1、5-1 5-2 逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。 交流側接電網，為有源逆變有源逆變。 交流側接負載，為無源逆變無源逆變。 逆變的分類 按負載情況分為兩類：分為有源逆變電路有源逆變電路和無源逆變電路無源逆變電路兩種。 按輸出交流電的相數分為單相逆變電路單相逆變電路和三相逆變電路三相逆變電路。 按供電直流電源的類型分為電壓型電壓型逆變電路逆變電路和電流型電流型逆變電路逆變電路。 按主電路結構分為全橋全橋逆變電路逆變電路、逆變電路逆變電路半橋半橋和推挽推挽逆變電路逆變電路。 還可分為直接直接逆變電路逆變電路和間接間接逆變電路逆變電路。 本章講述無源逆變 5-3 l 逆變與變頻 l變頻

2、電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。 l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。 主要應用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源 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 5-4 5-5 l 以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理 圖5-1 逆變電路及其波形舉例 負載 a)b) t s 1 s 2 s 3 s 4 io u o u d u o i o t1t2 s1s4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔 助電路組成。 5-6 s1、s4閉合閉合，s2、s3斷開斷開時，

3、負載電壓uo為正正。 s1、s4斷開斷開，s2、s3閉合閉合時，負載電壓uo為負負。 直流電 交流電 5-7 逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作 原理原理 改變兩組開關 切換頻率，可改變輸出 交流電頻率。 圖5-1 逆變電路及其波形舉例 a) b) t uo i o t1t2 電阻負載電阻負載時，負載電流i io o 和u uo o的波形相同，相位也 相同。 阻感負載阻感負載時，i io o相位滯后 于u uo o，波形也不同。 5-8 l 換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程， 也稱為換相換相。 開通：適當的門極驅動信號就可使器件開通。 關斷： 全控型器件可通過門極關斷。 半控

4、型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷。 一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能 關斷。 研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。 本章換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。 5-9 1) 器件換流（device commutation） 利用全控型器件的自關斷能力進行換流。 在采用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。 2) 電網換流（line commutation） 電網提供換流電壓的換流方式。 將負的電網電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。 不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流 電網的無源逆變

5、電路。 3) 負載換流（load commutation） 4) 強迫換流（forced commutation） 5-10 圖5-2 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，都可實現負載換流。 如圖是基本的負載換流負載換流電路，4個 橋臂均由晶閘管組成。 整個負載工作在接近并聯諧振狀 態而略呈容性。 直流側串電感，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接近正弦波接近正弦波。 注意注意觸發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。 ?t ?t ?t ?t

6、 o o o o i i t1 b) a) uo uo io io uvt ivt1ivt4 ivt 2 ivt 3 uvt 1 uvt 4 5-11 4)強迫換流（forced commutation） 由換流電路內電容 直接提供換流電壓 直接耦合式 強迫換流 通過換流電路內的 電容和電感的耦合 來提供換流電壓或 換流電流 電感耦合式 強迫換流 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫 施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流強迫換流。 通常利用附加電容上所儲存的能量來實現，因 此也稱為電容換流電容換流。 分類 5-12 直接耦合式直接耦合式強迫換流 當晶閘管vt處于通態時， 預先給電容充電。

7、當s合上， 就可使vt被施加反壓而關斷。 也叫電壓換流電壓換流。 圖5-3直接耦合式 強迫換流原理圖 圖5-4 電感耦合式 強迫換流原理圖 電感耦合式電感耦合式強迫換流 先使晶閘管電流減為零， 然后通過反并聯二極管使其 加上反向電壓。 也叫電流換流電流換流。 5-13 換流方式總結： 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。 電網換流和負載換流屬于外部換流。 當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路 內部終止流通而變為零，則稱為熄滅熄滅。 5-14 逆變電路的分類 根據直流側電源性質的不同根據直流側電源性質的不同 電壓型逆變電路又稱為電壓源

