第五章-逆变电路

第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类

4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路逆变器的性能指标与分类

4.11）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载，2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1、有源逆变:2、无源逆变：逆变器的性能指标

（1）谐波系数HF（HarmonicFactor）谐波系数HF定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即

式中n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1时为基波。(4.1.1)4.1.1

（2）总谐波系数THD（TotalHarmonicDistrotion）

(4.1.2)（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）（3）逆变效率（4）单位重量的输出功率:衡量逆变器输出功率密度的指标。总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THD定义为逆变电路的分类

①

电压型：电压型逆变器的输入端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。

②电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。4.1.2（1）、根据输入直流电源特点分类

①

半桥式逆变电路；②

全桥式逆变电路；

③

推换式逆变电路；④其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2）、根据电路的结构特点分类① 负载换流型逆变电路；②脉冲换流型逆变电路；③自换流型逆变电路。逆变电路的分类4.1.2（3）、根据换流方式分类（4）、根据负载特点分类①

非谐振式逆变电路②

谐振式逆变电路逆变电路用途1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流电动机调速。4.1.32、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用CVCF电源。3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。逆变器的用途十分广泛：第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路电力器件的换流方式在图4.2.1中，T1、T2表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2导通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通时，电流i从T2转移到T1。图4.2.1桥臂的换流4.2.1电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。（1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件换流。（2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。（3）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以实现负载换流。4.2.1电力器件的换流方式一般来说，换流方式可分为以下四种：在晶闸管T处于导通状态时,预先给电容C按图中所示极性充电。如果合上开关S，就可以使晶闸管T被加反压而关断。

图4.2.2脉冲电压换流原理图

4.2.1电力器件的换流方式脉冲电压换流原理：（4）脉冲换流：

设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。

晶闸管T处于导通状态时，预先给电容C按图中所示的极性充电。图(a)中，如果闭合开关S，LC振荡电流流过晶闸管，直到其正向电流为零后，再流过二极管D。

图(b)中，接通开关S后，LC振荡电流先和负载电流叠加流过晶闸管T，经半个振荡周期t=π后，振荡电流反向流过T，直到T正向电流减至零以后再流过二极管D。

图4.2.3脉冲电流换流原理图

4.2.1电力器件的换流方式脉冲电流换流原理:这两种情况，都在晶闸管的正向电流为零和二极管开始流过电流时晶闸管关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。逆变电路的工作原理

Ud为输入直流电压，R为逆变器的输出负载。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压u0=Ud；

当开关T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压u0=－Ud

;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图4.2.4单相桥式逆变电路工作原理

4.2.21、主要功能:图4.2.4(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。2、工作原理：第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路电压型单相半桥逆变电路

它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。图4.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形

4.3.1电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：

输出电压有效值为:

由傅里叶分析，输出电压瞬时值为:

其中，为输出电压角频率。当n=1时其基波分量的有效值为:

4.3.1电压型单相半桥逆变电路(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)图4.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形

2在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则u0=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud

/2

。t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud

/2

。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud

/2；t5时刻

i。降至零，T1导通，u0=Ud/2；

图4.3.1电压型半桥逆变电路及其电压电流波形

4.3.11、电压型逆变电路半桥逆变电路工作原理：电压型单相半桥逆变电路缓冲电感反馈的无功能量电压型单相半桥逆变电路缺点：4.3.11）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。

优点：简单，使用器件少；应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；电压型单相全桥逆变电路全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。图4.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.21、电路工作过程：电压型单相全桥逆变电路输出方波电压瞬时值：

输出方波电压有效值：基波分量的有效值：图4.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.2(4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)

同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。1）纯电阻负载时电压型单相全桥逆变电路0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期间，D1、D4导通起负载电流续流作用，在此期间T1∼T4均不导通。图4.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.22）电感负载时由可得负载电流峰值为：(4.3.7)

电压型单相全桥逆变电路0≤ωt≤θ期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用，u0=+Ud。

θ≤ωt≤π期间，i0为正值，T1和T4才导通。

π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为正值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用，u0=－Ud

