無源逆變電路電力電子技術(shù)(第5版)第4章1）定義：如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。2）應(yīng)用：它用于直流電機的可逆調(diào)速、繞線型異步電機的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。2）應(yīng)用：它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。1、有源逆變:2、無源逆變：第4章無源逆變電路

4.1

逆變器的性能指標與分類

4.2

逆變電路的工作原理

4.3

電壓型逆變電路

4.4

電流型逆變電路

4.5逆變器的SPWM控制技術(shù)

4.6負載換流式逆變電路4.1

逆變器的性能指標

與分類電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.1.1逆變電路的性能指標（1）諧波系數(shù)HF（HarmonicFactor）諧波系數(shù)HF定義為諧波分量有效值同基波分量有致值之比，即

式中n=1、2、3…，表示諧波次數(shù)，n=1時為基波。(4.1.1)（2）總諧波系數(shù)THD（TotalHarmonicDistrotion）(4.1.2)（5）電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）（3）逆變效率（4）單位重量的輸出功率:衡量逆變器輸出功率密度的指標?？傊C波系數(shù)表征了一個實際波形同其基波的接近程度。THD定義為4.1.2逆變電路的分類

①電壓型：電壓型逆變器的輸人端并接有大電容，輸入直流電源為恒壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。

②電流型：電流型逆變器的輸入端串接有大電感，輸入直流電源為恒流源，逆變器將輸入的直流電流變換為交流電流輸出。（1）、根據(jù)輸入直流電源特點分類①半橋式逆變電路；②全橋式逆變電路；

③推換式逆變電路；④其他形式：如單管晶體管逆變電路。（2）、根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點分類① 負載換流型逆變電路；②脈沖換流型逆變電路；③自換流型逆變電路。4.1.2逆變電路的分類（3）根據(jù)換流方式分類（4）根據(jù)負載特點分類①非諧振式逆變電路②諧振式逆變電路4.1.2逆變電路的分類1、可以做成變頻變壓電源（VVVF），主要用于交流電動機調(diào)速。2、可以做成恒頻恒壓電源（CVCF），其典型代表為不間斷電源（UPS）、航空機載電源、機車照明，通信等輔助電源也要用CVCF電源。3、可以做成感應(yīng)加熱電源，例如中頻電源，高頻電源等。

逆變器的用途：4.2逆變電路的工作原理電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.2逆變電路的工作原理

Ud為輸入直流電壓，R為逆變器的輸出負載。當開關(guān)T1、T4閉合，T2、T3斷開時，逆變器輸出電壓u0=Ud；當開關(guān)T1、T4斷開，T2、T3閉合時，輸出電壓u0=－Ud

;當以頻率fS交替切換開關(guān)T1、T4和T2、T3時，則在電阻R上獲得如圖3.2.1(b)所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fS，將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。圖4.2.1單相橋式逆變電路工作原理

圖4.2.1(a)中主電路開關(guān)T1~T4，它實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。1、主要功能:將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。2、工作原理：4.3

電壓型逆變電路電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.3.1電壓型單相半橋逆變電路

它由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2，且滿足C1=C2。設(shè)感性負載連接在A、0兩點間。T1和T2之間存在死區(qū)時間，以避免上、下直通，在死區(qū)時間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動信號。圖4.3.1電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形

1、電路結(jié)構(gòu)：在一個周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正偏，半周反偏，且互補。若負載為純電阻，在[0,π]期間，T1有驅(qū)動信號導(dǎo)通，T2截止，則u0=Ud。在[π,2π]期間，T2有驅(qū)動信號導(dǎo)通，

T1截止，則u0=-Ud

。若負載為純電感，T2無驅(qū)動信號截止，盡管T1有驅(qū)動信號，由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，于是

D1導(dǎo)通續(xù)流，u0=－Ud

/2

。

圖4.3.1電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形

2、工作原理：4.3.1電壓型單相半橋逆變電路若負載為阻感負載，在[0,θ]期間，T2無驅(qū)動信號截止，盡管T1有驅(qū)動信號，由于電流i。為負值，所以T1不導(dǎo)通，D1導(dǎo)通續(xù)流，u0=Ud。

輸出電壓有效值為:

輸出電壓瞬時值為:

其中，為輸出電壓角頻率。當n=1時其基波分量的有效值為:

4.3.1電壓型單相半橋逆變電路

(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)圖4.3.1電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形

4.3.1電壓型單相半橋逆變電路3、特點：優(yōu)點：簡單，使用器件少；缺點：1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；3）為了使負載電壓接近正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。

4、應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源；4.3.2電壓型單相全橋逆變電路全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對橋臂，T2和T3構(gòu)成一對橋臂,T1和T4同時通、斷；T2和T3同時通、斷。T1(T)4與T2(T3)的驅(qū)動信號互補，即T1和T4有驅(qū)動信號時，T2和T3無驅(qū)動信號，反之亦然，兩對橋臂各交替導(dǎo)通180°。圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

電路工作原理：4.3.2電壓型單相全橋逆變電路

輸出方波電壓瞬時值：

輸出方波電壓有效值：基波分量的有效值：圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

(4.3.5)(4.3.4)(4.3.6)

同單相半橋逆變電路相比，在相同負載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。1）純電阻負載4.3.2電壓型單相全橋逆變電路0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期間，D1、D4導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，在此期間T1～T4均不導(dǎo)通。圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

2）電感負載由可得負載電流峰值為：(4.3.7)

4.3.2電壓型單相全橋逆變電路0≤ωt≤θ期間，T1和T4有驅(qū)動信號，由于電流i0為負值，T1和T4不導(dǎo)通，D1、D4導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，u0=+Ud。

θ≤ωt≤π期間，i0為正值，T1和T4才導(dǎo)通。

π≤ωt≤π+θ期間，T2和T3有驅(qū)動信號，由于電流i0為負值，T2、T3不導(dǎo)通，D2、D3導(dǎo)通起負載電流續(xù)流作用，u0=－Ud。π+θ≤ωt≤2π期間，T2和T3才導(dǎo)通。3）阻感負載RL圖4.3.2電壓型單相全橋逆變電路和電壓、電流波形圖

圖4.3.2(e)所示是RL負載時直流電源輸入電流的波形。圖4.3.2(f)所示是RL負載時直流電源輸入電流的波形。4.3.3電壓型三相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為180°導(dǎo)電型，即每個橋臂的導(dǎo)電角為180°，同一相上下橋臂交替導(dǎo)電的縱向換流方式，各相開始導(dǎo)電的時間依次相差120°。在一個周期內(nèi)，6個開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序為T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔60°，任一時刻均有三個管子同時導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序為T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每種組合工作60°。圖4.3.3電壓型三相橋式逆變電路

1、工作原理：4.3.3電壓型三相橋式逆變電路

將一個工作周期分成6個區(qū)域。在0<ωt≤π/3區(qū)域，設(shè)ug1>0,ug2>0,ug3>0，則有T1，T2，T3導(dǎo)通，2、各相負載相電壓和線電壓波形：線電壓相電壓圖4.3.4電壓型三相橋式逆變電路及其工作波形式中Ud為逆變器輸入直流電壓。根據(jù)同樣的思路可得其余5個時域的值4.3.3電壓型三相橋式逆變電路表4.3.1三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)表4.3.3電壓型三相橋式逆變電路

3、負載相電壓和線電壓幅值分析：相電壓的瞬時值為：相電壓基波幅值(4.3.8)(4.3.9)負載相電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。線電壓的瞬時值為：線電壓基波幅值

(4.3.11)(4.3.10)由上式可知，負載線電壓中無3次諧波，只含更高階奇次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。①直流側(cè)接有大電容，相當于電壓源，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負載阻抗角的不同而異，其波形接近三角波或正弦波。③當交流側(cè)為電感性負載時需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量提供通道，各臂都并聯(lián)了反饋二極管。④逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動，因直流電壓無脈動，故傳輸功率的脈動是由直流電流的脈動來體現(xiàn)的。⑤當用于交-直-交變頻器中且負載為電動機時，如果電動機工作在再生制動狀態(tài)，就必須向交流電源反饋能量。因直流側(cè)電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實現(xiàn)，這就需要給交-直整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。4.3.4電壓型逆變電路的特點4.4

電流型逆變電路電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.4.1電流型單相橋式逆變電路

當T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時，I0=Id；反之，I0=-Id。當以頻率f交替切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時，則在負載上獲得如圖4.4.1（b）所示的電流波形。輸出電流波形為矩形波，與電路負載性質(zhì)無關(guān)，而輸出電壓波形由負載性質(zhì)決定。主電路開關(guān)管采用自關(guān)斷器件時，如果其反向不能承受高電壓，則需在各開關(guān)器件支路串入二極管。圖4.4.1電流型單相橋式逆變電路及電流波形

