电力电子电路第4章 直流-交流变换电路

1、第第4章章 直流直流-交流变换电路交流变换电路 将直流电变成交流电，即将直流电变成交流电，即DC-AC变换称为逆变，它是将变换称为逆变，它是将 交流电变换成直流电交流电变换成直流电(AC-DC变换变换)的逆过程。的逆过程。 根据逆变后交流电能使用方式，逆变又分成两类：根据逆变后交流电能使用方式，逆变又分成两类： 将直流电逆变成与电网同频率的恒频交流，并输送回电网，将直流电逆变成与电网同频率的恒频交流，并输送回电网， 称为有源逆变，可控整流器在满足逆变条件下即可运行在有源称为有源逆变，可控整流器在满足逆变条件下即可运行在有源 逆变状态；逆变状态； 将直流电逆变成频率可变的交流电，并直接供给交流负

2、载，将直流电逆变成频率可变的交流电，并直接供给交流负载， 称为无源逆变。不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路，称为无源逆变。不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路， 本章讲述的就是无源逆变电路。本章讲述的就是无源逆变电路。 逆变经常和变频的概念联系在一起。只有无源逆变能实现逆变经常和变频的概念联系在一起。只有无源逆变能实现 变频，但无源逆变不等于变频。逆变与变频在概念上既有联系，变频，但无源逆变不等于变频。逆变与变频在概念上既有联系， 又有区别。又有区别。 变频是指将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电变频是指将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电 的过程。的过程。 变频也有两种

3、变换形式：变频也有两种变换形式： 一种是把某个频率的交流先经整流变换成直流，再经无源一种是把某个频率的交流先经整流变换成直流，再经无源 逆变变换成可变频率的交流，称为交逆变变换成可变频率的交流，称为交-直直-交变换（交变换（AC-DC-AC变变 换），它由交换），它由交-直变换电路和直直变换电路和直-交变换电路两部分组成，前一部交变换电路两部分组成，前一部 分是整流电路，后一部分就是本章所要讲述的无源逆变电路。分是整流电路，后一部分就是本章所要讲述的无源逆变电路。 另一种是把某个频率的交流直接变换成另一种可变频率的另一种是把某个频率的交流直接变换成另一种可变频率的 交流，称为交交流，称为交-交

4、变换（交变换（AC-AC变换），也称交变换），也称交-交直接变频，交直接变频， 这部分内容将在第这部分内容将在第5章讨论。章讨论。 逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电 池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源 向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速 用变频器、不间断电源等电力电子装置使用非常广泛，其电用变频器、不间断电源等电力电子装置使用非常广泛，其电 路的核心部分都是逆变电路。所以路的核心部分都是逆变电

5、路。所以DC-AC变换技术是电力电变换技术是电力电 子电路中最为重要的变换技术。子电路中最为重要的变换技术。 逆变电路可以从不同的角度进行分类。如按换流方式可逆变电路可以从不同的角度进行分类。如按换流方式可 分为电网换流、负载谐振式换流和强迫换流；按输出相数可分为电网换流、负载谐振式换流和强迫换流；按输出相数可 分为单相逆变电路和三相逆变电路；按直流电源的性质可分分为单相逆变电路和三相逆变电路；按直流电源的性质可分 为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路两大类。为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路两大类。 在在DC-AC变换中有两个问题值得关注。一个是换流问题，变换中有两个问题值得关注。一个是换

6、流问题， 另一个是输出电能质量控制问题。另一个是输出电能质量控制问题。 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也 常被称为换相，换流的过程伴随着器件的导通与关断过程。常被称为换相，换流的过程伴随着器件的导通与关断过程。 从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是由半控型电 力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其 开通。但从通态向断态转移的情况就不同，对于全控型器件开通。但从通态向断态转移的情况就不同，对于全控型器件 而言，

7、可以采用控制信号来控制器件的通断，而对于半控型而言，可以采用控制信号来控制器件的通断，而对于半控型 器件的晶闸管就存在如何关断问题，特别是工作在电压极性器件的晶闸管就存在如何关断问题，特别是工作在电压极性 不变的直流电源条件下的晶闸管逆变电路，必须利用外部条不变的直流电源条件下的晶闸管逆变电路，必须利用外部条 件或采用其他措施才能使其关断。件或采用其他措施才能使其关断。 4.1 逆变电路的基本原理及换流方式逆变电路的基本原理及换流方式 4.2 逆变电路的类型逆变电路的类型 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 4.5 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电

