第4章 : 无源逆变电路

第4章: 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类 4.2 逆变电路的工作原理 4.3 电压型逆变电路 4.4 电流型逆变电路 4.5 逆变器的SPWM控制技术 4.6 负载换流式逆变电路

4.1 逆变器的性能指标与分类 1、有源逆变: 1）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去， 2）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。 2、无源逆变： • 1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到 • 负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交 • 流电供给负载， • 2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源 • 等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。

4.1.1 逆变器的性能指标（1）谐波系数HF（Harmonic Factor）谐波系数HF定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即式中n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1时为基波。 (4.1.1) （2）总谐波系数THD（Total Harmonic Distrotion）总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。 THD定义为 (4.1.2) （3）逆变效率（4）单位重量的输出功率:衡量逆变器输出功率密度的指标。（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）

4.1.2 逆变电路的分类（1）、根据输入直流电源特点分类 ①电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。 ② 电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出。（2）、根据电路的结构特点分类 ①　半桥式逆变电路； ②　全桥式逆变电路； ③　推换式逆变电路； ④ 其他形式：如单管晶体管逆变电路。

4.1.2 逆变电路的分类（3）、根据换流方式分类 ① 负载换流型逆变电路； ② 脉冲换流型逆变电路； ③ 自换流型逆变电路。（4）、根据负载特点分类 ① 非谐振式逆变电路 ② 谐振式逆变电路

4.1.3 逆变电路用途逆变器的用途十分广泛： • 1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流电动机调速。 2、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代表为不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用CVCF电源。 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。

4.2.2 逆变电路的工作原理 1、主要功能: 将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。 2、工作原理： Ud为输入直流电压，R为逆变器的输出负载。当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压u0=Ud；当开关T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压 u0=－Ud ; 当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图4.2.1 单相桥式逆变电路工作原理图4.2.1(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。

4.3.1 电压型单相半桥逆变电路电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。 T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。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输出电压有效值为: 由傅里叶分析，输出电压瞬时值为: 其中，为输出电压角频率。当 n=1时其基波分量的有效值为: (4.3.1) (4.3.2) (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 缓冲电感反馈的无功能量电压型单相半桥逆变电路 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，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud /2。 t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud /2。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud /2 ； t5时刻i。降至零， T1导通，u0=Ud /2 ；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缺点： • 优点：简单，使用器件少； 1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；

4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 1、电路工作过程：全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂, T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 1）纯电阻负载时 • 输出方波电压瞬时值： • 输出方波电压有效值：基波分量的有效值： (4.3.4) (4.3.5) (4.3.6) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 2）电感负载时 0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期间，D1、D4导通起负载电流续流作用，在此期间T1∼T4均不导通。由可得负载电流峰值为： (4.3.7) 图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.2 电压型单相全桥逆变电路 3）阻感负载RL时 0≤θ≤ωt期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载电流续流作用， u0=+Ud。 θ≤ωt≤π期间， i0为正值，T1和T4才导通。 π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用， u0=－Ud 。 π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图

4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 1、工作过程：电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。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, ug2>0, ug3>0，则有T1，T2，T3导通，相电压线电压式中Ud为逆变器输入直流电压。根据同样的思路可得其余5个时域的值图4.3.4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形

4.3.3 电压型三相桥式逆变电路表4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表

4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 3、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，其相电压的瞬时值为： (4.3.8) 相电压基波幅值 (4.3.9) 由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为： (4.3.10) 线电压基波幅值 (4.3.11) 由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。

4.4.1 电流型单相桥式逆变电路 1、电路工作过程：当T1、T4导通，T2、T3关断时，I0=Id ；反之，I0=-Id 。当以频率f交替切换开关管T1、T4和T2、T3时，则在负载上获得如图 4.4.1（b）所示的电流波形。输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。恒流大电感防反相高压图4.4.1 电流型单相桥式逆变电路及电流波形

4.4.1 电流型单相桥式逆变电路 2、电流波形参数计算：其中基波幅值I01m和基波有效值I01 分别为将图4.4.1（b）所示的电流波形i0展开成傅氏级数,有 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) 图4.4.1 电流型单相桥式逆变电路及电流波形

4.4.2 电流型三相桥式逆变电路 1、工作方式: 导电方式为120°导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为1→T2→T3→T4→T5→T6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。输出电流波形与负载性质无关。输出电压波形由负载的性质决定。输出电流的基波有效值I01和直流电流Id的关系式为： (4.4.4) 图4.4.3 电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形

4.5.1 SPWM控制的基本原理 1、PWM产生原理： • 将一个正弦波半波电压分成N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图4.5.1（b）所示的脉冲列。这就是PWM波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的办法来等效。 • PWM被形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）波形。 2、SPWM控制方式：图4.5.1 SPWM电压等效正弦电压 • 是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅 • 值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其它所需 • 要的波形。

4.5.2 单极性SPWM控制方式 1、定义：三角载波只在一个方向变化得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性SPWM控制方式。 2、原理：载波信号uc在信号波正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号ur和载波uc的交点时刻控制逆变器晶体管T3、T4的通断。在ur的正半周期，T1保持导通，T4交替通断。当ur > uc时，使T4导通，负载电压u0= Ud；当ur≤uc时，使T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压u0=0。在ur的负半周，保持T2导通，使T3交替通断。当ur < uc时，使T3导通，u0=- Ud；当ur≥uc时，使T3关断，负载电流将通过D4续流，负载电压u0=0。图4.5.2 电压型单相桥式PWM逆变电路原理图 3、晶体管的控制规律：图4.5.3 单极性PWM控制方式

