第四章 DC-AC变换器(无源逆变电路)3
DC-AC逆变器,DC-AC逆变器的基本原理
DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理背景知识：DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。
DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT 和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。
由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。
但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。
而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
基本原理：常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。
具体如下：DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。
1，Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。
采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。
它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。
滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。
通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。
由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2所示即为逆变器的基本工作原理。
DCAC逆变电路及讲义原理总结
t
ON V1 V2 V1 V2
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
图5－6 单相半桥电压型逆变
电路及其工作波形
5-9
单相电压型逆变电路
优点：电路简单，使用器件少。
• 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率 为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且
直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。
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
5-8
单相电压型逆变电路
1）单相半桥逆变电路
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，两
(4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC
对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R 对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
5-10
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R 对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
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
dc-ac逆变器dc-ac逆变器的基本原理
DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理背景知识：DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。
DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT 和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。
由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。
但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。
而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
基本原理：常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。
具体如下：DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。
1，Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。
采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。
它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。
滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。
通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。
由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2所示即为逆变器的基本工作原理。
《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
电子电子技术第4章 DC-AC变换电路
控制方式：开关器件T1和T2在一个输出电压基波周期 T0内互补地施加触发驱动信号，且两管驱动信号时间 都相等
当T1导通T2关断时 ，当T2导通T1关断时 ，所以电压波形为占空 比为50％的方波。改变T1和T2的驱动信号的频率，即可以改变 输出电压的频率，输出电压的基波频率
输出电压：
开T20 关t 管T0 时T2、，T开3，关当管负T载2、电T3被流触由发a流，向当b负时载，电电流流由经过b流D2向、aD时 3续，流电流流经
瞬时负载电流 ：
iL
n 1,3,5...
4VD n Zn
sin
(nt
n )
– 其中n次谐波阻抗 Zn R2 (nL)2
且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容 器电压的平衡 半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源
2.电压型单相全桥式逆变电路
电路特点：全桥电路可看作由两个半桥电路组成，有四个桥臂， 包括四个可控开关器件及反并联二极管，在直流母线上通常还 并联有滤波电容。
