第4章 逆变电路分析与实践
第四章有源逆变讲解
2021/4/13
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4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
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概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
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4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
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有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
实验四：逆变电路
实验四：逆变电路（一）实验目的1、掌握单相电压型逆变电路的工作特性；2、掌握电流滞环型单相PWM逆变电路的工作特性3、掌握不同控制方式下调制信号的生成方法。
（二）实验原理（1）单相电压型逆变电路原理电压源单相方波逆变电路可以是推挽式或桥式的，后者的应用更加广泛。
桥式电路又分为全桥和半桥，二者原理类似，这里以单相全桥方波逆变电路为例进行分析。
单相全桥逆变电路，如图1所示。
图1单相全桥逆变电路按照如图1所示的参考方向，假定电路已进入稳态。
在t0时刻，S1、S3的门极驱动信号到达，同时S2、S4因门极信号撤除而关断，输出电压为Ud，由于负载的电感性质，负载电流滞后输出电压一个角度，在此期间负载电流为负，这意味着在t0时刻负载电流从S2、S4切换到桥臂对管S1、S3的反并联二极管D1、D3，这一过程称为强制换流。
此后负载电感的磁场储能向直流母线馈送，负载电流的绝对值指数下降，直到负载电流过零。
在t1时刻，负载电流达到零值并开始转变方向与uo同向，电流从桥臂二极管Dl、D3自然转移到同桥臂的S1、S3，这一过程称为自然换流。
此后能量从直流母线向负载传递，负载电流指数上升，直到开关状态改变。
单相方波逆变电路，在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。
SPWM采用的调制波为频率为f s的正弦波u s=U sm sinωg tωs=2πf g载波u c是幅值为U cm，频率为f c的三角波。
载波信号频率f c与调制信号频率f之比称为载波比，可以用P来表示，即P =f c/f s正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比可以定义为调制深度mm =U sm/U cm通常采用u s与u c相比较的方法生成PWM信号:当u s>u c时，功率开关S1、S3导通，逆变电路输出电压uo等于Ud；当u s<u c时，S2、S4导通时，uo等于-Ud。
随着开关管以载波频率f c轮番导通，逆变器输出电压uo不断在正负Ud 间切换。
有源逆变电路-电子课件
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第四章 有源逆变电路
三、有源逆变的工作原理
1．逆变的产生条件
以单相桥式可控整流电路代替发电机给电动 机供电，如图所示。
第四章 有源逆变电路
a）
b）
有源逆变原理图
c）
第四章 有源逆变电路
实现有源逆变必须同时满足两个条件： （1）要有直流电动势，其极性和晶闸管导通 方向一致，且其值大于变流器直流侧平均电压,才 能提供逆变能量。
三相半波有源逆变电路VT1触发脉冲
第四章 有源逆变电路
三相半波有源逆变电路VT1端电压
第四章 有源逆变电路
三相半波有源逆变各电量的计算：
第四章 有源逆变电路
由晶闸管的单向导电性可知，逆变时电流的 方向与整流时一样。
通过电流的方向和电源的极性可以看出，电
动机反电势E供出能量，变压器吸收直流电能，把
第四章 有源逆变电路
ud两端的波形
第四章 有源逆变电路
晶闸管VT1两端承受的电压波形
第四章 有源逆变电路
三相桥式有源逆变各电量的计算：
第四章 有源逆变电路
§4-3 逆变失败与逆变角的限制
学习目标
1.了解逆变失败的原因和对逆变角限制。 2.学会通过故障现象、故障波形检修线路。
第四章 有源逆变电路
（2）晶闸管的控制角α >90o，使Ud为负值，
才能把直流功率逆变为交流功率返送电网。
第四章 有源逆变电路
2．逆变角
变流器工作在逆变状态时，控制角α >90°，
cosα <0，平均输出电压Ud为负值。为便于计算，令
β =π －α ，称为逆变角。 α 和β 是从两个方向表示晶闸管的触发导通时
刻，表示的是相同的一个点。
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。
