逆变电路的基本工作基本原理
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
逆变器工作原理
逆变器工作原理引言概述：逆变器是一种将直流电能转换为交流电能的电子设备，广泛应用于太阳能发电、风能发电、电动车辆等领域。
了解逆变器的工作原理对于电力工程师和电子爱好者来说至关重要。
本文将详细介绍逆变器的工作原理，包括其基本原理、构成要素和工作过程。
一、逆变器的基本原理1.1 电源与负载间的转换逆变器的基本原理是将直流电源转换为交流电源。
直流电源通常由电池、太阳能电池板等提供，而交流电源是我们家庭和工业中常用的电源。
逆变器通过将直流电源经过一系列电子元件的处理，将其转换为交流电源，以供给负载使用。
1.2 逆变器的拓扑结构逆变器的拓扑结构通常采用多种形式，如单相桥式、三相桥式、多电平等。
其中，单相桥式逆变器是最常见的一种。
它由四个开关管和四个二极管组成，通过开关管的开关动作来实现对直流电源的控制，从而产生交流电源。
1.3 逆变器的控制策略逆变器的控制策略是指通过控制开关管的开关动作来实现对输出电压和频率的控制。
常见的控制策略有脉宽调制（PWM）控制和谐波控制。
脉宽调制控制通过调节开关管的开关频率和占空比来控制输出电压的大小和波形的形状。
谐波控制则是通过控制开关管的开关时间来实现对输出电压的控制。
二、逆变器的构成要素2.1 开关管开关管是逆变器中最关键的元件之一，它负责控制直流电源的开关动作。
常见的开关管有晶体管和功率场效应管。
晶体管具有高开关速度和较低的导通压降，适合用于低功率逆变器。
功率场效应管则具有较低的导通电阻和较高的开关速度，适合用于高功率逆变器。
2.2 控制电路逆变器的控制电路负责对开关管的开关动作进行控制。
它通常由微处理器、控制芯片和传感器组成。
微处理器负责接收输入信号并进行相应的计算，控制芯片则负责产生控制信号，传感器则用于监测逆变器的工作状态。
2.3 滤波电路逆变器输出的交流电压中常常含有较高的谐波成分，为了减小谐波成分对负载的影响，逆变器通常需要配备滤波电路。
滤波电路可以通过电感和电容来实现对谐波的滤除，从而得到较为纯净的交流电源。
逆变电路的构成
逆变电路的构成逆变电路是一种将直流电转换为交流电的电路。
它由直流电源、开关元件和滤波电路组成。
逆变电路在工业生产、能源转换等领域得到广泛应用。
我们来了解一下逆变电路的基本构成。
逆变电路的核心是开关元件，常见的开关元件有晶体管和功率MOS管。
开关元件的作用是控制电流的通断，从而实现直流电到交流电的转换。
在逆变电路中，开关元件的开启和关闭是周期性进行的，这样可以产生交流电。
逆变电路还需要一个滤波电路来平滑输出的交流电。
滤波电路由电容和电感组成，它们的作用是滤除交流电中的高频噪声，使输出电流更加稳定。
滤波电路的设计需要根据具体的应用需求进行，以确保输出电流的质量。
在逆变电路中，直流电源提供了电流的稳定来源。
直流电源可以是电池、电容器或其他直流电源装置。
直流电源的电压和电流决定了逆变电路的输出特性，因此在设计逆变电路时需要充分考虑直流电源的参数。
逆变电路的工作原理是通过开关元件的周期性开关来改变电流的方向和大小。
当开关元件导通时，电流从直流电源流向负载；当开关元件断开时，电流从负载流向直流电源。
通过不断地开关和断开，逆变电路可以产生交流电。
逆变电路有很多应用场景。
在工业生产中，逆变电路可以将直流电转换为交流电，供给各种设备和机械使用。
在能源转换中，逆变电路可以将太阳能、风能等可再生能源转换为交流电，以供电网使用。
逆变电路还可以用于电动车辆的驱动系统、太阳能发电系统等领域。
总结起来，逆变电路通过开关元件和滤波电路将直流电转换为交流电。
它广泛应用于工业生产、能源转换等领域。
逆变电路的设计需要考虑直流电源的参数和滤波电路的特性，以确保输出电流的质量。
逆变电路的工作原理是通过开关元件的周期性开关来改变电流的方向和大小。
逆变电路的应用场景包括工业生产、能源转换、电动车辆等领域。
通过逆变电路的转换，我们可以更好地利用和管理电能资源，实现能源的可持续发展。
逆变器工作原理
逆变器工作原理逆变器是一种将直流电转换成交流电的电力转换装置。
它在可再生能源系统、电池储能系统、电动汽车和UPS等领域中得到广泛应用。
逆变器的工作原理是通过使用电子器件将直流电源转换为交流电源。
一、逆变器的基本原理逆变器的基本原理是利用电子器件（如晶体管、IGBT等）将直流电源转换为交流电源。
逆变器的输入端连接直流电源，输出端连接负载。
逆变器通过控制电子器件的开关状态，将直流电源转换为交流电源，输出给负载。
逆变器的工作过程可以分为两个阶段：开关器件的导通和开关器件的断开。
二、逆变器的工作过程1. 开关器件的导通阶段：在这个阶段，逆变器的输入端直流电源通过控制电路，使得开关器件导通。
导通的开关器件会将直流电源的电能传输到输出端，形成正半周的交流电信号。
在这个过程中，开关器件的导通时间和导通频率决定了输出交流电的频率和幅值。
2. 开关器件的断开阶段：在这个阶段，逆变器的输入端直流电源通过控制电路，使得开关器件断开。
断开的开关器件会阻断直流电源的电能传输，输出端的电压降为0。
在这个过程中，开关器件的断开时间和断开频率决定了输出交流电的频率和幅值。
三、逆变器的控制方式逆变器的控制方式有两种：脉宽调制（PWM）和谐波消除调制（HCC）。
1. 脉宽调制（PWM）：脉宽调制是逆变器常用的控制方式。
它通过改变开关器件导通和断开的时间比例，来控制输出交流电的频率和幅值。
脉宽调制可以使得逆变器的输出电压具有较高的质量和稳定性。
2. 谐波消除调制（HCC）：谐波消除调制是一种高级的控制方式，它可以有效地消除逆变器输出电压中的谐波成份。
谐波消除调制通过改变开关器件的导通和断开时间，使得输出电压的谐波成份尽可能接近于0。
这样可以提高逆变器的功率质量，减少对负载的干扰。
四、逆变器的应用逆变器在可再生能源系统中的应用越来越广泛。
例如，太阳能光伏发电系统中的逆变器可以将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，供给家庭和工业用电。
第5章-1 逆变电路
UN'
O
VN'
U d 2
t
O
t
u
c) u d) u e) u f)
WN'
O
UV
t U
d
负载相电压 u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
O
U d 6
t
NN' UN
O O
2 U 3
d
t
U d 3
t
iU g) i h) O
d
t
O
图5-10电压型三相桥式逆 变电路的工作波形
t
5-17
5.2.2 三相电压型逆变电路
负载中点和电源中点间电压
u NN' 1 1 (u UN' u VN' u WN' ) (u UN u VN u WN ) 3 3
5-7
5.2 电压型逆变电路
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
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
5-6
5.1.2 换流方式分类
电力电子技术-第4章逆变电路
ON
VD
14
VD
VD b)
VD
固定180°移相方波控制方式
思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？ ★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。 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。
课程回顾
uo S 4
