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第4章 逆变电路(1)讲解

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第4章 有源逆变电路

第4章 有源逆变电路


图4-2 全波电路的整流和逆变
（a）α=45°；β=45°
因Ra阻值很小，其电压也很小，因此Ud≈E。电流Id从Ud 的正端流出，从电动机反电动势E的正端流人，故由交流电源经 变流器输出电功率，直流电动机吸收电功率并将其转换为轴上的 机械功率以提升重物。如在提升运行中突然使晶闸管的控制角α 减小，则Ud增大，瞬时引起电流Id增大，电动机产生的电磁转矩 也增大，因电动机轴上重物产生的阻转矩不变，所以电动机转速 升高，提升加快。随着转速的升高，电动机的反电动势E=Ceφn 也增大，使Id恢复到原来的数值，此时电动机稳定运行在较高转 速。反之α增大，电动机转速减小所以改变晶闸管的控制角.可 以很方便地对电动机进行无级调速，从而改变提升的速度。 • 当α增大到某值如α3值，如图4一3所示，如此时电动机转矩 M1恰好与负载转矩相等，则电动机稳定在n=0处a点。如图4一3中 曲线①，这相当干整流器供电给电阻和电感，仍运行在整流状态。 如α再增大到90°，如图4-3中曲线②，则电动机转矩小于负载 转矩，于是在重物作用下电动机反转，E改变方向，E使Id增加， 最后稳定在b点，此时电动机运行在能耗制动状态，向整流器输 出的平均功率为零。
图4-6 有源逆变环流失败波形
• 二、最小逆变角的确定及限制 • 根据上述各种逆变失败原因的分析，可以总结出这样一条规 律:为了保证逆变能正常工作，除了选用可靠的触发器不丢失脉 冲外，同时对触发脉冲的最小逆变角β min，必须要有严格的限 制。 • 〔一)最小逆变角β min的确定 • 要保证在电压换相点之前完成换相，触发脉冲必须有超前的 电角度，即最小逆变角β min 应根据下面的因素来考虑。
•
公式与整流时一样。由于逆变运行时α>90°，cosα计算不 太方便，于是引入逆变角β，令α=π-β，用电度表表示时为 α=180°-β，所以
第四章有源逆变讲解

第四章有源逆变讲解

• 在可逆拖动系统中，通常采用两套变流器 相互切换。
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-7
有源逆变
5、逆变角 ➢为了方便，电路进入逆变状态时，通常用逆 变角 （或称引前触发角）表示相控角度。 ➢规定： 角计算的起始点为控制角 = 处， 计算方法为：自 = （ = 0 ）的起始点 向左方计量。 ➢ 、 的关系： = － 或 ＋ =
有源逆变
第 4 章 有源逆变与相 控变流器特性
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-0
概述
有源逆变
• 什么是逆变？为什么要逆变？
➢ 逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过 程。
❖ 实例：电力机车再生制动行驶，机车的动能转变为电能，反送 到交流电网中去。
➢ 逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。
2021/4/13
北京交通大学电气工程学院
4-11
本章内容
有源逆变
4.1 有源逆变电路的工作原理（概念）
4.2 三相有源逆变电路
4.3 有源逆变的应用 4.4 整流电路的谐波和功率因数 4.6 变流电路的功率因数及改善方法
2021/4/13
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4-12
有源逆变
4. 2 三相有源逆变电路
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
逆变电路

逆变电路

uo 4U d 1 1 sin t sin 3 t sin 5 t L 3 5
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1

0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
第四章逆变电路ppt课件

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图4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
4.3.3 电压型三相桥式逆变电路
2、各相负载相电压和线电压波形： 将一个工作周期分成6个区域。 在0<ωt≤π/3区域，设ug1>0, uTg线电压32导>通0u,ucu，abucabg3U>U00d d，相电压则有 u uuTcNbaNN1， 1133T32UU2U dd，d
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
✓ 脉冲电流换流原理: 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。
LC
图(b)中，接通开关S后，LC
振荡电流先和负载电流叠加流过
2fsUO12源自d20.45Ud(4.3.3)
图4.3.1 电压型半桥逆 变电路及其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
缓冲电感反馈的无功能量
1、电压型逆变电路半桥逆变电路
工作原理：
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，那么 u0=Ud/2。
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 电力器件的换流方式
一般来说，换流方式可分为以下四种：
➢ （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。
电力电子技术基础课件：逆变电路

