第逆變電路剖析課件

5-1第4

章逆變電路

引言

4.1換流方式

4.2電壓型逆變電路

4.3電流型逆變電路

4.4多重逆變電路和多電平逆變電路

本章小節(jié)（C）5-2第4

章逆變電路?

引言逆變的概念

逆變——與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負載，為無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換(整流)和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種蓄電池、干電池、太陽能電池供電的逆變電源。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變（B）5-34.1.1

逆變電路的基本工作原理S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負。直流電交流電（C）S1、

S4閉合，S2、

S3斷開時電路和波形圖S2、

S3閉合，S1、

S4斷開時電路和波形圖5-44.1.1

逆變電路的基本工作原理逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖4-1逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負載時，io

相位滯后于uo，波形也不同。單相橋式逆變電路S1~

S4是橋式電路的4

個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。（B）5-54.1.2換流方式分類換流

——電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。

開通：適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間的反壓，才能關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。本章?lián)Q流及換流方式問題最為全面集中，因此安排在本章集中講述。（C）

5-64.1.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation） 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。 在采用IGBT

、電力MOSFET

、GTO

、GTR等全控型器件在電路中的換流方式是器件換流。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation） 電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。 將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負載換流（LoadCommutation）（容性負載）4)強迫換流（ForcedCommutation）（附加電路）

后三種換流方式針對的是晶閘管。 當(dāng)電流不是從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。（B）

5-74.1.2換流方式分類圖4-2負載換流電路及其工作波形由負載提供換流電壓的換流方式。負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。如圖是基本的負載換流電路，4個橋臂均由晶閘管組成。整個負載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。直流側(cè)串電感，工作過程可認為

id

基本沒有脈動。負載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小。所以

uo接近正弦波。注意：觸發(fā)VT2、VT3的時刻

t1

必須在uo

過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。wtOOOOiit1b)a)uouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4（B）注：工作頻率ω與并聯(lián)諧振頻率ω0

應(yīng)是十分接近。3)

負載換流（LoadCommutation

）wtwtwt5-84.1.2換流方式分類

直接耦合式強迫換流當(dāng)晶閘管VT處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)S合上，就可使VT被施加反壓而關(guān)斷。也叫電壓換流。圖4-3直接耦合式強迫換流原理圖圖4-4電感耦合式強迫換流原理圖

電感耦合式強迫換流先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓。也叫電流換流。4)強迫換流（ForcedCommutation）

設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。（B）

5-94.1.2

換流方式分類（A）注：1、試分析電路的工作原理。

2、VT2如何關(guān)斷？例：晶閘管斬波電路（強迫換流）

圖a）中晶閘管VT1為串在主電路中的斬波開關(guān)，需有強迫換流電路才能使其關(guān)斷。換流電路由輔助晶閘管VT2、二極管VD、電感L和電容C組成。 電路工作之前，閉合起動開關(guān)S，使C經(jīng)R充電到UC＝US，然后斷開S。觸發(fā)VT1則負載與US接通，Uc反向；在需要的時刻觸發(fā)VT2，則VT1

被強迫關(guān)斷。電路工作時各點波形見圖b）。 除大容量負載仍需采用此電路外，大部分斬波器的主開關(guān)已采用IGBT等自關(guān)斷器件，換流電路不再需要。5-104.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter—VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter—CSTI直流側(cè)是電流源（B）逆變電路的分類

——根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同5-114.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點圖4-5電壓型全橋逆變電路

(1)

直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。

(2)

輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。

(3)

阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管(

續(xù)流二極管)。（C）5-124.2.1單相電壓型逆變電路圖4-6單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形b)V1

和V2

柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2。

V1或V2通時，io

和uo

同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋(無功電流)。VD1、VD2

稱為反饋二極管，它起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱為續(xù)流二極管。（C）1)半橋逆變電路5-134.2.1單相電壓型逆變電路共4個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通

180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍，即Um=Ud

。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud

來實現(xiàn)。（B）2)全橋逆變電路圖5-7a)注：1、說明該電路的結(jié)構(gòu)特點（屬于哪種類型等）。

2、若Ud為低壓直流，選什么類型的開關(guān)器件更合適？

3、實際輸出電壓uo

的波形是什么形狀？uttOOONUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2V4V3V4V3VD4VD3VD4VD3o5-144.2.1單相電壓型逆變電路阻感負載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式b)a)tOtOtOtOtOθuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基極信號比V1落后q(0＜q

＜180)。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180-q。輸出電壓是正負各為

q的脈沖。改變q

就可調(diào)節(jié)輸出電壓。（B）——移相調(diào)壓。注：1、若為阻性負載，還有何方法可調(diào)節(jié)uo電壓？

2、上題方法能否適用于阻感負載？5-154.2.1單相電壓型逆變電路3)

帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為

2Ud，比全橋電路高一倍。必須有一個變壓器。一般變壓器原邊匝比為

1:1，原副邊匝比根據(jù)輸出要求確定。

交替驅(qū)動兩個

IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。

兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。

Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為

1:1:1

時，uo和

io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。（B）

5-164.2.2三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路圖4-9三相電壓型橋式逆變電路（B）注：1、能否用一臺通用示波器同時觀測V1和V4的柵極信號？3、三相功率模塊或IPM能否用于單相全橋電路？