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4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
第4章_DC-AC变换技术
ua
ub
uc
ua
ub
O
wt
=
3
=
4
=
6
ud uab uac ubc u ba uca u cb uab uac u bc uba u ca u cb u ab u ac u bc u ba u ca ucb u ab u ac u bc
wt1 wt2 wt3
O
wt
=
3
=
4
=
6
图4-10 三相桥式相控有源逆变电路工作波形
√也叫电感耦合式强迫换流。
■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。
4.2 相控有源逆变电路
4.2.1 有源逆变的工作原理和实现的条件 4.2.2 三相相控有源逆变电路 4.2.3 逆变失败及最小逆变角的限制
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。
20
4.3.1 电压型单相无源逆变电路
图4-14 电压型单相全桥逆变电路原理图与工作波形
21
4.3.1 电压型单相无源逆变电路
图4-15 单相全桥逆变电路的移相调压方式
22
4.3.2 电流型单相无源逆变电路
个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容
ω t 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
ω t 小，所以uo接近正弦波。
ωt
第四章 逆变 电力电子技术PPT课件
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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。
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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
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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
第四章~NTERVER部分电路分析
第四章 INTERVER部分电路分析Inverter即逆变器，又叫电压升压板。
它是专为Panel的背光灯提供工作电源的。
Panel用的背光灯采用的是冷阴极荧光灯管（CCF），该灯管的工作电压很高，正常工作时的电压为600～800V，而启动电压则高达1500～1800V，工作电流则为5～9mA。
因此Inverter需要有如下功能：1.能够产生1500V以上的高压交流电，并且在短时间内迅速降至800V左右，这段时间约持续1-2S，电压的曲线如图4-1所示；图4-1 Inverter输出电压变化波形2.由于Inverter提供电流的大小将影响冷阴极荧光灯管的使用寿命，因此输出的电流应小于9mA，需要有过流保护功能；3.出于使用的考虑，要有控制功能，即在显示暗画面的时候，灯管不亮，该控制信号可以由主板上的MCU或GmZan1提供；Inverter是一种DC TO AC的变压器，它其实与Adapter是一种电压逆变的过程。
Adapter是将市电电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而Inverter是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了目前用得比较多的脉宽调制（PWM）技术，其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，Inverter 则采用TL5001芯片。
TL5001的工作电压范围3.6～40V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。
以下是TL5001的引脚定义：Pin1：脉冲电压输出端； Pin2：电源供电端；Pin3：内部误差放大器输出端； Pin4：回馈电压输入端；Pin5：过流（短路）保护端； Pin6：死区（过压）保护端；Pin7：振荡输入端； Pin8：接地端。
TL5001的输出同样可以用于驱动MOS开关管工作。
附图3为Inverter工作电路图。
以下将对Inverter的工作原理进行简要分析。
第四章DC-AC变换器无源逆变电路2
4.2.3 电压型正弦波逆变器
2.正弦脉冲宽度调制的基本问题
3）同步调制 ② ③
u
由于载波比N保持一定，当fr变化时，一个调制波周期中的脉冲数将 固定不变。 当载波比N为奇数时，一个调制波正、负半个周期以及半个周期中 的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。 u u u u u
