逆变电路的基本工作原理

第5章逆变电路

主要内容：换流方式，电压

型逆变电路,电流型逆变电路,

多重逆变电路和多电平逆变电

路。

重点：换流方式，电压型逆

变电路。

难点：电压型逆变电路，电

流型逆变电路。

精心整理

基本要求：掌握换流方式,

掌握电压型逆变电路，理解电

流型逆变电路，了解多重逆变

电路和多电平逆变电路。

逆变概念:

逆变——直流电变成交流电,

与整流相对应。

本章无源逆变逆变电路的应

用:

蓄电池、干电池、太阳能电

池等直流电源向交流负载供电

精心整理

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

1换流方式

(1)逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路为例：

精心整理

Si—S4是桥式电路的4个臂，

由电力电子器件及辅助电路组

成。SI、S4闭合，S2、S3断开

时，负载电压Uo为正S1；51、

S4断开，S2、S3闭合时，Uo为

负，把直流电变成了交流电。

改变两组开关切换频率，可改

变输出交流电频率。

图5-1逆变电路及其波形举例

精心整理

电阻负载时，负载电流i。和

u。的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，i。滞后于W,波

形也不同（图5-lb）0

ti前：SKS4通,U。和io均为

正。

ti时刻断开Si、S4,合上S2、

S3,11。变负，但i。不能立刻反

向。

io从电源负极流出，经§2、负

载和S3流回正极，负载电感能

精心整理

量向电源反馈，i。逐渐减小，

tz时刻降为零，之后i。才反向

并增大

(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。

精心整理

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

1、器件换流

精心整理

利用全控型器件的自关断能

力进行换流(Device

Commutation)o

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。

精心整理

3、负载换流

由负载提供换流电压称为负

载换流(LoadCommutation)o

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

a)b)

图5-2负载换流电路及其工作波形

基本的负载换流逆变电路:

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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。

工作过程：

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

精心整理

联谐振的状态，对基波阻抗很

大，对谐波阻抗很小，11。波形

接近正弦。

ti前：VTi、VT4通，VT2、

VT3断，u。、i。均为正，VT2.

VT3电压即为Uo

ti时：触发VT2,VT3使其开

通，U。加到VT4、VTi上使其

承受反压而关断,电流从VTU

VT4换到VT3、VT2O

精心整理

tl必须在Uo过零前并留有足

够裕量,才能使换流顺利完成。

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(Forced

Commutation)o通常利用附

加电容上储存的能量来实现,

也称为电容换流。

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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

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。

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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）o先使晶闸管电流

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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（图5-4）o

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一一属

于外部换流。

精心整理

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。

2电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质

不同分为两种：电压型逆变

电路或电压源型逆变电路，

电流型逆变电路或电流源型逆

变电路。

图5-1电路的具体实现。

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图5・5电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)

电压型逆变电路的特点

⑴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

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无功提供通道，逆变桥各臂并

联反馈二极管

(1)单相电压型逆变电路

1、半桥逆变电路

电路结构：见图5・6。

工作原理：

%和V2栅极信号各半周正

偏、半周反偏，互补。＜1。为矩

形波，幅值为Um=Ud/2,i。波

形随负载而异，感性负载时，

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图5・6b,Vi或V2通时，io和

u。同方向，直流侧向负载提供

能量，VDi或VD2通时，i。和

u。反向，电感中贮能向直流侧

反馈，VDi、VD2称为反馈二

极管，还使i。连续，又称续流

二极管。

叫VD2VL]VD2

a)b)

图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

优点：简单，使用器件少

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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，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。

2、全桥逆变电路

电路结构及工作情况：

图5・5,两个半桥电路的组合。

1和4一对，2和3另一对，成

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对桥臂同时导通，交替各导通

180%U。波形同图5.6b。半桥

电路的W,幅值高出一倍

Um=Udoi。波形和图5・6b中的

i。相同，幅值增加一倍，单相

逆变电路中应用最多的。

输出电压定量分析

U。成傅里叶级数

u.=-—-sin^+-3sin3(2^+-5sin5(2rf+A)

(5-1)

基波幅值=--=L27/

(5-2)

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基波有效值管

(5・3)

