電力電子技術(shù)chapter4

05二月20231第4章逆變電路(DC/AC變換）4.1逆變電路的基本工作原理4.2電壓型逆變電路05二月20232把直流電變成交流電。交流側(cè)接有電源。交流側(cè)直接和負載連接。一般指無源逆變電路。逆變:有源逆變:無源逆變：逆變電路：逆變電路引言整流電路+逆變電路（無源）構(gòu)成交-直-交電路，實現(xiàn)交-交變流。DC→ACAC→DC→AC05二月202334.1逆變電路的基本工作原理負載a)S1S2S3S4iouoUdS1~S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當開關(guān)S1、S4

閉合，S2、

S3斷開時，負載電壓uo為正Ud；當S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負Ud。直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。1.電路結(jié)構(gòu)b)tuot1tT2.基本工作原理圖4-1逆變電路及其波形舉例Ud-Ud05二月20234負載a)S1S2S3S4iouoUdb)tuot1iot2圖5-1逆變電路及其波形舉例

當負載為電阻時，io和uo的波形相同，相位也相同。當負載為阻感時，io相位滯后于uo，波形也不同，io連續(xù)變化。

Ud-Ud05二月202354.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路05二月202364.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路

也稱電壓源型逆變電路：直流側(cè)是電壓源+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖4-5電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）05二月20237電壓型逆變電路的特點：1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動。2）輸出電壓為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，交流側(cè)輸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(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)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。

05二月202384.2.1單相電壓型逆變電路1．半橋逆變電路圖4-6a)單相半橋電壓型逆變電路半橋逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂有一個可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，兩個電容的聯(lián)結(jié)點是直流電源的中點。負載聯(lián)結(jié)在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。1）電路結(jié)構(gòu)上橋臂下橋臂05二月20239開關(guān)器件V1和V2柵極信號uG1、uG2：在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏。兩者互補。2）工作原理單相半橋電壓型逆變電路uG1uG2T/2TIGBT的通斷狀態(tài)由柵極信號控制：1.柵極信號正偏，同時uce承受正壓時V導通；2.柵極信號反偏，V關(guān)斷。05二月202310圖4-6b)半橋電壓型逆變電路工作波形uG1uG2t2時刻以前V1通，V2斷。uo=Ud/2，

io

與uo方向一致并逐漸增大。

t2時刻給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負載中io不能立即改變方向，V2

不能導通，于是VD2導通續(xù)流，io逐漸減小。uo=-Ud/205二月202311

t3時刻io降為零時，VD2截止，

V2開通，io開始反向。uo=-Ud/2t4時刻給V2關(guān)斷信號，給V1開通信號，V2關(guān)斷，由于io不能立即改變方向，V1不能導通。

VD1先導通續(xù)流，t5時刻V1才開通。uo=Ud/2uG1uG205二月202312

V1或V2通時，負載電流io和電壓uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量。

VD1或VD2通時，io和uo反向，負載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋。二極管是負載向直流側(cè)反饋能量的通道，使負載電流連續(xù)--反饋二極管，續(xù)流二極管。輸出電壓uo為矩形波，幅值為

Um=Ud/2。帶感性負載：V1→VD2→V2→VD1→V1帶阻性負載：V1→V2→V1，io與uo波形一致。05二月202313

對電壓波形進行定量分析.

將幅值為Ud/2的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為3）定量計算T/2Ud/2-Ud/2T基波05二月2023142．全橋逆變電路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio

電壓型全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成，共4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°1）電路結(jié)構(gòu)uG1、4uG2、3--180O導電方式05二月2023152）工作原理

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uo形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud圖4-6b)單相全橋電壓型逆變電路工作波形+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoioab0ua0ub0Ud/2Ud/2Udu005二月202316

