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第4章 无源逆变电路引言引言4.1 4.1 逆变器的性能指标和分类逆变器的性能指标和分类4.2 4.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理4.3 4.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 4.4 4.4 电流型逆变电路电流型逆变电路4.5 4.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术4.6 4.6 负载换流式逆变器负载换流式逆变器本章小节本章小节1第4章 无源逆变电路 • 引言•逆变的概念逆变——与整流相对应，直流电变成交流电l交流侧接电网，为有源逆变l交流侧接负载，为无源逆变l逆变与变频l变频电路：分为交交变频和交直交变频两种l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 •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本章讲述无源逆变24.1 逆变器的性能指标与分类（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） (4.1.2)（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）（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4.1.1 逆变器的性能指标34.1.2 逆变电路的分类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1）、根据输入直流电源特点分类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2）、根据电路的结构特点分类4.1 逆变器的性能指标与分类4① 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3）、根据换流方式分类（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 逆变器的性能指标与分类4.1.2 逆变电路的分类54.2 逆变电路的工作原理4.2.14.2.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理4.2.24.2.2 换流方式分类换流方式分类6l以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原 理4.2.1 逆变电路的基本工作原理图4.2.1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduo iot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。

74.2.1 逆变电路的基本工作原理Ø S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正 Ø S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流电交流电84.2.1 逆变电路的基本工作原理Ø逆变电路最基本的工作 原理 ——改变两组开关切 换频率，可改变输出交流 电频率图4.2.1 逆变电路及其波形举例a)b)tuo iot1t2电阻负载时，负载电流io 和uo的波形相同，相位也 相同阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同94.2.2 换流方式分类l换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程 ，也称为换相开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通 关断： 全控型器件可通过门极关断 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能 关断 研究换流方式主要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集中,因此安排在 本章集中讲述104.2.2 换流方式分类1) 器件换流（Device Commutation） – 利用全控型器件的自关断能力进行换流 – 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型 器件的电路中的换流方式是器件换流。

2) 电网换流（Line Commutation） – 电网提供换流电压的换流方式 – 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关 断不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交 流电网的无源逆变电路 3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）114.2.2 换流方式分类图 负载换流 电路及其工作波形 •由负载提供换流电压的换流方 式 •负载电流的相位超前于负载电 压的场合，都可实现负载换流 •如图是基本的负载换流电路，4 个桥臂均由晶闸管组成 •整个负载工作在接近并联谐振 状态而略呈容性 •直流侧串电感，工作过程可认 为id 基本没有脉动 •负载对基波的阻抗大而对谐波 的阻抗小所以uo接近正弦波 •注意触发VT2、VT3的时刻t1必 须在uo过零前并留有足够的裕量， 才能使换流顺利完成t?t?t?tOOOOiit1b)a)uouo ioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT4124)强迫换流（Forced Commutation）4.2.2 换流方式分类由换流电路内电容 直接提供换流电压直接耦合式 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 换流电流电感耦合式 强迫换流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134.2.2 换流方式分类•直接耦合式强迫换流当晶闸管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图 直接耦合式强 迫换流原理图图 电感耦合式强 迫换流原理图电感耦合式强迫换流先使晶闸管电流减为零 ，然后通过反并联二极管使 其加上反向电压也叫电流换流144.2.2 换流方式分类•换流方式总结：Ø 器件换流——适用于全控型器件Ø 其余三种方式——针对晶闸管Ø 器件换流和强迫换流——属于自换流Ø 电网换流和负载换流——属于外部换流Ø 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154.3 电压型逆变电路4.3.14.3.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路4.3.24.3.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路164.3 电压型逆变电路·引言1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不 同电压型逆变电路——又称为电压源 型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路——又称为电流源 型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源174.3 电压型逆变电路·引言2）电压型逆变电路的特 点图4.3.0 电压型全桥逆变电路(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 同而不同3)阻感负载时需提供 无功功率为了给交流侧 向直流侧反馈的无功能量 提供通道，逆变桥各臂并 联反馈二极管184.3.1 单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图4.3.1 单相半桥电压型逆变 电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Um iot1t2t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两 者互补，输出电压uo为矩形 波，幅值为Um=Ud/2V1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19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 单相电压型逆变电路204.3.1 单相电压型逆变电路l优点：电路简单，使用器件少。

Ø缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两 电容器串联，要控制两者电压均衡Ø应用： Ø 用于几kW以下的小功率逆变电源 l单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆 变电路的组合214.3.1 单相电压型逆变电路2) 全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半 桥电路组合而成 两对桥臂交替导通180° 输出电压和电流波形与半桥 电路形状相同，幅值高出一 倍 改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来 实现图4.3.2 单相全桥逆变 电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo224.3.1 单相电压型逆变电路•阻感负载时，还可采用 移相得方式来调节输出电压 －移相调压a)图4.3.2 单相全桥逆变 电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的基极信号比V1落后q （0＜ q ＜180 °）V3 、V4的栅极信号分别比 V2、V1的前移180°－q 输出电压是正负各为q 的脉冲 改变q就可调节输出电压 23•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：图4.3.2 电压型单相全桥逆 变电路和电压、电流波形图 (4.3.6)(4.3.4)(4.3.5)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。

1）纯电阻负载时4.3.1 单相电压型逆变电路240≤t＜Ts/4，Ts/2≤t≤3Ts/4期间，D1、D4和D2、D3导通起负载电流续流作用，在此期间T1∼T4均不导通图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 2）电感负载时由(4.3.7)4.3.1 单相电压型逆变电路250≤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=+Udθ≤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为正值，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3）阻感负载RL时图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 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4.3.1 单相电压型逆变电路264.3.2 三相电压型逆变电路l三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路l应用最广的是三相桥式逆变电路图4.3.3 三相电压型桥式逆变电路274.3.2 三相电压型逆变电路l基本工作方式—— 180°导电方式图 电压型三相桥式逆变电 路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd 2Ud 3Ud 62 Ud 3每桥臂导电180°， 同一相上下两臂交替 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284.3.2 三相电压型逆变电路•工作过程•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。