JDCH4 逆变电路课件

4.1变频器的基本概念

4.2电压型逆变器4.3电流型逆变器4.4多重逆变与多电平逆变电路本章小结目录第4章逆变电路1本章要求及重点、难点掌握无源逆变电路的概念、原理及分类；重点掌握三相桥式逆变电路的原理与参数，了解新器件（IGBT）构成的三相逆变电路及三点式逆变电路；一般了解SCR及IGBT谐振式逆变电路，简单了解三相逆变电路及参数计算，掌握电流型逆变电路，掌握逆变电路的调压、脉宽调制和谐波消除方法，掌握电力电子器件的缓冲电路。重点：掌握三相桥式逆变电路的原理与参数、脉宽调制和谐波消除方法。难点：三相逆变电路的分析。2引言逆变概念逆变——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。

本章讲述无源逆变。变频与逆变变频电路：交交变频和交-直-交变频两种。交-直-交变频：由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。

逆变电路的应用蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路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仅讲述逆变电路基本内容，PWM控制技术.3变频器:由交直变换和直交变换两部分组成，即将固定频率和固定电压的交流电整流为直流电,再将直流电变换为频率和电压可调的交流电，供负载使用。变频器电路的构成4.1变频器的基本概念图4－A变频器构成的原理框图交流输入：为单相、三相均可交流电；整流器：为可控或不可控均可；滤波器：可用电感或电容将脉动的直流量滤波成平直的直流电流；逆变器：根据滤波器的不同可分为电压型和电流型，为单相、三相均可4.1.1变频器的基本工作原理4单相桥式逆变电路为例：S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电;改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；图4-1逆变电路及其波形举例2.逆变器工作原理5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（图4-1b）t1前：S1、S4通，uo和io均为正；t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向；io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。2.逆变器工作原理6逆变电路基本工作原理演示1+-S1、S4闭合、S2、S3断开7逆变电路基本工作原理演示2-+S1、S4断开、S2、S3闭合8可控整流器调压：直流斩波器调压：逆变器自身调压：改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，达到调节输出电压，称为脉宽调制（简称为ＰＷＭ）。单脉冲调制：输出电压在半周期内只有一个脉冲多脉冲调制：输出电压在半周期内有多个脉冲正弦波脉宽调制：输出电压在半周期内为多脉冲调制，并且每个脉冲的宽度按正弦规律变化。3.变频器常用的调压方法94.1.２变频器中逆变器的基本类型逆变器是变频器中的核心部分，变频器的性能主要取决于逆变器按直流输入端的滤波器分类：电压型逆变器：在直流输入端接入电容器特点：输入电压平直、电源阻抗小电流型逆变器:在直流输入端接入电抗器特点：输入电流平直、电源阻抗大图4-A电压源逆变器图4-B电流源逆变器102.按相数分类3.按电子开关工作规律分类180°导电型逆变器：

每个开关导通180°

120°导电型逆变器：

每个开关导通120°11按电路结构特点可分为半桥式、全桥式，推挽式和单管式逆变器。按器件的换流特点可分为强迫换流式和自然换流式逆变器。按负载特点可分为谐振式和非谐振式逆变器。按输出波形可分为正弦式和非正弦式逆变器。其他分类方法工业用的特殊交流电源有：变频变压电压源(variablevoltagevariablefrevuency)，简称为VVVF。恒压恒频电压源CVCF(constantvoltageconstantfrevuency)，简称为CVCF。124.1.3换流方式分类换流—电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相开通：适当的门极驱动信号就可使其开通关断：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。1.器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流；13由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件；4.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向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（ForcedCommutation）2.电网换流3.负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流；负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流14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——属于自然换流电网换流和负载换流——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。154.1.4逆变器中的电子开关逆变器对电子开关的要求对正向电流即能控制开通又能控制关断在开通、关断过程中，应具有快速和低能耗有足够的电压和电流定额应提供滞后的电流通路，以便实现负载和电源之间无功能量的交换。电压型逆变器应采用逆导型电子开关，见图６－８。164.2电压型逆变电路电压型逆变电路的特点：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。174.2.1单相电压型逆变电路工作原理：V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，互补；uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2io波形随负载而异，感性负载时，见图4-6b)。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，还使io连续，又称续流二极管。改变V1和V2的控制信号的频率，输出电压的频率也随之改变。图4-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形1.单相半桥逆变电路18半桥逆变电路演示1t1~t2：C1——V1——负载，输出电压右正左负-+图4-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形19半桥逆变电路演示2t2~t3：C2——VD2——负载，二极管VD2续流，输出电压左正右负+-20t3~t4：C2——V2——负载，输出电压右正左负+-半桥逆变电路演示321-+t4~t5：C1——VD1——负载，二极管VD1续流，输出电压左负右正半桥逆变电路演示422半桥逆变电路演示5-++-+--+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,起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。23单相半桥逆变电路优点：简单，使用器件少。缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。用于几KW以下的小功率逆变电源。改变V1和V2的控制信号的频率，输出电压的频率也随之改变。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。特点：24图4-5

