电力电子技术-4.1单相方波电压逆变

4-1第4章逆变电路•

引言【原第5章】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4-2IntroductionDC-to-acconvertersareknowsasinverters.Thefunctionofaninverteristochangeadcinputvoltagetoasymmetricacoutputvoltageofdesiredmagnitudeandfrequency.Theoutputvoltagecouldbefixedorvariablefrequency.Avariableoutputvoltagecanbeobtainedbyvaryingtheinputdcvoltageandmaintainingthegainoftheinverterconstant.Ontheotherhand,ifthedcinputvoltageisfixedanditisnotcontrollable,avariableoutputvoltagecanbeobtainedbyvaryingthegainoftheinverter,whichisnormallyaccomplishedbypulse-width-modulation(PWM)controlwithintheinverter.4-3以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理4.1.1

逆变电路的基本工作原理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。4-44.1.1

逆变电路的基本工作原理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，负载电压uo为负。直流电交流电4-54.1.1

逆变电路的基本工作原理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。逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2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。4-64.1.2换流方式分类【阅读】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。4-74.2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VoltageSourceTypeInverter-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CurrentSourceTypeInverter-CSTI直流侧是电流源4-84.2电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点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)输出电压为交流方波，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。4-94.2.1单相电压型方波逆变电路1）半桥逆变电路u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。实际因功率管关断不能瞬时完成，为防止电源经功率管短路，上下管交替导通间须插入死区保证先关后开4-10输出电压有效值基波有效值输出电流4-11例：单相半桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负载电阻10W，求

输出电压基波有效值；

输出功率；

功率管每管电流平均值；总谐波失真度THD

4-124.2.1单相电压型方波逆变电路优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，基波有效值为0.45Ud，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。4-13单相电压型方波全桥逆变电路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°。输出电压合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。重复频率和脉宽由控制极信号决定，幅值由直流电源电压决定。4-14单相方波逆变电路工作特点输出电压波形与负载无关，恒为交变方波；输出电流波形与负载性质和参数有关。输出电压含奇次谐波，幅值随谐波次数增加递减。

臂内换流：电流在同一导电桥臂内器件间转移。电流过零时换流，称为自然换流。臂间换流：电流在不同桥臂间转移。电流非零时换流，称为强制换流。4-15输出电压分析基波幅值：

基波电压有效值：谐波相对幅值：总谐波失真度THD：4-16忽略损耗，对阻感负载，当开关频率足够高时，主要考虑输出的基波正弦量，则有：

基波功率瞬时值包含直流分量和交流分量交流功率幅值与直流功率相当，回馈时注入直流电网，直流侧必须有足够的吸收能力以保持直流电压基本恒定。一般直流侧须并联一大容量的电容器。4-17例：单相桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负载电阻10W，求

输出电压基波有效值；

输出功率；

功率管每管电流平均值；总谐波失真度THD

4-18讨论对相同的直流电压输入，半桥和全桥方波逆变每功率管承受的阻断电压相同，但全桥输出功率是半桥的4倍，电流、电压基波分量均为半桥的1倍。两种逆变器输出的总谐波失真度相同。输出电压频率可通过调节开关周期连续调节。4-194.2.1单相电压型逆变电路的调压阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压－移相调压。a)

单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV3的栅极信号比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。4-20相移式方波逆变电路

电路工作模式：改变移相角即改变输出电压基波有效值

4-21

输出电压分析

选坐标原点于q2/2，则

4-22相移式方波逆变电路的特点

兼具有变频调压功能二极管均具有零电压零电流关断(ZVZCOFF)环境，可控器件具有零电压零电流(ZVZCON)开通环境，器件开关损耗下降；输出零压期间，内部存在环流，导通损耗增加。基准臂电流i1与移相臂电流i2波形存在明显差异。输出电压谐波含量仍然偏高,且随移相角变化。4-23带中心抽头变压器的单相电压型逆变电路【了解】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：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