控制方式：T1和T4同时开通和关断，T2和T3同时开通和关断（存
b) 电流型逆变器：在直流测串联有大电感，可以抑制输出直流电
流纹波，使得直流测可以近似看作一个理想电流源。
按交流输出类型分类：
a) 当变换装置交流侧接在电网上，把直流电逆变成同频率的 交流电回馈到电网上去，称为有源逆变。
b) 当变换装置交流侧和负载连接时，将由变换装置直接给电 机等负载提供频率可变的交流电，这种工作模式被称为无 源逆变。
b) 负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流，通常采用 的是负载谐振换流。
c) 强迫换流：通过附加的换流装置，给欲关断的器件强迫施 加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
直流-交流变换电路
组N的逆变。为此，只要降低 U d β 且使 EU dβ(U dα)，
则N组产生逆变，流过电流Id2，电机电流Id反向，反组有 源逆变将电势能E通过反组N送回电网，实现回馈制动。 （3）反组整流 N组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。 （4）正组逆变 P组逆变，产生反向制动转矩，其过程与组反逆变类似。
逆变状态时的控制角称为逆变角β，规定以α=π处作为计量
β角的起点，大小由计量起点向左计算。满足如下关系：
4.2.2 逆变失败与最小逆变角的限制
1、逆变失败
可控整流电路运行在逆变状态时，一旦发生换相失败，电 路又重新工作在整流状态，外接的直流电源就会通过晶闸 管电路形成短路，使变流器的输出平均电压Ud和直流电 动势E变成顺向串联，由于变流电路的内阻很小，将出现 很大的短路电流流过晶闸管和负载，这种情况称为逆变失 败，或称为逆变颠覆。
4.3 无源逆变（变频）电路
4.3.1 变频概述及变频器的种类
将直流电能变换成交流电能供给无源负载的过程称为无逆 变。用于逆变的直流电能通常是由电网提供的交流电整流 得来的。我们把“将电网提供的恒压恒频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)交流电变换为变压变频 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)交流电供给 负载”的过程称为变频，实现变频的装置叫变频器。
造成逆变失败的原因：
（1）触发电路工作不可靠。不能适时、准确地给各晶闸 管分配触发脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等。
（2）晶闸管发生故障。器件失去阻断能力，或器件不能 导通。
（3）交流电源异常。在逆变工作时，电源发生缺相或突 然消失而造成逆变失败。
dc-ac原理
dc-ac原理
直流到交流（DC-AC）变换器是一种电路或装置，用于将直流电源转换为交流电源。
它由一个直流输入端和一个交流输出端组成。
该原理基于使用电子器件，如晶体管、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT（绝缘栅双极性晶体管）等，通过控制开关来实现电源电压的变换。
在原理中，直流电源首先经过一个称为逆变器的电路，将其转换为交流电压。
这个逆变器电路通常由一组开关元件构成，例如MOSFET或IGBT，它们按照特定的时序被打开和关闭。
这样的开关操作导致直流电源输出的电压和电流在一段时间内在正负值之间变化。
这种时序开关的操作形成了一个波形，可以看作是一系列频率和幅度可调节的方波。
通过控制开关元件的时序，可以产生所需的交流输出波形。
通常，一个控制电路被用来确定开关的状态，以便在适当的时间点打开或关闭逆变器电路。
这样，交流输出的频率和幅度可以在设计的范围内进行调整。
由于DC-AC变换器的设计复杂且需要精确的控制，因此通常使用微控制器或数字信号处理器（DSP）等集成电路来实现控制功能。
这些控制器可以根据用户的需求对输出进行调整，并保证系统的稳定性和可靠性。
总的来说，DC-AC变换器的原理是通过逆变器电路和精确的控制来将直流电源转换为所需的交流电源。
这种变换器在许多
应用中都起着重要的作用，例如太阳能发电系统、家用电器和工业控制系统等。
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i2
o
i3
o
i0
三重叠加后的输出电流波形中仍不 存在零序谐波（如3次、9次等），并 且5次、7次谐波得到了进一步衰减。 显然，叠加重数越多，输出阶梯波 电流波形的阶梯数也越多，电流的谐 波含量就越小。
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
• 二极管换流阶段： • t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。二 极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为 iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管 换流阶段。 • 随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大， t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关 断，二极管换流阶段结束。 • t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。
• • 电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导 通晶闸管相连一端极性为正， 另一端为负，不与导通晶闸管 相连的电容器电压为零。对共 阴极而言，电容极性相反。 等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时， C13就是C3与C5串联后再与C1 并联的等效电容。
C13 3C / 2
晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流 型方波逆变器的电路结构
uo io O
uo
a)
io
ωt
i
O
iVT1 iVT4 iVT2 iVT3
ωt ωt
i
O u VT O
t1
uVT1
b)
uVT4
ωt
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变 器的典型结构如右图所示
与单相全桥电流型方波逆变器类 三相桥式电流型逆变电路 似，三相全桥电流型方波逆变器 可采用PAM控制和SPM两种控 制方式。 本书只对该控制方式展开讨论
VT3 VD3
io
uo
VT4 VD4
•
① 直流侧有足够大的储能电感元件，从而使其直流侧呈现出电流源特性， 即稳态时的直流侧电流恒定不变。 ② 逆变器输出的电流波形为方波或方波脉冲，并且该电流波形与负载无关。 ③逆变器输出的电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因 数的变化而变化。