单相全桥逆变电路2.单相全桥逆变电路电路结构及工作情况两个半桥电路的组合；1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°；uo波形同图4-6b)半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；io波形和图4-6b)中的io相同，幅值增加一倍；单相逆变电路中应用最多的。25图4-5单相全桥逆变电路的波形26输出电压定量分析：Uo展开成傅里叶级数uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。基波幅值

基波有效值

(4-1)(4-2)(4-3)27方波逆变器输出的方波谐波幅度随着谐波次数n的增加而减小，其减小系数为1/n；偶次谐波不存在；最低次谐波为3次谐波；由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。图4-C为方波的各次谐波时域图。

图4-C方波的各次谐波方波中的谐波分析：28方波逆变器输出是一交变的方波电压，在某些场合可以直接应用，例如在驱动交流电机等应用中；在另一些场合，方波逆变器输出就必须进行滤波，才能满足应用的需要。小结：方波逆变器输出滤波图4-ELC低通滤波器置于方波逆变器输出和负载之间通常采用LC低通滤波器滤除方波逆变器输出方波的高次谐波，将LC低通滤波器置于方波逆变器输出和负载之间，如图4-E所示。在方波逆变器中，其输出幅度为输入直流电压幅度，无法控制其输出电压幅度和谐波。对某一频率的输出，其谐波总是基波频率的3倍、5倍、7倍等，采用LC低通滤波器滤除谐波很困难。LC低通滤波器的截止频率是固定不变的，滤波器的体积由滤波器的VA额定值确定。为了减小滤波器的体积，必须采用PWM开关方案。293.可采用移相调压(单相桥电路带阻感性负载)移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变；V3的基极信号只比V1落后θ(0<θ<180°)、V4的基极信号只比V2落后θ；V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－θ。图4-7单相全桥逆变电路的移相调压方式uo成为正负各为θ

的脉冲，改变θ

即可调节输出电压有效值30工作过程分析设在t1时刻前，V1和V4导通，输出电压uo为Ud；t1时刻,V3和V4栅极信号反向，V4截止,而负载电感中的电流不能突变，V3不能立刻导通,VD3导通续流,V1和VD3同时导通,输出电压源uo=0；到t2时刻,V1和V2栅极信号反向，V1截止，V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压源为－Ud；到负载电流过零反向时，VD2和VD3截止，V3和V2开始导通，uo为－Ud;T3时刻,V3和V4栅极信号反向,V3截止，V4不能立刻导通，VD4导通续流，输出电压源uo=0;以后过程与前面类似.在纯电阻负载时,可得同样结果.注意:VD1～VD4不起续流作用.此时输出电压uo为零。输出电压u0成为正负各为θ

的脉冲，改变θ

即可调节输出电压有效值31图6-D为一个准方波波形，显然它是一个奇函数，因此有图4-D准方波波形准方波波形的讨论如果n是偶数，则准方波的基波幅度为由式（*）可以知道，基波的幅度可以通过改变α而被控制。（*）32移相控制的全桥逆变电路演示tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo特点共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。334.2.2三相桥式电压型逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路；可看成由三个半桥逆变电路组成。图4-9三相电压型桥式逆变电路34一、电阻负载时的工作情况基本假定4.2.2三相桥式电压型逆变电路每桥臂导电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；并按1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1；6、1、2；参见表6-1。可以得到图4-10所示的相电压和线电压波形。逆变器负载为星形联结，平衡对称，负载的中点N电位作为参考点。直流滤波电容C值足够大，ud≡Ud控制极信号脉宽为180°（180°导电方式）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。35（1）状态1（0°~60°）V5、V6、V1有驱动信号，其等效电路为图4-6(a)等效电阻RE=R+R/2=3R/2电流i=Ud/RE=2Ud/(3R)负载相电压uAN=uCN=Ud/3;uBN=－iR=－2Ud/3负载线电压：uAB=uAN－uBN=Ud

