1、2021年12月7日星期二1第第4章章 逆變電路逆變電路(DC/AC變換）變換）4.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理4.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路2021年12月7日星期二2把直流電變成交流電。把直流電變成交流電。交流側接有電源。交流側接有電源。交流側直接和負載連接。交流側直接和負載連接。一般指無源逆變電路。一般指無源逆變電路。逆變逆變:有源逆變有源逆變:無源逆變：無源逆變：逆變電路：逆變電路：逆變電路逆變電路 引言引言整流電路整流電路+逆變電路逆變電路（無源）構成交（無源）構成交-直直-交電路，交電路，實現(xiàn)實現(xiàn)交交-交變流交變流。DCACACDC AC 2021年12月

2、7日星期二34.1 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理負載負載a)S1S2S3S4iouoUd S1S4是橋式電路的是橋式電路的4 4個臂，個臂， 由電力電子器件及輔助電路由電力電子器件及輔助電路 組成。組成。 當開關當開關S1、S4 閉合，閉合，S2、 S3斷開時，負載電壓斷開時，負載電壓uo為正為正U Ud d； 當當S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合閉合 時，時，uo為負為負U Ud d。 直流電變成了交流電，改變直流電變成了交流電，改變 兩組開關的切換頻率，即可兩組開關的切換頻率，即可 改變輸出交流電的頻率。改變輸出交流電的頻率。1. 電路結構電路結構b)tuot1tT2.

3、 基本工作原理基本工作原理圖圖4-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例Ud-Ud2021年12月7日星期二4負載a)S1S2S3S4iouoUdb)tuot1iot2圖圖5-1 逆變電路及其波形舉例逆變電路及其波形舉例 當負載為電阻時，當負載為電阻時，io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 當負載為阻感時，當負載為阻感時，io相位滯后于相位滯后于uo，波形也不同，波形也不同，io連連 續(xù)變化。續(xù)變化。 Ud-Ud2021年12月7日星期二54.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路4.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路4.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆

4、變電路2021年12月7日星期二64.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路電壓型逆變電路電壓型逆變電路 也稱電壓源型逆變電路：也稱電壓源型逆變電路：直流側是電壓源直流側是電壓源+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖圖4-5 電壓型全橋逆變電路電壓型全橋逆變電路 (全橋逆變電路）全橋逆變電路）2021年12月7日星期二7電壓型逆變電路的特點：電壓型逆變電路的特點：1）直流側為電壓源或并聯(lián)有大電容，）直流側為電壓源或并聯(lián)有大電容， 相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動。相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動。2）輸出電壓為矩形波，與負載阻抗角無關，交流側輸）輸出電壓為矩形波，與

5、負載阻抗角無關，交流側輸 出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側 電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側向直流側電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側向直流側 反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋 二極管。二極管。 2021年12月7日星期二84.2.1 單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路半橋逆變電路圖圖4-6 a) 單相半橋電壓型逆變電路單相半橋電壓型逆變電路半橋逆變電路有兩個橋臂，半橋

6、逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂有一個可控器件和一每個橋臂有一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。個反并聯(lián)二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯(lián)在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結點是直流電源的中點。聯(lián)結點是直流電源的中點。負載聯(lián)結在直流電源中點和負載聯(lián)結在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結點之間。兩個橋臂聯(lián)結點之間。1）電路結構）電路結構上橋臂上橋臂下橋臂下橋臂2021年12月7日星期二9開關器件開關器件V1和和V2柵極信號柵極信號uG1、uG2：u 在一周期內各半周正偏、半周反偏。在一周期內各半周正偏、半周反偏。u 兩者互補。兩者互補。2）工作原理）工作原理單相

7、半橋電壓型逆變電路單相半橋電壓型逆變電路uG1uG2T/2TIGBT的通斷狀態(tài)由柵的通斷狀態(tài)由柵極信號控制：極信號控制：1. 柵極信號正偏，同柵極信號正偏，同時時uce承受正壓時承受正壓時V導導通；通；2. 柵極信號反偏，柵極信號反偏，V關斷。關斷。2021年12月7日星期二10圖圖4-6 b)半橋電壓型逆變電路工作波形半橋電壓型逆變電路工作波形uG1uG2 t2時刻以前時刻以前V1通，通，V2斷。斷。uo=Ud/2， io 與與uo方向一致并逐漸增大。方向一致并逐漸增大。 t2時刻給時刻給V1關斷信號，給關斷信號，給V2 開開 通信號，則通信號，則V1關斷，但感性負關斷，但感性負 載中載中