电力电子技术基础课件：逆变电路


V2
VD1 VD2 VD1 VD2
逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
t3-t4:t3时刻电流过零边负，V2导通，负载电 流反向增加，输出电压uo =-Ud/2；
t4-t5:t4时刻V2关断，给V1驱动信号，由于 阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD1续流， 电流逐渐减小，输出电压uo =Ud/2；
通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术
第四章 逆变电路
4.2 单相逆变电路工作原理
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 单相电流型逆变电路
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、由于直流电压源的钳位作用，输出电
压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不 Ud
单相电流型逆变电路
iT
i VT1,4
i VT2,3
Id 0
tγ
uo/io
t
0
t1
Id t2 t3 t4
t5
tφ
t6 t7
t
tδ tβ
电流型逆变电路波形图
逆变电路
单相电流型逆变电路
t2-t4阶段：t2时刻四个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个回路LT1、VT1 、VT3 、LT3 和 LT2、VT2 、VT4 、LT4 放电；t4时刻VT1、VT4的 电流减小到零关断，直流侧电流Id全部转移到 VT2和VT3支路，换流结束。 。
VD3 VD4
u G1
0
t
u G2
0
t
u G3
q
0
t
u G4
0
t
uo io
电力电子技术-第4章逆变电路讲解

电力电子技术-第4章逆变电路讲解

（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 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，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。
第四章 有源逆变电路

第四章 有源逆变电路


逆变状态和整流状态的区别：控制角 a 不同 0<a < /2 时，电路工作在整流状态
/2< a < 时，电路工作在逆变状态
第二节
三相有源逆变电路
2.逆变角的概念：
为实现逆变，需一反向的EM ，而Ud因a﹥π/2已自动变为负值，满足逆 变条件。因而可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等 各项问题。 把 a >π /2时的控制角用π - a =β 表示，β称为逆变角。 整流状态：α＜π/2， 相应的β＞π/2；
第三节
结论：
逆变失败与最小逆变角的限制
1.β不能等于零。
2.β不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。
第三节
逆变失败与最小逆变角的限制
二、 确定最小逆变角βmin的依据
有源逆变时允许采用的最小逆变角 应等于
min=d +g+q′
d ——晶闸管的关断时间tq折合的电角度
tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4~5。
极流入，该电源吸收电能。电源输出或吸收功率的大小由电势与电流
的乘积来决定。 （ EG ﹥ EM,整流； EG ﹤ EM ：逆变 ） (3) 两个电源反极性相连，如果电路的总电阻很小，将形成电源间 的短路， 应当避免发生这种情况。
第一节 逆变的概念
三、 有源逆变产生的条件
改变EM的极性； Ud极性也必须相反。 怎样使Ud方向相反？
有源逆变电路的控制电路在设计时，应充分考虑变压器漏电 感对晶闸管换流的影响以及晶闸管由导通到关断存在着关断
时间的影响，否则会由于逆变角β 太小造成换流失败，导致
逆变颠覆的发生。 以共阴极三相半波电路为例， 分析由于β 太小而对逆变电 路产生的影响。
电力电子整流逆变电路讲解

电力电子整流逆变电路讲解

第4章 逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念 ◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。 ■逆变与变频 ◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。 ■逆变电路的主要应用 ◆各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆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。
e) f)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
uNN'
t
1 (uUN' uVN' uWN' ) 3
(4-7)
iU g) i h) O
d
t
O
t
图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
◆负载参数已知时，可以由uUN的波形 求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的 是阻感负载下 / 3时iU的波形。 ◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所 示，可以看出id每隔60°脉动一次。
图4-4 电感耦合式强迫换流原理图
■换流方式总结 ◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。 ◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。 ◆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。
8/47
4.2 电压型逆变电路
u a) u b) u c) u d)
UN'
逆变电路工作原理ppt课件