8、路和多电平逆变电路 4.6 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）逆变电路）逆变电路 VT1、VT4与与VT2、VT3成对导通。成对导通。VT1、VT4导通时，输导通时，输 出电压出电压uO为左正右负；为左正右负；VT2、VT3导通时，输出电压导通时，输出电压uO为左负为左负 右正。这两对晶闸管轮流切换导通，就把直流电变成了交流电，右正。这两对晶闸管轮流切换导通，就把直流电变成了交流电， 则负载上便可得到交流电压则负载上便可得到交流电压uO，如图，如图c所示。所示。 控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率，控制两对晶闸管的切换导通频率就可调节输出交流频率， 改变直流电压改变直流电压E

9、的大小就可调节输出电压的幅值。这就是逆变的大小就可调节输出电压的幅值。这就是逆变 电路最基本的工作原理。电路最基本的工作原理。 单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路 要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题，要使逆变电路稳定工作，必须解决导通晶闸管的关断问题， 即换流问题。即换流问题。 关断已导通的晶闸管有两种方法：关断已导通的晶闸管有两种方法： 一是在晶闸管阳极电路中串入大电阻，使其阳极电流降至一是在晶闸管阳极电路中串入大电阻，使其阳极电流降至 维持电流以下而关断；维持电流以下而关断； 二是使晶闸管承受阳极反压并维持一定的时间二是使晶闸管承受阳极反压并维持一定的时间t0，且，且t0应应

10、 大于晶闸管的关断时间大于晶闸管的关断时间tq。在。在DC-AC变换器中，晶闸管工作在变换器中，晶闸管工作在 恒定不变的阳极电压下，因此，正确可靠换流的关键是解决如恒定不变的阳极电压下，因此，正确可靠换流的关键是解决如 何施加反向阳极电压使功率器件关断的技术问题。何施加反向阳极电压使功率器件关断的技术问题。 利用电网交流电压自动过零变负的特点，在换流时，利用电网交流电压自动过零变负的特点，在换流时， 把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上，使晶闸管承受把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上，使晶闸管承受 反向阳极电压而关断。此方法简单，无需附加换流电路，反向阳极电压而关断。此方法简单，无需附加换流

11、电路， 称为自然换流，常用于可控整流电路、有源逆变电路、交称为自然换流，常用于可控整流电路、有源逆变电路、交 流调压和相控交流调压和相控交-交变频电路。交变频电路。 这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不 需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的 无源逆变电路。无源逆变电路。 常用的晶闸管换流方法有常用的晶闸管换流方法有3种：种： 4.1.1 电网换流电网换流 电网换流、负载谐振式换流、强迫换流。电网换流、负载谐振式换流、强迫换流。 4.1.2 负载谐振式换流负载谐振式换流 由负载

12、提供换流电压称为负载换流由负载提供换流电压称为负载换流 （Load Commutation）。）。 凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以 实现负载换流。实现负载换流。 当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。 当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负 载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。 4.1.2 负载谐振式换流负载谐振式换流 4.1.2 负载谐振式换流负载谐振式换流 负载换流逆变电路负载换流逆变电路4个桥

13、臂均个桥臂均 由晶闸管组成。其负载是电阻电感由晶闸管组成。其负载是电阻电感 串联后再和电容并联，整个负载工串联后再和电容并联，整个负载工 作在接近并联谐振状态而略呈容性。作在接近并联谐振状态而略呈容性。 在直流侧串入了一个很大的电在直流侧串入了一个很大的电 感感Ld，直流电流近似为恒值，负载，直流电流近似为恒值，负载 电流是交变矩形波。电流是交变矩形波。 负载工作在对基波电流接近并负载工作在对基波电流接近并 联谐振的状态，故对基波的阻抗很联谐振的状态，故对基波的阻抗很 大，而对谐波的阻抗很小，因此负大，而对谐波的阻抗很小，因此负 载电压载电压uO波形接近正弦波。波形接近正弦波。 4.1.2 负

14、载谐振式换流负载谐振式换流 触发触发VT2、VT3的时刻的时刻t1必须在必须在uO过零过零 前，并留有足够的裕量，才能使换流顺利完前，并留有足够的裕量，才能使换流顺利完 成。从成。从VT3、VT2到到VT1、VT4的换流过程与的换流过程与 上述情况类似。上述情况类似。 设在设在t1时刻前时刻前VT1、VT4为通态，为通态，VT2、 VT3为断态，为断态，uO、iO均为正，均为正，VT2、VT3上施上施 加的电压即为加的电压即为uO。 在在t1时刻触发时刻触发VT2、VT3使其开通，负载使其开通，负载 电压电压uO就通过就通过VT3、VT2分别加到分别加到VT1、VT4 上，使上，使VT1、VT

15、4因承受反向电压而关断，因承受反向电压而关断， 电流从电流从VT1、VT4转移到转移到VT3、VT2。 4.1.3 强迫换流强迫换流 电网换流和负载谐振式换流不能使变流器在任意时刻进电网换流和负载谐振式换流不能使变流器在任意时刻进 行换流，具有很大的局限性。行换流，具有很大的局限性。 在电路中设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫在电路中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，这种换流方式称为强迫换流施加反向电压或反向电流，这种换流方式称为强迫换流 （Forced Commutation）。）。 强迫换流又可分为强迫换流又可分为直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流和