。π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。4.3.23）阻感负载RL时图4.3.2电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源负载电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。电压型三相桥式逆变电路

电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。图4.3.3电压型三相桥式逆变电路

4.3.31、工作过程：电压型三相桥式逆变电路

将一个工作周期分成6个区域。在0<ωt≤π/3区域，设ug1>0,ug2>0,ug3>0，则有T1，T2，T3导通，4.3.3

2、各相负载相电压和线电压波形：根据同样的思路可得其余5个时域的值线电压相电压图4.3.4电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中Ud为逆变器输入直流电压。电压型三相桥式逆变电路

4.3.3

3、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为：相电压基波幅值(4.3.8)(4.3.9)由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：线电压基波幅值

(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。电压型三相桥式逆变电路4.3.3表4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表电压型逆变电路特点1：直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗2、由于直流电压源的嵌位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或接近正弦波。3、当交流侧为感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量，各臂都并联了反馈二极管。4、逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率时脉动的，因直流电压无脉动，故传输功率的脉动是由直流电流的脉动体现的第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路

4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路电流型单相桥式逆变电路

当T1、T4导通，T2、T3关断时，I0=Id；反之，I0=-Id。

当以频率f交替切换开关管T1、T4和T2、T3时，则在负载上获得如图4.4.1（b）所示的电流波形。输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。图4.4.1电流型单相桥式逆变电路及电流波形

4.4.11、电路工作过程：防反相高压恒流大电感其中基波幅值I01m和基波有效值I01分别为

(4.4.1)

(4.4.2)

(4.4.3)

4.4.1电流型单相桥式逆变电路将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有2、电流波形参数计算：

图4.4.1电流型单相桥式逆变电路及电流波形

电流型三相桥式逆变电路

导电方式为120°导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。

导通顺序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。

输出电流波形与负载性质无关。输出电压波形由负载的性质决定。图4.4.3电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形

(4.4.4)

4.4.21、工作方式:输出电流的基波有效值I01和直流电流Id的关系式为：

电流型逆变电路特点1、直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2、因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。3、直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故逆变电路中的开关器件不必反向并联二极管。第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路4.5.1

PWM控制的基本思想.引言1）重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)b)图2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。

i(t)－输出电流，是电路的响应。

Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。等幅PWM波输入电源是恒定直流

如直流斩波电路；PWM逆变电路；PWM整流电路不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的直流如斩控式交流调压电路；矩阵式变频电路OwtUd-UdUoωt2）PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波SPWM控制的基本原理将一个正弦波半波电压分成N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图4.5.1（b）所示的脉冲列。这就是PWM波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效。PWM被形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）波形。图4.5.1SPWM电压等效正弦电压

4.5.1是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其它所需要的波形。

1、PWM产生原理：2、SPWM控制方式：单极性SPWM控制方式在ur的正半周期，T1保持导通，T4交替通断。当ur>

uc时，使T4导通，负载电压u0=Ud；当ur≤uc时，使T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压u0=0。在ur的负半周，保持T2导通，使T3交替通断。当ur<

uc时，使T3导通，u0=-Ud；当ur≥uc时，使T3关断，负载电流将通过D4续流，负载电压u0=0。

图4.5.2电压型单相桥式PWM逆变电路原理图

4.5.2图4.5.3单极性PWM控制方式

1、定义：三角载波只在一个方向变化得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性SPWM控制方式。2、原理：载波信号uc在信号波正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号ur和载波uc的交点时刻控制逆变器晶体管T3、T4的通断。3、晶体管的控制规律：调节调制信号ur的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号ur的频率则可以改变输出电压的频率。所以，从调节的角度来看，SPWM逆变器非常适用于交流变频调速系统。

