逆变电路的基本工作原理.docx
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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。
要点：
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。
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，认识多重逆变电路和多电平逆变电路。
逆变看法：
逆变——直流电变为交流电，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时，需要逆变电路。
交流电机调速用变频器、不中止电源、感觉加热电源等电力电子装置的中心部分都是逆变电路。
本章仅表达逆变电路基本内容，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睁开
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：
S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路构成。
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变为了交流电。
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
电阻负载时，负载电流io和uo的波形同样，相位也同样。
阻感负载时，io滞后于uo，波形也不一样（图5-1b）。
t1前：
S1、S4通，uo和io均为正。
t1时辰断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不可以马上反向。
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反响，io逐渐减小，t2时辰降为零，以后io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：
合适的门极驱动信号即可使其开通。
关断：
全控型器件可经过门极关断。
半控型器件晶闸管，一定利用外面条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一准时间反压，才能关断。
研究换流方式主若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会合，所以在本章表达
1、器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）。
2、电网换流
由电网供给换流电压称为电网换流（LineCommutation）。
可控整流电路、交流调压电路和采纳相控方式的交交变频电路，不需器件拥有门极可关断能力，也不需要为换流附带
元件。
3、负载换流
由负载供给换流电压称为负载换流（LoadCommutation）。
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，可实现负载换流。
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：
采纳晶闸管，负载：
电阻电感串通后再和电容并联，工作在凑近并联谐振状态而略呈
容性。
电容为改进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凑近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形凑近正弦。
t1前：
VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo
t1时：
触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、
VT4换到VT3、VT2。
t1一定在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。
4、逼迫换流
设置附带的换流电路，给欲关断的晶闸管逼迫施加反向电压或反向电流的换流方式称
为逼迫换流（ForcedCommutation）。
平时利用附带电容上储蓄的能量来实现，也称为电容
换流。
直接耦合式逼迫换流——由换流电路内电容供给换流电压。
VT通态时，先给电容C充电。
合上S即可使晶闸管被施加反压而关断。
图5-3直接耦合式逼迫换流原理图
电感耦合式逼迫换流——经过换流电路内电容和电感耦合供给换流电压或换流电流。
两种电感耦合式逼迫换流：
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电感耦合式逼迫换流原理图
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）。
先使晶闸管电流减
为零，而后经过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）。
器件换流——合用于全控型器件。
其余三种方式——针对晶闸管。
器件换流和逼迫换流——属于自换流。
电网换流和负载换流——属于外面换流。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部停止流通而变为零，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一样分为两种：
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电路的详尽实现。
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色
（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）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不一样而不一样
（3）阻感负载时需供给无功。
为了给交流侧向直流侧反响的无功供给通道，逆变桥各臂并联反响二极管
（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：
V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。
uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io
波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提
供能量，VD1或
VD
2通时，
o和
o反向，电感中贮能向直流侧反响，
VD
1、
VD
2
称为反响
i
u
二极管，还使io连续，又称续流二极管。
图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
长处：
简单，使用器件少
弊端：
交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串通，要控制二者电压均衡，用于几kW
以下的小功率逆变电源。
单相全桥、三相桥式都可看作若干个半桥逆变电路的组合。
2、全桥逆变电路
电路结构及工作状况：
图5-5，两个半桥电路的组合。
1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。
uo波形同图5-6b。
半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。
io波形和图5-6b中的io同样，幅值增添一倍，单相逆变电路中应用最多的。
输出电压定量解析
uo成傅里叶级数
（5-1）
基波幅值
（5-2）
基波有效值
（5-3）
uo为正负各180o时，要改变输出电压有效值只好改变Ud来实现。
移相调压方式（图5-7）。
可采纳移相方式调理逆变电路的输出电压，称为移相调压。
各栅极信号为180o正偏，180o反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。
V3的基极信号只比V1落后q（0
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
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
是供给无功能量的反响通道，Ud和负载同样，变压器匝比为1:
1:
1时，uo和io波形及幅值
与全桥逆变电路完好同样。
图5-8带中心抽头变压器的逆变电路
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。
一定有一个变压器。
（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
可看作由三个半桥逆变电路构成。
180°导电方式：
每桥臂导电180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o，任一瞬时
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
波形解析：
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N′的电压：
U相，1通，uUN′=Ud/2，4通，uUN′=-Ud/2。
负载线电压
（5-4）
负载相电压
（5-5）
负载中点和电源中点间电压
（5-6）
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是
