逆變電路（電力電子技術(shù)課件）

5.1換流方式回顧DC-AC逆變之前采用電動機—發(fā)電機組實現(xiàn)逆變。?概述光伏、太陽能發(fā)電不間斷電源（UPS）交流電機調(diào)速用變頻器在控制電路的控制下，將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。概述概述當逆變電路交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。實現(xiàn)無源逆變的裝置稱為無源逆變器（簡稱逆變器），因無源逆變經(jīng)常與變頻概念聯(lián)系在一起，所以又稱為變頻器。概述變頻電路有交一交變頻和交一直一交變頻兩種形式，其中交一直一交變頻電路由交一直變換電路和直一交變換電路兩部分組成，前一部分屬于整流電路，后一部分就是逆變電路。逆變器的工作原理單相橋式逆變電路當將開關(guān)Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)Q1、Q4斷開，Q2、Q3閉合，電阻上得到左負右正的電壓。（a）逆變電路圖

（b）輸出電壓波形圖5-1逆變器的工作原理逆變器的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。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。換流方式換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流的基本方式：1）器件換流（IGBT,GTO,GTR,MOSFET)2）電網(wǎng)換流3）負載換流（負載滿足的條件？）4）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）SCR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。換流方式1)器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。晶閘管導(dǎo)通后門極失去控制作用，要讓它關(guān)斷就困難了，必須設(shè)置關(guān)斷電路。（半控型器件）器件IGBT、電力MOSFET、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。（逆變器應(yīng)用領(lǐng)域，全控型器件流行的原因）換流方式2)電網(wǎng)換流電網(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。這種換流方式不需要器件具有門極關(guān)斷能力，也不需要為換相附加任何元器件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。換流方式3)負載換流

由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載時，可實現(xiàn)負載換流。采用晶閘管負載：電阻、電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容是為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld，id基本沒有脈動。3)負載換流

3)負載換流負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。3)負載換流Uo波形滯后于iot1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uo。3)負載換流t1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2。+-3)負載換流總結(jié)：負載換流為什么能夠?qū)崿F(xiàn)？+-3)負載換流換流方式4)強迫換流強迫換流逆變電路直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流換流方式4)強迫換流VT通態(tài)時，預(yù)先給電容C按圖中所示極性充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。直接耦合式強迫換流換流方式4)強迫換流電感耦合式強迫換流圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷在圖（a）中，接通開關(guān)S后，LC振蕩電流將反向流過晶閘管VT，與VT

的負載電流相減，直到VT

的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。換流方式4)強迫換流電感耦合式強迫換流給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（前圖）先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（左圖）換流方式小結(jié)器件換流——適用于全控型器件其余三種方式——針對晶閘管器件換流和強迫換流——屬于自換流因為器件或變流器自身的原因而實現(xiàn)換流電網(wǎng)換流和負載換流——外部換流借助于外部手段（電網(wǎng)電壓或負載電壓）第5章

逆變電路回顧DC-AC逆變之前采用電動機—發(fā)電機組實現(xiàn)逆變。?概述光伏、太陽能發(fā)電不間斷電源（UPS）交流電機調(diào)速用變頻器在控制電路的控制下，將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。概述概述當逆變電路交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。實現(xiàn)無源逆變的裝置稱為無源逆變器（簡稱逆變器），因無源逆變經(jīng)常與變頻概念聯(lián)系在一起，所以又稱為變頻器。概述變頻電路有交一交變頻和交一直一交變頻兩種形式，其中交一直一交變頻電路由交一直變換電路和直一交變換電路兩部分組成，前一部分屬于整流電路，后一部分就是逆變電路。逆變器的工作原理單相橋式逆變電路當將開關(guān)Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開時，電阻上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)Q1、Q4斷開，Q2、Q3閉合，電阻上得到左負右正的電壓。（a）逆變電路圖

（b）輸出電壓波形圖5-1逆變器的工作原理逆變器的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。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。換流方式換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流的基本方式：1）器件換流（IGBT,GTO,GTR,MOSFET)2）電網(wǎng)換流3）負載換流（負載滿足的條件？）4）強迫換流（直接耦合式，電感耦合式）SCR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。換流方式1)器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。晶閘管導(dǎo)通后門極失去控制作用，要讓它關(guān)斷就困難了，必須設(shè)置關(guān)斷電路。（半控型器件）器件IGBT、電力MOSFET、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。（逆變器應(yīng)用領(lǐng)域，全控型器件流行的原因）換流方式2)電網(wǎng)換流電網(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。這種換流方式不需要器件具有門極關(guān)斷能力，也不需要為換相附加任何元器件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。換流方式3)負載換流