uBC=uBN－uCN=－Ud

uCA=uCN－uAN=0在输出半周内，逆变器有三种工作状态中点电压：uAN’=uAN＋uNN’uNN’=uAN’-uAN=Ud/2-Ud/3=Ud/6图4-6(a)36（2）状态2（60°～120°）V6、V1、V2有驱动信号，其等效电路为图6-6(b)等效电阻RE=R+R/2=3R/2电流i2=Ud/RE=2Ud/(3R)负载相电压uAN=i2R=2Ud/3;uBN=uCN=－i2R/2=－Ud/3负载线电压：uAB=uAN－uBN=Ud

uBC=uBN－uCN=0uCA=uCN－uAN=－Ud

中点电压：uAN’=uAN＋uNN’uNN’=uAN’-uAN=Ud/2-2Ud/3=-Ud/6图6-6(b)37（3）状态3（120°-180°）V1、V2、V3有驱动信号，其等效电路为图6-6(c)等效电阻RE=R+R/2=3R/2电流i3=Ud/RE=2Ud/(3R)负载相电压uCN=－i3R=－2Ud/3;uBN=uAN=i3R/2=Ud/3负载线电压：uAB=uAN－uBN=0

uBC=uBN－uCN=Ud

uCA=uCN－uAN=－Ud

中点电压：uAN’=uAN＋uNN’uNN’=uAN’-uAN=Ud/2-Ud/3=Ud/6图6-6(c)38图6-6全桥逆变器1800导电方式的等效电路图图4-6全桥逆变器1800导电方式的等效电路图39可以求出6个状态时三相输出电压表达式：40图4-9中A、B、C各点对电源中点N‘的相位差为工作阶段元件uAN’uBN’uCN’0-60°5、6、1Ud/2－Ud/2Ud/260°-120°6、1、2Ud/2－Ud/2－Ud/2120°-180°1、2、3Ud/2Ud/2－Ud/2负载各相到电源中点N‘的电压：

对于A相输出，当桥臂1导通时，uAN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uAN‘=－Ud/2；

uAN’的波形为矩形波，其幅值为Ud/2；41图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形42B、C两相与A相相同，只是相位依次差120°利用式(*)和(**)可绘出uAN、uBN、uCN波形如图4-10负载已知时，可由uAN波形求出iA波形.见图如图4-10一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。两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平.■回顾图4-9三相电压型桥式逆变电路和图4-10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。43A相电压的瞬时值以图4-10中的时间坐标取在阶梯波的起点，利用傅里叶分析可得A相电压的瞬时值：相电压基波幅值：相电压基波有效值：无3次谐波，只含奇次谐波，其幅值为基波幅值的1/n，n为谐波次数。负载相电压的有效值：(4-13)44线电压uAB的瞬时值线电压基波幅值：线电压基波有效值：无3次谐波，只含奇次谐波，其幅值为基波幅值的1/n，n为谐波次数。45二、感性负载工作情况负载仍为星形连接，由于负载为感性，桥中各臂除可控器件导通之外，反并二极管也参加导通，而且工作状态将随负载基波阻抗角的不同而异。负载阻抗461.输出相电流分析逆变出端电流可视为出端阶梯波电压分段施加于感性负载的结果，因而电流波形与负载参数有关。以A相为例，在感性负载下可列方程式中RA和LA分别是相电阻和电感。由图可见：由于φ1>π/3，θT<2π/3。图6—17Aφ>π/3(rad)时电路波形47图6—17Aφ>π/3(rad)时电路波形图6—17Aφ>π/3(rad)时电路波形返回

48输出相电流分析由图可见：由于φ1>π/3，θT<2π/3。由图6－32可以得到：iA=i1-i4=(iT1+iD1)-(iT4+iD4)图6—17Aφ>π/3(rad)时电路波形iA的正半波由iT1、iD4

