电力电子第五章

电力电子第五章第一页，共四十页，编辑于2023年，星期一

引言

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内容5.1节——换流方式5.2节——电压型逆变电路5.3节——电流型逆变电路5.4节——逆变电路的多重化和多电平逆变电路。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第二页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1换流方式

5.1.1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为正图5-1逆变电路及其波形举例第三页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.1逆变电路的基本工作原理

S1S4断开，S2S3闭合时，uo为负，把直流电变成交流电

改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感负载时，io相位滞后于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才反向并增大第四页，共四十页，编辑于2023年，星期一

5.1.2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,因此在本章讲述第五页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

1.器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）2.电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）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（LoadCommutation）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，可实现负载换流第六页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

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基本没有脉动图5-2负载换流电路及其工作波形

第七页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

工作过程（工作波形图5-2b）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uot1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、VT2t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成第八页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

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（ForcedCommutation）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第九页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

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

第十页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.1.2换流方式分类

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——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，则称为熄灭第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一逆变电路概述1．按换流方式分类：a.有源逆变电路：利用电网电压作为换流电压，以强制逆变电路导电臂间电流的转移，且关断退出工作的开关器件（MOSFET，GTR，IGBT）。b.负载换流逆变电路：适用于能够提供超前电流的负载，利用负载端压作为换流电压。c.自换流逆变电路:利用自关断元件构成逆变电路，或在晶体管逆变电路中设置独立的换流电路。第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一2．按逆变电的结构分类：

a.桥式电路与整流电路对比，电源与负载的位置正好倒置电源负载整流中：交流电网滤波器及其直流负载逆变中：直流电源交流负载（阻性、感性或反电动势等）第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一b.零式电路：

负载中带有电感L，T1和T2交替导通和截止，负载电路得到交替变化的电压和电流。N'N+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一

单相电路：主要应用于不间断电源（UPS）。

恒压恒频电源中等。

三相电路：应用于交流电机变频调速等。4．按输出电压的调压方式分：a.对逆变电路入端直流电压进行调节，图5-2.a,bb.在逆变电路出端对交流电压进行调节。5-2.dc.在逆变电路内部进行调压，兼有变频和调压的功能。图5-2.c，这种方式具有调节速度快，结构简单，转换效率和入端功率因数高等优点。3．按逆变电路输出交流相数分：第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一图5-2：1.可控整流电路。2不控整流。3变频逆变。4变频变压逆变。5交流电动机。6变压器。7斩波器第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期一5．按输入能量储存方式划分：

逆变电路在感性或容性负载下除输出有功功率之外，电路中尚有无功功率，后者在逆变电路和直流侧储能元件间来回流传。a.电压型逆变电路-直流侧并联大电容Cd，使ud=Ud.-Cd不仅起滤波作用，而且起着维持电能平衡的作用，当逆变器开关轮番以不同的工作状态工作时，Cd轮番贮存和释放电能，使无功功率在电路中来回流传。-电压型逆变电路输出负载一般为感性。若接容性负载，则须在输出端串入电感。以避免电压源_电容回路在逆变器开关元件开关瞬间出现过电流。-桥式电路中，采用纵向换流，换流在每相上、下桥臂间进行。-每相上、下桥臂不能同时导通，否则将直通短路。第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期一b.电流型逆变器，图5-3.-直流侧串联大电感，id=Id。-Ld不仅起平滑电流，而且起维持电能平衡的作用。（即提供无功能量）-输出负载一般为容性。若需接感性负载，则输出端需并联电容。以避免电流源—电感割集。防止开关瞬间过电压。-桥式电路中，采用横向换流，换流在上或下桥臂组各元件之间进行。-上桥臂组或下桥臂组各元件不能同时关断，否则Ld中能量无处释放，逆变器将过压损坏。第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期一

5.2电压型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理想条件：（假设）a.逆变器开关元件由IGBT组成，IGBT具有理想门极控制特性。b.负载可等效为RL串联电路，且均为线性定常元件。c.直流电源内阻极小，端压恒定ud=Ud.d.忽略电路中的分布电感。

e.逆变电路已达稳态。图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）图5-1电路的具体实现第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.2.1单相电压型逆变电路

1．半桥逆变电路电路结构

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，互补uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期一设开关元件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏。且二者互补，当负载为阻感性时，其波形如图5-6.b所示：a.0<t<t1,V1，V2截止，VD1通，负载电流方向：

RLVD1CdC2，此时负载向电容Cd反馈无功能量。b.t1<t<t2,V1通，V2截止。负载电流方向：CdV1LRC2,此时负载消耗有功。c.t2<t<t3,V1、V2截止，VD2通。负载电流方向：LRC1CdVD2.此时负载向电容Cd反馈无功。d.t3<t<t4,V1截止，V2通。负载电流方向为：CdC1RLV2,此时负载消耗有功。第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.2.1单相电压型逆变电路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,暂存在直流侧电容中。VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管特点优点：简单，使用器件少能避免直流偏磁现象。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（简单办法加并联电阻）用于几kW以下的小功率逆变电源。功率变大，两桥臂上电容流过的脉动电流过大，易损坏。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一3.单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路如下图所示，电压波形见下右图。

第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一它共有四个桥臂，桥臂1、4构成一对，2、3构成另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。输出电压形状同5-6.b.但幅值要高出一倍。为Um=Ud.a.0<t<t1.V1-V4截止，VD1、VD4导通。负载电流方向：LRVD1CdVD4,负载电感向电容Cd反馈无功。b.t1<t<t2.V1、V4通，V3、V2截止，负载电流方向：CdV1RLV4.负载电流，电压同相，消耗有功。c.t2<t<t3,VD2和VD3通。V2-V3截止，负载电流方向：RLVD3CdVD2，负载电感向电容Cd反馈无功。d.t3<t<t4.V2、V3导通。V1和V4止，负载电流方向：CdV3LRV2,负载消耗有功。