8、io 不能立即改變方向，不能立即改變方向，V2 不能導通，于是不能導通，于是VD2導通續(xù)流導通續(xù)流 ，io逐漸減小。逐漸減小。 uo= -Ud/22021年12月7日星期二11 t3時刻時刻io降為零時，降為零時，VD2截止，截止， V2 開通，開通，io 開始反向。開始反向。uo=-Ud/2 t4時刻給時刻給 V2 關斷信號，給關斷信號，給 V1開開 通信號，通信號，V2 關斷，關斷， 由于由于io 不能不能 立即改變方向，立即改變方向， V1不能導通。不能導通。 VD1 先導通續(xù)流，先導通續(xù)流，t5時刻時刻 V1 才才 開通。開通。 uo=Ud/2uG1uG22021年12月7日星期二12

9、 V1或或V2通時，負載電流通時，負載電流io和電壓和電壓uo同方向，直流側向同方向，直流側向負載提供能量。負載提供能量。 VD1或或VD2通時，通時，io和和uo反反向，負載電感中貯藏的能量向，負載電感中貯藏的能量向直流側反饋。向直流側反饋。 二極管是負載向直流側反二極管是負載向直流側反饋能量的通道，使負載電流饋能量的通道，使負載電流連續(xù)連續(xù)-反饋二極管，續(xù)流二反饋二極管，續(xù)流二極管。極管。輸出電壓輸出電壓 uo 為矩形波，幅為矩形波，幅值為值為 Um=Ud/2。帶感性負載：帶感性負載：V1VD2 V2 VD1 V1帶阻性負載：帶阻性負載：V1V2V1，io與與uo波形一致。波形一致。202

10、1年12月7日星期二13 對電壓波形進行定量分析對電壓波形進行定量分析. 將幅值為將幅值為 Ud /2的矩形波的矩形波 uo 展開成傅里葉級數(shù)，得：展開成傅里葉級數(shù)，得： 基波幅值基波幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分別為分別為tttUu5sin513sin31sin2doddo1m635. 02UUUdd1o45.02UUU3）定量計算）定量計算T/2Ud/2-Ud/2T基波基波2021年12月7日星期二142全橋逆變電路全橋逆變電路+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio 電壓型全橋逆變電電壓型全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路可看成由兩個半橋電路組合而成

11、，共路組合而成，共4個橋臂，個橋臂，橋臂橋臂1和和4為一對，橋臂為一對，橋臂2和和3為另一對，成對橋臂為另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各同時導通，兩對交替各導通導通1801）電路結構）電路結構uG1、4uG2、3-180O導電導電 方式方式 2021年12月7日星期二152）工作原理）工作原理 電壓型全橋逆變電路輸出電壓電壓型全橋逆變電路輸出電壓uo的波形和半橋電路的波形和半橋電路的波形的波形uo形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud圖4-6 b)單相全橋電壓型逆變電路工作波形+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio

12、ab0ua0ub0Ud/2Ud/2Udu02021年12月7日星期二16 輸出電流輸出電流io波形和半橋電波形和半橋電 路的路的io形狀相同，幅值增形狀相同，幅值增 加一倍。加一倍。 VD1 、V1、VD2、V2 （半橋電路）相繼導通的（半橋電路）相繼導通的 區(qū)間，分別對應全橋電區(qū)間，分別對應全橋電 路路VD1 和和 VD4 、V1 和和 V4 、VD2和和VD3、 V2和和V3 相繼導通的區(qū)間。相繼導通的區(qū)間。圖4-6 b)單相半橋電壓型逆 變電路工作波形2021年12月7日星期二17 全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，對電壓波全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，對電壓波 形進行定