构成；iA的负半波由iT4、iD1

构成。49结论：由式(*)可见，相电流iA是6阶梯波相电压uAo分段施加于感性负载形成的，其波形如图3—17A(c)所示。图3—17A三相半桥方波逆变电路波形如图3—17A(c)，iA的过零点为ωt=φ1，在时段4、5、6有VT1导通；在时段7、8、9有VD4导通；在时段9末端，有iD4=0，VD4关断，VT4开通；同理，在时段13开始有，为维持iA连续，VD1在时段13、14、15续流；当ωt=2π+φ1时，iD1=0，完成iA的一个工作循环。50图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压的波形与负载无关，为一阶梯波或矩形波；

电流的波形与负载有关；但为阻感性负载时，接近正弦波。512.入端电流分析由图3—16(a)

，逆变电路的入端电流如可表为

iβ=i2+i4+i6

由图3—17(f)的时区5、6中有，i4＝i6＝0则iβ=i2，即入端电流iβ的平均值Iβ＝Id，iβ的交流分量将作为充放电电流流过Cd。52综上所述：电压波形与工作模式的更叠无关；电路具有的工作模式与θD有关；电路具有的工作模式与控制方式有关；不同的工作模式所对应的电路能量流传情况不同；不管处于何种模式，各相电压波形与纯阻负载相同，即输出电压波形与负载无关。必须指出，在方波条件下，电路将以第一至第三模式工作，其他模式将在SPWM条件下出现。53三、有源负载工作情况三相有源负载是交流笼型异步电动机，由逆变电路组成的VVVF电源向电机供电，实现笼型异步电动机变频调速。由于具有中间直流环节，这种变频电路被称为间接式变频方式。以区别于无中间直流环节的直接式变频方式。含有电势E的情况（如异步电动机）如图6-32.54(1)笼型异步电动机的等效电路设电机定子绕组为星形连接，每相稳态下的等效电路如图3—19(a)所示，以A相为例:图中图3—19(a)Rp——定子每相电阻；RS——转子每相电阻的折算值；Lp——定子每相漏感；RS——转子每相漏感的折算值；Rkn——对n次谐波虚拟的附加电阻55讨论n次谐波虚拟的附加电阻Rkn1）Rkn与Sn有关：对基波而言Rkn为RK1：在高速下，S1很小，RK1很大；在低速下，S1≈1，RK1≈0.56综上所述：电压型三相逆变电路在电动机负载下，其输出波形与其他负载相同，即输出电压波形与负载性质无关；但由于相等效电势eAo的存在，相电流波形与无源负载不同，且与滞后角φ1值有关。图3—2157图4-H

为三相串联电感式电压型逆变电路Ｌ为换流电感；Ｃ为换流电容；ＶＤ为反馈二极管；提供负载无功能量反馈通道；图4-H

串联电感式电压型逆变电路4.2.4串联电感式电压型逆变电路584.3电流型逆变器电流型逆变器优点:主电路结构简单便于实现四象限运行快速响应和动态特性好电流型逆变器缺点:直流输入端的电感数值很大，才能构成一个电流源，使Id恒定，因此，电感的重量与体积都很大，故电流型逆变器用的较少。(图4-15串联二极管式晶闸管逆变电路)(图4-11

三相桥式电流型逆变电路）594桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器Ls，用来限制晶闸管开通时的di/dtVT1、VT4和VT2、VT3以1000~2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电其负载为RLC，并且满足谐振条件，故称为谐振负载。4.3.1单相桥式电流型并联谐振式逆变电路(p.107)图4-12单相桥式电流型并联谐振式逆变电路

60采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压。负载一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料，R和L串联为其等效电路因功率因数很低（一般为5%~30%)，故并联C而提供容性无功功率；由于C和L、R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路4.3.1单相电流型并联谐振式逆变电路614.3.1单相电流型并联谐振式逆变电路因逆变器工作频率略高于负载谐振频率，使负载呈容性；负载电流的基波超前于负载电压基波一定的角度，并联谐振电路对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，具有滤波作用，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦；输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。62一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id；t2时刻前在C上建立了左正右负的电压,如图6-25（a);t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段,如图6-25（b);图4-13并联谐振式逆变电路工作波形

(一)工作过程分析4.3.1单相电流型并联谐振式逆变电路图6-2663t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段Ls使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程VT2、VT3电流有一个增大过程4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电,如图6-25（b)Ls1、VT1、VT3、Ls3到C；另一个经Ls2、VT2、VT4、Ls4到Ct=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束；t4－t2=tg