16、和电感耦合式强电感耦合式强 迫换流迫换流。 4.1.3 强迫换流强迫换流 图图4-3 4-3 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 4.1.3 强迫换流强迫换流 直接耦合式强迫换流直接耦合式强迫换流 通常利用附加电容上所储存的通常利用附加电容上所储存的 能量来实现，因此也称为电容能量来实现，因此也称为电容 强迫换流。是由换流电容直接强迫换流。是由换流电容直接 提供极性正确的反向电压使原提供极性正确的反向电压使原 来导通的晶闸管关断。来导通的晶闸管关断。 晶闸管晶闸管VT1触发导通后，电容触发导通后，电容C被充至被充至uC=E，极性为左负右正，如图，极性为左负右正，如图 4-3 a）所示。换流时

17、，触发导通辅助晶闸管）所示。换流时，触发导通辅助晶闸管VT2，此时，此时VT1、VT2都导通，都导通， 两管进行换流，如图两管进行换流，如图4-3 ）所示。在）所示。在VT1-C-VT2回路中，由于回路中，由于VT2导通导通 使左负右正的电容电压使左负右正的电容电压uC加于加于VT1上，使其承受反向阳极电压而关断。电上，使其承受反向阳极电压而关断。电 源通过负载电阻源通过负载电阻R和导通的和导通的VT2对电容对电容C反向充电，如图反向充电，如图4-3 c）所示。电）所示。电 容电压容电压uC由由-E上升过零直至上升过零直至+E，如图，如图4-3 d）所示，其中）所示，其中uC= -E至至uC=

18、0的的 时间时间t0即为即为VT1承受反压的时间，这段时间必须大于晶闸管关断时间承受反压的时间，这段时间必须大于晶闸管关断时间tq，以，以 确保原来导通的晶闸管确保原来导通的晶闸管VT1可靠关断。可靠关断。 4.1.3 强迫换流强迫换流 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 如果通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或如果通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或 换流电流，则称为电感耦合式强迫换流，如图换流电流，则称为电感耦合式强迫换流，如图4-4所示。图所示。图4- 4 a) 和图和图4-4b)是两种不同的是两种不同的电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流原理图。原理图。 图图

19、4-4 4-4 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 4.1.3 强迫换流强迫换流 在晶闸管导通期间，图在晶闸管导通期间，图4-4 a）和图）和图4-4b）中换流）中换流 电容上所充的电压电容上所充的电压uC极性不同，导致产生出两种不极性不同，导致产生出两种不 同的换流过程。同的换流过程。 图图4-4 a) 中晶闸管在中晶闸管在LC振荡前半个周期内关断；振荡前半个周期内关断； 图图4-4 b) 中晶闸管在中晶闸管在LC振荡后半个周期内关断。振荡后半个周期内关断。 在图在图4-4 a）中，当接通开关）中，当接通开关S后，后，LC振荡电流将振荡电流将 反向流过反向流过VT，促使其电流减小，在，促使

20、其电流减小，在LC振荡的前半个振荡的前半个 周期内就可使周期内就可使VT中的阳极电流减小至零而关断，残中的阳极电流减小至零而关断，残 余电流经余电流经VD继续流动，导通的继续流动，导通的VD管压降构成了对管压降构成了对 VT的反向偏压。的反向偏压。 在图在图4-4 b）中，当接通开关）中，当接通开关S后，后，LC振荡电流先振荡电流先 正向流经正向流经VT，并和，并和VT中原有的负载电流叠加，经过中原有的负载电流叠加，经过 半个振荡周期后，振荡电流反向流过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，使，使VT中合中合 成正向电流衰减至零而关断，残余电流经成正向电流衰减至零而关断，残余电流经VD继续流继

21、续流 动，动，VD上的管压降构成对上的管压降构成对VT的反向偏压，确保其可的反向偏压，确保其可 靠关断。靠关断。 电感耦合式强迫换流电感耦合式强迫换流 逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们 与外电路间存在着无功能量的交换。由于逆变器的直流输入与与外电路间存在着无功能量的交换。由于逆变器的直流输入与 交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储 能元件来缓冲无功功率。在直流能元件来缓冲无功功率。在直流-交流逆变电路中，直流环节的交流逆变电路中，直流环节的 储能元件往往被