1、工作原理：其中基波幅值I01m和基波有效值I01分別為

(4.4.1)

(4.4.2)

(4.4.3)

4.4.1電流型單相橋式逆變電路將圖4.4.1（b）所示的電流波形i0展開成傅氏級數(shù),有2、參數(shù)計算：

圖4.4.1電流型單相橋式逆變電路及電流波形

4.4.2電流型三相橋式逆變電路導(dǎo)電方式為120°導(dǎo)通、橫向換流方式，任意瞬間只有兩個橋臂導(dǎo)通。導(dǎo)通順序T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次間隔60°，每個橋臂導(dǎo)通120°，每個時刻上橋臂組和下橋臂組中都各有一個臂導(dǎo)通。輸出電流波形與負載性質(zhì)無關(guān)。輸出電壓波形由負載的性質(zhì)決定。輸出電流的基波有效值I01和直流電流Id的關(guān)系式為：圖4.4.3電流型三相橋式逆變電路的輸出電流波形

(4.4.4)

1、工作原理：

圖4.4.2電流型三相橋式逆變電路原理圖①直流側(cè)接大電感，相當于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。②因為各開關(guān)器主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側(cè)電流為矩形波，與負載性質(zhì)無關(guān)，而交流側(cè)電壓波形和相位因負載阻抗角的不同而不同。③直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯(lián)二極管。④當用于交-直-交變頻器且負載為電動機時，若交-直變換為相控整流，則可很方便地實現(xiàn)再生制動。4.4.3電流型逆變電路的特點4.5逆變器的SPWM

控制技術(shù)電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.5.1SPWM控制的基本原理將一個正弦波半波電壓分成N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，得到如圖4.5.1（b）所示的脈沖列。這就是PWM波形。正弦波的另外一個半波可以用相同的辦法來等效。PWM被形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）波形。圖4.5.1SPWM電壓等效正弦電壓

對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其它所需要的波形。

1、PWM產(chǎn)生原理：2、SPWM控制方式：4.5.2單極性SPWM控制方式在ur的正半周期，T1保持導(dǎo)通，T4交替通斷。當ur>

uc時，使T4導(dǎo)通，負載電壓u0=Ud；當ur≤uc時，使T4關(guān)斷，由于電感負載中電流不能突變，負載電流將通過D3續(xù)流，負載電壓u0=0。在ur的負半周，保持T2導(dǎo)通，使T3交替通斷。當ur<

uc時，使T3導(dǎo)通，u0=-Ud；當ur≥uc時，使T3關(guān)斷，負載電流將通過D4續(xù)流，負載電壓u0=0。

圖4.5.2電壓型單相橋PWM逆變電路原理圖

圖4.5.3單極性PWM控制方式

1、定義：三角載波只在一個方向變化得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性SPWM控制方式。2、原理：載波信號uc在信號波正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波，調(diào)制信號ur和載波uc的交點時刻控制逆變器晶體管T3、T4的通斷。3、控制：調(diào)節(jié)調(diào)制信號ur的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)的變化，這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值，從而可實現(xiàn)對輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號ur的頻率則可以改變輸出電壓的頻率。從調(diào)節(jié)的角度來看，SPWM逆變器非常適用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。圖4.5.3單極性PWM控制方式

4.5.2單極性SPWM控制方式4.5.3雙極性SPWM控制方式

圖4.5.4雙極性PWM控制方式

2、控制：在ur的正負半周內(nèi)，在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。當ur>

uc時，使晶體管T1、T4導(dǎo)通，使T2、T3關(guān)斷，此時，u0=Ud；當ur<

uc時，使晶體管T2、T3導(dǎo)通，使T1、T4關(guān)斷，此時，u0=-Ud。在ur的一個周期內(nèi)，PWM輸出只有±Ud兩種電平。逆變電路同一相上下兩臂的驅(qū)動信號是互補的。在實際應(yīng)用時，為了防止上下兩個橋臂同時導(dǎo)通而造成短路，在給一個臂施加關(guān)斷信號后，再延遲△t時間，然后給另一個臂施加導(dǎo)通信號。延遲時間的長短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)斷時間。需要指出的是，這個延遲時間將會給輸出的PWM波形帶來不利影響，使其偏離正弦波。

