电力电子技术-4.1单相方波电压逆变.

1、4-1逆变的概念逆变与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。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。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。本章讲述无源逆变4-2DC-to-ac converters are knows as inverters. The function of an inverter is to change a dc input volta

2、ge to a symmetric ac output voltage of desired magnitude and frequency. The output voltage could be fixed or variable frequency. A variable output voltage can be obtained by varying the input dc voltage and maintaining the gain of the inverter constant. On the other hand, if the dc input voltage is

3、fixed and it is not controllable, a variable output voltage can be obtained by varying the gain of the inverter, which is normally accomplished by pulse-width-modulation (PWM) control within the inverter.4-3以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电

4、路组成。4-4S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正。S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负。直流电交流电4-5逆变电路最基本的工作逆变电路最基本的工作原理原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载电阻负载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感负载阻感负载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同。4-6换流换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，

5、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。4-71）逆变电路的分类 根据直流侧电源性质的不同根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-CSTI直流侧是电流源电流源4-82）电压型逆变电路的特点电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 (2)输出电压为交流方波，输出电流因负载阻抗不同而不同

6、。(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。4-91）半桥逆变电路u单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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，两者互补两者互补，输出电压uo o为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo o同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，i io o和u uo o反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管, ,它又起着使负载电流连续的作用，

7、又称续流二极管续流二极管。实际因功率管关断不能瞬时完成，为防止电源经功率管短路，上下管交替导通间须插入死区死区保证先关后开4-10022000222TddrmsUUUdtT 00100001,3,5,cossin20,021sinsin,1,3,5,222sinnnnndddndnauan tbn taaUUUbn t dtn t dtnnUun tn输出电压输出电压有效值0120.452drmsdUUU基波有效值10221,3,5,2sin nt, dnnnUn LitgRnRL输出电流4-11例：单相半桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负载电阻10W，求 输出电压基波有效值； 输出功

8、率； 功率管每管电流平均值；总谐波失真度THD 0120.450.45 200902drmsdUUUV22000100100 ,/1000210dUUV PURW001001010UIAR052VIIA2222001010.50.4548.4%0.45UUTHDU4-12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U Ud d/2/2，基波有效值为0.45Ud，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用应用：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。4-132) 全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通

9、180。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。重复频率和脉宽由控制极信号决定，幅值由直流电源电压决定。4-14输出电压波形与负载无关，恒为交变方波；输出电流波输出电压波形与负载无关，恒为交变方波；输出电流波形与负载性质和参数有关。形与负载性质和参数有关。输出电压含奇次输出电压含奇次 谐波，幅值随谐谐波，幅值随谐 波次数增加递减。波次数增加递减。 uuuiipppg13001011dU00DCAC0000ttttTD13132424感性负载P自然换流自然换流强制换流强制换流PNTTDDRLTTDDAB1423142300d1d

10、d200Cuiiiiiu,全桥式电路结构臂内换流：电流在同一导电桥臂内器件间转移。电流过零时换流，称为自然换流自然换流。臂间换流：电流在不同桥臂间转移。电流非零时换流，称为强制换流强制换流。4-15)1,3,5,(n sin40ndtnnUu基波幅值： 不可调 27. 1401ddmUUU单相方波逆变谐波含量较高1,45.2% nCTHDn01010.92mrmsdUUU 基波电压有效值：. 5 , 3 , 1ndnm0m01nm0nn1/U4UUUC谐波相对幅值： 2n2n2n2nm0m01CUU1THD总谐波失真度THD：4-16忽略损耗，对阻感负载，当开关频率足够高时，主要考虑输出的基波

11、正弦量，则有： 01 0101011010101101112sin2sincoscos(2)d dddddu iu iiUtItUUUIItUU基波功率瞬时值包含直流分量和交流分量ACDCpPIUIUp)- t2cos(cos101011010101uuuiipppg13001011dU00DCAC0000ttttTD13132424感性负载P自然换流自然换流强制换流强制换流交流功率幅值与直流功率相当，回馈时注入直流电网，直流侧必须有足够的吸收能力以保持直流电压基本恒定。一般直流侧须并联一大容量的电容器。4-17例：单相桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负载电阻10W，求 输出电压基波有

12、效值； 输出功率； 功率管每管电流平均值；总谐波失真度THD 0140.90.9 2001802drmsdUUUV22000200200 ,/400010dUUV PURW002002010UIAR0102VIIA22220010110.948.4%0.9UUTHDU4-18对相同的直流电压输入，半桥和全桥方波逆变每功率管承受的阻断电压相同，但全桥输出功率是半桥的4倍，电流、电压基波分量均为半桥的1倍。两种逆变器输出的总谐波失真度相同。输出电压频率可通过调节开关周期连续调节。4-19阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压移相调压。a) 单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOt

13、OtO? ?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的栅极信号比V1落后 （0 180 ）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180。输出电压是正负各为的脉冲。改变就可调节输出电压。4-20电路工作模式：改变移相角即改变输出电压基波有效值 uuuiig100101dU00000ttttTD13132424=-ug4ug3t=-ug212431313i1i2全桥移相式电路电量波形PNVVDDRLVVDDAB1423142300d1dd200Cuiiiiiu,全桥式电路结构0104313: 0 ti 0,V,duUD 1，V导通流过电流，D关断,02303120: ti

14、 0,V,uD，关断，V续流034014224: ti 0,duUDV V，V关断,D续流，准备04502442: ti 0,duUD，V ,V 导通流过电流,D关断05602430: ti 0,V,uD，关断，V续流4-21 选坐标原点于/2，则 为偶函数56232 t 0 t t 0 t0 55220ddUUu1,3,5.n, tcos0nnnAu t tcos200dnuAn0 0 t /20 /2 t /2dUu2/2d204U4cos t tsin2ndnAUndn204sincos t ,n1,3,5.2dnUnunn2014sin2dmUU基波幅值021sin4/2nmndUnCUn谐波相对幅值4-22兼具有变频调压功能04080120 160200C00.20.40.60.81.0输出电压谐波含量与n的关系C1o753二极管均具有零电压零电流关断(ZVZCOFF)环境，可控器件具有零电压零电流(ZVZCON)开通环境，器件开关损耗下降；输出零压期间，内部存在环流，导通损耗增加。基准臂电流i1与移相臂电流i2波形存在明显差异。i000ttTD1313242412431313i1i2VVDDRLVVDDAB1423142300d1dd200Cuiiiiiu,输出电压谐波含量仍然偏高,且随移相角变化。4-23带中心抽头变压器的逆变电路Ud和负载参数相同，变压器匝比为