13、量分析形進行定量分析將幅值為將幅值為 Ud 的矩形波的矩形波 uo 展開成傅里葉展開成傅里葉 級數(shù)，得：級數(shù)，得： 基波幅值基波幅值Uo1m和基波有效值和基波有效值Uo1分別為分別為tttUu5sin513sin31sin4do(4-1)ddo1m27. 14UUUdd1o9.022UUU(4-3)(4-2)3）定量計算）定量計算T/2Ud-UdTuo2021年12月7日星期二18 改變輸出電壓有效值的方法：改變輸出電壓有效值的方法：（1） uo為正負電壓各為為正負電壓各為180180的脈沖時，要改變輸出電的脈沖時，要改變輸出電 壓有效值只能通過改變輸出直流電壓壓有效值只能通過改變輸出直流電壓

14、Ud來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。dd1o9 . 022UUU（2）采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓。）采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓。2021年12月7日星期二19 采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓，采用移相方式調節(jié)逆變電路的輸出電壓，實際就是調實際就是調節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。4）移相調壓）移相調壓圖圖4-7 單相全橋逆變電路的移相單相全橋逆變電路的移相調壓方式調壓方式+- -CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotb)uouo 所謂移相：即改變所謂移相：即改變的大小。的大小。2021年12月7日星期二20 各各 IGBT 柵極信號為柵極信號為 180正正

15、 偏，偏，180反偏，且反偏，且V1和和V2 柵柵 極信號互補，極信號互補，V3 和和 V4 柵極信柵極信 號互補。號互補。 V3 的基極信號不是比的基極信號不是比 V1 落后落后 180，而是只落后，而是只落后 ( 0 180)。 V3、V4 的柵極信號分別比的柵極信號分別比 V2 、V1 的前移的前移180- 。 輸出電壓輸出電壓 uo 是正負各為是正負各為 的的 脈沖脈沖 。tOtOtOtOtO b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo 各各IGBT柵極信號柵極信號uG1uG4及輸出電壓及輸出電壓uo、輸出電流、輸出電流io的波形見圖的波形見圖4-7b2021年12月7日

16、星期二21tOtOtOtOtO uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相調壓方式工作原理移相調壓方式工作原理 t1時刻前時刻前V1和和V4導通，導通， uo=Ud。 t1時刻時刻V4截止，而因負載電感中的電截止，而因負載電感中的電 流流io不能突變，不能突變，V3不能立刻導通，不能立刻導通， VD3導通續(xù)流，導通續(xù)流，uo=0。 t2時刻時刻V1截止，而截止，而V2不能立刻導通，不能立刻導通， VD2導通續(xù)流，和導通續(xù)流，和VD3構成電流通構成電流通 道，道，uo=-Ud。 到負載電流過零并開始反向時，到負載電流過零并開始反向時，VD2 和和VD3截止，截止，V2和和V3開始導

17、通，開始導通，uo仍仍 為為-Ud。 t3時刻時刻V3截止，而截止，而V4不能立刻導通，不能立刻導通， VD4導通續(xù)流，導通續(xù)流，uo再次為零再次為零。改變改變 就可調節(jié)輸出電壓。就可調節(jié)輸出電壓。2021年12月7日星期二22 在純電阻負載時，在純電阻負載時，VD1VD4不再導通，不起續(xù)流作不再導通，不起續(xù)流作 用，用，uo 為零的期間，為零的期間，4 個橋臂均不能導通，負載沒個橋臂均不能導通，負載沒 有電流。有電流。 io與與uo波形一致。波形一致。在阻感負載時，在阻感負載時，VD1VD4將導通起續(xù)流作用。將導通起續(xù)流作用。V1、V4V2、V3V1、VD3V2、VD4VD1、VD4VD2、

18、VD3V1、V42021年12月7日星期二234.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路 三個單相逆變三個單相逆變電路可組合成一個電路可組合成一個三相逆變電路，采三相逆變電路，采用用IGBT作為開關作為開關器件的電壓型三相器件的電壓型三相橋式逆變電路可看橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變成由三個半橋逆變電路組成。電路組成。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud21）電路結構）電路結構負載中點負載中點直流電源直流電源中點中點2021年12月7日星期二24每橋臂導電角度每橋臂導電角度180同同 一相上下兩臂交替導

