南阻师范学院课时教学计划 章节 第四章 课题 逆变电路 计划课时数 授课班级 机电工程学院2015级机械电子 (1)掌握有源逆变、无源逆变的概念 (2)掌握器件换流、电网换流、负载换流及强迫换流的原理、特点和使用场合： 掌握电压型和电流型逆变电路的概念和特点： 教学 (3)掌握单相半桥和全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路及三相桥式 目的 电流逆变电路的工作原理，波形分析和输出电压、电流计算 (4)掌握并联谐振式逆变电路的电路构成、工作原理、换相过程及其波形分析 启动方法。 教学 单相半桥、全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路、三相 重点 桥式电流逆变电路的工作原理，波形分析和输出电压、电流计算。 教学 全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路、三相桥式电流逆 难点 变电路的工作原理。 教学 方法 和手 讲授法+实验法 段 备注
南阳师范学院课时教学计划 章节 第四章 课题 逆变电路 计划课时数 4 授课班级 机电工程学院 2015 级机械电子 教学 目的 （1）掌握有源逆变、无源逆变的概念； （2）掌握器件换流、电网换流、负载换流及强迫换流的原理、特点和使用场合； 掌握电压型和电流型逆变电路的概念和特点； （3）掌握单相半桥和全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路及三相桥式 电流逆变电路的工作原理，波形分析和输出电压、电流计算； （4）掌握并联谐振式逆变电路的电路构成、工作原理、换相过程及其波形分析、 启动方法。 教学 重点 单相半桥、全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路、三相 桥式电流逆变电路的工作原理，波形分析和输出电压、电流计算。 教学 难点 全桥电压型逆变电路、三相桥式电压型逆变电路、三相桥式电流逆 变电路的工作原理。 教学 方法 和手 段 讲授法+实验法 备注
教学内容 批注 第四章逆变电路 本章的主要内容及要求包括： (1)掌握有源逆变、无源逆变的概念及主要应用场合。 (2)掌握器件换流、电网换流、负载换流及强迫换流 的原理、特点和使用场合： (3)掌握电压型和电流型逆变电路的概念和特点： (4)掌握单相半桥和全桥电压型逆变电路、三相桥式 电压型逆变电路及三相桥式电流逆变电路的工作原理，波形 分析和输出电压、电流计算： (5)掌握并联谐振式逆变电路的电路构成、工作原理 换相过程及其波形分析、启动方法： (6)了解串联二极管式电容换相电流型逆变电路的电 路构成、工作原理及换相过程分析，并以此为例了解强迫换 流方式在电路中的应用： (7)了解逆变电路多重化的基本概念、原理、分类和 实现方法，以中点钳位型三电平逆变电路为例了解多电平电 路的拓扑结构、控制方法以及与两电平电路相比存在的优 势。 §4.1换流方式 逆变的概金： ◇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，本章主要讲述无源逆 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。 逆变电路的主要应用： ◇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 换流：变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路
教学内容 批注 第四章 逆变电路 本章的主要内容及要求包括： （1）掌握有源逆变、无源逆变的概念及主要应用场合。 （2）掌握器件换流、电网换流、负载换流及强迫换流 的原理、特点和使用场合； （3）掌握电压型和电流型逆变电路的概念和特点； （4）掌握单相半桥和全桥电压型逆变电路、三相桥式 电压型逆变电路及三相桥式电流逆变电路的工作原理，波形 分析和输出电压、电流计算； （5）掌握并联谐振式逆变电路的电路构成、工作原理、 换相过程及其波形分析、启动方法； （6）了解串联二极管式电容换相电流型逆变电路的电 路构成、工作原理及换相过程分析，并以此为例了解强迫换 流方式在电路中的应用； （7）了解逆变电路多重化的基本概念、原理、分类和 实现方法，以中点钳位型三电平逆变电路为例了解多电平电 路的拓扑结构、控制方法以及与两电平电路相比存在的优 势。 §4.1 换流方式 逆变的概念： 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，本章主要讲述无源逆 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。 逆变电路的主要应用： 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。 换流：变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路
教学内容 批注 向另一个支路的转移。 §4.1.1逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理： s a) b) 图4】逆变电路及其波形举例 ●当开关S1、S4闭合，S2、S断开时，负载电压 为正；当开关S1、S4断开，S2、S闭合时，o为负， 这样就把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。 ●电阻负载时，负载电流。和o的波形相同，相位也 相同。 ●阻感负载时，。相位滞后于，波形也不同。 §4.1.2应用电力电子器件的系统组成 一、换流 1、概念：电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 2、分类： (1)器件换流：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。 (2)电网换流：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。 (3)负载换流：由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载 换流，如电容性负载和同步电动机。 图42是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在 接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程