1、定義：三角載波是正負兩個方向變化，所得到的SPWM波形也是在正負兩個方向變化控制方式。

4.5.4三相橋式逆變電路的SPWM控制

圖4.5.5電壓型三相橋式逆變電路的PWM控制方式2、工作原理：A、B、C三相的PWM控制公用一個三角波載波信號uc，三相調(diào)制信號urA、urB、urC分別為三相正弦信號，其幅值和頻率均相等，相位依次相差120°。A、B、C三相PWM控制規(guī)律相同。1、控制方式：雙極性方式。4.5.4三相橋式逆變電路的SPWM控制當urA>uc時，使T1導(dǎo)通，使T4關(guān)斷，則A相相對于直流電源假想中點N的輸出壓；當urA<uc時，使T1關(guān)斷，使T4導(dǎo)通，則。T1、T4的驅(qū)動信號始終互補。其余兩相控制規(guī)律相同。當給T1(T4)加導(dǎo)通信號時，可能是T1(T4)導(dǎo)通，也可能是D1(D4)續(xù)流導(dǎo)通，這取決于阻感負載中電流的方向。輸出相電壓和線電壓的波形如圖4.5.6所示。3、控制過程：（以A相為例）圖4.5.6電壓型三相橋式逆變電路的PWM波形4.5.5SPWM控制的逆變電路的優(yōu)點

（1）可以得到接近正弦波的輸出電壓，滿足負載需要；（2）整流電路采用二極管整流，可獲得較高的的功率因數(shù)；（3）只用一級可控的功率的環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單；（4）通過對輸出脈沖寬度控制就可改變輸出電壓的大小，大大加快了逆變器的動態(tài)響應(yīng)速度。

4.6負載換流式逆變電路電力電子技術(shù)(第5版)第4章無源逆變電路4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路

負載為中頻電爐，實際上是一個感應(yīng)線圈，圖中L和R串聯(lián)為其等效電路。因為負載功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容器C。電容C和電感L、電阻R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，所以稱這種電路為并聯(lián)諧振式逆變電路。采用負載換流，即要求負載電流超前電壓，因此，補償電容應(yīng)使負載過補償，使負載電路工作在容性小失諧情況下。圖4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路的原理圖

１、電路結(jié)構(gòu):大濾波電感小電感，限制晶閘管電流上升率4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路

并聯(lián)諧振式逆變電路屬電流型，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各次諧波。工作時晶閘管交替觸發(fā)的頻率應(yīng)接近負載電路諧振頻率，故負載對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上幾乎不產(chǎn)生壓降，因此，負載電壓波形為正弦波。又因基波頻率稍大于負載諧振頻率，負載電路呈容性，io超前電壓uo一定角度，達到自動換流關(guān)斷晶閘管的目的。

２、工作原理：圖4.6.2并聯(lián)諧振式逆變電路換流的工作過程

4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路

t2時刻觸發(fā)T2，T3

，電路開始換流。由于T2，T3導(dǎo)通時，負載兩端電壓施加到T1，T4的兩端，使T1，T4承受負壓關(guān)斷。由于每個晶閘管都串有換相電抗器LT

，故T1和T4在t2時刻不能立刻關(guān)斷，T2，T3中的電流也不能立刻增大到穩(wěn)定值。在換流期間，四個晶閘管都導(dǎo)通，由于時間短和大電感Ld的恒流作用，電源不會短路。當t=t4時刻，T1、T4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從T1、T4轉(zhuǎn)移到T2、T3

，換流過程結(jié)束。t4-t2=tr稱為換流時間。T1、T4中的電流下降到零以后，還需一段時間后才能恢復(fù)正向阻斷能力，因此換流結(jié)束以后，還要使T1、T4承受一段反壓時間tβ才能保證可靠關(guān)斷。tβ=t5－t4應(yīng)大于晶閘管關(guān)斷時間tq。

2、工作原理圖4.6.3并聯(lián)諧振式逆變電路的工作波形

4.6.1并聯(lián)諧振式逆變電路

為了保證電路可靠換流，必須在輸出電壓u0過零前t?時刻觸發(fā)T2、T3，稱t?為觸發(fā)引前時間。為了安全起見，必須使