8、型逆變電路 voltage source type inverter-vsti 直流側是電壓源電壓源 電流型逆變電路又稱為電流源 型逆變電路 current source type inverter-vsti 直流側是電流源電流源 5-15 電壓型逆變電路的特點 圖5-5 電壓型全橋逆變電路 (1)直流側為電壓源或 并聯大電容，直流側電壓 基本無脈動無脈動。 (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 向直流側反饋的無功能量 提供通道，逆變橋各臂并 聯反饋二極管。 5-16 5-17 1）半橋逆變電路 u 圖56 單相半橋電壓型逆

9、變 電路及其工作波形 a) t t o o on b) o um - -um io t1t2 t3t4 t5t6 v1v2v1v2 vd1vd2vd1vd2 工作原理 v1和v2柵極信號在一周期內 各半周正偏、半周反偏，兩 者互補，輸出電壓uo o為矩形 波，幅值為um=ud/2。 v1或v2通時，io和uo o同方向， 直流側向負載提供能量； vd1或vd2通時，i io o和u uo o反向， 電感中貯能向直流側反饋。 vd1、vd2稱為反饋二極管反饋二極管, , 它又起著使負載電流連續的 作用，又稱續流二極管續流二極管。 5-18 l 優點優點：電路簡單，使用器件少。 缺點缺點：輸出交流

10、電壓幅值為u ud d/2/2，且直流側需兩 電容器串聯，要控制兩者電壓均衡。 應用應用： 用于幾kw以下的小功率逆變電源。 l單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電 路的組合。 5-19 2) 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。 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。 圖5-7 單相全橋逆變 電路的移相調壓方式 t o t o t o t o t o ? ? b) ug1 u g2 u g3 ug4 uo io t1t2 t3 io uo 5-20 阻感負載時，

11、還可采用移 相得方式來調節輸出電壓 移相調壓移相調壓。 a) 圖5-7 單相全橋逆變 電路的移相調壓方式 t o t o t o t o t o ? ? b) ug1 u g2 u g3 ug4 uo io t1t2 t3 io uo v3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180q。輸 出電壓是正負各為q的脈 沖。 改變q就可調節輸出電壓。 5-21 3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路 ud和負載參數相同，變壓器匝比為1：1：時，uo和io o波 形及幅值與全橋逆變電路完全相同。 與全橋電路的比較：

12、比全橋電路少用一半開關器件。 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 。 交替驅動兩個igbt，經變壓 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。 5-22 1) 電路原理 圖512 單相橋式電流型 （并聯諧振式）逆變電路 由四個橋臂構成，每 個橋臂的晶閘管各串 聯一個電抗器，用來 限制晶閘管開通時的 di/dt。 工作方式為負載換相負載換相。 電容c和l 、r構成并 聯諧振電路。 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。 5-23 t o t o t o t o t o t o t o t o u

13、 g1,4 u g2,3 it io id t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7tf u o tg u ab td tb id ivt 1,4 ivt 2,3 u vt 2,3 u vt 1,4 圖513并聯諧振式逆變 電路工作波形 2) 工作分析 一個周期內有兩個一個周期內有兩個 導通階段和兩個換導通階段和兩個換 流階段。流階段。 t t1 1 t t2 2：vt1和vt4穩定導通階段穩定導通階段，i i = =i id d， t t2 2時刻前在c上建立了左正右負的電壓。 t t2 2 t t4 4：t t2 2時觸發vt2和vt3開通，進入 換流階段換流階段。 lt使vt1、vt4不

14、能立刻關斷，電流有一 個減小過程。vt2、vt3電流有一個增大 過程。 4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經兩 個并聯的放電回路同時放電。 lt1、vt1、vt3、lt3到c；另一個經lt2、 vt2、vt4、lt4到c。 5-24 t=t4時，vt1、vt4電流減至零而關斷， 換流階段結束。 t4t2= tg g 稱為換流時間換流時間。 保證晶閘管的可靠關斷保證晶閘管的可靠關斷 晶閘管需一段時間才能恢復正向 阻斷能力，換流結束后還要使 vt1、vt4承受一段反壓時間tb。 tb b= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間 tq。 。 。 io在t3時刻，即 ivt1=ivt2時刻過零， t3時刻

