1
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
2
逆变 把直流电变成交流电源逆变 交流侧接有电源逆变电路无源逆变 交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
3
逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。
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其电路的核心部分都是逆变电路。
换流 变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。
4
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
5
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
5.1.2 换流方式分类
6
5.1.1 逆变电路的基本工作原理负载
a)
S1
S2
S3
S4
io
uoUd
b)
t
uo
io
t1 t2
图 5-1 逆变电路及其波形举例
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。
当开关 S1,S4 闭合,S2,S3
断开时，负载电压 uo为正；
当 S1,S4断开,S2,S3闭合时,uo为负。
直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
当负载为电阻时,io和 uo的波形相同，相位也相同
当负载为阻感时,io相位滞后于 uo，波形也不同
设 t1时刻前 S1,S4导通,uo
和 io均为正
t1时刻断开 S1,S4，合上
S2,S3,uo极性立刻变负，但
io不能立刻改变而维持原方向
io从直流电源负极流出，
经 S2、负载和 S3流回正极，
负载电感中储存的能量向直流电源反馈,io逐渐减小，到
t2时刻降为零，之后 io才反向并逐渐增大。
7
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
5.1.2 换流方式分类
8
5.1.2 换流方式分类换流全控型器件可通过门极得控制使其关断，
半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。
开通时关断时无论支路是有全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。
换相
9
1,器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流
2,电网换流
可控整流电路
三相交流调压电路 电网换流
采用相控方式的交交变频电路
只要把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,也不需要为换流附加任何元件 。
但不适用于没有交流电网的无源逆变电路由电网提供换流电压
10
3,负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合负载为电容性负载时 实现 负 载换流负载为同步电动机时由负载提供换流电压图 5-2 a) 负载换流电路
R L
C
Ed
Ld
VT1
VT2
VT3
VT4u
o
io
id
a)
4个桥臂均由晶闸管组成
负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
直流侧串入大电感 Ld,工作过程中可认为 id基本没有脉动
11
b)
wt
wt
wt
wt
O
O
O
O
i
i
t1
uo
uo
io
io
uVT
iVT1 iVT4
iVT2 iVT3
uVT
1
uVT
4
图 5-2 b) 负载换流 工作波形
4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，
uo波形接近正弦波
T1时刻前,VT1,VT4为通态,VT2,VT3为断态,uo、
io均为正,VT2,VT3上施加的电压即为 uo
t1时刻触发 VT2,VT3使其开通,uo通过 VT2,VT3本别加到 VT4,VT1上使其承受反向电压而关断，电流从 VT1、
VT4换到 VT3,VT2
触发 VT2,VT3时刻,t1
必须在 uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成
12
4,强迫换流（ 电容换流）
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直接耦合式强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压
S
VT
负载
+
图 5-3 直接耦合式强迫换流原理图晶闸管 VT通态时，预先给电容 C按图 5-3中所示极性充电。合上开关 S，
就可使晶闸管被施加反向电压而关断
13
电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流
C
L
+
VD
S
C
VT
负载
+
L
S
VT
负载
VD
b)a)
图 5-4 电感耦合式强迫换流原理图
图 5-4a中晶闸管在
LC振荡第一个半周期内关断
图 5-4b中晶闸管在
LC振荡第二个半周期内关断
图 a中，接通 S后,LC振荡电流将反向流过 VT,与
VT的负载电流相减，直到
VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管 VD。
LC
图 b中，接通 S后,振荡电流先正向流过 VT并和
VT中原有的负载电流叠加，
经过半个振荡周期振荡电流反向流过 VT，直到 VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管 VD。
14
给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流电压换流电流换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反向电压的换流器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流
15
器件换流强迫换流因器件或变流器自身原因引起换流自换流电网换流负载换流借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流外部换流自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路熄灭 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
16
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
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5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
18
5.2 电压型逆变电路电流型逆变电路
（ 电流源型逆变电路 ）
电压型逆变电路
（电压源型逆变电路） 直流侧是电压源直流侧是电流源
+
-
C R LUd
V1
V2
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
uo
io
图 5-5 电压型全桥逆变电路
(全桥逆变电路）
19
电压型逆变电路的特点
1） 直流侧为电压源或并联有大电容,相当于电压源 。
直流侧电压基本无脉动,滞留贿赂呈现低阻抗 。
2） 输出电压为矩形波,与负载阻抗角无关,交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 。
3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量作用 。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联反馈二极管 。
20
5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
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5.2.1 单相电压型逆变电路
1．半桥逆变电路
+
-
R L
a)
Ud
io
uo
V1
V2
VD1
VD2
Ud
2
Ud
2
图 5-6 a) 单相半桥电压型逆变电路
半桥逆变电路有两个桥臂，
每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。
在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。
负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。
22
t
tO
O
ON
b)
uo
Um
-Um
io
t1 t2
t3 t4
t5 t6
V1 V 2 V1 V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2
图 5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形设开关器件 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。当负载为感性时，工作波形如图 5-6b所示
输出电压 uo为矩形波，幅值为 Um=Ud/2
输出电流 io波形随负载情况而异。
t2时刻以前 V1通,V2断
t2时刻给 V1关断信号，给
V2开通信号，则 V1关断，但感性负载中 io不能立即改变方向，于是 V2导通续流。
t3 时刻 io 降为零时,VD2
截止,V2 开通,io 开始反向 。
t4时刻给 V2关断信号,给
V1 开 通 信 号,V2 关断,
VD1先导通续流,t5时刻 V
才开通 。
V1或 V2通时,负载电流 io
和电压 uo 同方向,直流侧向负载提供能量
VD1 或 VD2 通时,io 和 uo
反向,负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈
23
负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧,反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中,直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用 。