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行
04
设计与实现过程剖析
主电路设计思路
拓扑结构选择
根据应用需求和性能指标，选择合适 的逆变电路拓扑结构，如全桥、半桥 、推挽等。
元器件参数设计
磁性元件设计
针对逆变电路中的磁性元件，如变压 器、电感等，进行详细设计，包括磁 芯材料选择、匝数计算、气隙设置等 。
依据拓扑结构和性能指标，设计合适 的元器件参数，包括功率开关管、二 极管、电感、电容等。
控制策略优化
通过改进控制策略，如采用多电平技术、PWM 控制技术等，可进一步提高输出电压波形的质量 。
系统稳定性增强手段
稳定性分析方法
01
利用状态空间法、频域分析法等方法对逆变电路进行稳定性分
析，找出潜在的不稳定因素。
控制环路设计
02
通过合理设计控制环路，包括电流环、电压环等，确保系统在
不同负载和输入电压条件下均能保持稳定运行。
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演讲人： 日期：
目录
• 逆变电路基本概念与分类 • 逆变电路工作原理详解 • 关键器件与参数选择 • 设计与实现过程剖析 • 性能评估与优化措施 • 实验验证与结果分析 • 总结与展望
01逆变电路定义
将直流电能转换为交流电能的电 路。
作用
方波逆变电路将直流电转换为方 波交流电。它采用开关管（如晶 体管或MOSFET）进行高速切换 ，将直流电压逆变为方波电压输
出。
输出波形
方波逆变电路的输出波形为方波 ，具有陡峭的上升沿和下降沿。 方波电压的幅值和频率可以通过 控制开关管的切换速度和直流输
入电压来调节。
应用领域
方波逆变电路常用于一些对波形 要求不高的场合，如低功率照明
控制系统设计思路
第四章：有源逆变

第四章：有源逆变

（2）保护措施：装快速熔断器或快速开关；
2020/4/10
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4-25
有源逆变
4、确定最小逆变角 min 的依据
（1）最小逆变角 min = + +
: SCR的关断时间 tq 折合的电角度， 叫恢复阻断角， = tq
: 换相重叠角（约为15~20 ）
: 安全裕量角（一般取10 ）
有源逆变
cos ()cos2xBId
6U2
• 其它的电量，如负载电流平均值、晶闸管电流平均值和 有效值，变压器的容量计算等，均可按照整流电路的计 算原则进行 。
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4-16
有源逆变
二、三相桥式全控有源逆变电路
1、变流器工作于逆变状态（ 2 ）
Ud 0 , E 0 Ud E
❖ 有源逆变电路——交流侧和电网连结。（本章介绍）
－ 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级 调速以及高压直流输电等。
❖ 无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 （将在第6章介绍）
➢ 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其 电路形式未变，只是电路工作条件转变。既可工作在整流状 态又可工作在逆变状态的电路又称为变流电路。
u20
u10
O
id
id = iV T1+ iV T2
iV T2
iV T1
iV T2
O
t Ud<EM
Id t
电 动 机 输
a)单相全波电路的整流和逆变b)
出
图2-45
电
间图图只值，a能，b逆UMd改且U为电变Md变|可E回正动时ME通馈M|值运>极制过|U，性行在动改d。|并，，，变为π由才且全/了于能2U来波防晶d把～止>进电闸电Eπ两管能行M路之，电的从调工间动才单直节势作。向能流顺，导侧在输向电送逆整出串性到变流联I，交d状，。状I流dU方态侧态d极向,时实，性不现U也变d逆为必，变在负须欲。0反改值～过变，来电π，能/2即的之U输d功率送应方为向负，
逆变电路讲解