22、当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提 供无功功率的重要作用。供无功功率的重要作用。 由于直流环节储能元件的类型不同，因而逆变电路直流侧由于直流环节储能元件的类型不同，因而逆变电路直流侧 电源的性质也分为两种不同类型：电源的性质也分为两种不同类型： 直流侧是电压源的称为直流侧是电压源的称为电压型逆变电路电压型逆变电路，也称电压源型逆，也称电压源型逆 变电路（变电路（Voltage Source InverterVSI）；）； 直流侧是电流源的称为直流侧是电流源的称为电流型逆变电路电流型逆变电路，也称电流源型逆，也称电流源型逆 变电路（变电

23、路（Current Source InverterCSI）。）。 电压源型逆变电路电压源型逆变电路采用电容作储能元件，图采用电容作储能元件，图4-5为电压源为电压源 型单相桥式逆变电路。型单相桥式逆变电路。 电压源型逆变电路具有如下特点：电压源型逆变电路具有如下特点： 1) 直流侧为电压源，或并联大电容直流侧为电压源，或并联大电容C作为无功功率缓冲环作为无功功率缓冲环 节（滤波环节），直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低节（滤波环节），直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低 阻抗，相当于电压源。阻抗，相当于电压源。 2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为由于直流电压源的钳位作用，交

24、流侧输出电压波形为 矩形波，并且该波形与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流矩形波，并且该波形与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流 波形和相位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。波形和相位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。 3) 当交流侧为阻感性负载时，需要提供无功功率，直流当交流侧为阻感性负载时，需要提供无功功率，直流 侧电容起缓冲无功能量的作用。由于直流侧电压极性不允许侧电容起缓冲无功能量的作用。由于直流侧电压极性不允许 改变，当无功功率从交流侧向直流侧回馈时，只能靠改变电改变，当无功功率从交流侧向直流侧回馈时，只能靠改变电 流方向来实现，为此在各功率开关元件旁要反并联续流二极流方

25、向来实现，为此在各功率开关元件旁要反并联续流二极 管，为感性负载电流提供回馈无功能量至直流侧的通路。管，为感性负载电流提供回馈无功能量至直流侧的通路。 电流源型逆变电路电流源型逆变电路采用电感作储能元件，图采用电感作储能元件，图4-6为电流源为电流源 型单相桥式逆变电路原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。型单相桥式逆变电路原理图，图中未绘出晶闸管换流电路。 电流源型逆变电路有如下特点：电流源型逆变电路有如下特点： 1) 直流回路串一大电感直流回路串一大电感Ld作为无功功率缓冲环节（滤波作为无功功率缓冲环节（滤波 环节），直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，相环节），直流侧电流基本无脉动，直

26、流回路呈现高阻抗，相 当于电流源。当于电流源。 2) 由于直流电流源的钳位作用，交流侧输出电流波形为由于直流电流源的钳位作用，交流侧输出电流波形为 矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相 位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。位则与负载有关，因负载阻抗情况的不同而不同。 3) 由于直流环节电流由于直流环节电流Id不能反向，当无功功率从交流侧不能反向，当无功功率从交流侧 向直流侧回馈时，只有改变逆变电路两端电压的极性来改变向直流侧回馈时，只有改变逆变电路两端电压的极性来改变 能量流动方向。因为此电路直流侧电流不能反向，所以开

27、关能量流动方向。因为此电路直流侧电流不能反向，所以开关 器件两端无需设置反并联续流二极管。器件两端无需设置反并联续流二极管。 两类逆变电路的比较两类逆变电路的比较 1) 电压源型逆变电路采用大电容作为储能（滤波）元件，逆变电路呈现电压源型逆变电路采用大电容作为储能（滤波）元件，逆变电路呈现 低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，适合稳频稳压电源、不可逆电低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，适合稳频稳压电源、不可逆电 力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。 电流源型逆变电路电流方向不变，可通过逆变电路和整流电路的工作

28、状电流源型逆变电路电流方向不变，可通过逆变电路和整流电路的工作状 态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应 用于快速频繁加、减速及正、反转的单机拖动系统。用于快速频繁加、减速及正、反转的单机拖动系统。 2) 电流源型逆变电路因采用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能电流源型逆变电路因采用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能 力强，能有效抑制电流突变、过电流保护容易。电压源型逆变电路输出电压力强，能有效抑制电流突变、过电流保护容易。电压源型逆变电路输出电压 稳定，一旦出现短路，电流上升极快，过电流保护

29、困难。稳定，一旦出现短路，电流上升极快，过电流保护困难。 3) 采用晶闸管元件的电流源型逆变电路依靠电容与负载电感的谐振来实采用晶闸管元件的电流源型逆变电路依靠电容与负载电感的谐振来实 现换流，负载构成换流回路的一部分，若不接入负载，则系统不能运行。现换流，负载构成换流回路的一部分，若不接入负载，则系统不能运行。 4) 电压源型逆变电路必须设置反馈二极管为负载提供感性无功电流通路，电压源型逆变电路必须设置反馈二极管为负载提供感性无功电流通路， 主电路结构较电流源型逆变电路复杂。电流源型逆变电路的无功功率由滤波主电路结构较电流源型逆变电路复杂。电流源型逆变电路的无功功率由滤波 电感储存，无需二极