教学内容 批注 向另一个支路的转移。 §4.1.1 逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理： 图 4-1 逆变电路及其波形举例 ⚫ 当开关 S1、S4 闭合，S2、S3 断开时，负载电压 uo 为正；当开关 S1、S4 断开，S2、S3 闭合时，uo 为负， 这样就把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。 ⚫ 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。 §4.1.2 应用电力电子器件的系统组成 一、换流 1、概念：电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 2、分类： （1）器件换流：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。 （2）电网换流：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。 （3）负载换流：由负载提供换流电压的换流方式。 负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载 换流，如电容性负载和同步电动机。 图 4-2a 是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在 接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程
教学内容 批注 可认为ia基本没有脉动。 图4-2负载换流电路及其工作波形 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以。接 近正弦波。 √注意触发VT2、VT3的时刻山必须在恤过零前并留 有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 (4)强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶 闸管强迫施加反压或反电流的换流方式。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为 电容换流。 图4-3直接耦合式强迫换流原理图 图4-3直接祸合式强迫换流原理图 分类： ◇直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供
教学内容 批注 可认为 id 基本没有脉动。 图 4-2 负载换流电路及其工作波形 ✓ 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以 uo 接 近正弦波。 ✓ 注意触发 VT2、VT3 的时刻 t1 必须在 uo 过零前并留 有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 （4）强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶 闸管强迫施加反压或反电流的换流方式。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为 电容换流。 图 4-3 直接耦合式强迫换流原理图 图 4-3 直接耦合式强迫换流原理图 分类： 直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供
教学内容 批注 换流电压。也叫电压换流。 如图43，当晶闸管VT处于通态时，预先给电容 充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。 ◇电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电 感的耦合来提供换流电压或换流电流。也叫电流换 流。 图4-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断， 图4-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断 注意两图中电容所充的电压极性不同。 本 b) 图44电感耦合式强迫换流原理图 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且 二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就 是加在晶闸管上的反向电压。 总结： √器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式 主要是针对晶闸管而言的。 √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。 §4.2电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类： ◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。(Voltage Source Inverter--VSI) ◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。(Current Source Inverter--CSD) 电压型逆变电路的特点 ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉 动。 ◆由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压为矩形 波，并与负载阻抗角无关：交流侧输出电流因负载阻抗不同
教学内容 批注 换流电压。也叫电压换流。 如图 4-3，当晶闸管 VT 处于通态时，预先给电容 充电。当 S 合上，就可使 VT 被施加反压而关断。 电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电 感的耦合来提供换流电压或换流电流。也叫电流换 流。 图 4-4a 中晶闸管在 LC 振荡第一个半周期内关断， 图 4-4b 中晶闸管在 LC 振荡第二个半周期内关断， 注意两图中电容所充的电压极性不同。 图 4-4 电感耦合式强迫换流原理图 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且 二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就 是加在晶闸管上的反向电压。 总结： ✓ 器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式 主要是针对晶闸管而言的。 ✓ 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。 §4.2 电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类： ◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。 (Voltage Source Inverter---VSI) ◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。 (Current Source Inverter---CSI) 电压型逆变电路的特点： ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉 动。 ◆由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压为矩形 波，并与负载阻抗角无关；交流侧输出电流因负载阻抗不同