称为换流时间。io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。4.3.1单相电流型并联谐振式逆变电路图6-2664保证晶闸管的可靠关断（图6-A13）晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tbtb=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tV为保证可靠换流应在uo过零前td=t5-t2时刻触发VT2、VT3td为触发引前时间tδ=tβ+tγ

(*)图6-26d65io超前于uo的时间

为表示为电角度w为电路工作角频率；g、b分别是tg、tb对应的电角度图6-2666忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数

基波电流有效值负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）(二)

数量分析图6-2667图6-2668电流型三相桥式逆变电路（图6-34，采用全控型器件）基本工作方式是120°导电方式—每个臂一周期内导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流图6-34电流型三相桥式逆变电路4.3.2三相桥式电流型逆变电路69120°导电方式任一瞬间只有二个开关器件同时导通；并按1、2；2、3；3、4；4、5；5、6；6、1；参见p.232。可以得到图6-35所示的相电流和线电流波形。6.3.2三相桥式电流型逆变电路图6-35电流型三相桥式逆变电路的工作波形逆变器负载为星形联结为例：70电流型三相桥式逆变电路（图4-11，采用全控型器件）基本工作方式是120°导电方式—每个臂一周期内导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，横向换流波形分析输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波输出交流电流的基波有效值图6-35电流型三相桥式逆变电路的输出波形

71120°导电工作方式，其波形如图6-18所示强迫换流方式，电容C1~C6为换流电容VD1---VD6为隔离二极管图4-15串联二极管式晶闸管逆变电路

4.3.3串联二极管式晶闸管逆变电路(p.110)对共阳极晶闸管，与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负不与导通晶闸管相连的电容器电压为零；主要用于中大功率交流电动机调速系统电流型三相桥式逆变电路,各桥臂的晶闸管和二极管串联使用转至6.3.4其它电流型逆变器721.感性负载换流过程分析电容器充电规律：等效换流电容：例如分析从VT1向VT3换流时，Cab就是C3与C5串联后再与C1并联的等效电容,其值为3C/2。图6-19换流过程各阶段的电流路径4.3.3串联二极管式晶闸管逆变电路73图6-18图6-20742.反电势负载换流过程分析逆变器负载为电动机时,应考虑电动机反电势的影响:4.3.3串联二极管式晶闸管逆变电路754.3.4电压型与电流型逆变器的比较764.4多重逆变电路和多电平逆变电路

4.4.1多重逆变电路

4.4.2多电平逆变电路77引言■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形。■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。

784.4.1多重逆变电路120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图4-20二重单相逆变电路

图4-21二重逆变电路的工作波形

791.二重单相电压型逆变电路120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图4-20二重单相逆变电路

图4-21二重逆变电路的工作波形

◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来。

◆输出波形

☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就错开了3×60°=180，变压器串联合成后，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。801.二重单相电压型逆变电路120°60°180°tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图4-20二重单相逆变电路

图4-21二重逆变电路的工作波形

■结论:

◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。

◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。812.三相电压型二重逆变电路图4-22三相电压型二重逆变电路

■电路分析

☞由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过变压器串联合成。

☞两个逆变电路均为180°导通方式。

☞工作时，逆变桥II的相位比逆变桥I滞后30°。

☞T1为Δ/Y联结，线电压变比为，T2一次侧Δ联结，二次侧两绕组曲折星形接法，其二次电压相对于一次电压而言，比T1的接法超前30°，以抵消逆变桥II比逆变桥I滞后的30°，这样uU2和uU1的基波相位就相同。☞如果T2和T1一次侧匝数相同，为了使uU2和uU1基波幅值相同，T2和T1二次侧间的匝比就应为。82三相电压型二重逆变电路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud图4-23二次侧基波电压合成相量图

图4-24三相电压型二重逆变电路波形图

◆工作波形

☞T1、T2二次侧基波电压合成情况的相量图如图4-23所示，图中UA1、UA21、UB22分别是变压器绕组A1、A21、B22上的基波电压相量。

☞由图4-24可以看出，uUN比uU1接近正弦波。83三相电压型二重逆变电路◆基本的数量关系

☞把uU1展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1，k为自然数。☞uU1的基波分量有效值为n次谐波有效值为(4-23)(4-24)(4-25)84三相电压型二重逆变电路☞输出相电压uUN的基波电压有效值为其n次谐波有效值为式中，n=12k±1，k为自然数，在uUN中已不含5次、7次等谐波。◆该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动12次，称为12脉波逆变电路，一般来说，使m个三相桥式逆变电路的相位依次错开 运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成脉波数为6m的逆变电路。(4-26)(4-27)854.4.2多电平逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-9三相电压型桥式逆变电路