30、管续流，主电路结构简单。电感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.1 4.3.1.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.1 4.3.1.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 电压型单相半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可电压型单相半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可 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，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。的足够大的

31、电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。 负载联接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。 设开关器件设开关器件VT1和和VT2的栅极信号在一个周期内各有半周的栅极信号在一个周期内各有半周 正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，输出电压正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，输出电压uO 为矩形波，其幅值为为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。输出电流。输出电流iO的波形因负载情况的波形因负载情况 而异。而异。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.1 4.3.1.1 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 当当V

32、T1或或VT2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧 向负载提供能量；向负载提供能量； 当当VD1或或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电为通态时，负载电流和电压反向，负载电 感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功 能量反馈回直流侧。能量反馈回直流侧。 反馈回来的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电反馈回来的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电 容器起着缓冲无功能量的作用。因为二极管容器起着缓冲无功能量的作用。因为二极管VD1、VD2是负是负 载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二

33、极管；又因为载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为 VD1、VD2起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二 极管。极管。 当功率开关器件是半控型器件晶闸管时，当功率开关器件是半控型器件晶闸管时， 必须附加强迫换流电路才能正常工作。必须附加强迫换流电路才能正常工作。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.2 4.3.1.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 电压型单相全桥逆变电路共有电压型单相全桥逆变电路共有4个桥臂，可以看成由两个桥臂，可以看成由两 个电压型单相半桥逆变电路组合而成。把桥臂个电压型单相半

34、桥逆变电路组合而成。把桥臂1和和4作为一对，作为一对， 桥臂桥臂2和和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替 各导通各导通180。 其输出电压其输出电压uO的波形与电压型单相半桥逆变电路的波形的波形与电压型单相半桥逆变电路的波形 uO形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。 在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流iO的波的波 形也和图形也和图4-7中的中的iO形状相同，仅幅值增加一倍。形状相同，仅幅值增加一倍。 关于无功能量的交换，对于电压型单相

35、半桥逆变电路的关于无功能量的交换，对于电压型单相半桥逆变电路的 分析也完全适用于电压型单相全桥逆变电路。分析也完全适用于电压型单相全桥逆变电路。 电压型单相全桥逆变电路是电压型单相电压型单相全桥逆变电路是电压型单相 逆变电路中应用最多的。逆变电路中应用最多的。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.2 4.3.1.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 把幅值为把幅值为Ud的矩形波的矩形波uO展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得 d O 411 =(sinsin3sin5) 35 U uttt 其中基波的幅值其中基波的幅值UO1m和基波有效值和基波有效值UO1

36、分别为分别为 O1dd 2 2 =0.9 UUU O1mdd 4 =1.27 UUU 上述公式对于电压型单相半桥逆变电路上述公式对于电压型单相半桥逆变电路 也适用，只是式中的也适用，只是式中的Ud要换成要换成Ud/2。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变电路 4.3.1.2 4.3.1.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 前面分析的都是前面分析的都是uO为正、负电压各为为正、负电压各为180的脉冲时的情的脉冲时的情 况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过 改变直流电压改变直流电压Ud来实现。来实现。 在阻

37、感性负载时，还可以采用移相控制的方式来调节逆变在阻感性负载时，还可以采用移相控制的方式来调节逆变 电路的输出电压，这种方式称为电路的输出电压，这种方式称为移相调压移相调压。移相调压实际上就移相调压实际上就 是调节输出电压脉冲的宽度。是调节输出电压脉冲的宽度。 VT3、VT4的栅极信号不是分别和的栅极信号不是分别和VT2、VT1的栅极信号的栅极信号 同相位，而是前移了（同相位，而是前移了（180-）角度。这样，输出电压）角度。这样，输出电压uO就就 不再是正、负各为不再是正、负各为180的脉冲，而是正、负各为的脉冲，而是正、负各为角的脉冲。角的脉冲。 4.3.1 电压型单相逆变电路电压型单相逆变

38、电路 4.3.1.2 4.3.1.2 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 输出电压输出电压uO的正、负脉冲宽的正、负脉冲宽 度各为度各为。改变。改变，就可以调节输，就可以调节输 出电压的大小。出电压的大小。 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但 在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路，它在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路，它 可以看成由三个电压型单相半桥逆变电路组成。可以看成由三个电压型单相半桥逆变电路组成。 与电压型单相半桥、电压型单相全桥逆变电路相