4.5.2 单极性SPWM控制方式调节调制信号ur的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号ur的频率则可以改变输出电压的频率。所以，从调节的角度来看，SPWM逆变器非常适用于交流变频调速系统。图4.5.3 单极性PWM控制方式

4.5.3 双极性SPWM控制方式 1、定义：三角载波是正负两个方向变化，所得到的SPWM波形也是在正负两个方向变化控制方式。在ur的正负半周内，在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。当ur > uc时，使晶体管T1 、T4导通，使T2 、T3关断，此时，u0= Ud；当ur < uc时，使晶体管T2 、T3导通，使T1 、T4关断，此时，u0=-Ud。 2、晶体管的控制规律：在ur的一个周期内，PWM输出只有±Ud两种电平。逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟△t时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来不利影响，使其偏离正弦波。图4.5.4双极性PWM控制方式

4.5.4 三相桥式逆变电路的SPWM控制 1、控制方式： A、B、C三相的PWM控制公用一个三角波载波信号uc，三相调制信号urA、urB、urC分别为三相正弦信号，其幅值和频率均相等，相位依次相差120°。A、B、C三相PWM控制规律相同。其控制方式为双极性方式。 2、工作过程：图4.5.5 电压型三相桥式逆变电路的PWM 控制方式

4.5.4 三相桥式逆变电路的SPWM控制 2、工作过程：（以A相为例）当urA>uc时，使T1导通，使T4关断，则A相相对于直流电源假想中点N的输出电压　　　　；当urA<uc时，使T1关断，使T4导通，则　　　　　。 T1、T4的驱动信号始终互补。其余两相控制规律相同。当给T1(T4)加导通信号时，可能是T1(T4)导通，也可能是D1(D4)续流导通，这取决于阻感负载中电流的方向。输出相电压和线电压的波形如图4.5.6所示。图4.5.6 电压型三相桥式逆变　　　电路的PWM 波形

4.5.5 SPWM控制的逆变电路的优点　（1）可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要；　（2）整流电路采用二极管整流，可获得较高的的功率因数；　（3）只用一级可控的功率的环节，电路结构简单；　（4）通过对输出脉冲宽度控制就可改变输出电压的大小，大大加快了逆变器的动态响应速度。

4.６ 负载换流式逆变电路 4.6.1并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 3 、电路参数计算 4.6.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理

4.６.1 并联谐振式逆变电路１、电路结构: • 负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中L和R串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电容器C。　　电容C和电感L、电阻R构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。　　本电路采用负载换流，即要求负载电流超前电压，因此，补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下。大滤波电感小电感，限制晶闸管电流上升率图4.6.1 并联谐振式逆变电路的原理图

4.６.1 并联谐振式逆变电路２、工作原理：　　　并联谐振式逆变电路属电流型，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各次谐波。　　　工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降，因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压uo一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形

4.６.1 并联谐振式逆变电路２、换流过程电流电压：图4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程

4.６.1 并联谐振式逆变电路３、逆变电路换流的工作过程 • 　　t2时刻触发T2，T3，电路开始换流。由于T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使T1，T4承受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT ，故T1和T4在t2时刻不能立刻关断，T2，T3中的电流也不能立刻增大到稳定值。 • 　　在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。 • 　　当t=t4时刻，T1、T4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从T1、T4转移到T2、T3，换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。　　T1、T4中的电流下降到零以后，还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使T1、T4承受一段反压时间tβ才能保证可靠关断。tβ=t5－t4应大于晶闸管关断时间tq。图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形

4.６.1 并联谐振式逆变电路　　　为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前tƒ时刻触发T2、T3，称tƒ为触发引前时间。为了安全起见，必须使式中k为大于1的安全系数，一般取为2~3。负载的功率因数角φ由负载电流与电压的相位差决定，从图3.6.3可知：　其中ω为电路的工作频率。（4.6.2）（4.6.1）图4.6.3 并联谐振式逆变　　　　工作波形

4.6 负载换流式逆变电路 4.6.1并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 3 、电路参数计算 4.6.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理

4.6.1 并联谐振式逆变电路 ①负载电流i0和直流侧电流Id的关系：如果忽略换流过程，i0为矩形波。展开成傅氏级数得 (4.6.3 ) ②负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系： (4.6.4) 其基波电流有效值逆变电路的输入功率Pi为 (4.6.5) 逆变电路的输出功率Po为 (4.6.6) 因为Po=Pi，于是可求得 (4.6.7)

4.6 负载换流式逆变电路 4.6.1 并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 3 、电路参数计算 4.6.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理

4.6.2 串联谐振式逆变电路 • 1、电路结构 • 其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波，从而构成电压型逆变电路。电路为了续流，设置了反并联二极管D1~D4。补偿电容C和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性。图4.6.4 串联谐振式逆变电路

4.6 负载换流式逆变电路 4.6.1并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 3 、电路参数计算 4.6.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理

4.6.2 串联谐振式逆变电路 2、工作原理设晶闸管T1、T4导通，电流从A流向B，uo左正右负。由于电流超前电压，当t=t1时，电流为零。当t>t1时，电流反向。由于T2、T3未导通，反向电流通过二极管D1、D4续流，T1、T4承受反压关断。当t=t2时，触发T2、T3，负载两端电压极性反向，即左负右正，D1、D4截止，电流从T2、T3中流过。当t>t3时，电流再次反向，电流通过D2、D3续流，T2、T3承受反压关断。当t=t4时，再触发T2、T3。二极管导通时间tƒ即为晶闸管反压时间，要使晶闸管可靠关断，tƒ应大于晶闸管关断时间tq。图4.6.5 串联谐振式逆变电路的工作波形图

第4章 : 无源逆变电路

第4章 : 无源逆变电路

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