u
c
r
c
r
O
o
wt
ωt
u uc ur uc
r
o
ωt
o
ωt
u
u
p
p
o
ωt
a)
o
ωt
a) fr ＝fr1
b) fr＝f r2
b)
不同调制波频率fr (fr1﹥f r2)时的异步调制SPWM波形
4.2.3 电压型正弦波逆变器
2.正弦脉冲宽度调制的基本问题
2）异步调制
当fr较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称 产生的不利影响都较小 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲 不对称的影响就变大 • • 采用异步调制时，SPWM的低频性能好，而高频性能较 差。 因此采用该方式时希望采用较高的fc，即在一个调制信号 周期内所包含的三角载波的个数较多，从而弥补脉冲不 对称造成的影响。
U
不等幅PWM波
o
ωt
输入电源是交流 等幅和不等幅PWM波的本质都是基于面积相等 进行控制的。 如果电源是电流源，则也可以得到PWM电流波
4.2.3 电压型正弦波逆变器
1.电压型正弦波逆变器的基本原理
PWM波可等效的各种波形 直流斩波电路 直流波形 SPWM波 正弦波形 等效成其他所需波形，如:
20V
4.2.3 电压型正弦波逆变器
第4章 逆变电路(1)讲解
2019/6/19
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2. 按逆变器电路结构不同分为：
单相半桥
单相全桥
推挽逆变
3. 按开关器件不同及换流关断方式不同可分为：
半控型逆变器
全控型逆变器
4. 按逆变器输出波形的不同逆变器可分为：
Dc8
ic
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但是随着电平数的增加，直流侧串联电容也是 随之增加，因此还要考虑各电容电压之间的平衡 问题，这也是多电平逆变电路发展中的一个难点 ，和研究的关键点。
那么采用什么方法来控制这些逆变电路中的开 关管的通断，使得输出接近正弦波，目前常用的 方法就是PWM控制方法。
Sa3
Vdc2 C2
Db2 Sb3
Dc2 Sc3
Sa4
Sb4
Sc4
N
其实每一相所需的开 关器件个数为2(n-1)、 箝位二极管个数为 2(n-2)、直流分压电容 个数为n-1，其中n为 电平数。
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P Sa1
+
Vdc1 Vdc + i1
C1 Da1
Sa2
iNP
n
-
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4.2 电压型逆变器（VSI）
电压型逆变器有以下主要特点： 1. 直流侧有足够大的储能电容元件，直流侧呈现出
电压源特性。
2. 逆变器输出电压波形为方波或方波脉冲，该波形 与负载无关。
3. 逆变器输出的电流波形则取决于负载，且输出电 流的相位随负载功率因数的变化而变化。
电力电子技术 第4章有源逆变电路
2018年9月25日
4.3
逆变电路的应用
分析可得整流后电机转子直流回路电压平衡方程式: Ud=Ui＋IdR (4-6)
设异步电机带动恒转矩负载在某一转速下稳定运行。现在要改变其 转速，可以通过控制逆变电路的逆变角β来实现。当β角增大时，逆 变电压Ui相应减小，但受机械惯性作用，电机转速不会立即变化， 所以Ud仍维持原值。这样，根据式(4-6)，转子整流回路电流Id就要 增大，转子电流和电磁转矩都会相应增大，而负载转矩未变，电机 做加速运动。在加速过程中，转子整流电压Ud随之减小，又使电流 Id减小，直到Ud、Ui与Id间依式(4-6)取得新的平衡为止。最后，电 机进人新的稳定运行状态，并以比原转速更高的转速运行。同理可 知，减小β角时，电机将降低转速运行。这就是以电力电子器件组成 的绕线转子异步电机电气串级调速系统的工作原理。
4.1
4.1.1
有源逆变电路
认识整流与逆变的关系
整流时能量是交流电网发出经过电路转换成 能量 直流电供给负载，如图4.1(a)所示。而逆变时 传递： 能量是直流电源（此电源或为电机或为直流 电池）经过电路转换成交流电返回给电网或 者给负载，如图4.1(b)所示。
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4.1
有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 以卷扬机械为例，由单相全波整流电路供电给直流电 动机为动力，分析提升和下放重物两种工作情况。 1.提升重物时，变流器工作于整流状态 (0°≤α ≤ 90° )
L V1 a ud b V3 V4 + E 重物 M _ V2 + id T + u2 i2 R+ u1 -源自4.1有源逆变电路
4.1.2 有源逆变电路的工作过程 2.下放重物时，变流器工作于逆变状态(0°≤α ≤ 90°)