39、同，电与电压型单相半桥、电压型单相全桥逆变电路相同，电 压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，导电方式， 即每个桥臂的导电角度均为即每个桥臂的导电角度均为180，同一相（即同一半桥）上、，同一相（即同一半桥）上、 下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120， 从而输出相位互差从而输出相位互差120的交流电压。的交流电压。 在在任一瞬间，有且只有三个桥臂同时导通任一瞬间，有且只有三个桥臂同时导通，或两个上桥，或两个上桥 臂和一个下桥臂同时导通，或一个上桥臂和两个下桥臂同时臂和一个下桥臂同

40、时导通，或一个上桥臂和两个下桥臂同时 导通。因为每次换流都是在同一相上、下两个桥臂之间进行导通。因为每次换流都是在同一相上、下两个桥臂之间进行 的，因此也被称为的，因此也被称为纵向换流纵向换流。 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 由于每相上、下桥臂共有两个开关模式（上桥臂通且下桥臂断、上桥臂由于每相上、下桥臂共有两个开关模式（上桥臂通且下桥臂断、上桥臂 断且下桥臂通），则三相逆变电路总共有断且下桥臂通），则三相逆变电路总共有23=8个开关模式。去除三个上桥臂个开关模式。去除三个上桥臂 全通和三个下桥臂全通这两个零电压开关模式，则采用全通和三个下桥臂全通这两个零电压开关模式，则采

41、用180导电方式的三导电方式的三 相桥式逆变电路相桥式逆变电路共有共有6个非零电压开关模式个非零电压开关模式。 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 在在0/3区间，区间，VT5、VT6、VT1同时导通，设同时导通，设 ZU=ZV=ZW=Z，则，则输出相电压为：输出相电压为： UW UNdd UWV /1 (/)3 ZZ UUU ZZZ V VNdd UWV 2 (/)3 Z UUU ZZZ WNUNd 1 3 UUU 输出线电压为：输出线电压为： UVUNVNd UUUU VWVNWNd UUUU WUWNUN 0UUU 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 在在/3

42、2/3区间，区间， VT6、VT1 、VT2同时导通，则同时导通，则输出相输出相 电压为：电压为： U UNdd VWU 2 (/)3 Z UUU ZZZ VW VNdd VWU /1 (/)3 ZZ UUU ZZZ WNVNd 1 3 UUU 输出线电压为：输出线电压为： UVUNVNd UUUU VWVNWN 0UUU WUWNUNd UUUU 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 同理，可求出后同理，可求出后4个区间的相电压和线电压计算值，如表个区间的相电压和线电压计算值，如表 4-1所示，对应的输出电压波形如图所示，对应的输出电压波形如图 4-10所示。所示。 若逆变电路直

43、流侧电压为若逆变电路直流侧电压为Ud，当负载为星形对称负载时，当负载为星形对称负载时， 则逆变电路输出的相电压波形为交流六阶梯波波形，即每间则逆变电路输出的相电压波形为交流六阶梯波波形，即每间 隔隔60就发生一次电平的突变，且电平取值分别为就发生一次电平的突变，且电平取值分别为Ud/3、 2Ud/3。 逆变电路输出的线电压波形为逆变电路输出的线电压波形为120导电的交流方波波形，导电的交流方波波形， 其方波幅值为其方波幅值为Ud。 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 输出相电压有效值为：输出相电压有效值为： UNVNWN 2 2 UN 0 dd 1 d() 2 2 0.471 3

44、 UUU ut UU 输出线电压有效值为：输出线电压有效值为： UVVWWU 2 2 UV 0 ddUN 1 d() 2 2 0.8163 3 UUU ut UUU 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 180导电方式的电压型三相桥式逆变电路的相电压波形为交流六阶导电方式的电压型三相桥式逆变电路的相电压波形为交流六阶 梯波波形。如果取时间坐标为相电压阶梯波的起点，并利用傅立叶分析，梯波波形。如果取时间坐标为相电压阶梯波的起点，并利用傅立叶分析， 可求得逆变电路输出可求得逆变电路输出U相电压的瞬时值相电压的瞬时值uUN为为 UNd d 21111 ( )(sinsin5sin7sin

45、11sin13) 571113 21 (sinsin) n utUttttt Utn t n 式中，式中，n=6k1；k为自然数。为自然数。 相电压基波幅值相电压基波幅值UUN1m为为 UNlmdd 2 0.637 UUU UNlm UNld 0.45 2 U UU 相电压基波有效值相电压基波有效值UUN1为为 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 180导电方式的电压型三相桥式逆变电路的输出线电压波形为导电方式的电压型三相桥式逆变电路的输出线电压波形为120 的交流方波波形。如果取时间坐标为线电压零电平的中点，并利用傅立叶的交流方波波形。如果取时间坐标为线电压零电平的中点，并利用