輸出電流io波形和半橋電路的io形狀相同，幅值增加一倍。

VD1

、V1、VD2、V2

（半橋電路）相繼導通的區(qū)間，分別對應全橋電路VD1和VD4、V1和V4

、VD2和VD3、V2和V3

相繼導通的區(qū)間。圖4-6b)單相半橋電壓型逆變電路工作波形05二月202317

全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，對電壓波形進行定量分析將幅值為Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)，得：基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為(4-1)(4-3)(4-2)3）定量計算T/2Ud-UdTuo05二月202318

改變輸出電壓有效值的方法：（1）

uo為正負電壓各為180°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Ud來實現(xiàn)。（2）采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。05二月202319

采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，實際就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。4）移相調(diào)壓圖4-7單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotb)uouo

所謂移相：即改變θ的大小。05二月202320

各IGBT柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2柵極信號互補，V3和V4柵極信號互補。

V3的基極信號不是比V1落后

180°，而是只落后

(0<

<180°)。

V3、V4的柵極信號分別比V2

、V1的前移180°-。

輸出電壓uo是正負各為

的脈沖。tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo

各IGBT柵極信號uG1~uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形見圖4-7b05二月202321tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo移相調(diào)壓方式工作原理

√t1時刻前V1和V4導通，

uo=Ud。

√t1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，

VD3導通續(xù)流，uo=0。

√t2時刻V1截止，而V2不能立刻導通，

VD2導通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud。

√到負載電流過零并開始反向時，VD2

和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為-Ud。

√t3時刻V3截止，而V4不能立刻導通，

VD4導通續(xù)流，uo再次為零。改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。05二月202322

在純電阻負載時，VD1~VD4不再導通，不起續(xù)流作用，uo為零的期間，4個橋臂均不能導通，負載沒有電流。io與uo波形一致。在阻感負載時，VD1~VD4將導通起續(xù)流作用。

V1、

V4

V2、

V3

V1、

VD3

V2、

VD4

VD1、

VD4

VD2、

VD3

V1、

V405二月2023234.2.2三相電壓型逆變電路圖4-9三相電壓型橋式逆變電路

三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路，采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud21）電路結(jié)構(gòu)負載中點直流電源中點05二月202324每橋臂導電角度180°同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°。在任一瞬間將有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為

縱向換流。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2180°導電方式2）工作原理縱向換流：V1→V4V3→V6V5→V205二月202325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

1）當橋臂1導通時，

uUN’

=Ud/2。

2）當橋臂4導通時，

uUN’=－Ud/2。

3）uUN’的波形幅值是為

Ud/2的矩形波。

V、W兩相情況和U相類似

uVN’、uWN’的波形形狀與

uUN’相同，只是依次相差

120°tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3(1)三相電源輸出電壓05二月202326

將上兩式整理得負載中點N和電源中點N′之間電壓uNN’(4-4)(4-5)(4-6)(2)三相負載相電壓電源輸出線電壓05二月202327(4-7)負載為三相對稱負載，則有uUN+uVN+uWN=0，可得uNN’的也是矩形波，但其頻率為uUN’頻率的3倍，幅值為其1/3,即為Ud/6。負載參數(shù)已知時，可由uUN波形求出U相電流iU波形，負載的阻抗角Ф不同，iu的波形形狀和相位都有所不同。05二月202328

三橋式逆變電路輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得：

式中，n=6k±1,k為自然數(shù)輸出線電壓有效值UUV為：(4-8)(4-9)3）定量計算基波7次諧波05二月202329輸出線電壓基波幅值為(4-10)輸出線電壓基波有效值為(4-11)05二月202330

三橋式逆變電路電源相電壓uUN

′展開成傅里葉級數(shù)得：

電源相電壓基波幅值UUN′1m為：電源相電壓基波有效值UUN′1為：05二月202331三橋式逆變電路負載相電壓uUN展開成傅里葉級數(shù)得：

式中，n=6k±1,k為自然數(shù)。負載相電壓有效值UUN為：(4-12)(4-13)05二月202332負載相電壓基波幅值為負載相電壓基波有效值為(4-14)