逆变电路讲解

电力电子技术 整流状态，又在什么条件下工作逆变状态
§4-1 有源逆变的工作原理
二、直流发电机—电动机系统功率的传递 小结： 1、两个电源同极性相连时，电流从电动势高的电源正极
流向电动势低的电源正极，电流大小由两个电势之 差与回路总电阻决定，如果回路电阻很小，那么很 小的电动势也可以产生足够大的电流，使两个电源 之间交换很大的功率。 2、电流从电源正极端流出，则该电源输出功率，从电源 的正端输入，则为吸收功率。 3、两个电源反极性相接时，当回路电阻很小时，形成短 路，两个电源均输出功率，消耗在电阻上，严防这 类事故发生。
电力电子技术
§4-2 逆变失败与逆变角的限制
综上所述： 为了防止逆变颠覆，不仅逆变角不能等于零，且不 能太小，必须限制某一允许的最小角度内。
min 0 a 30 35
γ 为换相重叠角12°—25°随电路形式工作电流的 大小不同而不同。第二项为晶闸管关断时间所对应 的电角度，约为3.6°—5.4°。第三项为安全裕量 角，主要是是考虑脉冲调整时不对称、电网波动， 畸变与温度等影响，通常取10°左右。
3.不能采用半控桥式整流电路或有续流二极管的电路 （不可能输出负电压）。也不允许直流侧接上反极 性的直流电源。
四、常用的有源逆变电路 1三相半波有源逆变电路 2全相全控桥有源逆变电路。 电力电子技术
§4-2 逆变失败与逆变角的限制
逆变失败： 逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源 就会通过晶闸管电路形成短路，或者使整流桥的输 出平均电压和直流电势变成顺向串联，由于逆变回 路电阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败 或逆变颠覆。
小结：1.实现有源逆变的两个条件 ： 直流侧必须外接与直流电流Id同方向的直流电源E， 其数值要稍大于Ud。 变流器必须工作在β<90°区域，使Ud<0，才能把直 流功率逆变为交流功率返送到电网。

电力电子技术——有源逆变电路

当=60，Id=0时，设对应的反电动势为 E0 ，
其值为
E0 Ud 1.17U2 cos60 0.585U2
非线性特性
图4-10 电流断续时电动势的特性曲线
Goback
❖实际上，当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变 为断续，真正的理想空载点远大于此值，因为
此时晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U2 。
❖考虑直流等效回路，左侧电源为脉动直流电压
ud波形，最大瞬时值为 2U 2 ，并且由于整流器
件的单向导电性，回路电流Id的方向是固定的，
只有当反电动势EM等于脉动直流电压ud的最大
峰值时，电流才能完全等于零，否则，只要EM
比ud的最大峰值略小一点，就总是存在断断续
续的电流脉冲。因此 2U2 才是实际的理想空载
no Ke
Goback
2. 电流断续时电动机的机械特性 • 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动
机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减 小，致使电流不再连续，此时电动机的机械特 性也就呈现出非线性。
• 电流断续时电动机机械特性的第一个特点: 当 电流断续时，电动机的理想空载转速抬高。
❖由三相半波电路电流连续时反电动势表达式，
变化很小也可引起很大的转速变化。
❖ 设整流控制角一定，由于轻载时电流断续，各晶闸管 的导通角 120 ，此时ud波形将发生一定的变化，水 平直线E以下的部分作用时间将比电流连续时缩短，负 面积减小，平均面积Ud比电流连续时的计算值升高， 在电流连续的条件下得出的Ud计算公式不再适用。
整流波形
图4-11 考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线
➢整流输出电压ud是脉动的，可分为两部分：直 流分量Ud，和交流分量。交流电流分量的大小 主要取决于直流侧的回路电感，特别是平波电

逆变器的工作原理和控制技术全解PPT课件


W相上开关管驱动波形
Northeastern University, CHINA
21
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
波形分析
u UN'
开关动作与输出电压关系
a)
O
Ud
u VN'
2
开关动作模式
a、b、c
b)
O
u WN'
c)
O
uUV uUN' uVN'
uVW

uVN'
uWN'

u UV
开关动作与输出电压关系
电压基准点：
以电源中点N’为0电平基准点。
根据电路结构
开关模式
输出电压
U相上开关管导通
uUN’=Ud/2
U相下开关管导通
uUN’=-Ud/2
V相上开关管导通
uVN’=Ud/2
V相下开关管导通
uVN’=-Ud/2
W相上开关管导通
uWN’=Ud/2
W相下开关管导通 Northeastern UniuveWrsiNty’,=C-HUINdA/2
U
e
=
U

