们日常生活的各个领域。进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛。以计算机为核心的信息科学将是21 世纪起主导作用的科学技术之一，有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两大支柱。

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子技术分为电力电子制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。其中，变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构

成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电路电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流变直流和交流变交流的变换。

将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，本课程设计主要介绍单相桥式无源逆变电路。

1 逆变器的性能指标与分类

1.1 有源逆变的基本定义及其应用

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。它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。

1.2 无源逆变电路的基本定义及应用

无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。

1.3 逆变器的性能指标

1.3.1 谐波系数HF

谐波系数HF 定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即

U HF =n

U

1（1-1）

式中n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1 时为基波。

1.3.2 总谐波系数THD

总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THD 定义为

THD =

1

U

1

∞

2

∑U n

n =2,3.4⋅⋅⋅

(1-2)

1.4 无源逆变电路的主要功能及工作原理

主要功能是将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。

基本的单相桥式无源逆变电路的工作原理如图1 所示，图中Ud 为直流电压电源，R 为逆变器输出负载，T1～T1 为四个高速开关。该电路有两种工作状态

（1）当开关T1、T4 闭合，T2、T3 断开时，逆变器输出电压u

0 =Ud；

（2）当开关T1、T4 断开，T2、T3 闭合时，逆变器输出电压u

0 =－Ud；

当以频率f

s交替切换开关T1、T4 和T2、T3 时，则在电阻R 上获得如图

所示的交变电压波形，其周期Ts=1/ f

s，这样，就将直流电压E 变成了交流电

压u0 。u0 含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。

图1-1 中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。

图1-1 单相桥式无源逆变电路的工作原理

o 2 主电路的设计

采用全控型器件——绝缘栅晶体管（IGBT）取代上图的T1 ，得到如下图2-1 所示的单相桥式无源逆变电路。从图中可看出，它由两对桥臂组合而成，VT1 和VT4 构成一对导电臂，VT2 和VT3 构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通180，其输出电压、输出负载波形如下所示。工作过程如下：

t=0 时刻以前，VT2、VT3 导通，VT1、VT4 关断，电源电压反向加在负载上，u0 =-Ud。

在t=0 时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断VT2、VT3，同时驱动VT1 、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经VD1、VD4 续流，

此时，由于VD1 、VD4 导通，VT1 、VT4 受反压而不能导通。负载电压u

0 =+Ud

图2-1 单相桥式无源逆变电路

图2-2 输出电压、输出电流

0 在 t=t 1 时刻，负载电流下降到 0，VD1、VD4 自然关断，VT1、VT4 在正向

电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压u 0 =+Ud 。

在 t=t 2 时刻负载电流上升到正的最大值，此时关断 VT1、VT4，并驱动 VT2、

VT3，同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经 VD2、VD3 续流，负载

电压 u 0 =-Ud 。

在 t= t 3 时刻，负载电流下降到 0，VD2、VD3 自然关断，VT2、VT3 开通，

负载电流反向增大时，u 0 =-Ud 。

在 t= t 4 时刻，负载电流上升到负的最大值，完成一个工作周期。

从图 2-2 知，单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将u 0 展开

成傅立叶级数，得

4U ⎛ 1 1 ⎫ u =

d s in ω + sin 3ωt + sin 5ωt + ⋯⋯⎪ π ⎝ 3 5 ⎭

（2-1）

其中，基波分量的幅值 Uolm 和有效值 Uol 分别为：

U = 4U d

≈ 1.27Ud

olm π

（2-2）

U =

2 2U d

≈ 0.9Ud

ol π

（2-3）