④ 逆变器输出电流的控制仍可以通过PAM （脉冲幅值调制）和PWM（脉 冲宽度调制）两种基本控制方式来实现。
＝π/6
π/4 5π/12 π-5π/12 π-π/4 π+π/4 π+5π/12 2π-5π/12 2π-π/4
＝2π/3
ia
t t t
2 3 I d (sin t 0.2sin 5t π 0.143sin 7t 0.09sin11t )
4Id (1.673)(sin t π 0.0536sin 5t 0.0383sin 7t )
iuv
2π 2π c)
t t
v
π
b)
1 i uv ii 3
u
4.4.1 电流型方波逆变器
Li ii
VT1 VT3
C1 C5
VD1 V D3 VT6
三相桥式电流型方波逆变器 2. 半控型三相全桥电流型变 VT 流器 C
5 3
•
V D5 VT2
ui
VT4
U V W
•
C4 C2
VD 4 VD 6
4.4.1 电流型方波逆变器
L i ii
V T 1
C C 1 3 C 5 V D V D 5 U V 3 D 1 V ui V T V T V T W C C 4 6 C 2 V D D D 4 V 6 V 2
4 6 2
三相桥式电流型方波逆变器 2. 半控型三相全桥电流型变 V T T 流器 3 V 5
iu iv
iw
π π π
2π 三相桥式电流型逆变电路 π
需要注意的是：当负载为Y形联 接时，负载的相电流波形为120° 交流方波（电流幅值为±Id、0）； 当负载为△形联接时，负载的相 电流为变流器两相输出电流之差， 即负载的相电流波形为交流6阶梯 波波形（电流幅值为±(2/3)Id、 ±(1/3)Id）。可见，将三相全桥 电流型变流器的负载接成△形联 接时，能有效降低输出电流谐波。
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
Li
1. 全控型单相全桥电流型方波逆变器 • 为了使全控型功率器件具有足够的 反向阻断能力，通常在每个功率管 上正向串联一个二极管。 • 另外，由于电流型逆变器的输出电 流是基于功率器件通断直流侧电流 的方波电流，因此，为了防止输出 过电压，电流型逆变器的输出需要 接入滤波电容。 • 单相全桥电流型方波逆变器也可采 用PAM（脉冲幅值调制）控制和 SPM（单脉冲控制）两种控制方式， 且与电压型方波逆变器工作原理类 似。
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
隔离作 用
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
• •
直接并联多重叠加结构 变压器移相多重叠加结构等
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
Li
VD1 VD3 VD5
ii
VT1
VT3
VT5
RF1
INV1 Id i1 i0
4.4.1 电流型方波逆变器
三相桥式电流型方波逆变器
U G1
U G2
VT1 VT1
π π
VT 2 VT 3
2π 2π 2π
VT 2 VT 3 VT 4
t t t t t t t t
•
U G3 U G4 U G5
π VT 4 π π
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
VT 5 VT 6
2π 2π 2π 2π
VT 5
U G6 VT 6
VT2
a2 b2 c2
功率管每60°换相一次，可将PAM方波 相位互相错开60°/2=30°角。这样，通 过30°角的移相叠加即得8阶梯波电流。
π+π/4 π+5π/12 2π-5π/12 2π-π/4
(b)
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
i1 i2 io
i3
i3
o
RF—整流器 a)
INV—逆变器
i0
可将PAM方波相位互相错 开60°/3=20°角
_ 2 π Id 9 Id Id _ 3π 9 _ 4π 9
b)
o
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
i1
o 10
Id
_ π 9
io
Id Id
4Id (2.494)(sin t 0.0454sin 5t 0.0264sin 7t ) π
t 2
sin(r t ) I d R
U VT 2,3
t
t
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
负载换流方式 • 负载电流的相位超前于负载电压 的场合，都可实现负载换流。负 载为容性、同步电动机 • 整个负载工作在接近并联谐振状 态而略呈容性。 • 直流侧串电感，工作过程可认为 id 基本没有脉动。 • t1必须在u0过零前留有足够的裕 量，以使晶闸管关断
电 力 电 子 技 术
Power Electronic Technology
4.4 电流型逆变器
Li
•
电流型逆变器拓扑是逆变器另一类主要 的拓扑结构。这类逆变器的直流侧以电 感为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈 现出电流源特性。 电流型逆变器有以下主要特点：
ii ui
VT1 C VD1 VT2 VD2 RL
电网
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
VT2
a1 b1 c1
a b c
-_
RF2 INV——逆变器 RF ——整流器 Id INV2 i2
Li
VD1 VD3 VD5
ii
VT1
VT3
VT5
VD4
VD6 VD2
VT4
VT6
VT2
a2 b2 c2
（a）
4.4.2 电流型阶梯波逆变器
以下分析三相电流型逆变器的并联多重叠加结构
-
io
uo
VT4 VD4
VT1
C
VD1
io
Z
VT3
VD3
VT2
uo VD2
VT4
VD4
4.4 电流型逆变器
与电压型逆变器类似，依据控制方式和结构的不同，电流型逆变器也 可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。下面主要讨 论方波型、阶梯波型电流型逆变器。
4.4.1 电流型方波逆变器
• 电流型方波逆变器按拓扑结构的不同可分为电流型单相 全桥逆变器以及电流型三相桥式逆变器两类。 • 也可以按电流型逆变器所采用功率器件的不同分为半控 型和全控型两类。 • 由于电流型逆变器尤其是大功率电流型方波逆变器仍有 不少采用基于晶闸管的半控型结构，因此，除全控型结 构外，以下讨论还将涉及到半控型电流型逆变器。
Li
ii
VT1
满足负 载的容 性需求
•
•
C
RL uo
VT3
ui io V T2
a)
L
VT4
为使负载电压成 正弦变化，一般 应设计为并联谐 振模式
4.4.1 电流型方波逆变器
单相全桥电流型方波逆变器
Ld id E VT2 VT1 i0 R u0 VT3
VT1,4
t
VT2,3
C L
t
VT4
i0
u0 Ce
io
(b)
两重叠加后的输出电流波形中不 存在零序谐波（如3次、9次等）， 并且5次、7次谐波得到了显著衰 减。