第第5章章 逆变电路逆变电路 引言 5.1 换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.3 电流型逆变电路 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小节5-1 第第5章章 逆变电路逆变电路 • 引言引言逆变的概念 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5-2 第第5章章 逆变电路逆变电路 • 引言引言逆变电路逆变电路分类分类电能流向电能流向功率器件功率器件直流电源直流电源电路结构电路结构输出相数输出相数控制方式控制方式开关环境开关环境有源逆变电路有源逆变电路无源逆变电路无源逆变电路半控型电路半控型电路全控型电路全控型电路电压源电路电压源电路电流源电路电流源电路桥式电路桥式电路非桥式电路非桥式电路单相电路单相电路三相电路三相电路相控电路相控电路PWM电路〔斩控）电路〔斩控）方波电路方波电路硬开关电路硬开关电路软开关电路软开关电路半桥电路半桥电路全桥电路全桥电路单极性电路单极性电路双极性电路双极性电路其实地上本没有路，其实地上本没有路，走的人多了，也便走的人多了，也便成了路。
成了路 — 鲁迅鲁迅 本章采用的本章采用的控制方式控制方式5-3 5.1 换流方式换流方式 5.1.1 逆变电路的基本工作原理 5.1.2 换流方式分类5-4 l以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成控制方式为控制方式为方波控制方波控制方波控制方式的逆变器方波控制方式的逆变器也被称为方波型逆变器也被称为方波型逆变器5-5 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理ØS1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正ØS1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负直流电交流电5-6 5.1.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理逆逆变变电电路路最最基基本本的的工工作作原原理理 ————改改变变两两组组开开关关切切换换频频率率，，可可改改变变输输出出交流电频率交流电频率图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时时，，负负载载电电流流ioio和和uouo的的波波形形相相同同，，相相位位也相同。
也相同阻阻感感负负载载时时，，ioio相相位位滞滞后于后于uouo，波形也不同波形也不同5-7 5.1.2 换流方式分类换流方式分类l换换流流————电电流流从从一一个个支支路路向向另另一一个个支支路路转转移移的的过过程程，，也称为换相也称为换相开通：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5-8 5.1.2 换流方式分类换流方式分类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）5-9 5.1.2 换流方式分类换流方式分类关于换流方式：器件换流——适用于全控型器件。
其余三种方式——针对晶闸管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5-10 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路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 (VSI)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-CSTI (CSI)直流侧是电流源5-11 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路2〕电压型逆变电路的特点图5-5 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5-12 5.2 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路5-13 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路1〕半桥逆变电路u图5－6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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/2。
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5-14 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路l优点：电路简单，使用器件少优点：电路简单，使用器件少l缺缺点点：：输输出出交交流流电电压压幅幅值值为为Ud/2Ud/2，，且且直直流流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡l应用：应用：l用于几用于几kWkW以下的小功率逆变电源以下的小功率逆变电源l单单相相全全桥桥、、三三相相桥桥式式都都可可看看成成若若干干个个半半桥桥逆逆变电路的组合变电路的组合5-15 5.2.1 单相电压型逆变电路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Uo1=0.9Ud，因此只能通过改变直流电压Ud来实现，如相控整流，或移相调压对于阻感负载，存在能量回馈和能量输出两个阶段图5-5 单相全桥电压型逆变电路及其工作波形5-16 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路阻感负载时，可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。
a)图5-7 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5-17 5.2.1 单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路3） 带中心抽头变压器的逆变电路 （很简单的电路，请同学们自己分析）图5-8 带中心抽头变压器的逆变电路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 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5-18 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路典型的三相电压型逆变电路〔变压变频调速器）典型的三相电压型逆变电路〔变压变频调速器）5-19 5.2.2 三相电压型逆变电路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5-9 三相电压型桥式逆变电路5-20 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路l基本工作方式——180°导电方式图图5-10电压型三相桥式逆电压型三相桥式逆变电路的工作波形变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62 Ud3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5-21 三相电压型三相电压型全桥逆变器全桥逆变器6 6路开关信路开关信号（号（ 180° 180°导电方式）导电方式）三相电压型三相电压型全桥逆变器全桥逆变器桥臂输出电桥臂输出电压波形压波形三相逆变器三相逆变器U U和和V V相桥臂相桥臂输出电压输出电压（线电压，（线电压，为为120o120o方波）方波）基波分量基波分量M MN N5-22 三相电压型三相电压型全桥逆变器全桥逆变器桥臂输出电桥臂输出电压波形压波形三相电压型三相电压型全桥逆变器全桥逆变器负载相电压负载相电压波形波形负载中性点负载中性点电压波形电压波形基波分量基波分量M M三相桥臂三相桥臂输出状态输出状态5-23 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路波形分析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负载线电压负载相电压图图5-10电压型三相桥式逆电压型三相桥式逆变电路的工作波形变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62 Ud35-24 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路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)负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。
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，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这是电压型逆变电路的一个特点防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”在两者之间预留一定的时间裕量，即所谓的“死区时间”，数值大小视功率器件开关速度而定5-25 5.2.2 三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路•数量分析• 输出线电压uUV展开成傅里叶级数:其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为:5-26 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5.3 电流型逆变电路电流型逆变电路直流电为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路图5-11 电流型三相桥式逆变电路 (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。
