无源逆变电路

逆变电路逆变种类与换流方式电压型逆变电路Voltagesourceinverter(VSI)电流型逆变电路Currentsourceinverter(CSI)

SPWM逆变电路本章主要内容逆变的概念

逆变是与整流相对应的，指直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。——可控整流电路工作在逆变状态，把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电源。交流侧接负载，为无源逆变。——可控整流电路的交流侧不与电源联接，而直接接到无源负载。

逆变电路5.1.1有源逆变电路

1单相双半波有源逆变电路1、电路结构

图3-1

2、工作原理1）整流状态（0≤α﹤90°）当α等于零时，输出电压瞬时值ud在整个周期内全部为正；当90°>α>0时，ud在整个周期内有正有负，但正面积总是大于负面积，故平均值Ud为正值，其极性是上正下负，如上图a。通常Ud略大于E，此时电流Id从Ud的正端流出，从E的正端流进。电机M吸收电能，作电动运行，电路把从交流电网吸收的电能转变成直流电能输送给电动机，电路工作在整流状态，电机M工作在电动状态。2）逆变状态（90°﹤α≤180°）逆变是将电机吸收的直流电能转变成交流反馈回电网。由于晶闸管的单向导电性，负载电流Id不能改变方向，只有将E反向，即电机作发电运行才能回馈电能；为避免Ud与E顺接，此时将Ud的极性也反过来，如上图b示。要使Ud反向，α应该大于90°。当α在90°﹤α≤180°间变动时，输出电压瞬时值ud在整个周期内有正有负，但负面积大于正面积，故平均值Ud为负值，见上图b所示。此时E略大于Ud，电流Id的流向是从E的正端流出，从Ud的正端流入，逆变电路吸收从电机反送来的直流电能，并将其转变成交流电能反馈回电网，这就是该电路的有源逆变状态。

（a）α=60°的整流状态（b）α=120°的逆变状态单相双半波电路α=60°的整流和α=120°的逆变时的仿真波形要使整流电路工作在逆变状态，必须满足两个条件：1）变流器的输出Ud能够改变极性（内部条件）。由于晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为实现有源逆变，必须改变Ud的极性。即让变流器的控制角α＞90°即可。2）须有外接的提供直流电能的电源E。E也要能改变极性，且有（外部条件）。按输入电源特点电压源逆变电路电流源逆变电路按电路结构特点半桥、全桥5.2.1无源逆变电路按主电路的器件全控型逆变电路、半控型逆变电路按输出波形特点正弦式、非正弦式逆变电路换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。器件开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。器件关断：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。5.2.2换流方式控制极关断方式（又称器件换流方式）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。阳极关断方式电网换流（LineCommutation）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。负载换流（LoadCommutation）强迫换流（ForcedCommutation）5.2.2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。换流方式总结以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。5.2.3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5.2.3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。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。注意电路的功率流向5.2.3逆变电路的基本工作原理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VoltageSourceInverter-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CurrentSourceInverter-CSI直流侧是电流源5.3电压型逆变电路电路结构特点由两个桥臂组成，每个桥臂为一个可控器件和一个反并联二极管并联。直流侧有两个串联的大电容，两个电容的联结点为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂的联结点之间。C容量较大，O点电位基本不变，A点电位取决于器件导通情况。5.3.1单相半桥电压型逆变电路18工作原理VT1和VT2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。VT1或VT2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。VT1，VT2不能同时导通。优点：电路简单，使用器件少。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。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。5.3.1单相半桥电压型逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成，直流侧只有一个电容。两对桥臂交替导通180°。5.3.2单相全桥电压型逆变电路21输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。无移相调压全桥电路中，V1和V2，V3和V4栅极信号互补，V3比V1落后180°。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。可采用移相方式调节输出电压，这种方式称为移相调压移相调压是调节输出电压脉冲的宽度。

5.3.2单相全桥电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广泛5.3.3三相电压型逆变电路假想中点5.3.3三相电压型逆变电路■三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。■三相桥式逆变电路

◆基本工作方式是180°导电方式。◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，桥臂1-桥臂6开始导电的相位依次差60°，任一瞬间有三个桥臂（两个上臂一个下臂或者一个上臂两个下臂）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。25tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

■工作波形

◆对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。◆负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出◆负载各相的相电压分别为

(4-4)(4-5)26tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

◆把上面各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得◆负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的是阻感负载下时iU的波形。◆把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所示，可以看出id每隔60°脉动一次。5.3.3三相电压型逆变电路注意：为防止同一相上下桥臂开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，通常采取“先断后通”的方法。即在器件关断后留一定裕量，也称为死区时间，然后再给出应导通的器件的开通信号。

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。因为输出电压极性不可改变，交流侧要向直流侧反馈无功，只能通过改变电流的方向实现，所以需并联反馈二极管以提供反向电流通路。电压型逆变电路单相电流型逆变电路三相电流型逆变电路

5.4电流型逆变电路并联谐振单相全桥电流型逆变电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。工作方式为负载换相。电容C和L、R构成并联谐振电路。输出电流波形接近矩形波，多用于中频加热电源。5.4.1单相电流型逆变电路工作过程分析四个工作阶段：两个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上建立左正右负的电压。t2-t4：t2时触发VT2和VT3开通，因为两管承受正向电压，所以能够导通，电路进入换流阶段。5.4.1单相电流型逆变电路工作过程分析LT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。LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。5.4.1单相电流型逆变电路t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4－t2=tγ