+
ΔU

+
n(t)
+
e(t)
Li
io
ic
CZ
uo
Northeastern University, CHINA
16
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理——相位调节
相位控制目标 * 0 ，获得逆变器输出电压 uo t =Usin ωt +θ 的相位 是关键
由于
sin
t

电力电子技术4章 逆变电路


u WN'
c)
O
u UV
Ud
d)
O
t t
负载相电压
uUN uUN' uNN'
uVN uVN'
uNN'

uWN uWN' uNN '
图4-10电压型三相桥式逆 变电路的电压工作波形
College of Electrical Engineering and Automation
4.1.2 换流方式分类
换流方式总结：
器 件 换 流 —— 适 用 于 全 控 型 器 件 （ IGBT 、 MOSFET等）。
其余三种方式——针对晶闸管（SCR）。
器件换流和强迫换流——属于自换流（器件、 变流器自身）。
电网换流和负载换流——属于外部换流(电网、 负载电压)。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而
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优缺点：
结构简单，使用器件较少。
输出交流电压的幅值 Um=±Ud/2。 ，且直流侧需 要两个电容器并联，工作时需 要考虑两个电容电压的均衡， 因而仅使用于小功率逆变电路。
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 。
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4.2.2 三相电压型逆变电路
三个单相半桥单元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

第4章_逆变电路_江苏大学_电力电子技术_课件_电气工程及其自动化

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iVT
2
iVT
3
ωt ωt
4
O uVT
O
t1
u VT
1
uVT
ωt
b) 图4-2 负载换流电路及其工作波形
4.1.2 换流方式分类
◆强迫换流（Forced Commutation）
☞设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强 迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现， 因此也称为电容换流。 ☞分类 √直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容 直接提供换流电压。 √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的 电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞直接耦合式强迫换流 √如图4-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给 电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关 断。 √也叫电压换流。
第4章 逆变电路
4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 本章小结
引言
■逆变的概念
◆与整流相对应，直流电变成交流电。 ◆交流侧接电网，为有源逆变。 ◆交流侧接负载，为无源逆变，本章主要讲述无源逆变。
■逆变与变频
◆变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 ◆交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。
a)
b)
图4-7 单相全桥逆变电 路的移相调压方式 14/47
4.2.1 单相电压型逆变电路
■带中心抽头变压器的逆变电路 ◆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和负载参数相同，变压器匝比 为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥 逆变电路完全相同。
图4-3 直接耦合式 强迫换流原理图

电力电子技术_王兆安第五版_第4章

➢ 输出相电流波形和负载性质无关，为正负各120° 的矩形波，线电流为阶梯波。
➢ 输出线电压波形和负载性质有关，若有电感，因 电感的作用，每次换相时会产生电压冲击。
（2）串联二极管式晶闸管逆变电路
（串联二极管式晶 闸管逆变电路）
①主要用于中大功率交 流电动机调速系统。 ②电流型三相桥式逆 变电路，输出波形与 全控型器件时一样。
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并电抗个采电限C应谐联压，桥和用压制称振谐波谐臂L负（晶之式振形波、，载呈闸为逆回接在R每换容管容变构路近负桥相性开性电成对正载臂方）通小路并基弦上晶式。时失（联波波产闸，的谐但谐呈。生管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
③各桥臂的晶闸管和 二极管串联使用。
④ 120°导电工作方式
⑤强迫换流方式，电 容C1~C6为换流电容。
重点分析：换流过程（因电容C，强迫换流）
➢电容器充电规律：对共阳极 晶闸管，它与导通晶闸管相 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
➢等效换流电容概念：分析从 VT1向VT3换流时，C13就是 C3与C5串联后再与C1并联的 等效电容.
※两个重要参数：
触发引前时间 :
t=t+ tb io超前于uo的 时间 :
t = t / 2 + tb
即为功率因数角。
4.3.2 三相电流型逆变电路（桥式）
（1）采用全控型器件GTO
基本工作方式是1200导电方式：每个臂一周期内 导电1200，每时刻上下桥臂组各有一个臂导通， 为横向换流。
三相电流型逆变输出特性（全控型器件）：