4、若第3題方法可行還應(yīng)對模塊或電路做何處理？2、能否用一臺通用示波器同時觀測V2和V4

的柵極信號？5-174.2.2三相電壓型逆變電路基本工作方式——180導(dǎo)電方式圖5-10

電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120。任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流

id的波形。

id

每

60°脈動一次，因此在直流側(cè)功率也是脈動的。詳細分析見教材第138頁。（B）注：試給出直流側(cè)功率的波形。2023/7/20184.2.2三相電壓型逆變電路

波形分析圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形■2023/7/20194.2.2三相電壓型逆變電路負載各相到電源中點N'的電壓：U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2負載線電壓(4-4)負載相電壓(4-5)負載中點和電源中點間電壓，式（5－5）相加：(4-6)■2023/7/20204.2.2三相電壓型逆變電路負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0，于是 (4-7)利用式(4-5)和(4-7)可繪出uUN、uVN、uWN波形負載已知時，可由uUN波形求出iU波形一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每60°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點■2023/7/20214.2.2三相電壓型逆變電路定量分析輸出線電壓

uUV展開成傅里葉級數(shù)

式中，，k為自然數(shù)(4-8)■2023/7/20224.2.2三相電壓型逆變電路輸出線電壓有效值基波幅值基波有效值(4-9)(4-10)(4-11)■2023/7/20234.2.2三相電壓型逆變電路

負載相電壓

uUN展開成傅里葉級數(shù)得

式中，，k為自然數(shù)(5-12)■2023/7/20244.2.2三相電壓型逆變電路負載相電壓有效值基波幅值基波有效值防止同一相上下兩橋臂開關(guān)器件直通采取“先斷后通”的方法注：當(dāng)頻率變化，電壓如何變化？如何實現(xiàn)？(4-13)(4-14)(4-15)■5-25電流型逆變電路主要特點

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于

電流源。4.3

電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。圖4-11電流型三相橋式逆變電路(2)

交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。（C）5-264.3.1

單相電流型逆變電路1)

電路原理圖4-12

單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由

4

個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相。電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。（C）5-274.4

多重逆變電路和多電平逆變電路電壓型逆變電路

——輸出電壓是矩形波，含有較多諧波。電流型逆變電路

——輸出電流是矩形波，含有較多諧波。多重逆變電路將幾個矩形波組合起來，接近正弦。多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。4.4.1多重逆變電路4.4.2多電平逆變電路（B）5-284.4.1

多重逆變電路

電壓型、電流型都可多重化，能改善輸出波形，增加裝置容量。以電壓型為例。兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器T1和T2串聯(lián)起來。u1和u2相位錯開60。輸出波形：兩個單相的輸出u1和u2是180矩形波。uo

波形是

120矩形波，含

6

k±1次諧波，3

k次諧波都被抵消。串聯(lián)多重——

多用于電壓型。并聯(lián)多重——

多用于電流型。圖4-21

二重逆變電路的工作波形120°60°180°tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo圖4-20二重單相逆變電路（B）單相電壓型二重逆變電路多重逆變電路5-29T2

一次側(cè)Δ聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接法，其二次電壓相對于一次電壓而言，比T1的接法超前

30，以抵消逆變橋II比逆變橋I滯后的30。這樣，uU2和uU1的基波相位就相同。4.4.1

多重逆變電路三相電壓型二重逆變電路圖5-22三相電壓型二重逆變電路由兩個三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過變壓器串聯(lián)合成。兩個逆變電路均為180°導(dǎo)通方式。逆變橋II的相位比逆變橋I滯后30。T1為Δ/Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為（一次和二次繞組匝數(shù)相等)。（B）5-304.4.1

多重逆變電路由圖5-24可看出uUN比uU1接近正弦波。具體數(shù)量關(guān)系見教材147頁。直流側(cè)電流每周期脈動

12次，稱為12脈波逆變電路。使

m

個三相橋逆變電路的相位依次錯開p/(

3m

)，連同合成輸出電壓并抵消上述相位差的變壓器，就可構(gòu)成6

m

的脈波逆變電路。UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud圖4-23二次側(cè)基波電壓合成相量圖圖4-24三相電壓型二重逆變電路波形圖（C）5-314.4.2多電平逆變電路回顧圖4-9

三相電壓型橋式逆變電路和圖5-10的波形。以N’

為參考點，輸出相電壓有Ud/2和-

Ud/2兩種電平，稱為兩電平逆變電路。圖4-10電壓型三相橋式逆變電路的工作波形（C）圖4-9tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud35-324.4.2多電平逆變電路圖4-25三電平逆變電路（C）三電平逆變電路

也稱中點鉗位型（NeutralPointClamped）逆變電路

每橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，兩者中點通過鉗位二極管和直流側(cè)中點相連。

5-334.4.2多電平逆變電路V11和

V12（

或

VD11和

VD12）通，V41和V42斷，UO’

間電位差為Ud/2。V41和

V42（

或

VD41和

VD42）通，V11和V12斷，UO’

間電位差為-Ud/2。V12或

V41導(dǎo)通，V11和

V42關(guān)斷時，UO’

間的電位差為

0

。V12和V41不能同時導(dǎo)通。i

U>0時，V12和VD1導(dǎo)通。i

U<0時，V41和VD4導(dǎo)通。圖5-25三電平逆變電路（B）輸出相電壓有±Ud/2和0三種電平；輸出線電壓有±Ud、±Ud/2

和0五種電平。每個器件承受一半的直流電壓。以

U

相為例分析工作情況5-344.4.2

多電平逆變電路三電平逆變電路驅(qū)動及輸出電壓波形