二极管反馈二极管续流二极管是负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续
可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。
24
半桥逆变电路特点优点 简单，使用器件少缺点 输出交流电压幅值 Um仅为 Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡
半桥逆变电路常用于几 kW以下的小功率逆变电源
25
2．全桥逆变电路
+
-
C R LUd
V1
V2
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
uo
io
图 5-5 电压型全桥逆变电路
(全桥逆变电路）
电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共 4个桥臂，桥臂 1和 4为一对，桥臂 2和
3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通 180°
26
t
tO
O
ON
b)
uo
Um
-Um
io
t1 t 2
t 3 t4
t5 t6
V1 V 2 V1 V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2
图 5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形
电压型全桥逆变电路 输出电压 uo的波形和图 5-6b的半桥电路的波形 uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍,Um=Ud
输出电流 io波形和图 5-6b中的 io形状相同，幅值增加一倍
VD1,V1,VD2,V2相继导通的区间，分别对应 VD1和
VD4,V1和 V4,VD2和 VD3、
V2和 V3相继导通的区间
27
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为 Uo的矩形波 uo展开成傅里叶级数，得其中基波幅值 Uo1m和基波有效值 Uo1分别为
上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的 ud换成 Ud /2
uo为正负电压各为 180° 的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压 Ud来实现
tttUu www? 5s i n513s i n31s i n4 do
(5-1)
d
d
o1m 27.1
4 UUU
d
d
1o 9.0
22 UUU
(5-3)
(5-2)
28
采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压
+
-
C R LUd
V1
V2 uo
io
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
图 5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式
a)
各 IGBT栅极信号为 180° 正偏，
180° 反偏，且 V1和 V2栅极信号互补,V3和 V4栅极信号互补
V3的基极信号不是比 V1落后
180°,而是只落后 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 uo是正负各为 q 的脉冲
29
tO
tO
tO
tO
tO
q
b)
uG1
uG2
uG3
uG4
uoi
o
t1 t2
t3io
uo
图 5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式
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，因 io不能突变,V3不能立即导通,VD3
导通续流，因 V1和 VD3同时导通，所以输出电压为零各 IGBT栅极信号 uG1~uG4及输出电压 uo、输出电流 io
的波形见图 5-7b
t2时刻 V1和 V2栅极信号反向,V1截止,V2不能立即导通,VD2导通续流，和
VD3构成电流通道，输出电压为 -Ud
到负载电流过零开始反向,VD2和 VD3截止,V2
和 V3开始导通,uo仍为 - Ud
3时刻 3和 4栅极信号再次反向,V3截止,V4不能立刻导通,VD4导通续流，
uo再次为零
输出电压 uo的正负脉冲宽度各为 θ,改变 θ,可调节输出电压
30
在纯电阻负载时,VD1~VD4不再导通，不起续流作用,uo为零的期间,4个桥臂均不能导通，负载没有电流。
采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压，上下两桥臂栅极信号不再是各 180° 正偏,180° 反偏且互补，而是正偏宽度为 θ,反偏宽度为 360° - θ,两者相位差为 180° 。这时输出电压
uo也是正负脉冲的宽度各为 θ 。
31
3．带中心抽头变压器的逆变电路图 5-8 带中心抽头变压器的逆变电路负载
+
-
io
uo
U d V1 V 2VD
1
VD 2
交替驱动两个 IGBT,经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压
两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道
Ud和负载参数相同，变压器一次侧 2个绕组和二次侧绕组的匝比为 1:1:1时,uo和 io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同
带中心抽头变压器的逆变电路 比全桥电路少用一半开关器件,但器件承受的电压为 2Ud,比全桥电路高一倍,必须有一个变压器
32
5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
33
5.2.2 三相电压型逆变电路图 5-9 三相电压型桥式逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用 IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。
N' N
+
-
U V
W
V1
V2
V3
V4
V5
V6
VD 1
VD 2
VD 3
VD 4
VD 5
VD 6
Ud
2
Ud
2
电压型三相桥式逆变电路也是 180° 导电方式
每桥臂导电角度 180°,同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120 °
在任一瞬间将有三个桥臂同时导通
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
34
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
U相输出
当桥臂 1导通时，
uUN’ =Ud /2
当桥臂 4导通时，
uUN’=－ Ud /2
uUN’的波形幅值是为 Ud/2
的矩形波
V,W两相情况和 U相类似
uVN’,uWN’的波形形状与
uUN’相同，只是依次相差
120°
35
负载线电压负载相电压将上两式整理得 负载中点 N和电源中点 N′之 间电压 uUN’
U N 'W N 'WU
W N 'V N 'VW
V N 'U N 'UV
uuu
uuu
uuu
(5-4)
'NN W N 'WN
NN' VN'VN
NN' UN'UN
uuu
uuu
uuu
(5-5)
)(31)(31 WNVNUN W N ' V N ' UN' NN' uuuuuuu (5-5)
36
)(31 WN ' VN' UN'NN' uuuu (5-7)
负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得
● uNN’的 也是矩形波，但其频率为 uUN’频率的 3倍，
幅值为其 1/3,即为 Ud / 6
●负载参数已知时，可由
uUN波形求出 U相电流 iU波形，负载的阻抗角 j不同，
iu的波形形状和相位都有所不同
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
37
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
桥臂 1和桥臂 4之间的换流过程和半桥电路相似 。
上桥臂 1中的 V1 从通态转换到断态时,因负载电感中的电流不能突变,下桥臂 4
中的 VD4先导通续流,待负载电流降为零,桥臂 4中电流反向时,V4才开始导通 。
负 载 的 阻 抗 角 j越大,
VD4 导通时间越长 。
iu的上升段为桥臂 1导电的区间,其中 iu<0时为 VD1
导通,iu>0时为 V1导通 。
iu的下降段为桥臂 4导电的区间,其中 iu>0时为 VD4
导通,iu<0时为 V4导通 。
iv,iw的 波形和 iu形状相同,相位依次相差 120° 。
桥臂 1,3,5的电流相加可得直流侧电流 id的波形,
id每隔 60° 脉动一次,直流侧电压基本无脉动,因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的,
这也是电压型逆变电路的一个特点
38
三桥式逆变电路输出线电压 uUV展开成傅里叶级数得式中,n=6k± 1,k为自然数输出线电压有效值 UUV为基波幅值为
n
k tn
n
t
U
ttttt
U
u
ww
wwwww
s i n)1(
1
s i n
32
13s i n
13
1
11s i n
11
1
7s i n
7
1
5s i n
5
1
s i n
32
d
d
UV?
(5-8)
d
2
0
2
UVUV 8 1 6.0d2
1 UtuU w
(5-9)
d
d
U V 1 m 1.1
32 UUU
(5-10)
39
基波有效值为三桥式逆变电路负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得式中,n=6k± 1,k为自然数负载相电压有效值 UUN为
dd
U V 1 m
UV1 78.0
6
2
UUUU (5-11)
n
tn
n
t
U
ttttt
U
u
ww
wwwww
s i n
1
s i n
2
13s i n
13
1
11s i n
11
1
7s i n
7
1
5s i n
5
1
s i n
2
d
d
UN?