称为换流时间保证晶闸管的可靠关断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

=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tqio在t3时刻，即

iVT1=iVT2时刻过零，

t3时刻大体位于t2

和t4的中点5.4.1单相电流型逆变电路工作过程分析电路分析基本工作方式是120°导电方式－每个臂一周期内导电120°，VT1-VT6每隔60度一次触发导通。因此，任一时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。在负载端并联三相电容，为负载电感中的电流提供流通路径，以吸收电感中存储的能量5.4.2三相电流型逆变电路tOtOtOtOIdiViWuUVU图5-14电流型三相桥式逆变电路的输出波形

图5-11电流型三相桥式逆变电路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。5.4.2三相电流型逆变电路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。直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。(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。5.4电流型逆变电路375.4PWM逆变电路普通逆变电路的缺点：1）输出波形中含有较多的谐波，对负载不利；2）输入电流谐波含量大，功率因数低；3）电压调节困难，响应较慢。实际的逆变电路基本都采用PWM控制方式。PWM控制方式也正是由于在逆变电路中的成功应用，才在电力电子装置中得到了广泛应用。PWM(PulseWidthModulation)控制技术就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。5.4PWM逆变电路Themostwidelyusedcontroltechnique

inpowerelectronics重要理论基础——面积等效原理

Theequal-areatheorem冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)5.4.1BasicprinciplesofPWMb)具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)－电压窄脉冲，是电路的输入

i(t)－输出电流，是电路的响应

5.4.1BasicprinciplesofPWMOuωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>5.4.1BasicprinciplesofPWM若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>Ouωt>5.4.1BasicprinciplesofPWMOwtUd-Ud负半周可采取同样方法，得到PWM波形：OwtUd-Ud另外一种用得更多的等效方式5.4.1BasicprinciplesofPWM直流斩波电路直流波形SPWM波正弦波形PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波PWM波可等效的各种波形

所需波形

等效的PWM波等效成其他所需波形，如:5.4.1BasicprinciplesofPWM计算法调制法跟踪法5.4.2SPWM逆变电路的控制方法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。计算法调制法基本原理：希望输出的波形作为调制信号Ur，接收调制的信号作为载波信号Uc，通过对信号波的调制得到所期望的PWM波。常用等腰三角波作为载波，因为其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称。当它与任一平缓变化的调制信号波相交时，就得到脉冲宽度正比于信号波幅值的脉冲，即PWM波。当调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。50可用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件进行控制，从而得到SPWM波形，不用进行大量数学运算。当输出正弦波的频率、幅值和相位发生变化，调制时刻随之改变，控制方便。单相全桥SPWM逆变电路5.4.3单相SPWM逆变电路控制方式：调制法。调制信号：正弦波。载波信号：三角波。调制方式：单极性调制，双极性调制。单相全桥SPWM逆变电路5.4.3单相SPWM逆变电路单极性调制

载波（三角波）在调制波半个周期内只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化，这种控制方式称为单极性PWM控制方式。

单相全桥SPWM逆变电路5.4.3单相SPWM逆变电路单极性调制的控制

逆变器同一桥臂的上部开关器件和下部开关器件在调制波（输出电压基波）的半周期内仅有一个器件多次开通和关断，另一个一直处于导通状态。

5.4.3单相SPWM逆变电路单极性调制ug正半周，VT1保持通，VT2保持断。当ug>uc时使VT4通，VT3断，uo=Ud。当ug<uc时使VT4断，VT3通，uo=0。ur负半周，请同学们自己分析。

在ug和uc的交点时刻控制IGBT的通断。5.4.3单相SPWM逆变电路双极性调制载波（三角波）在调制波半个周期内是在正负两个方向变化，所得到的PWM波形也在正负两个方向变化。同一桥臂上下两个开关器件的驱动信号互补，在调制波的半个周期内，相对桥臂的两个开关同时多次导通和关断。在ug的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号ug和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ug正负半周，对各开关器件的控制规律相同。在ug和uc的交点时刻控制IGBT的通断。5.4.3单相SPWM逆变电路双极性调制当ug>uc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号。如io>0，VT1和VT4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。当ug<uc时，给VT和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号。如io<0，VT2和VT3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。5.4.3单相SPWM逆变电路双极性调制

单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。半桥电路只能采用双极性调制。5.4.3单相SPWM逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号ugA、ugB和ugC依次相差120°5.4.4三相SPWM逆变电路电路结构：与三相方波电路相同。调制法以A相为例分析：当ugA>uc时，给VT1导通信号，给VT4关断信号，uOO’=Ud/2。当ugA<uc时，给VT4导通信号，给VT1关断信号，uOO’=-Ud/2。5.4.4三相SPWM逆变电路当给VT1(VT4)加导通信号时，可能是VT1(VT4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uOO’、uAO’和uCO’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。uAB波形可由uAO’-uBO’得出，当1和6通时，uAB=Ud，当3和4通时，uAB=－Ud，当1和3或4和6通时，u