15、大體位于t2和 t4的中點。 t o t o t o t o t o t o t o t o u g1,4 u g2,3 it io id t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7tf u o tg u ab td tb id ivt 1,4 ivt 2,3 u vt 2,3 u vt 1,4 圖513并聯諧振式逆變 電路工作波形 5-25 為保證可靠換流應在uo過零前td d= t5- t2時刻觸發vt2、vt3 。. td 為觸發引前時間觸發引前時間 (5-16) io超前于uo的時間 (5-17) 表示為電角度 (5-18) w為電路工作角頻率；g、b分別是tg g、tb b對應的電角度

16、。 忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數 (5-19) 基波電流有效值 (5-20) 負載電壓有效值uo和直流電壓ud的關系（忽略ld的損 耗，忽略晶閘管壓降） (5-21) ttt b g t t t 2 b g w b g 22 t t ttt i iwww 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 d o d d 1o 9 . 0 2 4 i i i cos 11. 1 cos22 dd o uu u 5-26 實際工作過程中，感應線圈參數隨時間變化，必須使 工作頻率適應負載的變化而自動調整，這種控制方式 稱為自勵方式自勵方式。 固定工作頻率的控制方式稱為他勵方式他勵

17、方式。 自勵方式存在起動問題，解決方法： 先用他勵方式，系統開始工作后再轉入自勵方式。 附加預充電起動電路。 5-27 5-28 三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路 應用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 圖5-9 三相電壓型橋式逆變電路 5-29 l 波形分析波形分析 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 5.3.1 5-30 l 波形分析波形分析 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 5.3.1 5-31 l 器件每器件每60o導通順序導通順序 111334 522245 663456 5.3.1 5-32 l 波形分析波形分析 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電

18、路的工作波形 負載線電壓負載線電壓 5.3.1 5-33 l 波形分析：等效電路波形分析：等效電路 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 5.3.1 5-34 l 波形分析波形分析 圖5-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 負載相電壓負載相電壓 5.3.1 5-35 基本工作方式 180導電方式導電方式 圖圖5-10電壓型三相橋式逆 變電路的工作波形 t o t o t o t o t o t o t o t o a) b) c) d) e) f) g) h) u un u un u uv i u i d u vn u wn u nn u d u d 2 u d 3 u d 6 2

19、 u d 3 每橋臂導電180， 同一相上下兩臂交替 導電，各相開始導電 的角度差120 。 任一瞬間有三個橋臂 同時導通。 每次換流都是在同一 相上下兩臂之間進行， 也稱為縱向換流縱向換流。 5-36 波形分析 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 負載相電壓 unwnwu wnvnvw vnunuv uuu uuu uuu nn wnwn nn vnvn nn unun uuu uuu uuu 圖圖5-10電壓型三相橋式逆 變電路的工作波形 t o t o t o t o t o t o t o t o a) b) c) d

20、) e) f) g) h) u un u un u uv i u i d u vn u wn u nn u d u d 2 u d 3 u d 6 2 u d 3 5-37 負載中點和電源中點間電壓 (5-6) 負載三相對稱時有uun+uvn+uwn=0，于是 (5-7) 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向直流側傳 送的功率是脈動的，電壓型逆變電路的一個特點。 防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源 短路，應采取“先

21、斷后通” 數量分析見教材。 )( 3 1 )( 3 1 wnvnun wn vn un nn uuuuuuu )( 3 1 wn vn unnn uuuu 5-38 電流型逆變電路主要特特點點 (1) 直流側串大電感，電流基 本無脈動，相當于電流源。 直流電源為電流源的逆 變電路稱為電流型逆變電流型逆變 電路電路。 圖5-11 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。輸出電壓波形和相位 因負載不同而不同。 (3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯二極管。 電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。 換流方式有負載換流、強迫換流。 5-3