(5-12)
d
2
0
2
UNUN 471.0d2
1 UtuU w
(5-13)
40
基波幅值为基波有效值为
d
d
U N 1 m 637.0
2 UUU
(5-14)
d
U N 1 m
U N 1 45.02 U
UU
(5-15)
为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，要采取,先断后通,的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短视器件的开关速度而定，
器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。
41
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
42
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
43
电流型逆变电路一般在逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源
U
V
W
图5 - 1 1
i
d
U
d
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
图 5-11 电流型三相桥式逆变电路
图中 GTO使用反向阻断型器件，交流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存贮的能量二设计的
44
电流型逆变电路主要特点
1) 直流侧串联有大电感,相当于电流源 。 直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗 。
2) 电路中开关器件的作用只是改变直流电流的流通路径,
与负载阻抗角无关,交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同 。
3) 当交流侧为足感负载时需要提供无功功率,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 。
45
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
46
5.3.1 单相电流型逆变电路
A
B
C
R L
图5 - 1 2
L
d
I
d VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
L
T 1
L
T 2
L
T3
L
T4
u
o
i
o
图 5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）
逆变电路
4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器 LT，用来限制晶闸管开通时的 di/dt,各桥臂的 LT之间不存在互感。
使桥臂 1,4和桥臂 2,3以
1000~2500Hz的中频轮流导通，
就可以在负载上得到中频交流电。
采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压。
R和 L串联为感应线圈的等效电路，因功率因数很低，故并联补偿电容器 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。
负载户换流方式要求负载电流超前电压，使负载电路总体工作在容性小失谐的情况下。
交流输出电流波形接近矩形波，
其中含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。
因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，
因此负载电压波形接近正弦波。
47
t
O
t
O
图5 - 1 3
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
u
G 1,4
u
G 2,3
i
T
i
o
I
d
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
u
o
t
u
AB
t
t
I
d
i
VT
1,4
i
VT
2,3
u
VT
2,3
u
VT
1,4
图 5-13 并联谐振式 逆变电路工作波形
在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。
t1~t2之间为 VT1和 VT4稳定导通阶段,io=Id
t2时刻前在电容 C上建立了左正右负的电压
t2时刻触发 VT2和 VT3,VT2和
VT3开通，开始进入换流阶段，
VT1和 VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程。 VT2和 VT3的电流有一增大过程
t2时刻后,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，在此过程中，
VT,VT4电流逐渐减小,VT2和
VT3电流逐渐增大
= t4 时,VT1,VT4电流减至零而关断，直流侧电流 Id全部从
VT1,VT4转移到 VT2,VT3，换流阶段结束。
换流时间 t4 -t2 =tγ
48
晶闸管在电流减小到零后,尚需一段时间才能恢复正向阻断能力,在
t4时刻换流结束后,还要使 VT1,VT4承受一段反压时间 t?才能关断,
t?= t5- t4应大于晶闸管的关断时间 tq
为保证可靠换流，应在 uo过零前 t?= t5- t2时刻触发 VT2,VT3
t?为触发引前时间
io超前于 uo的时间
tj表示为电角度
w为电路工作角频率；?,?分别是 t?,t?对应的电角度,j也就是功率因数角
βγδ ttt
j t
tt
2
wj
22 t
t
(5-16)
(5-17)
(5-18)
49
t
O
t
O
图5 - 1 3
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
u
G 1,4
u
G 2,3
i
T
i
o
I
d
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
u
o
t
u
AB
t
t
I
d
i
VT
1,4
i
VT
2,3
u
VT
2,3
u
VT
1,4
图 5-13 并联谐振式 逆变电路工作波形
t4~t6之间是 VT2,VT3的稳定导通阶段
t6以后又进入从 VT2,VT3
导通向 VT1,VT4导通的换流阶段
在换流过程中，上下桥臂的
LT上的电压极性相反，如不考虑晶闸管压降，则 uAB=0
uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍
uAB为负的部分，逆变电路从直流电源吸取的能量为负，负载和直流电源之间无功能量的交换
在直流侧,Ld起到缓冲这种无功能量的作用。
50
如忽略换流过程,io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数基波电流有效值 Io1为
tttIi www? 5s i n513s i n31s i n4 do
d
d
1o 9.02
4 III
(5-19)
(5-20)
51
2
c o s)
2
c o s (
22
c o s)c o s (
2
s i n2
1
1
(
)(
w
w
o
o
o
ABd
U
U
tdU
tduU
如忽略电抗器 Ld的损耗,uAB的平均值等于 Ud，忽略晶闸管压降，
从 uAB波形可得
52
jj
c o s11.1c o s22
dd
o
UUU (5-21)
近似认为 cos(?/2) ≈1,式（ 5-18）可为或
j? co s22 od UU?
53
自励方式 实际工作过程中，为保证电路正常工作，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整的控制方式他励方式 固定工作频率的控制方式解决自励方式起动问题方法附加预充电起动电路先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式
54
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
55
5.3.2 三相电流型逆变电路
U
V
W
图5 - 1 1
i
d
U
d
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
图 5-11 电流型三相桥式逆变电路基本工作方式是 120° 导电方式，每个臂一周期内导电 120°,按 VT1~VT6的顺序每隔 60° 依次导通。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，在上下桥臂组内依次换流，为 横向换流
56
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 4
I
d
i
V
i
W
u
UV
i
U
图 5-14 电流型三相桥式 逆变电路输出波形
输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各 120° 的矩形波
输出电流波形和三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形相同，
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，但叠加了一些脉冲,这是由于逆变器中的换流过程而产生的
57
输出交流电流的基波有效值 IU1和直流电流 Id的关系为
ddU III 78.0
6
1
(5-22)
串联二极管式晶闸管逆变电路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,电路仍为 120° 导电工作方式,输出波形和图 5-14的波形大体相同
各桥臂之间换流采用强迫换流方式,电容 C1~C6为换流电容
M3UV
W
+
-
L
Id C
1
C2
C3
C4
C5
C6
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5
VD6
Ud
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
图 5-15 串联二极管 式晶闸管逆变电路对共阳极晶闸管，电容器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另一电容器电压为零