第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一由上分析可见，输出电压幅值以半桥电路提高了一倍。全桥逆变电路在单相逆变电路中应用最广。把幅值为Ud的矩形波输出电压U。作付里叶级数展开可得：输出电压波形为镜对称波形，故输出表达式中无偶次项和余弦项

其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为：

Uo1m=4Ud/π=1.27Ud5-2Uo1=2*1.414Ud/π=0.9Ud5-3思考：为什么基波幅值比直流电压Ud高？上述公式对半桥电路也适用，只是式中的Ud成Ud/2.第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一4.单相全桥输出电压可调逆变电路

.前面分析的两种逆变器不能实现输出电压的调节，要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。.同输出电压不可调电路相比，主电路结构相同，只是触发脉冲所加方式不同,采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称移相调压各栅极信号为180°正偏，180°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<q<180°)

V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-quo成为正负各为q

的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期一a.0<t<t1。（即控制角θ）：电流过零前：VD4LRVD1Cd，无功返回过零后：V1

RLV4Cd,消耗能量，U0=Udb.t1<t<T2.。V1导通，VD3通，V3、V2、V4截止。负载电流方向：RLVD3V1，此时输出短路，故输出电压Uo=0.c.t2<t<t3。在t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通。故输出电流过零前通路：VD2RLVD3Cd无功返回输出电流过零后通路：Uo=-UdCdV3LRV2消耗能量d.t3<t<t4。V2通VD4续流通，负载电流方向：

LRV2VD4输出短路，Uo=0.

第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期一以上分析可知：输出电压Uo的正负脉冲宽度各为θ。改变θ，就可以调节输出电压。在纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到同样的结果。只是VD1-VD4不再续流，即可省去。在Uo为零的期间，4个桥臂均不导通，负载也没有电流。对于5-7.b输出电压波形付里叶展开可得：

其中基波电压幅值：基波电压有效值：从上式可知:

当θ=π时（即没有死区时），输出最大：U01m=1.27Ud当θ=0时，输出最小：U01m=0。故通过改变θ，达到改变输出电压目的。第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.带中心抽头变压器的逆变电路

交替驱动两个IGBT，通过变压器的耦合给负载加上矩形交流电压。两个二极管的作用也是为负载电感中储藏的无功能量提供反馈通道。在Ud和负载相同，且变压器匝比为1：1：1的情况下，该电路的输出电压波形和幅值与全桥逆变电路完全相同。因此，式5－1～5－3，也适用于该电路。此电路开关元件减少一半，但开关器件承受电压为2Ud，并且必须有一个带中心抽头的变压器。第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期一综上所述，可得出如下结论：①单相桥式电路输出端电压Uo为交变方波，其逆变频率取决于门极信号的重复频率，因而易实现变频逆变之目的。②对于单相全桥逆变电路，通过改变桥臂上开关器件的导通角，可达到改变输出交流电压之目的。③由于负载一般为阻感性负载，故负载基波电流io1滞后于基波电压Uo1一角度φ。④V1,3，V2,4导通时，负载由电源获得电能，即P＝iu>0。D1,3，D2,4导通时，负载电感中储能反馈到Cd中，保证了负载电流连续。此时，P＝i*u<0。⑤V1,2,3,4在导通结束后立即进入正向阻断，中间无承受反压期。若用半控元件而不采取有效措施（强迫换流电路），则元件无法正常工作。⑥io为非正弦波，其波形与负载有关。第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期一5.3三相电压型逆变电路1.θg=π,纯电阻性负载情况现假定：负载为星形连接，设Ra＝Rb＝Rc＝R，中心点N电位UN＝0，门极控制信号宽度为θg=π，相邻两脉冲互差π/3。（1）0<wt<π/3，此时V5，V6，V1通，等效电路如图5－9（b）u

UN=uWN=+1/3*UduVN=－2/3*Ud

所以

uUV=uUN－uVN=Udi1=iv1=iu=uUN/Ra=Ud/3Ri5=iV5=iW=uWN/RC=Ud/3Ri3=iV3=0入端电流

iβ=i1+i3+i5=2Ud/3R＝Iβm第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一（2）π/3<wt<2π/3，此时V6，V1，V2通，等效电路如图5－9（c）uUN

=+2/3*UduVN=uWN=-1/3*UduUV=uUN－uVN=Udi1=iV1=iu=uUN/Ra=2Ud/3R，i3=i5=0,iβ=i1＝i2+i6=2Ud/3R（3）2π/3<wt<π，此时V1，V2，V3通，等效电路如图5－9（d）uUN=+1/3*Ud=uVN

，uWN=－2/3*Ud,uUV=uUN－uVN=0i1=iV1=iU=uUN/Ra=Ud/3R，i3=iV3=iV=Ud/3Ri5=iV5=0，iβ=i1+i3+i5=2Ud/3R第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一（4）π<wt<4π/3，此时V3，V4，V2通，等效电路如图5－9（e）uUN=uWN=－1/3*Ud，

uVN=＋2/3*UduUV=uUN－uVN=－Udi1=iV1=0，i3=iV3=iV=2Ud/3R,i5=iV5=0iβ=i1+i3+i5=2Ud/3R同理还可分析其他区间波形及数量关系

4π/3<wt<2π区间略第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一由图5－9可见:输出相电压为六阶梯波，输出线电压为四阶梯波。逆变器入端电流,由于任一瞬间均由各桥臂中的开关管载流，