22、9 1) 電路分析 基本工作方式是120導電方式導電方式 每個臂一周期內導電120，每 個時刻上下橋臂組各有一個臂導通， 換流方式為橫向換流橫向換流。 i t o t o t o t o id iv iw uuv u 圖5-14 電流型三相橋 式逆變電路的輸出波形 圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 2) 波形分析 輸出電流波形和負載性質無關，正 負脈沖各120的矩形波。 輸出電流和三相橋整流帶大電感負 載時的交流電流波形相同，諧波分 析表達式也相同。 輸出線電壓波形和負載性質有關， 大體為正弦波。 輸出交流電流的基波有效值。 5-40 串聯二極管式晶閘管逆變電路 圖5-15 串聯二極管式 晶

23、閘管逆變電路 主要用于中大功率交流電動 機調速系統。 是電流型電流型三相橋式逆變電路。 各橋臂的晶閘管和二極管串 聯使用。 120導電工作方式導電工作方式，輸出 波形和圖5-14的波形大體相 同。 強迫換流強迫換流方式，電容c1c6 為換流電容。 5-41 - - + u v w + - - u v w a) + - - u v w b) - - + uv w c)d) vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 id vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 id vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 id

24、 vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 id iv iviu=id - -i v 圖5-16 換流過程各階段的電流路徑 換流過程分析 電容器所充電壓的規律電容器所充電壓的規律： 對于共陽極晶閘管，它與導通晶閘管相連一端極性為正，另一端為 負，不與導通晶閘管相連的電容器電壓為零。 等效換流電容概念等效換流電容概念： 分析從vt1向vt3換流時，圖516中的c13就是圖514中的c3與 c5串聯后再與c1并聯的等效電容。 圖5-15 串聯二極管 式晶閘管逆變電路 5-42 分析從從vtvt1 1向向vtvt3 3換流換流的過程: 假設換流前vt1和vt2通，c13電

25、壓 uc0左正右負。如圖516a。 換流階段分為恒流放電恒流放電和二極管換二極管換 流流兩個階段。 t t1 1時刻觸發vt3導通導通，vt1被施以 反壓而關斷關斷。 id從vt1換到vt3，c13通過vd1、 u相負載、w相負載、vd2、vt2、 直流電源和vt3放電，放電電流 恒為id，故稱恒流放電階段恒流放電階段。如 圖516b。 uc13下降到零之前，vt1承受反壓， 反壓時間大于tq就能保證關斷。 圖5-16 換流過程各階段 的電流路徑 a) b） + - - uv w + - - uv w vt1 vt 2 vt3 vd1 vd 2 vd3 c 13 i d vt1 vt 2 vt

26、3 vd1 vd 2 vd 3 c 13 i d 5-43 - - + uv w - - + uv w vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 i d vt 1 vt 2 vt 3 vd 1 vd 2 vd 3 c 13 i v i v i u=id- -iv 圖5-16 換流過程各階段 的電流路徑 c) d） t t2 2時刻u uc13 c13降到零，之后c13 反向充電。忽略負載電阻壓 降，則二極管vd3導通，電 流為i iv v，vd1電流為i iu u= =i id d- -i iv v， vd1和vd3同時通，進入二極二極 管換流階段管換流階段。 隨著

27、c13電壓增高，充電電流 漸小，iv漸大，t3時刻iu減到 零，iv=id，vd1承受反壓而關 斷，二極管換流階段結束結束。 t3以后，vt2、vt3穩定導通穩定導通 階段階段。 5-44 波形分析 電感負載時，u uc13 c13、 、i iu u、i iv v 及u uc1 c1、 、u uc3 c3、 、u uc5 c5波形。 u uc1 c1的波形和u uc13c13完全相同， 從uc0降為uc0 。 c3和c5是串聯后再和c1并 聯的，電壓變化的幅度是c1 的一半。 u uc3 c3從零變到-u uc0c0， ，u uc5 c5從 u uc0 c0變到零。 這 些 電 壓 恰 好 符