共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似，只是电容器电压极性相反
在分析换流过程中，常用 等效换流电容概念
58
+ -
U V
W
b)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
- +
U V
W
c)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
iV
iViU=Id-iV
- +
U V
W
d)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
+ -
U V
W
a)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
图 5-16 换流过程各阶段的电流路径
假设换流前 VT1和 VT2导通通,C13电压 UC0左正右负恒流放电换流过程可分为 两个阶段二极管换流
t1时刻给 VT3触发脉冲导通，而 VT1被施以反向电压而关断
Id从 VT1换到 VT3,C13通过 VD1,U相负载,W相负载,VD2、
VT2、直流电源和 VT3放电，放电电流恒为 Id，故称 恒流放电阶段
C13电压 uC13下降到零之前,VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间 tq就能保证可靠关断
t2时刻 uC13降到零,之后在 U相负载电杆的作用下,开始对 C13反向充电 。 忽略负载电阻压降,则在 t2时刻 uC13=0后,二极管 VD3正向偏置导通,开始流过电流 iV,VD1流过充电电流 iU=Id-iV,VD1和 VD3
同时通,进入二极管换流阶段随着 C13充电电压不断增高,充电电流逐渐减小,iV逐渐增大,到
t3时刻 iU减到零,iV=Id,VD1承受反压而关断,二极管换流阶段结束
t3以后,进入 VT2,VT3稳定导通阶段
59
t
t
O
u
O
i
图5 - 1 7
U
CO
u
C 1 3
u
C5
u
C3
- U
CO
I
d i
U
i
V
t
1
t
2
t
3
电感负载时
uC1的波形和 uC13完全相同,在换流过程中,uC1从
UC0降为 － UC0
C3和 C5串联后再和 C1并联的,换相过程电压变化的幅度是 C1的一半
换流过程中,uC3从零变到 -UC0,uC5从 UC0变到零图 5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
60
电流型三相桥式逆变器可驱动同步电动机,利用滞后于电流相位的反电动势可实现负载换流
用逆变器驱动同步电机时,工作特性和调速方式和直流电动机相似,但无换向器,因此称为 无换向器电动机
MS
3
BQ
脉冲分配器
U
V
W
图5 - 1 8
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
U
d
U
dM
图 5-18 无换相器电动机的基本电路
61
MS
3
BQ
脉冲分配器
U
V
W
图5 - 1 8
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
U
d
U
dM
图 5-18 无换相器电动机的基本电路
O
O
O
O
O
w t
w t
w t
w t
O
w t
w t
u
VT
4
导通
u
U
u
V
u
W
i
V
i
W
i
U
u
dM
VT
1
导通
VT
3
导通
VT
6
导通 VT
5
导通
VT
2
导通
u
VT
1
图5 - 1 9
图 5-19 无换相器电动机电路工作波形
由三相可控整流电路为逆变电路提供直流电源，逆变电路采用
1200导电方式，利用电动机反电势实现换流
BQ是转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲
62
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
63
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
64
电压型电路输出电压是矩形波电流型电路 输出电流是矩形波减少矩形波中所含谐波多重逆变电路 把几个矩形波组合起来，使之接近正弦波形改变电路结构为多电平逆变电路，它能 输出较多电平，使输出电压接近正弦波形
65
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
66
5.4.1 多重逆变电路
电压型逆变电路和电流型逆变电路都可以实现多重化
二重单相电压型逆变电路由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
Ud
T1
T2
u1
u2
uo
j =600
图 5-20 二重单相逆变电路
67
1 2 0 °
6 0 °
1 8 0 °
t
O
t
O
t
O
三次谐波三次谐波
u
1
u
2
u
o
图5 - 2 1
图 5-21 二重逆变电路的工作波形
将两个单项逆变电路导通的相位 u1和 u2相位错开 j =60°,
则对于 u1和 u2中的 3次谐波错开了 3× 60° =180°
通过变压器串联合成后，两者中所含 3次谐波互相抵消，所得到的总输出电压中不含 3次谐波
uo波形是 120° 矩形波，和三相桥式逆变电路 180° 导通方式下的线电压输出波形相同，其中含 6k± 1次谐波,3k次谐波都被抵消
68
多重逆变电路串联多重 并联多重把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型
69
U V W
N
T1
A1
T2
B1
A21
C1
B21
A22
C21
B22
C22
uUN
uU2
uU1
Ud
I
II
图 5-22 三相电压型二重逆变电路
▲ 三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输入直流电源公用，输出电压通过变压器
T1和 T2串联合成
▲ 两个逆变电路均为
180° 导通方式，输出线电压都是 1200矩形波
▲ 工作时逆变桥 II的相位比逆变桥 I滞后 30°
▲ T1为 D/ Y联结，线电压变比为 1,√3（一次和二次绕组匝数相等）
▲ 变压器 T2一次侧是三角形联结，二次侧两绕组，
采用曲折星形接法，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
70
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
3
1
3
1
)
( 1 + )
图5 - 2 4
U
U1
U
A 2 1
-U
B 2 2
U
U2
U
UN
( U
A1
)
U
d
U
d
3
2
U
d
3
1
U
d
3
2
U
d
( 1 + U
d
3
1
U
d
图 5-24 三相电压型二重逆变电路波形图图5 - 2 3
U A 2 1U UN
U U2
-U B 2 2
U U1 ( U A1 )
图 5-23 二次侧基波电压合成相量图
▲ 为了使 uU2和 uU1的基波幅值相同，
T1和 T2二次侧间的匝比应为 1/√3,T1、
T2二次侧基波电压合成相量图如图 5-
23所示
▲ 图 5-24中 uUN比 uU1接近正弦波
71
uU1展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
n
k tn
n
tUu ww
s i n)1(1s i n32 dU1
d
d
U 1 1 78.0
6 UUU
n
UU d
U 1 n
6?
(5-23)
(5-24)
(5-25)
72
输出相电压 uUN展开成傅里叶级数，可得其基波电压有效值
n次谐波有效值式中,n=12k± 1,k为自然数,uUN中已不含 5次,7次等谐波
直流侧电流每周期脉动 12次，称为 12脉波逆变电路
使 m个三相桥逆变电路的相位依次错开?/(3m)运行，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成
6m脉波逆变电路
d
d
U N 1 56.1
62 UUU
U N 1
d
U N n
162 U
nn
UU
(5-26)
(5-27)
73
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
74
5.4.2 多电平逆变电路图 5-9 三相电压型桥式逆变电路
N' N
+
-
U V
W
V1
V2
V3
V4
V5
V6
VD 1
VD 2
VD 3
VD 4
VD 5
VD 6
Ud
2
Ud
2
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
回顾图 5-9三相电压型桥式逆变电路和图 5-10的波形以直流侧中 N’为参考点,
对于 U相输出,桥臂 1导通时,
uUN’=Ud/2 桥臂 4 导通时,
uUN’=-Ud/2,V,W两相类似电路输出相电压有 Ud/2和 -
Ud/2两种电平,称为 两电平逆变电路
75
+
-
+
U
V
+
W
Ud
VD1
V11
O'
V12
VD11
VD12
VD4 V41
V42
VD41
VD42
iU L
s
Rs
图 5-25 三电平逆变电路中点钳位型逆变电路三电平逆变电路
每桥臂由两个全控器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接
U相上下桥臂分别通过钳位二极管 VD1和 VD4与
O'点相连接,以 U相为例
V11 和 V12 （ 或 VD11 和
VD12） 导通,V41和 V42关断,U点和 O'间电位差为
Ud/2
V41 和 V42 （ 或 VD41 和
VD42） 导通,V11和 V12关断,U点和 O'间电位差为
-Ud/2
V12和 V41导通,V11 和
V42关断时,U点和 O'间电位差为 0
实际上 V12和 V41不能同时导通,哪一个导 通取决于负载电流 iu的方向
iU>0时,V12和 VD1导通
iU<0时,V41和 VD4导通
76
通过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
通过适当控制,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多电平逆变电路 三电平及更多电平的逆变电路
77
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
78