5-27 5.3 电流型逆变电路〔理解）电流型逆变电路〔理解） 5.3.1 单相电流型逆变电路 5.3.2 三相电流型逆变电路 5-28 5.3 电流型逆变电路〔理解）电流型逆变电路〔理解）电流型逆变电路主要特点：电流型逆变电路主要特点：（（1〕直流侧串联大电感，相当于电流源直流侧〕直流侧串联大电感，相当于电流源直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗2〕电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的〕电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，交流侧输出电流为矩形波，并且与负流通路径，交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关而交流侧输出电压波形和相位则载阻抗角无关而交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况的不同而不同因为负载阻抗情况的不同而不同3〕当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，〕当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用由于反馈无直流侧电感起缓冲无功能量的作用由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。
逆变电路那样给开关器件反并联二极管5-29 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 （一般性了解）（一般性了解）l电压型逆变电路电压型逆变电路——输出电压是矩形波，输出电压是矩形波，l电电流流型型逆逆变变电电路路——输输出出电电流流是是矩矩形形波波，，含含有有较较多谐波l多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正弦l多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正弦l多多重重逆逆变变电电路路，，也也简简称称为为多多重重化化电电路路，，和和多多电电平平电路一样，被应用于高电压、大容量的场合电路一样，被应用于高电压、大容量的场合5-30 5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 （一般性了解）（一般性了解） 5.4.1 多重逆变电路 5.4.2 多电平逆变电路5-31 5.4.1 多重逆变电路多重逆变电路多重逆变电路多重逆变电路 电压型、电流型都可电压型、电流型都可多重化，以电压型为例。
多重化，以电压型为例单相电压型二重逆变电单相电压型二重逆变电路路两个单相全桥逆变电路两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器组成，输出通过变压器T1T1和和T2T2串联起来串联起来输出波形：两个单相的输出波形：两个单相的输出输出u1u1和和u2u2是是180°180°矩矩形波图5-21 二重逆变电路的工作波形120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图5-20 二重单相逆变电路5-32 5.4.1 多重逆变电路多重逆变电路u1和u2相位错开j =60°,其中的3次谐波就错开了 3×60°=180变压器串联合成，3次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波uo波形是120°矩形波，含6k±1次谐波，3k次谐波都被抵消多重逆变电路有串联多重和并联多重两种串联多重——把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型并联多重——把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图5-21 二重逆变电路的工作波形图5-20 二重单相逆变电路5-33 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路回顾图5-9三相电压型桥式逆变电路和图5-10的波形。
以N’为参考点，输出相电压有Ud/2和-Ud/2两种电平，称为两电平逆变电路图5-10 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'UdUd2Ud3Ud62 Ud35-34 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路 三电平逆变电路也称中点箝位型（NPC, Neutral Point Clamped） 逆变电路每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过箝位二极管和直流侧中点相连 图图5-25 三电平逆变电路三电平逆变电路5-35 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路l以A相为例分析工作情况〔三种电平状态输出）lS1和S2通，S3和S4断，则A与参考地之间电位差为Ud/2；lS3和S4通，S1和S2断，则A与参考地之间电位差为-Ud/2；lS2和S3通，S1和S4断，则A与参考地之间电位差为 0；5-36 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路l线电压的电平线电压的电平l相电压相减得到线电压相电压相减得到线电压l两电平逆变电路的输出线电压有两电平逆变电路的输出线电压有±Vdc和和0三种电三种电平。
平l三电平逆变电路的输出线电压有三电平逆变电路的输出线电压有± Vdc 、、± Vdc /2和和0五种电平五种电平l三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路逆变电路l三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半承受电压为直流侧电压的一半l与两电平逆变电路的特点相比较与两电平逆变电路的特点相比较5-37 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图5-27 三相PWM电压Ua/Ub/Uc波形 5-38 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路 (a) 输出线电压Uab (b) A相相电压Uan 图5-28 系统输出相关电压波形〔PWM控制模式下）5-39 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图5-29 系统输出三相电流波形5-40 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图5-30 二极管箝位型逆变器主电路 (a)三电平 (b)五电平5-41 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图5-31 飞跨电容箝位型逆变器主电路 (a)三电平 (b)五电平 5-42 5.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图5-32 九电平级联型逆变器主电路及其输出波形5-43 第第5章章 逆变电路逆变电路 • 小结小结l讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理l四四大大类类基基本本变变流流电电路路中中，，AC/DC和和DC/AC两两类类电路更为基本、更为重要电路更为基本、更为重要l换流方式换流方式l分分为为外外部部换换流流和和自自换换流流两两大大类类，，外外部部换换流流包包括括电电网网换换流流和和负负载载换换流流两两种种，，自自换换流流包包括括器器件件换换流和强迫换流两种。
流和强迫换流两种l对对晶晶闸闸管管电电路路，，换换流流十十分分重重要要；；对对全全控控型型器器件件，，其重要性有所下降其重要性有所下降5-44 第第5章章 逆变电路逆变电路 • 小结小结l逆变电路分类方法逆变电路分类方法l可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类途等分类l本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类为电压型和电流型两类l电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识电路有更深刻的认识l负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路l电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路5-45 第第5章章 逆变电路逆变电路 • 小结小结l与其它章的关系与其它章的关系l本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整l下下一一章章的的PWM控控制制技技术术在在逆逆变变电电路路中中应应用用最最多多，，绝绝大大部部分分逆逆变变电电路路都都是是PWM控控制制的的，，学学完完下下一一章章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。
才能对逆变电路有一个较为完整的认识l逆逆变变电电路路的的直直流流电电源源往往往往由由整整流流电电路路而而来来，，二二都都结合构成间接交流变流电路，即变频器结合构成间接交流变流电路，即变频器l此此外外，，间间接接直直流流变变流流电电路路大大量量用用于于开开关关电电源源，，其其中的核心电路仍是逆变电路中的核心电路仍是逆变电路l参参考考第第8章章内内容容，，对对逆逆变变电电路路及及其其应应用用将将会会有有更更完完整的认识整的认识5-46 。