电力电子技术chapter4

05二月20231第4章逆变电路(DC/AC变换）4.1逆变电路的基本工作原理4.2电压型逆变电路05二月20232把直流电变成交流电。交流侧接有电源。交流侧直接和负载连接。一般指无源逆变电路。逆变:有源逆变:无源逆变：逆变电路：逆变电路引言整流电路+逆变电路（无源）构成交-直-交电路，实现交-交变流。DC→ACAC→DC→AC05二月202334.1逆变电路的基本工作原理负载a)S1S2S3S4iouoUdS1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。当开关S1、S4

闭合，S2、

S3断开时，负载电压uo为正Ud；当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负Ud。直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。1.电路结构b)tuot1tT2.基本工作原理图4-1逆变电路及其波形举例Ud-Ud05二月20234负载a)S1S2S3S4iouoUdb)tuot1iot2图5-1逆变电路及其波形举例

当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同。当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同，io连续变化。

Ud-Ud05二月202354.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路05二月202364.2电压型逆变电路电压型逆变电路

也称电压源型逆变电路：直流侧是电压源+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图4-5电压型全桥逆变电路(全桥逆变电路）05二月20237电压型逆变电路的特点：1）直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动。2）输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。

05二月202384.2.1单相电压型逆变电路1．半桥逆变电路图4-6a)单相半桥电压型逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有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的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。1）电路结构上桥臂下桥臂05二月20239开关器件V1和V2栅极信号uG1、uG2：在一周期内各半周正偏、半周反偏。两者互补。2）工作原理单相半桥电压型逆变电路uG1uG2T/2TIGBT的通断状态由栅极信号控制：1.栅极信号正偏，同时uce承受正压时V导通；2.栅极信号反偏，V关断。05二月202310图4-6b)半桥电压型逆变电路工作波形uG1uG2t2时刻以前V1通，V2断。uo=Ud/2，

io

与uo方向一致并逐渐增大。

t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，V2

不能导通，于是VD2导通续流，io逐渐减小。uo=-Ud/205二月202311

t3时刻io降为零时，VD2截止，

V2开通，io开始反向。uo=-Ud/2t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，由于io不能立即改变方向，V1不能导通。

VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。uo=Ud/2uG1uG205二月202312

V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量。

VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈。二极管是负载向直流侧反馈能量的通道，使负载电流连续--反馈二极管，续流二极管。输出电压uo为矩形波，幅值为

Um=Ud/2。带感性负载：V1→VD2→V2→VD1→V1带阻性负载：V1→V2→V1，io与uo波形一致。05二月202313

对电压波形进行定量分析.

将幅值为Ud/2的矩形波uo展开成傅里叶级数，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为3）定量计算T/2Ud/2-Ud/2T基波05二月2023142．全桥逆变电路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio

电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°1）电路结构uG1、4uG2、3--180O导电方式05二月2023152）工作原理

电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud图4-6b)单相全桥电压型逆变电路工作波形+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioab0ua0ub0Ud/2Ud/2Udu005二月202316

输出电流io波形和半桥电路的io形状相同，幅值增加一倍。

VD1

、V1、VD2、V2

（半桥电路）相继导通的区间，分别对应全桥电路VD1和VD4、V1和V4

、VD2和VD3、V2和V3

相继导通的区间。图4-6b)单相半桥电压型逆变电路工作波形05二月202317

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为(4-1)(4-3)(4-2)3）定量计算T/2Ud-UdTuo05二月202318

改变输出电压有效值的方法：（1）

uo为正负电压各为180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现。（2）采用移相方式调节逆变电路的输出电压。05二月202319

采用移相方式调节逆变电路的输出电压，实际就是调节输出电压脉冲的宽度。4）移相调压图4-7单相全桥逆变电路的移相调压方式+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotb)uouo

所谓移相：即改变θ的大小。05二月202320

各IGBT栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补。

V3的基极信号不是比V1落后

180°，而是只落后

(0<

<180°)。

V3、V4的栅极信号分别比V2

、V1的前移180°-。

输出电压uo是正负各为

的脉冲。tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo

各IGBT栅极信号uG1~uG4及输出电压uo、输出电流io的波形见图4-7b05二月202321tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相调压方式工作原理

√t1时刻前V1和V4导通，

uo=Ud。

√t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，

VD3导通续流，uo=0。

√t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，

VD2导通续流，和VD3构成电流通道，uo=-Ud。

√到负载电流过零并开始反向时，VD2

和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。

√t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，

VD4导通续流，uo再次为零。改变就可调节输出电压。05二月202322

在纯电阻负载时，VD1~VD4不再导通，不起续流作用，uo为零的期间，4个桥臂均不能导通，负载没有电流。io与uo波形一致。在阻感负载时，VD1~VD4将导通起续流作用。

V1、

V4

V2、

V3

V1、

VD3

V2、

VD4

VD1、

VD4

VD2、

VD3

V1、

V405二月2023234.2.2三相电压型逆变电路图4-9三相电压型桥式逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud21）电路结构负载中点直流电源中点05二月202324每桥臂导电角度180°同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。在任一瞬间将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。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2180°导电方式2）工作原理纵向换流：V1→V4V3→V6V5→V205二月202325图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形U相电源输出电压

1）当桥臂1导通时，

uUN’

=Ud/2。

2）当桥臂4导通时，

uUN’=－Ud/2。

3）uUN’的波形幅值是为

Ud/2的矩形波。

V、W两相情况和U相类似

uVN’、uWN’的波形形状与

uUN’相同，只是依次相差

120°tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3(1)三相电源输出电压05二月202326

将上两式整理得负载中点N和电源中点N′之间电压uNN’(4-4)(4-5)(4-6)(2)三相负载相电压电源输出线电压05二月202327(4-7)负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，可得uNN’的也是矩形波，但其频率为uUN’频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud/6。负载参数已知时，可由uUN波形求出U相电流iU波形，负载的阻抗角Ф不同，iu的波形形状和相位都有所不同。05二月202328

三桥式逆变电路输出线电压uUV展开成傅里叶级数得：

式中，n=6k±1,k为自然数输出线电压有效值UUV为：(4-8)(4-9)3）定量计算基波7次谐波05二月202329输出线电压基波幅值为(4-10)输出线电压基波有效值为(4-11)05二月202330

三桥式逆变电路电源相电压uUN

′展开成傅里叶级数得：

电源相电压基波幅值UUN′1m为：电源相电压基波有效值UUN′1为：05二月202331三桥式逆变电路负载相电压uUN展开成傅里叶级数得：

式中，n=6k±1,k为自然数。负载相电压有效值UUN为：(4-12)(4-13)05二月202332负载相电压基波幅值为负载相电压基波有效值为(4-14)