本 章 小 结逆变电路 结构工作原理变流电路
AC/DC
DC/AC
AC/AC
DC/AC
更为基本、更为重要换流方式外部换流自换流电网换流负载换流器件换流强迫换流
79
逆变电路分类方法按换流方式输出相数直流电源的性质用途按直流侧电源性质分类电压型电流型负载为大电感的整流电路电容滤波的整流电路电流型整流电路电压型整流电路可看成为可看成为
80
目 录绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
2
逆变 把直流电变成交流电源逆变 交流侧接有电源逆变电路无源逆变 交流侧直接和负载连接一般指无源逆变电路第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
3
逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。
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其电路的核心部分都是逆变电路。
换流 变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。
4
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
5
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
5.1.2 换流方式分类
6
5.1.1 逆变电路的基本工作原理负载
a)
S1
S2
S3
S4
io
uoUd
b)
t
uo
io
t1 t2
图 5-1 逆变电路及其波形举例
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。
当开关 S1,S4 闭合,S2,S3
断开时，负载电压 uo为正；
当 S1,S4断开,S2,S3闭合时,uo为负。
直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
当负载为电阻时,io和 uo的波形相同，相位也相同
当负载为阻感时,io相位滞后于 uo，波形也不同
设 t1时刻前 S1,S4导通,uo
和 io均为正
t1时刻断开 S1,S4，合上
S2,S3,uo极性立刻变负，但
io不能立刻改变而维持原方向
io从直流电源负极流出，
经 S2、负载和 S3流回正极，
负载电感中储存的能量向直流电源反馈,io逐渐减小，到
t2时刻降为零，之后 io才反向并逐渐增大。
7
5.1 换流方式
5.1.1 逆变电路的基本工作原理
5.1.2 换流方式分类
8
5.1.2 换流方式分类换流全控型器件可通过门极得控制使其关断，
半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。
开通时关断时无论支路是有全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。
换相
9
1,器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流
2,电网换流
可控整流电路
三相交流调压电路 电网换流
采用相控方式的交交变频电路
只要把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,也不需要为换流附加任何元件 。
但不适用于没有交流电网的无源逆变电路由电网提供换流电压
10
3,负载换流负载电流相位超前于负载电压的场合负载为电容性负载时 实现 负 载换流负载为同步电动机时由负载提供换流电压图 5-2 a) 负载换流电路
R L
C
Ed
Ld
VT1
VT2
VT3
VT4u
o
io
id
a)
4个桥臂均由晶闸管组成
负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
直流侧串入大电感 Ld,工作过程中可认为 id基本没有脉动
11
b)
wt
wt
wt
wt
O
O
O
O
i
i
t1
uo
uo
io
io
uVT
iVT1 iVT4
iVT2 iVT3
uVT
1
uVT
4
图 5-2 b) 负载换流 工作波形
4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，
uo波形接近正弦波
T1时刻前,VT1,VT4为通态,VT2,VT3为断态,uo、
io均为正,VT2,VT3上施加的电压即为 uo
t1时刻触发 VT2,VT3使其开通,uo通过 VT2,VT3本别加到 VT4,VT1上使其承受反向电压而关断，电流从 VT1、
VT4换到 VT3,VT2
触发 VT2,VT3时刻,t1
必须在 uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成
12
4,强迫换流（ 电容换流）
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直接耦合式强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压
S
VT
负载
+
图 5-3 直接耦合式强迫换流原理图晶闸管 VT通态时，预先给电容 C按图 5-3中所示极性充电。合上开关 S，
就可使晶闸管被施加反向电压而关断
13
电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感的耦合提供换流电压或换流电流
C
L
+
VD
S
C
VT
负载
+
L
S
VT
负载
VD
b)a)
图 5-4 电感耦合式强迫换流原理图
图 5-4a中晶闸管在
LC振荡第一个半周期内关断
图 5-4b中晶闸管在
LC振荡第二个半周期内关断
图 a中，接通 S后,LC振荡电流将反向流过 VT,与
VT的负载电流相减，直到
VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管 VD。
LC
图 b中，接通 S后,振荡电流先正向流过 VT并和
VT中原有的负载电流叠加，
经过半个振荡周期振荡电流反向流过 VT，直到 VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管 VD。
14
给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流电压换流电流换流先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反向电压的换流器件换流 只适用于全控型器件电网换流负载换流 针对晶闸管强迫换流
15
器件换流强迫换流因器件或变流器自身原因引起换流自换流电网换流负载换流借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流外部换流自换流逆变电路 采用自换流方式逆变的电路外部换流逆变电路 采用外部换流方式逆变的电路熄灭 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
16
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
17
5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
18
5.2 电压型逆变电路电流型逆变电路
（ 电流源型逆变电路 ）
电压型逆变电路
（电压源型逆变电路） 直流侧是电压源直流侧是电流源
+
-
C R LUd
V1
V2
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
uo
io
图 5-5 电压型全桥逆变电路
(全桥逆变电路）
19
电压型逆变电路的特点
1） 直流侧为电压源或并联有大电容,相当于电压源 。
直流侧电压基本无脉动,滞留贿赂呈现低阻抗 。
2） 输出电压为矩形波,与负载阻抗角无关,交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 。
3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量作用 。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联反馈二极管 。
20
5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
21
5.2.1 单相电压型逆变电路
1．半桥逆变电路
+
-
R L
a)
Ud
io
uo
V1
V2
VD1
VD2
Ud
2
Ud
2
图 5-6 a) 单相半桥电压型逆变电路
半桥逆变电路有两个桥臂，
每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。
在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。
负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。
22
t
tO
O
ON
b)
uo
Um
-Um
io
t1 t2
t3 t4
t5 t6
V1 V 2 V1 V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2
图 5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形设开关器件 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。当负载为感性时，工作波形如图 5-6b所示
输出电压 uo为矩形波，幅值为 Um=Ud/2
输出电流 io波形随负载情况而异。
t2时刻以前 V1通,V2断
t2时刻给 V1关断信号，给
V2开通信号，则 V1关断，但感性负载中 io不能立即改变方向，于是 V2导通续流。
t3 时刻 io 降为零时,VD2
截止,V2 开通,io 开始反向 。
t4时刻给 V2关断信号,给
V1 开 通 信 号,V2 关断,
VD1先导通续流,t5时刻 V
才开通 。
V1或 V2通时,负载电流 io
和电压 uo 同方向,直流侧向负载提供能量
VD1 或 VD2 通时,io 和 uo
反向,负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈
23