46、傅立叶 分析，可求得逆变电路输出线电压的瞬时值分析，可求得逆变电路输出线电压的瞬时值uUV为为 UVd d 2 31111 ( )(sinsin5sin7sin11sin13) 571113 2 31 sin( 1) sin k n utUttttt Utn t n 式中，式中，n=6k1；k为自然数。为自然数。 线电压的基波幅值线电压的基波幅值UUVm1为为 相电压基波有效值相电压基波有效值UUV1为为 UVlm UVldd 6 0.78 2 U UUU UV1mdd 2 3 1.1 UUU 4.3.2 电压型三相逆变电路电压型三相逆变电路 在上述在上述180导电方式的电压型三相桥式逆变电路

47、中，为导电方式的电压型三相桥式逆变电路中，为 了防止同一相上、下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流了防止同一相上、下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流 侧电源的短路，要采取侧电源的短路，要采取“先断后通先断后通”的方法。即先给应关断的方法。即先给应关断 的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后 再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂 的死区时间。的死区时间。 死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关 速度越快，

48、所留的死区时间就可以越短。这一速度越快，所留的死区时间就可以越短。这一“先断后通先断后通” 的方法对于工作在上、下桥臂通断互补方式下的其他电路也的方法对于工作在上、下桥臂通断互补方式下的其他电路也 是适用的。是适用的。 显然，前述的单相半桥和单相全桥逆变电路也必须采取显然，前述的单相半桥和单相全桥逆变电路也必须采取 这一方法。这一方法。 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际 上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一 个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可近似

49、看成直个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可近似看成直 流电流源。流电流源。 电流型逆变电路有以下主要特点：电流型逆变电路有以下主要特点： (1) 直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无 脉动，直流回路呈现高阻抗。脉动，直流回路呈现高阻抗。 (2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因 此交流侧输出电流为矩形波，且与负载阻抗角无关。而交此交流侧输出电流为矩形波，且与负载阻抗角无关。而交 流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。流侧输出电压波形和相位则因

50、负载阻抗情况的不同而不同。 (3) 当交流侧为阻感性负载时需要提供无功功率，直流侧电感当交流侧为阻感性负载时需要提供无功功率，直流侧电感 起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电源并不反起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电源并不反 向，因此不必像电压型逆变电路那样在开关器件两端反并联二向，因此不必像电压型逆变电路那样在开关器件两端反并联二 极管。极管。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 图图4-11 电流型单相桥式逆变电路电流型单相桥式逆变电路(并联谐振式并联谐振式)， 用于中频感应加热炉。用于中频感应加热炉。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路

51、该电路采用负载换流方式工作，要求负载电流略超前于该电路采用负载换流方式工作，要求负载电流略超前于 负载电压，即负载略呈容性。负载电压，即负载略呈容性。 实际负载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的实际负载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的 钢料。图钢料。图4-11中的中的R和和L串联即为感应线圈的等效电路。因为串联即为感应线圈的等效电路。因为 功率因数很低，故并联补偿电容器功率因数很低，故并联补偿电容器C。 电容电容C和和L、R构成并联谐振电路，故这种逆变电路也被称构成并联谐振电路，故这种逆变电路也被称 为并联谐振式逆变电路。为并联谐振式逆变电路。 负载换流方式要求负载电流超前于电压

52、，因此补偿电容负载换流方式要求负载电流超前于电压，因此补偿电容 应使负载过补偿，使负载电路总体上工作在容性，并略失谐应使负载过补偿，使负载电路总体上工作在容性，并略失谐 的情况下。的情况下。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波形接近矩形因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波形接近矩形 波，其中包含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波幅值。波，其中包含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波幅值。 因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波电流呈因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波电流呈 现高阻抗，而对谐波电流呈现低阻抗

53、，谐波电流在负载电路上现高阻抗，而对谐波电流呈现低阻抗，谐波电流在负载电路上 产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。 图图4-12是该逆变电路的工作波形。在交流电流的一个周期是该逆变电路的工作波形。在交流电流的一个周期 内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。 t1t2之间是晶闸管之间是晶闸管VT1和和VT4的稳定导通阶段；的稳定导通阶段； t2t4之间为晶闸管之间为晶闸管VT1和和VT4向向VT2和和VT3换流阶段，换流阶段，4只晶只晶 闸管全部导通闸管全部导通 ； t4t6之间是之间是VT2、VT3的

54、稳定导通阶段。的稳定导通阶段。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 在在t2时刻之前，晶闸管时刻之前，晶闸管VT2和和VT3 的阳极电压等于负载电压，为正值。的阳极电压等于负载电压，为正值。 t2时刻触发时刻触发VT2和和VT3使其导通。使其导通。 在在t2t4之间，晶闸管之间，晶闸管VT1和和VT4向向 VT2和和VT3换流，换流，4只晶闸管全部导通只晶闸管全部导通 ， 负载电容电压经两个并联的放电回路负载电容电压经两个并联的放电回路 同时放电。同时放电。 VT1、VT4电流逐渐减小，电流逐渐减小，VT2、 VT3电流逐渐增大。电流逐渐增大。 t=t4时，时，VT1和和VT4电