由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載時，可實現(xiàn)負載換流。采用晶閘管負載：電阻、電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容是為改善負載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld，id基本沒有脈動。3)負載換流

3)負載換流負載工作在對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。3)負載換流Uo波形滯后于iot1前：VT1、VT4通，VT2、VT3斷，uo、io均為正，VT2、VT3電壓即為uo。3)負載換流t1時：觸發(fā)VT2、VT3使其開通，uo加到VT4、VT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VT1、VT4換到VT3、VT2。+-3)負載換流總結(jié)：負載換流為什么能夠?qū)崿F(xiàn)？+-3)負載換流換流方式4)強迫換流強迫換流逆變電路直接耦合式強迫換流電感耦合式強迫換流換流方式4)強迫換流VT通態(tài)時，預(yù)先給電容C按圖中所示極性充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。直接耦合式強迫換流換流方式4)強迫換流電感耦合式強迫換流圖a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷圖b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷在圖（a）中，接通開關(guān)S后，LC振蕩電流將反向流過晶閘管VT，與VT

的負載電流相減，直到VT

的合成正向電流減至零后，再流過二極管VD。換流方式4)強迫換流電感耦合式強迫換流給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（前圖）先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（左圖）換流方式小結(jié)器件換流——適用于全控型器件其余三種方式——針對晶閘管器件換流和強迫換流——屬于自換流因為器件或變流器自身的原因而實現(xiàn)換流電網(wǎng)換流和負載換流——外部換流借助于外部手段（電網(wǎng)電壓或負載電壓）電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點：(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。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。半橋逆變電路t1~t2：C1—V1—負載，輸出電壓右正左負-+Um=Ud/2半橋逆變電路t2~t3：C2—VD2—負載，二極管VD2續(xù)流，輸出電壓左正右負+-半橋逆變電路t3~t4：C2—V2—負載，輸出電壓右正左負+-半橋逆變電路-+t4~t5：C1—VD1—負載，二極管VD1續(xù)流，輸出電壓左負右正半橋逆變電路-++-+--+工作原理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。VD1、VD2稱為反饋二極管,起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。半橋逆變電路優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。全橋逆變電路V1,V4同時通斷；V2,V3同時通斷。V1,V4與V2,V3信號互補，各導(dǎo)電180°（對比半橋思考）P121圖5.4全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。全橋逆變電路輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數(shù)

基波幅值基波有效值uo為正負各180°時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現(xiàn)。全橋逆變電路tOtOtOtOtOθb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo全橋逆變電路及波形阻感性負載時，調(diào)節(jié)輸出電壓，可通過改變θ的大小來實現(xiàn)。

（0°<θ<180°）全橋逆變電路單相電壓全橋輸出電壓uo定量分析對應(yīng)uo展開成傅里葉級數(shù)

基波幅值

基波有效值

全橋逆變電路負載各相到電源中點N'的電壓：U相，V1通，uUN'=Ud/2，V4通，uUN’=-Ud/2全橋逆變電路負載線電壓全橋逆變電路電流型逆變器直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆交電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。由于電流源的強制作用，電流不可能反向流動。所以逆變電路中可控開關(guān)上不必反并無功反饋二極管。

電流型逆變器并聯(lián)諧振式（單相橋式電流型）逆變電路對比P119圖5-2負載換流電路電流型逆變器電流型逆變器電流型三相橋式逆變電路電流型逆變器電流型逆變電路有以下主要特點：（1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。（2）交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。

（3）不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。5.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路電流型逆變電路或電流源型逆變電路電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點：(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。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。半橋逆變電路t1~t2：C1—V1—負載，輸出電壓右正左負-+Um=Ud/2半橋逆變電路t2~t3：C2—VD2—負載，二極管VD2續(xù)流，輸出電壓左正右負+-半橋逆變電路t3~t4：C2—V2—負載，輸出電壓右正左負+-半橋逆變電路-+t4~t5：C1—VD1—負載，二極管VD1續(xù)流，輸出電壓左負右正半橋逆變電路-++-+--+工作原理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。VD1、VD2稱為反饋二極管,起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。半橋逆變電路優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。全橋逆變電路V1,V4同時通斷；V2,V3同時通斷。V1,V4與V2,V3信號互補，各導(dǎo)電180°（對比半橋思考）P121圖5.4全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。全橋逆變電路輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數(shù)