负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧,反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中,直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用 。
二极管反馈二极管续流二极管是负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续
可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。
24
半桥逆变电路特点优点 简单，使用器件少缺点 输出交流电压幅值 Um仅为 Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两个电容器电压均衡
半桥逆变电路常用于几 kW以下的小功率逆变电源
25
2．全桥逆变电路
+
-
C R LUd
V1
V2
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
uo
io
图 5-5 电压型全桥逆变电路
(全桥逆变电路）
电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共 4个桥臂，桥臂 1和 4为一对，桥臂 2和
3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通 180°
26
t
tO
O
ON
b)
uo
Um
-Um
io
t1 t 2
t 3 t4
t5 t6
V1 V 2 V1 V2
VD 1 VD 2 VD 1 VD 2
图 5-6 b)单相半桥电压型逆变电路工作波形
电压型全桥逆变电路 输出电压 uo的波形和图 5-6b的半桥电路的波形 uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍,Um=Ud
输出电流 io波形和图 5-6b中的 io形状相同，幅值增加一倍
VD1,V1,VD2,V2相继导通的区间，分别对应 VD1和
VD4,V1和 V4,VD2和 VD3、
V2和 V3相继导通的区间
27
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为 Uo的矩形波 uo展开成傅里叶级数，得其中基波幅值 Uo1m和基波有效值 Uo1分别为
上述公式对半桥逆变电路也适用，将式中的 ud换成 Ud /2
uo为正负电压各为 180° 的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压 Ud来实现
tttUu www? 5s i n513s i n31s i n4 do
(5-1)
d
d
o1m 27.1
4 UUU
d
d
1o 9.0
22 UUU
(5-3)
(5-2)
28
采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压
+
-
C R LUd
V1
V2 uo
io
V3
V4
VD1
VD2
VD3
VD4
图 5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式
a)
各 IGBT栅极信号为 180° 正偏，
180° 反偏，且 V1和 V2栅极信号互补,V3和 V4栅极信号互补
V3的基极信号不是比 V1落后
180°,而是只落后 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 uo是正负各为 q 的脉冲
29
tO
tO
tO
tO
tO
q
b)
uG1
uG2
uG3
uG4
uoi
o
t1 t2
t3io
uo
图 5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式
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，因 io不能突变,V3不能立即导通,VD3
导通续流，因 V1和 VD3同时导通，所以输出电压为零各 IGBT栅极信号 uG1~uG4及输出电压 uo、输出电流 io
的波形见图 5-7b
t2时刻 V1和 V2栅极信号反向,V1截止,V2不能立即导通,VD2导通续流，和
VD3构成电流通道，输出电压为 -Ud
到负载电流过零开始反向,VD2和 VD3截止,V2
和 V3开始导通,uo仍为 - Ud
3时刻 3和 4栅极信号再次反向,V3截止,V4不能立刻导通,VD4导通续流，
uo再次为零
输出电压 uo的正负脉冲宽度各为 θ,改变 θ,可调节输出电压
30
在纯电阻负载时,VD1~VD4不再导通，不起续流作用,uo为零的期间,4个桥臂均不能导通，负载没有电流。
采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压，上下两桥臂栅极信号不再是各 180° 正偏,180° 反偏且互补，而是正偏宽度为 θ,反偏宽度为 360° - θ,两者相位差为 180° 。这时输出电压
uo也是正负脉冲的宽度各为 θ 。
31
3．带中心抽头变压器的逆变电路图 5-8 带中心抽头变压器的逆变电路负载
+
-
io
uo
U d V1 V 2VD
1
VD 2
交替驱动两个 IGBT,经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压
两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道
Ud和负载参数相同，变压器一次侧 2个绕组和二次侧绕组的匝比为 1:1:1时,uo和 io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同
带中心抽头变压器的逆变电路 比全桥电路少用一半开关器件,但器件承受的电压为 2Ud,比全桥电路高一倍,必须有一个变压器
32
5.2 电压型逆变电路
5.2.1 单相电压型逆变电路
5.2.2 三相电压型逆变电路
33
5.2.2 三相电压型逆变电路图 5-9 三相电压型桥式逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，采用 IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。
N' N
+
-
U V
W
V1
V2
V3
V4
V5
V6
VD 1
VD 2
VD 3
VD 4
VD 5
VD 6
Ud
2
Ud
2
电压型三相桥式逆变电路也是 180° 导电方式
每桥臂导电角度 180°,同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120 °
在任一瞬间将有三个桥臂同时导通
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
34
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
U相输出
当桥臂 1导通时，
uUN’ =Ud /2
当桥臂 4导通时，
uUN’=－ Ud /2
uUN’的波形幅值是为 Ud/2
的矩形波
V,W两相情况和 U相类似
uVN’,uWN’的波形形状与
uUN’相同，只是依次相差
120°
35
负载线电压负载相电压将上两式整理得 负载中点 N和电源中点 N′之 间电压 uUN’
U N 'W N 'WU
W N 'V N 'VW
V N 'U N 'UV
uuu
uuu
uuu
(5-4)
'NN W N 'WN
NN' VN'VN
NN' UN'UN
uuu
uuu
uuu
(5-5)
)(31)(31 WNVNUN W N ' V N ' UN' NN' uuuuuuu (5-5)
36
)(31 WN ' VN' UN'NN' uuuu (5-7)
负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，可得
● uNN’的 也是矩形波，但其频率为 uUN’频率的 3倍，
幅值为其 1/3,即为 Ud / 6
●负载参数已知时，可由
uUN波形求出 U相电流 iU波形，负载的阻抗角 j不同，
iu的波形形状和相位都有所不同
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
37
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
桥臂 1和桥臂 4之间的换流过程和半桥电路相似 。
上桥臂 1中的 V1 从通态转换到断态时,因负载电感中的电流不能突变,下桥臂 4
中的 VD4先导通续流,待负载电流降为零,桥臂 4中电流反向时,V4才开始导通 。
负 载 的 阻 抗 角 j越大,
VD4 导通时间越长 。
iu的上升段为桥臂 1导电的区间,其中 iu<0时为 VD1
导通,iu>0时为 V1导通 。
iu的下降段为桥臂 4导电的区间,其中 iu>0时为 VD4
导通,iu<0时为 V4导通 。
iv,iw的 波形和 iu形状相同,相位依次相差 120° 。
桥臂 1,3,5的电流相加可得直流侧电流 id的波形,
id每隔 60° 脉动一次,直流侧电压基本无脉动,因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的,
这也是电压型逆变电路的一个特点
38
三桥式逆变电路输出线电压 uUV展开成傅里叶级数得式中,n=6k± 1,k为自然数输出线电压有效值 UUV为基波幅值为
n
k tn
n
t
U
ttttt
U
u
ww
wwwww
s i n)1(
1
s i n
32
13s i n
13
1
11s i n
11
1
7s i n
7
1
5s i n
5
1
s i n
32
d
d
UV?
(5-8)
d
2
0
2
UVUV 8 1 6.0d2
1 UtuU w
(5-9)
d
d
U V 1 m 1.1
32 UUU
(5-10)
39
基波有效值为三桥式逆变电路负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得式中,n=6k± 1,k为自然数负载相电压有效值 UUN为
dd
U V 1 m
UV1 78.0
6
2
UUUU (5-11)
n
tn
n
t
U
ttttt
U
u
ww
wwwww
s i n
1
s i n
2
13s i n
13
1
11s i n
11
1
7s i n
7
1
5s i n
5
1
s i n
2
d
d
UN?