图5-1 i 从电源负极流出，经 S S3流回正极，负载电 2、负载和 o t1时刻断开 St 、 S ，合上 S 、 S ， u 变负，但 u 1 1前： 4 S1、S4通， 2 3 o 和i o o 均为正 io不能立刻 电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。 感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io 反向
负载提供能量。
VD V
2 2
• VD 1 或 VD 2 通时， i o 和 u o 反
a) uo Um O -Um io O t3 t4 t1 t 2 t5 t6 V1 V2 V1 V2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 b)
向，负载电感中贮藏的能量
向直流侧反馈。
t
• 输出电压 uo 为矩形波，幅
• 全桥逆变电路
*导电方式一： V1,V4同时通断；
uo Um O
V2,V3同时通断；
V1,V4与V2,V3信号 互补，各导电180 ゜。
-Um
io O t3 t1 t 2 V 14 VD
14
t
t4 t5 t6 V 23
23
t
V2
23
ON
V 14
14
VD
VD b)
VD
思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压
电力电子技术第5章逆变电路
u NN' = 1 1 ( u UN' + u VN' + u WN' ) − ( u UN + u VN + u WN ) 3 3
(5-6) (5-7)
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
u
NN'
=
负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动 一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传 送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源 短路，应采取“先断后通” 数量分析见教材。
5-13
5.2 电压型逆变电路
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 无脉动。 基本无脉动 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。 (3)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。
u o Um O -Um io
a)
t
图5－6 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形
5-16
t 3 t4 O t t t5 t6 1 2 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
t
5.2.1 单相电压型逆变电路
优点： 优点 电路简单，使用器件少。 缺点： 缺点 输出交流电压幅值为 Ud/2 ，且直流侧需两
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。
逆变器工作原理
逆变器工作原理逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力转换装置。
它在可再生能源发电系统（如太阳能光伏系统和风力发电系统）中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍逆变器的工作原理，包括逆变器的基本结构、工作原理以及其在电力系统中的应用。
一、逆变器的基本结构逆变器的基本结构包括直流输入端、交流输出端、控制电路和功率电路。
直流输入端通常由太阳能电池板、风力发机电等能源装置提供直流电源。
交流输出端则将转换后的交流电供应给电力系统或者电网。
控制电路负责监测和控制逆变器的工作状态，而功率电路则负责将直流电转换为交流电。
二、逆变器的工作原理逆变器的工作原理可以分为三个主要阶段：整流阶段、中间电路阶段和逆变阶段。
1. 整流阶段：在整流阶段，逆变器将直流电源输入转换为交流电压。
首先，直流电源通过整流桥电路将直流电转换为脉冲直流电。
整流桥电路由四个二极管组成，能够将输入的正负半周分别转换为正半周和负半周的脉冲直流电。
然后，脉冲直流电通过滤波电路进行滤波，去除其中的脉动成份，得到平滑的直流电压。
2. 中间电路阶段：在中间电路阶段，逆变器将平滑的直流电压转换为交流电压。
首先，直流电压通过电容器储存，以平衡直流电源的不稳定性。
然后，直流电压通过开关管进行开关操作，以调整输出电压的频率和幅值。
开关管的开关操作由控制电路控制，根据需求生成相应的PWM（脉宽调制）信号。
通过调整开关管的开关时间和频率，逆变器可以实现输出交流电压的调节。
3. 逆变阶段：在逆变阶段，逆变器将中间电路阶段输出的交流电压转换为所需的交流电源。
通过逆变器的逆变操作，交流电压的频率和幅值可以根据需求进行调节。
逆变器的输出交流电压可以与电力系统或者电网的频率和相位保持一致，以实现电能的无缝连接。
三、逆变器在电力系统中的应用逆变器在电力系统中有广泛的应用，特殊是在可再生能源发电系统中。
它可以将太阳能光伏板或者风力发机电产生的直流电转换为交流电，以供应给家庭、工业和商业用电。
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+\ 第5章 逆变电路
主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。 重点：换流方式，电压型逆变电路。 难点：电压型逆变电路，电流型逆变电路。 基本要求：掌握换流方式，掌握电压型逆变电路，理解电流型逆变电路，了解多重逆变电路和多电平逆变电路。 逆变概念： 逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。 本章无源逆变逆变电路的应用： 蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，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的核心部分都是逆变电路。 本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开
1换流方式 （1）逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例： 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。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。
图5-1 逆变电路及其波形举例 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同（图5-1b）。 +\ t1前：S1、S4通，uo和io均为正。 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
（2）换流方式分类 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。 关断：全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述 1、器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。 2、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。 3、负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。