电力电子技术第4章 逆变电路总结

u a)
UN'
◆把上面各式相加并整理可求得
U d 2
O u
VN'
t t t
b) u c) u d) u u
O
WN'
1 1 u NN' (uUN' uVN' uWN' ) (uUN uVN uWN ) 3 3
(4-6)
O
UV
U O
NN' UN
d
t
U d 6
设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得
图4-8 带中心抽头变 压器的逆变电路
◆与全桥电路相比较 ☞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。
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4.2.2 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。 ■三相桥式逆变电路 ◆基本工作方式是180°导电方式。 ◆同一相（即同一半桥）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。
u
UN'
a)
u b) u c) u d)
O
VN'
U d 2
t t t
O
WN'
O
UV
U O u u
NN' UN
d
t
U d 6
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
◆负载各相的相电压分别为
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当逆变器直流侧设置电感元件且电感值足够大 时，此时由于直流侧的高输出阻抗，因而呈现出 电流源特性。
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2. 按逆变器电路结构不同分为：
单相半桥
单相全桥
推挽逆变
3. 按开关器件不同及换流关断方式不同可分为：
半控型逆变器
全控型逆变器
4. 按逆变器输出波形的不同逆变器可分为：
Dc8
ic
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但是随着电平数的增加，直流侧串联电容也是 随之增加，因此还要考虑各电容电压之间的平衡 问题，这也是多电平逆变电路发展中的一个难点 ，和研究的关键点。
那么采用什么方法来控制这些逆变电路中的开 关管的通断，使得输出接近正弦波，目前常用的 方法就是PWM控制方法。
Sa3
Vdc2 C2
Db2 Sb3
Dc2 Sc3
Sa4
Sb4
Sc4
N
其实每一相所需的开 关器件个数为2(n-1)、 箝位二极管个数为 2(n-2)、直流分压电容 个数为n-1，其中n为 电平数。
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P Sa1
+
Vdc1 Vdc + i1
C1 Da1
Sa2
iNP
n
-
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4.2 电压型逆变器（VSI）
电压型逆变器有以下主要特点： 1. 直流侧有足够大的储能电容元件，直流侧呈现出
电压源特性。
2. 逆变器输出电压波形为方波或方波脉冲，该波形 与负载无关。
3. 逆变器输出的电流波形则取决于负载，且输出电 流的相位随负载功率因数的变化而变化。
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第四章 直流/交流逆变器
4.1 逆变电路的基本工作原理 一、逆变的概念 逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。
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以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理
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。
u G4 O
t t
u o
io
io
uo t
O
t1 t2
3
t
b)
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3) 全桥逆变电路的移相调压方式
☞工作过程；
√t1时刻V4截止，而因负
载电感中的电流io不能突变，
V3不能立刻导通，VD3导通 uG1
续流，uo=0。
O u G2
t
√t2时刻V1截止，而V2不 能立刻导通，VD2导通续流， 和VD3构成电流通道，uo=-
4. 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。
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单相桥式电流型（并联谐 振式）逆变电路
■电路分析 ◆由四个桥臂构成，每个桥臂的
晶闸管各串联一个电抗器，用来限 制晶闸管开通时的di/dt。
◆采用负载换相方式工作的，要
求负载电流略超前于负载电压，即 负载略呈容性。
◆ Ud和负载参数相同，变压器匝比 为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥 逆变电路完全相同。
带中心抽头变压器 的逆变电路
◆与全桥电路相比较 ☞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。
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4.2.2 电压型阶梯波逆变器
方波逆变器
阶梯波逆变器
正弦波逆变器
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5. 按逆变器输出频率的不同逆变器可分为：
工频逆变器
中频逆变器
高频逆变器
6. 按逆变器输出交流电的相数的不同逆变器可分为：
单相逆变器
三相逆变器
多相逆变器