19、電，一相上下兩臂交替導電， 各相開始導電的角度依次各相開始導電的角度依次 相差相差120 。 在任一瞬間將有三個橋臂在任一瞬間將有三個橋臂 同時導通。同時導通。 每次換流都是在同一相上每次換流都是在同一相上 下兩臂之間進行，也稱為下兩臂之間進行，也稱為 縱向換流縱向換流。NN+- -UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2180導電方式導電方式2）工作原理）工作原理縱向換流：縱向換流：V1V4V3V6V5V22021年12月7日星期二25圖4-10 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形 U 相電源輸出電壓相電源輸出電壓 1）當橋臂）當橋臂1導通時，導通時， u

20、UN =Ud /2 。 2）當橋臂）當橋臂4導通時，導通時， uUN=Ud /2。 3）uUN的波形幅值是為的波形幅值是為 Ud/2 的矩形波的矩形波 。 V、W兩相情況和兩相情況和U相類似相類似 uVN 、 uWN的波形形狀與的波形形狀與 uUN相同，只是依次相差相同，只是依次相差 120tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3(1) 三相電源輸出電壓三相電源輸出電壓2021年12月7日星期二26 將上兩式整理得將上兩式整理得負載中點負載中點N和電源中點和電源中點N之之間電壓間電壓uNN UNW

21、NWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu(4-4)NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu(4-5)(31)(31WNVNUN WN VN UN NNuuuuuuu(4-6)(2) 三相負載相電壓三相負載相電壓 電源輸出線電壓電源輸出線電壓2021年12月7日星期二27(4-7)負載為三相對稱負載，則有負載為三相對稱負載，則有 uUN+uVN+uWN=0，可得，可得 uNN的的 也是矩形波，但其頻也是矩形波，但其頻 率為率為uUN頻率的頻率的3倍，幅值為倍，幅值為 其其1/3,即為即為Ud / 6。負載參數(shù)已知時，可由負載參數(shù)已知時，可由uUN波波 形求出形求出

22、U相電流相電流iU波形，負載波形，負載 的阻抗角的阻抗角不同，不同，iu的波形形的波形形 狀和相位都有所不同。狀和相位都有所不同。)(31 WN VN UNNNuuuu2021年12月7日星期二28 三橋式逆變電路輸出線電壓三橋式逆變電路輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得：展開成傅里葉級數(shù)得： 式中，式中， n = 6k1, k 為自然數(shù)為自然數(shù) 輸出線電壓有效值輸出線電壓有效值UUV為：為：nktnntUtttttUusin) 1(1sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32ddUV(4-8)(4-9)3）定量計算）定量計算d202UVUV816. 0d21

23、UtuU基波基波7次諧次諧波波2021年12月7日星期二29輸出線電壓基波幅值為輸出線電壓基波幅值為ddUV1m1 . 132UUU(4-10)輸出線電壓基波有效值為輸出線電壓基波有效值為ddUV1mUV178. 062UUUU(4-11)2021年12月7日星期二30 三橋式逆變電路電源相電壓三橋式逆變電路電源相電壓uUN 展開成傅里葉級數(shù)得：展開成傅里葉級數(shù)得： 電源相電壓基波幅值電源相電壓基波幅值UUN1m為：為：tttUuNU5sin513sin31sin2ddd1mNU635. 02UUUdd1U45.02UUUN 電源相電壓基波有效值電源相電壓基波有效值UUN1為：為：2021年1

24、2月7日星期二31三橋式逆變電路負載相電壓三橋式逆變電路負載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得：展開成傅里葉級數(shù)得： 式中，式中，n = 6k1, k 為自然數(shù)。為自然數(shù)。負載相電壓有效值負載相電壓有效值 UUN 為：為：ntnntUtttttUusin1sin213sin13111sin1117sin715sin51sin2ddUN(4-12)d202UNUN471. 0d21UtuU(4-13)2021年12月7日星期二32負載相電壓負載相電壓基波幅值為基波幅值為負載相電壓負載相電壓基波有效值為基波有效值為ddUN1m637. 02UUU(4-14)dUN1mUN145.02UUU(4-15)2021年12月7日星期二33180o導電方式總結：導電方式總結：1、每個橋臂導電、每個橋臂導電180o；2、同一半橋上下橋臂交替導電；、同一半橋上下橋臂交替導電；3、換流是在同一