图5-2 负载换流电路及其工作波形 基本的负载换流逆变电路： 采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动。 工作过程： +\ 4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。 t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。 t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。 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。 直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压。VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。
图5-3 直接耦合式强迫换流原理图 电感耦合式强迫换流——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。 两种电感耦合式强迫换流： 图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。 图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。
图5-4 电感耦合式强迫换流原理图 +\ 给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）。 器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 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。
2电压型逆变电路 逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路， 电流型逆变电路或电流源型逆变电路。 图5-1电路的具体实现。
图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 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) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同 (3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管
（1）单相电压型逆变电路 1、半桥逆变电路 电路结构：见图5-6。 工作原理： V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io
波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，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，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。
图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 优点：简单，使用器件少 缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW
以下的小功率逆变电源。
单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 2、全桥逆变电路 电路结构及工作情况： 图5-5，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图5-6b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。 输出电压定量分析
uo成傅里叶级数 (5-1) 基波幅值 (5-2) 基波有效值 (5-3) uo为正负各180º时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。 移相调压方式（图5-7）。 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0<180º)，V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180º-q，uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。 +\ 图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 3、带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道，Ud和负载相同，变压器匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。
图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路 与全桥电路的比较，比全桥电路少用一半开关器件，器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。必须有一个变压器。 （2）三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路 可看成由三个半桥逆变电路组成。 180°导电方式： 每桥臂导电180º，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120º，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。 +\ 图5-9 三相电压型桥式逆变电路 波形分析：
图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 负载各相到电源中点N´的电压：U相，1通，uUN´=Ud/2，4通，uUN´=-Ud/2。 +\ 负载线电压 (5-4) 负载相电压 (5-5) 负载中点和电源中点间电压 (5-6) 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 (5-7) 利用式(5-5)和(5-7)可绘出uUN、uVN、uWN波形。负载已知时，可由uUN波形求出iU波形，一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 定量分析： a、输出线电压 uUV展开成傅里叶级数
(5-8) 式中， ，k为自然数
输出线电压有效值 (5-9) 基波幅值 (5-10) 基波有效值 (5-11) b、负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得： +\ (5-12) 式中， ，k为自然数
负载相电压有效值 (5-13) 基波幅值 (5-14) 基波有效值 (5-15) 防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。
3 电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路——电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。 实例之一：图5-11电流型三相桥式逆变电路。交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量。
图5-11 电流型三相桥式逆变电路 电流型逆变电路主要特点： (1) 直流侧串大电感，相当于电流源。