图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

■回顾图4-9三相电压型桥式逆变电路和图4-10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。861.三电平逆变电路图4-25三电平逆变电路

■电路分析:

也称中点钳位型（NeutralPointClamped）逆变电路。☞每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都反并联了二极管，且中点通过钳位二极管和直流侧中点相连。

◆以U相为例分析工作情况

☞V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断时，UO'间电位差为Ud/2。87三电平逆变电路图4-25三电平逆变电路

■电路分析:☞V41和V42（或VD41和VD42）导通，V11和V12关断时，UO'间电位差为-Ud/2。☞V12和V41导通，V11和V42关断时，UO'间电位差为0。☞V12和V41不能同时导通，iU>0时，V12和VD1导通，iU<0时，V41和VD4导通。88三电平逆变电路◆线电压的电平

☞相电压相减得到线电压。

☞两电平逆变电路的输出线电压有±Ud和0三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平。

☞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。

☞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。■用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。89图7-19中点钳位式五电平方波逆变电路

a)A相主电路b)～l)等效电路2.五电平方波逆变电路90本章小结1一、讲述基本的逆变电路的结构及工作原理在AC/DC、DC/AC和DC/DC、AC/AC四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。二、换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种；。91本章小结2三、逆变电路分类方法：可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类；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；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；负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路；电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。92四、与其他章节的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整；对于PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，对逆变电路要有一个完整认识，还须继续学习；逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二者结合构成间接的交流变流电路；此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路。本章小结393作业4-5补充作业4-10,4-12,4-1394补充作业14-10单相桥式电压型逆变电路如图4-5所示，直流输入电压U＝50V。试求输出相电压的基波幅值U01m和有效值U01。4-11三相桥式电压型逆变电路如图6-32所示，负载为Y形接法。采用180°导电方式，直流输入电压U＝100V。试求输出相电压的基波幅值UA1m和有效值UA1。95补充作业24-12单相全桥逆变器控制电阻负载的功率，已知直流输入电压U=220V，采用多脉冲调制，则每半周3个脉冲，每个脉冲宽度为30°，求负载电压的有效值U0；每半周5个脉冲，每个脉冲宽度仍为30°，求负载电压的有效值U0；如果直流输入电压增加10％，要求负载电压的有效值U0不变，求此时的脉冲宽度。96补充作业34-13桥式逆变电路如图（a）所示，逆变器输出电压u0为一方波，如图（b）所示，已知E=110V，逆变器频率f=100Hz，负载R=10欧，L=0.02H。求：（1）输出电压基波分量U01；（2）输出电流基波分量I01；（3）输出电流有效值I0(9次以上的谐波幅值太小，可忽略)；（4）输出功率。[答案：99V，6.168A,6.237A，389W]图（a）图（b）97补充作业44-14三相桥式逆变电路如图4-9所示，逆变器输出电压u0为一6阶梯波波，如图4-10f)所示。求THD。[答案：]981半桥逆变器的负载为，电源电压为320V,求流过电感的平均直流电流，画出负载的电压和电流波形。5全桥逆变器输入直流电压200V，输出频率，负载，1）画出负载电压和电流波形；2）画出输入直流电源电压、电流波形；6．题6图中两种电路能否工作？为什么？练习题题6997比较图两种电路的特点题71008对于题8图所示电路，测得波形如右图，分析波形出现尖峰的原因，说明减小其电压尖峰的原因。题81016-10全桥逆变器主电路和双极性控制工作波形9图6-10（a）中，负载为纯电阻负载，请问二极管是否参与工作？画出的电压波形，并标出导通和关断区间。10210.对于图6-18的三相桥式逆变电路，画出120度工作模式、纯电阻平衡负载时相电压波形。11.分析图6-18的三相桥式逆变电路，180度工作模式、纯电阻平衡时输出相电压的谐波。图6-1810312为什么说方波逆变器纯感性负载时，如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通时间超过TS/4，输出电压不再受Q1或Q2导通时间变化的影响？13说明谐波因子与逆变器输出品质关系。14为什么考虑逆变器最低次谐波（与基波频率最接近的谐波）？10415题图返回15.题图15