图4.5.3单极性PWM控制方式

4.5.2单极性SPWM控制方式双极性SPWM控制方式在ur的正负半周内，在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。当ur>

uc时，使晶体管T1

、T4导通，使T2

、T3关断，此时，u0=Ud；当ur<

uc时，使晶体管T2

、T3导通，使T1

、T4关断，此时，u0=-Ud。图4.5.4双极性PWM控制方式

4.5.32、晶体管的控制规律：1、定义：三角载波是正负两个方向变化，所得到的SPWM波形也是在正负两个方向变化控制方式。在ur的一个周期内，PWM输出只有±Ud两种电平。逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟△t时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来不利影响，使其偏离正弦波。

三相桥式逆变电路的SPWM控制A、B、C三相的PWM控制公用一个三角波载波信号uc，三相调制信号urA、urB、urC分别为三相正弦信号，其幅值和频率均相等，相位依次相差120°。A、B、C三相PWM控制规律相同。图4.5.5电压型三相桥式逆变电路的PWM控制方式4.5.4其控制方式为双极性方式。2、工作过程：1、控制方式：三相桥式逆变电路的SPWM控制当urA>uc时，使T1导通，使T4关断，则A相相对于直流电源假想中点N的输出电压；当urA<uc时，使T1关断，使T4导通，则。T1、T4的驱动信号始终互补。其余两相控制规律相同。当给T1(T4)加导通信号时，可能是T1(T4)导通，也可能是D1(D4)续流导通，这取决于阻感负载中电流的方向。输出相电压和线电压的波形如图4.5.6所示。4.5.42、工作过程：（以A相为例）图4.5.6电压型三相桥式逆变电路的PWM波形SPWM控制的逆变电路的优点（1）

可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要；（2）

整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数；（3）

只用一级可控的功率环节，电路结构简单；（4）通过对输出脉冲宽度控制就可改变输出电压的大小，大大加快了逆变器的动态响应速度。

4.5.5第四章:逆变电路

4.1逆变器的性能指标与分类4.2电力器件的换流方式与逆变电路的工作原理4.3电压型逆变电路4.4电流型逆变电路4.5逆变器的SPWM控制技术4.6负载换流式逆变电路

负载换流式逆变电路4.6.1

并联谐振式逆变电路

1、电路结构

2、工作原理

3、电路参数计算

4.6.2

串联谐振式逆变电路

1、电路结构2、工作原理

4.６并联谐振式逆变电路

负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中L和R串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器C。

电容C和电感L、电阻R构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。本电路采用负载换流，即要求负载电流超前电压，因此，补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下。图4.6.1并联谐振式逆变电路的原理图

4.６.1１、电路结构:小电感，限制晶闸管电流上升率大滤波电感并联谐振式逆变电路并联谐振式逆变电路属电流型，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各次谐波。工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压uo一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。

图4.6.3并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形

4.６.1２、工作原理：并联谐振式逆变电路图4.6.2并联谐振式逆变电路换流的工作过程

4.６.1２、换流过程电流电压：并联谐振式逆变电路t2时刻触发T2，T3

，电路开始换流。由于T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT

，故T1和T4在t2时刻不能立刻关断，T2，T3中的电流也不能立刻增大到稳定值。在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。当t=t4时刻，T1、T4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从T1、T4转移到T2、T3

，换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。T1、T4中的电流下降到零以后，还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使T1、T4承受一段反压时间tβ才能保证可靠关断。tβ=t5－t4应大于晶闸管关断时间tq。

4.６.1３、逆变电路换流的工作过程图4.6.3并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形

并联谐振式逆变电路为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前tƒ时刻触发T2、T3，称tƒ为触发引前时间。为了安全起见，必须使

式中k为大于1的安全系数，一般取为2~3。 负载的功率因数角φ由负载电流与电压的相位差决定，从图3.6.3可知：

其中ω为电路的工作频率。4.６.1图4.6.3并联谐振式逆变工作波形

（4.6.2）（4.6.1）4.6负载换流式逆变电路4.6.1

并联谐振式逆变电路

1、电路结构

2、工作原理

3、电路参数计算

4.6.2

串联谐振式逆变电路