55、流减至零而电流减至零而 关断，直流侧电流关断，直流侧电流Id全部从全部从VT1和和VT4 转移到转移到VT2和和VT3，换流阶段结束。，换流阶段结束。 t=t3时，时，iVT1=iVT2，电流，电流iO过零。过零。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 在在t4时刻换流结束后，还时刻换流结束后，还 要使要使VT1、VT4承受一段反压时承受一段反压时 间间t才能保证其可靠关断。才能保证其可靠关断。 t=t5-t4应大于晶闸管的关应大于晶闸管的关 断时间断时间tq。 如果如果VT1、VT4尚未恢复阻尚未恢复阻 断能力就被加上正向电压，将断能力就被加上正向电压，将 会重新导通，使换流失败

56、。会重新导通，使换流失败。 为了保证可靠换流，应在为了保证可靠换流，应在 负载电压负载电压uO过零前过零前t=t5-t2时刻时刻 去触发去触发VT2、VT3。t称为触发称为触发 引前时间。引前时间。 t=t+t 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 负载电流负载电流iO超前于负载电超前于负载电 压压uO的时间的时间t为为 t=t/2+t 把把t表示为电角度表示为电角度（弧度）（弧度） 可得可得 t (+t ) 22 式中，式中，为电路工作角频率；为电路工作角频率；、 分别是分别是t、t对应的电角度。对应的电角度。是是 负载的功率因数角。负载的功率因数角。 4.4.1 电流型单相逆变

57、电路电流型单相逆变电路 在换流过程中，上、下桥在换流过程中，上、下桥 臂的臂的LT上的电压极性相反，如上的电压极性相反，如 果不考虑晶闸管压降，则果不考虑晶闸管压降，则uAB=0。 可以看出，可以看出，uAB的脉动频率为交的脉动频率为交 流输出电压频率的两倍。流输出电压频率的两倍。 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 如果忽略换流过程，如果忽略换流过程，iO可近似看成矩形波。展开成傅里叶可近似看成矩形波。展开成傅里叶 级数可得级数可得 Od 4111 ( )(sinsin3sin5sin7) 357 itItttt 其基波电流有效值其基波电流有效值IO1为为 O1dd 4 0.9

58、 2 III 4.4.1 电流型单相逆变电路电流型单相逆变电路 如果忽略电抗器如果忽略电抗器Ld的损耗，并忽略晶闸管压降，则的损耗，并忽略晶闸管压降，则uAB的的 平均值应等于平均值应等于Ud。 -( + )-( + ) dABO - OO 11 d()2sind() 22 2 cos( + )coscos( +)cos 22 UutUtt UU 一般情况下一般情况下值较小，可近似认为值较小，可近似认为cos(/2)1，再考虑到，再考虑到 式（式（4-12）可得）可得 dO 2 2 cos UU 或或 dd O 1.11 cos2 2cos UU U 4.4.2 电流型三相逆变电路电流型三相逆

59、变电路 典型的电流型三相桥式逆变电路的基本工作方式是典型的电流型三相桥式逆变电路的基本工作方式是120 导电方式。即每个桥臂一周期内导电导电方式。即每个桥臂一周期内导电120，按，按VT1到到VT6的顺的顺 序，每隔序，每隔60依次导通。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂依次导通。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂 组都各有一个桥臂导通。换流时，是依次在上桥臂组内和下组都各有一个桥臂导通。换流时，是依次在上桥臂组内和下 桥臂组内分别进行换流，称为桥臂组内分别进行换流，称为横向换流横向换流。 4.4.2 电流型三相逆变电路电流型三相逆变电路 图图4-14给出了逆变电路的三给出了逆变电路的三 相输出交流电

60、流波形及线电压相输出交流电流波形及线电压 uUV的波形。输出电流波形和三的波形。输出电流波形和三 相桥式可控整流电路在大电感负相桥式可控整流电路在大电感负 载下的交流输入电流波形形状相载下的交流输入电流波形形状相 同。因此，它们的谐波分析表达同。因此，它们的谐波分析表达 式也相同。式也相同。 输出线电压波形和负载性质输出线电压波形和负载性质 有关，图有关，图4-14中给出的波形大体中给出的波形大体 为正弦波，但叠加了一些尖脉冲，为正弦波，但叠加了一些尖脉冲， 这是由逆变电路中的换流过程产这是由逆变电路中的换流过程产 生的。生的。 4.4.2 电流型三相逆变电路电流型三相逆变电路 输出交流电流的