(5-12)
d
2
0
2
UNUN 471.0d2
1 UtuU w
(5-13)
40
基波幅值为基波有效值为
d
d
U N 1 m 637.0
2 UUU
(5-14)
d
U N 1 m
U N 1 45.02 U
UU
(5-15)
为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，要采取,先断后通,的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短视器件的开关速度而定，
器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。
41
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
42
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
43
电流型逆变电路一般在逆变电路直流侧串联一个大电感，因大电感中的电流脉动很小，可近似看成直流电流源
U
V
W
图5 - 1 1
i
d
U
d
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
图 5-11 电流型三相桥式逆变电路
图中 GTO使用反向阻断型器件，交流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存贮的能量二设计的
44
电流型逆变电路主要特点
1) 直流侧串联有大电感,相当于电流源 。 直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗 。
2) 电路中开关器件的作用只是改变直流电流的流通路径,
与负载阻抗角无关,交流侧输出电压波形和相位侧因负载阻抗情况的不同而不同 。
3) 当交流侧为足感负载时需要提供无功功率,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 。
45
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
46
5.3.1 单相电流型逆变电路
A
B
C
R L
图5 - 1 2
L
d
I
d VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
L
T 1
L
T 2
L
T3
L
T4
u
o
i
o
图 5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）
逆变电路
4桥臂，每桥臂晶闸管各串联一个电抗器 LT，用来限制晶闸管开通时的 di/dt,各桥臂的 LT之间不存在互感。
使桥臂 1,4和桥臂 2,3以
1000~2500Hz的中频轮流导通，
就可以在负载上得到中频交流电。
采用负载换相方式，要求负载电流略超前于负载电压。
R和 L串联为感应线圈的等效电路，因功率因数很低，故并联补偿电容器 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。
负载户换流方式要求负载电流超前电压，使负载电路总体工作在容性小失谐的情况下。
交流输出电流波形接近矩形波，
其中含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。
因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，
因此负载电压波形接近正弦波。
47
t
O
t
O
图5 - 1 3
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
u
G 1,4
u
G 2,3
i
T
i
o
I
d
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
u
o
t
u
AB
t
t
I
d
i
VT
1,4
i
VT
2,3
u
VT
2,3
u
VT
1,4
图 5-13 并联谐振式 逆变电路工作波形
在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。
t1~t2之间为 VT1和 VT4稳定导通阶段,io=Id
t2时刻前在电容 C上建立了左正右负的电压
t2时刻触发 VT2和 VT3,VT2和
VT3开通，开始进入换流阶段，
VT1和 VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程。 VT2和 VT3的电流有一增大过程
t2时刻后,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，在此过程中，
VT,VT4电流逐渐减小,VT2和
VT3电流逐渐增大
= t4 时,VT1,VT4电流减至零而关断，直流侧电流 Id全部从
VT1,VT4转移到 VT2,VT3，换流阶段结束。
换流时间 t4 -t2 =tγ
48
晶闸管在电流减小到零后,尚需一段时间才能恢复正向阻断能力,在
t4时刻换流结束后,还要使 VT1,VT4承受一段反压时间 t?才能关断,
t?= t5- t4应大于晶闸管的关断时间 tq
为保证可靠换流，应在 uo过零前 t?= t5- t2时刻触发 VT2,VT3
t?为触发引前时间
io超前于 uo的时间
tj表示为电角度
w为电路工作角频率；?,?分别是 t?,t?对应的电角度,j也就是功率因数角
βγδ ttt
j t
tt
2
wj
22 t
t
(5-16)
(5-17)
(5-18)
49
t
O
t
O
图5 - 1 3
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
u
G 1,4
u
G 2,3
i
T
i
o
I
d
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
u
o
t
u
AB
t
t
I
d
i
VT
1,4
i
VT
2,3
u
VT
2,3
u
VT
1,4
图 5-13 并联谐振式 逆变电路工作波形
t4~t6之间是 VT2,VT3的稳定导通阶段
t6以后又进入从 VT2,VT3
导通向 VT1,VT4导通的换流阶段
在换流过程中，上下桥臂的
LT上的电压极性相反，如不考虑晶闸管压降，则 uAB=0
uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍
uAB为负的部分，逆变电路从直流电源吸取的能量为负，负载和直流电源之间无功能量的交换
在直流侧,Ld起到缓冲这种无功能量的作用。
50
如忽略换流过程,io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数基波电流有效值 Io1为
tttIi www? 5s i n513s i n31s i n4 do
d
d
1o 9.02
4 III
(5-19)
(5-20)
51
2
c o s)
2
c o s (
22
c o s)c o s (
2
s i n2
1
1
(
)(
w
w
o
o
o
ABd
U
U
tdU
tduU
如忽略电抗器 Ld的损耗,uAB的平均值等于 Ud，忽略晶闸管压降，
从 uAB波形可得
52
jj
c o s11.1c o s22
dd
o
UUU (5-21)
近似认为 cos(?/2) ≈1,式（ 5-18）可为或
j? co s22 od UU?
53
自励方式 实际工作过程中，为保证电路正常工作，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整的控制方式他励方式 固定工作频率的控制方式解决自励方式起动问题方法附加预充电起动电路先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式
54
5.3 电流型逆变电路
5.3.1 单相电流型逆变电路
5.3.2 三相电流型逆变电路
55
5.3.2 三相电流型逆变电路
U
V
W
图5 - 1 1
i
d
U
d
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
图 5-11 电流型三相桥式逆变电路基本工作方式是 120° 导电方式，每个臂一周期内导电 120°,按 VT1~VT6的顺序每隔 60° 依次导通。每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，在上下桥臂组内依次换流，为 横向换流
56
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 4
I
d
i
V
i
W
u
UV
i
U
图 5-14 电流型三相桥式 逆变电路输出波形
输出电流波形和负载性质无关，是正负脉冲各 120° 的矩形波
输出电流波形和三相桥式可控整流电路在大电感负载下的交流输入电流波形相同，
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，但叠加了一些脉冲,这是由于逆变器中的换流过程而产生的
57
输出交流电流的基波有效值 IU1和直流电流 Id的关系为
ddU III 78.0
6
1
(5-22)
串联二极管式晶闸管逆变电路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,电路仍为 120° 导电工作方式,输出波形和图 5-14的波形大体相同
各桥臂之间换流采用强迫换流方式,电容 C1~C6为换流电容
M3UV
W
+
-
L
Id C
1
C2
C3
C4
C5
C6
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5
VD6
Ud
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
图 5-15 串联二极管 式晶闸管逆变电路对共阳极晶闸管，电容器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另一电容器电压为零
共阴极晶闸管与共阳极晶闸管情况类似，只是电容器电压极性相反
在分析换流过程中，常用 等效换流电容概念
58
+ -
U V
W
b)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
- +
U V
W
c)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
iV
iViU=Id-iV
- +
U V
W
d)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