28、 合 相 隔 120后從vt3到vt5換流 時的要求。 t t o u o i uco u c13 u c5 uc3 - -u co id iuiv t 1 t 2 t 3 圖5-17 串聯二極管晶閘 管逆變電路換流過程波形 5-45 l 實例： 無換向器電動機 電流型三相橋式逆變器驅動同步電動機，負載換流。 工作特性和調速方式和直流電動機相似，但無換向器， 因此稱為無換向器電動機。 圖518 無換相器電動機的基本電路 5-46 wt uuuu o o o o o wt wt wt o wt wt vt 4導通 uvw iv iw i u u dm vt 1導通 vt 3導通 vt 6導通 v

29、t 5導通 vt 2導通 uvt1 bq轉子位置檢測器轉子位置檢測器， 檢測磁極位置以決定什么 時候給哪個晶閘管發出觸 發脈沖。 圖5-19 無換相器電動機電路工作波形 圖518 無換相器電動機的基本電路 5-47 l 電壓型電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波， l 電流型電流型逆變電路輸出電流是矩形波，含有較 多諧波。 l 多重逆變電路多重逆變電路把幾個矩形波組合起來，接近正弦。 l 多電平逆變電路多電平逆變電路輸出較多電平，使輸出接近正弦。 5-48 5-49 多重逆變電路多重逆變電路 電壓型、電流型都可多重 化，以電壓型電壓型為例。 l 單相電壓型二重逆變電路 兩個單相全橋逆變電路組 成，輸

30、出通過變壓器t1和 t2串聯起來。 輸出波形：兩個單相的輸 出u1和u2是180矩形波。 圖5-21 二重逆變電路的工作波形 120 60 180 t o t o t o 三次諧波 三次諧波 u1 u2 uo 圖5-20 二重單相逆變電路 5-50 u1和u2相位錯開 =60,其中的3 次諧波就錯開了 360=180。 變壓器串聯合成后，3次諧波互相 抵消，總輸出電壓中不含3次諧波。 uo波形是120矩形波，含6k1 次諧波，3k次諧波都被抵消。 多重逆變電路有串聯多重和并聯 多重兩種 串聯多重串聯多重把幾個逆變電 路的輸出串聯起來，多用于 電壓型電壓型。 并聯多重并聯多重把幾個逆變電 路的輸

31、出并聯起來，多用于 電流型電流型。 120 60 180 t o t o t o 三次諧波 三次諧波 u1 u2 uo 圖5-21 二重逆變電路的工作波形 圖5-20 二重單相逆變電路 5-51 三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路的工作原理 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成， 輸出通過變壓器串聯合成。 兩個逆變電路均為180導通方 式。 逆變橋ii的相位逆變橋i滯后30。 t1為/ y聯結，線電壓變比為 （一次和二次繞組匝數相等)。 t2一次側聯結，二次側兩繞組 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

32、 橋i滯后的30。這樣，uu2和uu1 的基波相位就相同。 5-52 由圖524可看出uun比uu1接 近正弦波。 具體數量關系見教材p147。 直流側電流每周期脈動12次， 稱為12脈波逆變電路脈波逆變電路。 使m個三相橋逆變電路的相 位依次錯開 /(3m)，連同合 成輸出電壓并抵消上述相位 差的變壓器，就可構成6m的 脈波逆變電路。 ua21uun uu2 -ub22 uu1(ua1) t o t o t o t o t o 3 1 3 1 ) (1+) uu1 ua21 -ub22 uu2 uun (ua1) ud ud 3 2 ud 3 1 ud 3 2 ud (1+ ud 3 1 ud 圖5-23 二次側基波電壓合成相量圖 圖5-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖 5-53 回顧圖5-9三相電壓型橋式逆變 電路和圖5-10的波形。 以n為參考點，輸出相電壓有 u ud d/2/2和-u-ud d/2/2兩種電平，稱為 兩電平逆變電路兩電平逆變電路。 圖5-10 電壓型三相橋式逆 變電路的工作波形 t o t o t o t o t o t o t o t o a) b) c) d) e) f) g) h) u un u un u uv i