（5-7）
利用式（5-5）和（5-7）可绘出uUN、VN、WN波形。
负载已知时，可由
UN波形求出
i
U波
uu
u
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，所以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色。
定量解析：
a、输出线电压
uUV睁开成傅里叶级数
（5-8）
式中，，k为自然数
输出线电压有效值
（5-9）
基波幅值
（5-10）
基波有效值
（5-11）
b、负载相电压
uUN睁开成傅里叶级数得：
（5-12）
式中，，k为自然数
负载相电压有效值
（5-13）
基波幅值
（5-14）
基波有效值
（5-15）
防范同一相上下两桥臂开关器件直通，采纳“先断后通”的方法。
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。
一般在直流侧串通大电感，电流
脉动很小，可近似看作直流电流源。
实例之一：
图5-11电流型三相桥式逆变电路。
交流侧电容用于汲取换流时负载电感中
存贮的能量。
图5-11电流型三相桥式逆变电路
电流型逆变电路主要特色：
（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一样而不一样。
（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不用给开关器件反并联二极管。
电流型逆变电路中，采纳半控型器件的电路仍应用许多。
换流方式有负载换流、逼迫
换流。
（1）单相电流型逆变电路
图5-12单相桥式电流型（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的中频轮番导通，可获得中频交流电。
采纳负载换相方式，要求负载电流超前于电压。
负载一般是电磁感觉线圈，加热线圈内的钢料，RL串通为其等效电路。
因功率因数很
低，故并联C。
C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。
输出电流波形凑近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。
因基波频
率凑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，所以负载电压波形凑近正弦波。
工作波形解析：
一周期内，两个稳固导通阶段和两个换流阶段。
12
：
VT
1
和VT
4稳固导通阶段，
i
ｏ=Id，
2时辰前在
C
上建立了左正右负的电压。
t-t
t
t2-t4：
t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。
LT使VT1、VT4
不可以马上关断，电流
有一个减小过程。
VT2、VT3
电流有一个增大过程。
4个晶闸管所有导通，负载电压经两个
并联的放电回路同时放电。
t2时辰后，
LT
1、
VT
1、
VT
3、
LT
3到
；另一个经
LT
2、
VT
2、
C
VT、LT
到C。
t=t
时，VT
、VT
电流减至零而关断，换流阶段结束。
t－t
=t
称为换流
4
4
4
1
4
4
2
g
时间。
io在t3时辰，即iVT1=iVT2时辰过零，t3时辰大体位于t2和t4的中点。
保证晶闸管的靠谱关断（图5-13）：
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VT1、4
承受一段反压
时间tβ，β5
VT
4应大于晶闸管的关断时间
t
q。
为保证靠谱换流应在
o
过零前
5
2时辰
t=t
-t
u
td=t-t
触发VT2、VT3。
td为触发引前时间
（5-16）
io超前于uo的时间为
（5-17）
表示为电角度
（5-18）
ω为电路工作角频率；γ、β分别是tγ、tβ对应的电角度）
图5-13并联谐振式逆变电路工作波形
数目解析：
忽视换流过程，io可近似成矩形波，睁开成傅里叶级数
（5-19）
基波电流有效值
（5-20）
负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽视Ld的消耗，忽视晶闸管压降）
（5-21）
实质工作过程中，感觉线圈参数随时间变化，一定使工作频率适应负载的变化而自动调整，这类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。
另一种方法是附带预充电起动电路。
（2）三相电流型逆变电路
电流型三相桥式逆变电路（图5-11，采纳全控型器件）。
基本工作方式是120°导电方式——每个臂一周期内导电120°。
每时辰上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流。
波形解析：
输出电流波形和负载性质没关，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同样，谐波解析表达式也同样。
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
（5-22）
串通二极管式晶闸管逆变电路如图5-15所示。
这类电路因各桥臂的晶闸管和二极管串通使用而得名，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
的波形大体同样。
各桥臂的晶闸管和二极管串通使用，各桥臂之间换流采纳逼迫换流方式，
连接于各臂之间的电容C1～C6即为换流电容。
换流过程解析（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
图5-15串通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状况近似，不过电容器电压极性相反。
等效换流电容：
比方解析从VT1向VT3换流时，C13就是C3与C5串通后再与C1并联
的等效电容。
设Cl～C6的电容量均为C，则Cl3＝3C／2。
从VT1向VT3换流的过程：
换流前VT1和VT2通，C13电压UC0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。
图5-16换流过程各阶段的电流路径
a、恒流放电阶段
t1时辰触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。
Id从VT1换到VT3，C13经过VD1、U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。
uC13降落到零以前，VT1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
t2时辰uC13降到零，以后C13反向充电。
忽视负载电阻压降，则二极管
VD3导通，电流
为iV，
1电流为
U
dV
1
3
同时通，进入二极管换流阶段。
跟着
C
13
电压增高，
VD
i
=I-i
，VD
和VD
充电电流渐小，iV渐大，t3时辰iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。
t3此后，VT2、VT3稳固导通阶段
波形解析：
电感负载时，uC13、iU、iV及uC1、uC3、
波形如图5-17所示。
图中给出了各换流电
容电压uC1、uC3和uC5的波形。
uC1的波形
和uC13完好同样，在换流过程中，从UC0
降为－UC0，C3和C5是串通后再和C1并
联的，电压变化的幅度是C1的一半。
换流
过程中，uC3从零变到-UC0，uC5从UC0变
到零，这些电压恰好吻合相隔120°后从
VT3到VT5换流时的要求。
图5-17串通二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
无换向器电动机：
电流型三相桥式逆变器驱动同步电动机，负载换流，工作特征和调速方式和直流电动
机相似，但无换向器，所以称为无换向器电动机。
图5-18无换相器电动机的基本电路
BQ——转子地点检测器，检测磁极地点以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲
图5-19无换相器电动机电路工作波形
本章小结
表达基本的逆变电路的结构及其工作原理：
四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。
换流方式：
分为外面换流和自换流两大类，外面换流包含电网换流和负载换流两种，自换流包含器件换流和逼迫换流两种。
晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所降落。
逆变电路分类方法：
可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途均分类。
本章主要采纳按直流侧电
源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。
电压型和电流型的看法用于其余电路，会
对这些电路有更深刻的认识。
负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路。
电容滤波
的整流电路可看作为电压型整流电路。
与其余章的关系：
本章对逆变电路的表达是很基本的，还远不完好。
下一章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完好的认识。
逆变电路的直流电源常常由整流电路而来，二都联合构成间接交流变流电路。
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