7. 按逆变器输出电平的不同逆变器可分为：
两电平逆变器
多电平逆变器
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负 载
两个电容串联的中点
定义为中性点n。
每一相需要4个功率开关 管，4个续流二极管， 两个箝位二极管。
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三电平逆变器工作原理
P
Sa1
Sb1
Sc1
+
Vdc1
Vdc + i1 n
-
C1 Da1
Sa2
iNP
Db1 Sb2
A
ia
Dc1 Sc2
B
ibC ic
负 载
i2 Da2 +
压-Vdc/2 。
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三电平逆变器的控制要求
从中点箝位式三电平逆变器动态工作过程可以看出:
①开关状态A和0间、0和B间可以相互自由过度，A和B 间不能直接过度，必须通过中间状态0来过度，不允许输 出电位的跳变；
②对主开关器件控制脉冲是有严格要求的，每一相总是 相邻的两个开关器件开通，其它两个器件关断，以防止 同一桥臂短路。即：Sa1与Sa3，Sa2与Sa4的驱动脉冲都要 求是互补的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的 原则，即在脉冲中必须加入死区时间；
电压型阶梯波逆变器的拓扑结构种类主要包 括：变压器移相叠加结构、级联移相叠加结构 以及多电平结构。
多电平结构的电压型阶梯波逆变器
u Um
U3' U2'
U5' U4'
o U1'
阶梯波 正弦波
π
虽然与阶梯波一样，但习惯上称其为
多电平，并且电平数为其波峰到波谷 所包含的阶梯数。
2π t
a)
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uG1 O u G2 O
u G3
t t
次为零。
O
t
u G4
☞改变 就可调节输出电压。
O u
o
io
io
uo t
t
O
t1 t2
3
t
b)
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4）带中心抽头变压器的逆变电路
◆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。
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4.3 电流型逆变电路
直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点：
1. 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 2. 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输
出电压波形和相位因负载不同而不同。
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。
③为了保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成 的脉冲波有最小脉宽和最小间歇宽度的限制，以保证最 小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，最小脉冲间歇宽 度大于开关器件的关断时间。
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P E/4
Ta1 Ta2
Da1 Da2
Tb1
◆电容C和L 、R构成并联谐振电
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。
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3) 全桥逆变电路的移相调压方式
☞ V3的基极信号比V1落后 （0＜ ＜180°）。V3、V4的
栅极信号分别比V2、V1的前
移180°-。输出电压是正负
各为 的脉冲。
uG1 O
t
u G2
☞工作过程
O
t
√t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。
u G3 O
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三电平逆变器工作原理
P Sa1
+
Vdc1 Vdc + i1
C1 Da1
Sa2
iNP
n
-
i2 Da2 +
Sa3
Vdc2 C2
Sa4
N
Sb1
Db1 Sb2
A
ia
Db2 Sb3
Sb4
Sc1
Dc1 Sc2
B
ibC ic
Dc2 Sc3
Sc4
直流侧电压通过两个串
联的分压电容、将电
压分为三个等级，将
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
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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。
VD1、VD2称为反馈二极 管,它又起着使负载电流 连续的作用，又称续流二
极管。
a)
o
Um
O
t
-Um
io
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二、逆变器的类型 1. 依据直流电源的特性不同可分为：
电压型逆变器VSI 电流型逆变器CSI
逆变器中直流侧必须设置储能元件，如电感元 件和电容元件。
储能元件的作用：直流侧的滤波作用；缓冲负 载的无功能量。
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当逆变器直流侧设置电容元件且电容容量足 够大时，此时由于直流侧的低输出阻抗，因而 呈现出电压源特性。
以 A 相 为 例 ， 电 容 C1 、 C2为变换电路提供2个 相同的直流电压，二 极 管 Da1 、 Da2 用 于 电 平箝位。