+ -
U V
W
a)
VT1
VT2
VT3
VD1
VD2
VD3
C13
Id
图 5-16 换流过程各阶段的电流路径
假设换流前 VT1和 VT2导通通,C13电压 UC0左正右负恒流放电换流过程可分为 两个阶段二极管换流
t1时刻给 VT3触发脉冲导通，而 VT1被施以反向电压而关断
Id从 VT1换到 VT3,C13通过 VD1,U相负载,W相负载,VD2、
VT2、直流电源和 VT3放电，放电电流恒为 Id，故称 恒流放电阶段
C13电压 uC13下降到零之前,VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间 tq就能保证可靠关断
t2时刻 uC13降到零,之后在 U相负载电杆的作用下,开始对 C13反向充电 。 忽略负载电阻压降,则在 t2时刻 uC13=0后,二极管 VD3正向偏置导通,开始流过电流 iV,VD1流过充电电流 iU=Id-iV,VD1和 VD3
同时通,进入二极管换流阶段随着 C13充电电压不断增高,充电电流逐渐减小,iV逐渐增大,到
t3时刻 iU减到零,iV=Id,VD1承受反压而关断,二极管换流阶段结束
t3以后,进入 VT2,VT3稳定导通阶段
59
t
t
O
u
O
i
图5 - 1 7
U
CO
u
C 1 3
u
C5
u
C3
- U
CO
I
d i
U
i
V
t
1
t
2
t
3
电感负载时
uC1的波形和 uC13完全相同,在换流过程中,uC1从
UC0降为 － UC0
C3和 C5串联后再和 C1并联的,换相过程电压变化的幅度是 C1的一半
换流过程中,uC3从零变到 -UC0,uC5从 UC0变到零图 5-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形
60
电流型三相桥式逆变器可驱动同步电动机,利用滞后于电流相位的反电动势可实现负载换流
用逆变器驱动同步电机时,工作特性和调速方式和直流电动机相似,但无换向器,因此称为 无换向器电动机
MS
3
BQ
脉冲分配器
U
V
W
图5 - 1 8
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
U
d
U
dM
图 5-18 无换相器电动机的基本电路
61
MS
3
BQ
脉冲分配器
U
V
W
图5 - 1 8
VT
1
VT
2
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
U
d
U
dM
图 5-18 无换相器电动机的基本电路
O
O
O
O
O
w t
w t
w t
w t
O
w t
w t
u
VT
4
导通
u
U
u
V
u
W
i
V
i
W
i
U
u
dM
VT
1
导通
VT
3
导通
VT
6
导通 VT
5
导通
VT
2
导通
u
VT
1
图5 - 1 9
图 5-19 无换相器电动机电路工作波形
由三相可控整流电路为逆变电路提供直流电源，逆变电路采用
1200导电方式，利用电动机反电势实现换流
BQ是转子位置检测器，检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲
62
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
63
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
64
电压型电路输出电压是矩形波电流型电路 输出电流是矩形波减少矩形波中所含谐波多重逆变电路 把几个矩形波组合起来，使之接近正弦波形改变电路结构为多电平逆变电路，它能 输出较多电平，使输出电压接近正弦波形
65
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
66
5.4.1 多重逆变电路
电压型逆变电路和电流型逆变电路都可以实现多重化
二重单相电压型逆变电路由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
Ud
T1
T2
u1
u2
uo
j =600
图 5-20 二重单相逆变电路
67
1 2 0 °
6 0 °
1 8 0 °
t
O
t
O
t
O
三次谐波三次谐波
u
1
u
2
u
o
图5 - 2 1
图 5-21 二重逆变电路的工作波形
将两个单项逆变电路导通的相位 u1和 u2相位错开 j =60°,
则对于 u1和 u2中的 3次谐波错开了 3× 60° =180°
通过变压器串联合成后，两者中所含 3次谐波互相抵消，所得到的总输出电压中不含 3次谐波
uo波形是 120° 矩形波，和三相桥式逆变电路 180° 导通方式下的线电压输出波形相同，其中含 6k± 1次谐波,3k次谐波都被抵消
68
多重逆变电路串联多重 并联多重把几个逆变电路的输出串联起来，多用于电压型把几个逆变电路的输出并联起来，多用于电流型
69
U V W
N
T1
A1
T2
B1
A21
C1
B21
A22
C21
B22
C22
uUN
uU2
uU1
Ud
I
II
图 5-22 三相电压型二重逆变电路
▲ 三相电压型二重逆变电路由两个三相桥式逆变电路构成，输入直流电源公用，输出电压通过变压器
T1和 T2串联合成
▲ 两个逆变电路均为
180° 导通方式，输出线电压都是 1200矩形波
▲ 工作时逆变桥 II的相位比逆变桥 I滞后 30°
▲ T1为 D/ Y联结，线电压变比为 1,√3（一次和二次绕组匝数相等）
▲ 变压器 T2一次侧是三角形联结，二次侧两绕组，
采用曲折星形接法，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
70
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
3
1
3
1
)
( 1 + )
图5 - 2 4
U
U1
U
A 2 1
-U
B 2 2
U
U2
U
UN
( U
A1
)
U
d
U
d
3
2
U
d
3
1
U
d
3
2
U
d
( 1 + U
d
3
1
U
d
图 5-24 三相电压型二重逆变电路波形图图5 - 2 3
U A 2 1U UN
U U2
-U B 2 2
U U1 ( U A1 )
图 5-23 二次侧基波电压合成相量图
▲ 为了使 uU2和 uU1的基波幅值相同，
T1和 T2二次侧间的匝比应为 1/√3,T1、
T2二次侧基波电压合成相量图如图 5-
23所示
▲ 图 5-24中 uUN比 uU1接近正弦波
71
uU1展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
n
k tn
n
tUu ww
s i n)1(1s i n32 dU1
d
d
U 1 1 78.0
6 UUU
n
UU d
U 1 n
6?
(5-23)
(5-24)
(5-25)
72
输出相电压 uUN展开成傅里叶级数，可得其基波电压有效值
n次谐波有效值式中,n=12k± 1,k为自然数,uUN中已不含 5次,7次等谐波
直流侧电流每周期脉动 12次，称为 12脉波逆变电路
使 m个三相桥逆变电路的相位依次错开?/(3m)运行，连同合成输出电压并抵消上述相位差的变压器，就可构成
6m脉波逆变电路
d
d
U N 1 56.1
62 UUU
U N 1
d
U N n
162 U
nn
UU
(5-26)
(5-27)
73
5.4 多重逆变电路和多点平逆变电路
5.4.1 多重逆变电路
5.4.2 多电平逆变电路
74
5.4.2 多电平逆变电路图 5-9 三相电压型桥式逆变电路
N' N
+
-
U V
W
V1
V2
V3
V4
V5
V6
VD 1
VD 2
VD 3
VD 4
VD 5
VD 6
Ud
2
Ud
2
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
t
O
图5 - 1 0
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
u
UN'
u
UN
u
UV
i
U
i
d
u
VN'
u
W N '
u
NN'
U
d
U
d
2
U
d
3
U
d
6
2 U
d
3
图 5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形
回顾图 5-9三相电压型桥式逆变电路和图 5-10的波形以直流侧中 N’为参考点,
对于 U相输出,桥臂 1导通时,
uUN’=Ud/2 桥臂 4 导通时,
uUN’=-Ud/2,V,W两相类似电路输出相电压有 Ud/2和 -
Ud/2两种电平,称为 两电平逆变电路
75
+
-
+
U
V
+
W
Ud
VD1
V11
O'
V12
VD11
VD12
VD4 V41
V42
VD41
VD42
iU L
s
Rs
图 5-25 三电平逆变电路中点钳位型逆变电路三电平逆变电路
每桥臂由两个全控器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接
U相上下桥臂分别通过钳位二极管 VD1和 VD4与
O'点相连接,以 U相为例
V11 和 V12 （ 或 VD11 和
VD12） 导通,V41和 V42关断,U点和 O'间电位差为
Ud/2
V41 和 V42 （ 或 VD41 和
VD42） 导通,V11和 V12关断,U点和 O'间电位差为
-Ud/2
V12和 V41导通,V11 和
V42关断时,U点和 O'间电位差为 0
实际上 V12和 V41不能同时导通,哪一个导 通取决于负载电流 iu的方向
iU>0时,V12和 VD1导通
iU<0时,V41和 VD4导通
76
通过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
通过适当控制,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多电平逆变电路 三电平及更多电平的逆变电路
77
第 5章 逆变电路 (DC/AC变换）
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.4 多重逆变电路和多电平逆变电路本章小结
78
本 章 小 结逆变电路 结构工作原理变流电路
AC/DC
DC/AC
AC/AC
DC/AC
更为基本、更为重要换流方式外部换流自换流电网换流负载换流器件换流强迫换流
79
逆变电路分类方法按换流方式输出相数直流电源的性质用途按直流侧电源性质分类电压型电流型负载为大电感的整流电路电容滤波的整流电路电流型整流电路电压型整流电路可看成为可看成为
80
目 录绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