<1。为正负各180。时，要改变

输出电压有效值只能改变5

来头现O

移相调压方式(图5・7)o

可采用移相方式调节逆变电

路的输出电压,称为移相调压。

各栅极信号为180。正偏，180°

反偏，且Vi和V2互补，V3和

V4互补关系不变。V3的基极信

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号只比V1落后q(Ovq<180°),

V3、V4的栅极信号分别比V2、

%的前移180。7，u。成为正负

各为q的脉冲，改变q即可

调节输出电压有效值。

川h'l

图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式

3、带中心抽头变压器的逆变

电路

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交替驱动两个IGBT,经变压

器耦合给负载加上矩形波交流

电压。两个二极管的作用也是

提供无功能量的反馈通道，Ud

和负载相同，变压器匝比为

1:1:1时,U。和i。波形及幅值与

全桥逆变电路完全相同。

图5-8带中心抽头变压器的逆变电路

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与全桥电路的比较，比全桥

电路少用一半开关器件，器件

承受的电压为2Ud,比全桥电

路高一倍。必须有一个变压器。

(2)三相电压型逆变电路

三个单相逆变电路可组合成

一个三相逆变电路。应用最广

的是三相桥式逆变电路

可看成由三个半桥逆变电路组

成。

180。导电方式：

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每桥臂导电180。，同一相上

下两臂交替导电，各相开始导

电的角度差120。，任一瞬间有

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。

图5-9三相电压型桥式逆变电路

波形分析：

精心整理

"UN'A1f

a)

b)

c)

d)

e)

0

g)

h)

图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

负载各相到电源中点V的电

压：u相，1通，UUN=Ud/2,4

通,UUN=-Ud/2O

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负载线电压

(5-4)

=UUW1

负载相电压

(5-5)

负载中点和电源中点间电压

1/、1/、

"mr=1("四+"w+"WIT)-1("uw+"VH+"WN)

(5-6)

负载三相对称时有

UUN+UVN+UWN=O,于是

"mr=，("mr+"w+"WM')

(5-7)

利用式(5・5)和(5・7)可给出

UUN、UVN>UWN波形。负载已

精心整理

知时，可由UUN波形求出iu波

形，一相上下两桥臂间的换流

过程和半桥电路相似，桥臂1、

3、5的电流相加可得直流侧电

流id的波形，id每60。脉动一

次，直流电压基本无脉动，因

此逆变器从直流侧向交流侧传

送的功率是脉动的，电压型逆

变电路的一个特点。

定量分析：

a、输出线电压

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UUV展开成傅里叶级数

“nv=Rin--Lsin5&-Lin7H+-j-sinl1"+—sinl3(2/-A1

灯I571113)

=亚弘_|sinH+Zl(-iysinnotf

(5-8)

式中±0k为自然数

输出线电压有效值2佛r--

(5-9)

基波幅值.叫

(5-10)

=亚5=0.73%

基波有效值72w

(5-11)

b、负载相电压

UUN展开成傅里叶级数得:

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2a(.i.\-i-—112d

=——-sinH+-sinc5H+—sin7d+——sin11a/+——sinl3H+AA

加汗［571113

=2刀(sincut+sinno/)

(5-12)

,n=6k±l，k为自然数

负载相电压有效值Ki川”“

(5-13)

orr

^=—=0-637^

基波幅值JT

(5-14)

基波有效值Ug=^^=0.45q

(5-15)

防止同一相上下两桥臂开关

器件直通，采取“先断后通''的

方法。

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3电流型逆变电路

直流电源为电流源的逆变电

路电流型逆变电路。

在直流侧串联大电感，电流脉

动很小，可近似看成直流电流

源。

实例之一：图5・11电流型三

相桥式逆变电路。交流侧电容

用于吸收换流时负载电感中存

贮的能量。

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L

4VT

VTT.3V7VT5V

Lt记

dl3

VD^ZTOSZ

⑪3Kz5U

T

/zW

VD4Kze严6Kz叫KZ

”Z"Z

—o

图5・11电流型三相桥式逆变电路

电流型逆变电路主要特点:

(1)直流侧串大电感，相当于

电流源。

(2)交流输出电流为矩形波，

输出电压波形和相位因负载不

同而不同。

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(3)直流侧电感起缓冲无功

能量的作用，不必给开关器件

反并联二极管。

电流型逆变电路中，采用半

控型器件的电路仍应用较多。

换流方式有负载换流、强迫换

流。

(1)单相电流型逆变电路

精心整理

图5・12单相侨式电流型（并联谐振式）逆变电路

4桥臂，每桥臂晶闸管各串一

个电抗器LT限制晶闸管开通

时的di/dt。1、4和2、3以

1000-2500Hz的中频轮流导

通，可得到中频交流电。采用

负载换相方式，要求负载电流

超前于电压。

负载一般是电磁感应线C3

加热线圈内的钢料，RL串联

为其等效电路。因功率因数很

低，故并联C。C和L、R构

精心整理

成并联谐振电路，故此电路称

为并联谐振式逆变电路。

输出电流波形接近矩形波，

含基波和各奇次谐波，且谐波

幅值远小于基波。因基波频率

接近负载电路谐振频率，故负

载对基波呈高阻抗，对谐波呈

低阻抗，谐波在负载上产生的

压降很小，因此负载电压波形

接近正弦波。

工作波形分析:

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一周期内，两个稳定导通阶

段和两个换流阶段。

ti-t2:VTi和VT4稳定导通阶

段，io=Id,t2时刻前在C上建

立了左正右负的电压。

：时触发和开

t2-t4t2VT2VT3

通,进入换流阶段。LT使VT1、

VT4不能立刻关断，电流有一

个减小过程。VT2、VT3电流

有一个增大过程。4个晶闸管

全部导通，负载电压经两个并

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联的放电回路同时放电。t2时

亥卮LTi、VTi、VT3、LT3

到C;另一个经LT2、VT2、

VT4、LT4SJCot=t4时，VTK

VT4电流减至零而关断，换流

阶段结束。t4—t2=tg称为换流

时间。始在t3时刻，即ivTl=ivT2

时刻过零，t3时刻大体位于t2

和t4的中点。

保证晶闸管的可靠关断（图

5-13）:

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晶闸管需一段时间才能恢复

正向阻断能力，换流结束后还

要使VTi、VT4承受一段反压

时间tp,tp=t5-t4应大于晶闸管

的关断时间tq。为保证可靠换

流应在Uo过零前td=t5-12时刻

触发VT2、VT3O

td为触发引前时间…，,

(5-16)

io超前于Uo的时间为3号。

(5-17)

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表示为电角度…舁卜*

(5-18)

co为电路工作角频率；八

P分别是t八闻对应的电角度)

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数量分析:

精心整理

忽略换流过程，i。可近似成矩

形波，展开成傅里叶级数

i。=£^(sinH+gsin3H+*sin5"+A)

(5-19)

基波电流有效值

(5-20)

负载电压有效值U。和直流电

压Ud的关系(忽略Ld的损耗,

忽略晶闸管压降)

U「*=1.11-^-

2J2cosg>cosy

(5-21)

实际工作过程中，感应线圈

参数随时间变化，必须使工作

精心整理

频率适应负载的变化而自动调

整，这种控制方式称为自励方

式。固定工作频率的控制方式

称为他励方式。

自励方式存在起动问题，解

决方法：

一是先用他励方式，系统开

始工作后再转入自励方式。另

一种方法是附加预充电起动电

路。

(2)三相电流型逆变电路

精心整理

电流型三相桥式逆变电路

（图5・11,采用全控型器件）。

基本工作方式是120。导电方

式每个臂一周期内导电

120。。每时刻上下桥臂组各有

一个臂导通，横向换流。

波形分析:

输出电流波形和负载性质无

关，正负脉冲各120。的矩形波。

输出电流和三相桥整流带大电

感负载时的交流电流波形相

精心整理

同，谐波分析表达式也相同。

输出线电压波形和负载性质有

关，大体为正弦波。

输出交流电流的基波有效值

%=好小0.7风

(5-22)

串联二极管式晶闸管逆变电路如图5-15所示。这种电路因各桥臂的晶闸管和二极管串联使用

而得名，主要用于中大功率交流电动机调速系统。

电流型三相桥式逆变电路:电

路仍为前述的120°导电工作

方式，输出波形和图5-14的波

形大体相同。各桥臂的晶闸管

和二极管串联使用，各桥臂之

精心整理

间换流采用强迫换流方式，连

接于各臂之间的电客C-C6

即为换流电容。

换流过程分析（图5-16）

电容器充电规律：

图5-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形

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Z

4-0--

4寰在严其VT5^7

11

VD]\Zg3Kz叫文u

V

4zw

VP4Kze严岂Z叫文

-ell

华I---

VT

4“"6"fZ

—o-------

图5.15串联二极管式晶闸管逆变电路

对共阳极晶闸管，与导通晶

闸管相连一端极性为正，另一

端为负。不与导通晶闸管相连

的电容器电压为零。共阴极晶

闸管与共阳极晶闸管情况类

似,只是电容器电压极性相反。

精心整理

等效换流电容：例如分析从

VTi向VT3换流时，C13就是

C3与C5串联后再与C1并联的

-

等效电容。设Clc6的电容量

均为C,则Ci3=3C/2。

从VTi向VT3换流的过程：

换流前VTi和VT2通，Ci3

电压Uco左正右负。换流过程

可分为恒流放电和二极管换流

两个阶段。

精心整理

图5-16换流过程各阶段的电流路径

a、恒流放电阶段

ti时刻触发VT3导通，VTi

被施以反压而关断。Id从VTi

换到VT3,C13通过VDKU相

负载、W相负载、VD2、VT2、

直流电源和VT3放电，放电电

流恒为Id,故称恒流放电阶段。

精心整理

uci3下降到零之前，VTi承受

反压，反压时间大于tq就能保

证关断。

b、二极管换流阶段

tl时刻UC13降到零，之后C13

反向充电。忽略负载电阻压降,

则二极管VD3导通,电流为iv,

VDi电流为iu=L・iv,VDi和

VD3同时通,进入二极管换流

阶段。随着C13电压增高，充

电