教学内容 批注 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。 木D, 木D 本 本D 图45电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） §4.2.1单相电压型逆变电路 一、半桥逆变电路 1、电路特点 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容 的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点 和两个桥臂联结点之间。 本D U ON VD:VD: 图46单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 2、工作原理 0-:二极管VD1续流，u0=Ua2,电流反向指数下降： t-p:开关器件V1导通，o=U2,电流指数上升： 2-B:二极管VD2续流，uo=-Uad2,电流指数下降： 3-4:开关器件V2导通，0=-U2,电流反向指数上升 V1或V2通时，i。和山同方向，直流侧向负载提供能量：
教学内容 批注 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。 图 4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） §4.2.1 单相电压型逆变电路 一、半桥逆变电路 1、电路特点 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容 的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点 和两个桥臂联结点之间。 图 4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 2、工作原理 0-t1：二极管 VD1 续流，u0=Ud/2，电流反向指数下降； t1- t2：开关器件 V1 导通，u0=Ud/2，电流指数上升； t2- t3：二极管 VD2 续流，u0=-Ud/2，电流指数下降； t3- t4：开关器件 V2 导通，u0=-Ud/2，电流反向指数上升。 V1 或 V2 通时，io 和 uo 同方向，直流侧向负载提供能量；
教学内容 批注 VD1或VD2通时，o和反向，电感中贮存的无功能 量向直流侧反馈。 VD1、VD2称为反馈二极管，又起着使负载电流连续的作 用，又称续流二极管。 3、导通规律：逆变电路每臂导通半个周期。主控功率 器件导通前，同臂续流二极管先续流。逆变周期同功率开关 管的控制周期。 4、输出电压 输出电压o为矩形波，其幅值为Um=U2。 o展开成傅里叶级数得： 5、特点 √优点：简单，使用器件少： √缺点：输出交流电压的幅值Um仅为Ua2,且直流 侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容 器电压的均衡： 因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。 二、全桥逆变电路 1、电路特点 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°。 开关器件V1和V4,V2和V3的栅极信号相同，在一个 周期内各有半周正偏，半周反偏，且V1(V4)和V2(V3) 互补 +0 木D, 木D R人 不D 2、工作原理 0-I:二极管VD1和VD4续流，u0=Ua,电流反向指数 下降：
教学内容 批注 VD1 或 VD2 通时，io 和 uo 反向，电感中贮存的无功能 量向直流侧反馈。 VD1、VD2 称为反馈二极管,又起着使负载电流连续的作 用，又称续流二极管。 3、导通规律：逆变电路每臂导通半个周期，主控功率 器件导通前，同臂续流二极管先续流。逆变周期同功率开关 管的控制周期。 4、输出电压 输出电压 uo 为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。 uo 展开成傅里叶级数得： = t + t + t + U u sin 5 5 1 sin 3 3 1 sin 2 d o 5、特点 ✓ 优点：简单，使用器件少； ✓ 缺点：输出交流电压的幅值 Um 仅为 Ud/2，且直流 侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容 器电压的均衡； 因此，半桥电路常用于几 kW 以下的小功率逆变电源。 二、全桥逆变电路 1、电路特点 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°。 开关器件 V1 和 V4，V2 和 V3 的栅极信号相同，在一个 周期内各有半周正偏，半周反偏，且 V1（V4）和 V2（V3） 互补. 2、工作原理 0-t1：二极管 VD1 和 VD4 续流，u0=Ud，电流反向指数 下降；
教学内容 批注 t-p:开关器件V1和V4导通，o=Ua,电流指数上升： tp-B:二极管VD2和VD续流，=-Ua,电流指数下降： -4:开关器件V2和V3导通，0=-Ua,电流反向指数 上升。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出 二倍 在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过 改变直流电压U来实现。 Ug23 况：3，况况 3、导通规律 逆变电路每臂导通半个周期，每次两个臂同时导通：主 控功率器件导通前，同臂续流二极管先续流。逆变周期同功 率开关管的控制周期。 4、Ua的矩形波山展开成傅里叶级数得 其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为： Un-40=1.270 π U=25u=09u 三、移相调压方式 V3的栅极信号比V1落后日(0<0<180°)。V3、V4的
教学内容 批注 t1- t2：开关器件 V1 和 V4 导通，u0=Ud，电流指数上升； t2- t3：二极管 VD2 和 VD3 续流，u0=-Ud，电流指数下降； t3- t4：开关器件 V2 和 V3 导通，u0=-Ud，电流反向指数 上升。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出 一倍。 在这种情况下，要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。 3、导通规律 逆变电路每臂导通半个周期，每次两个臂同时导通；主 控功率器件导通前，同臂续流二极管先续流。逆变周期同功 率开关管的控制周期。 4、Ud 的矩形波 uo 展开成傅里叶级数得 d o 4 1 1 sin sin 3 sin 5 3 5 U u t t t = + + + 其中基波的幅值 Uo1m 和基波有效值 Uo1分别为： d o1m d 4 1.27 U U U = =d o1 d 2 2 0.9 U U U = = 三、移相调压方式 V3 的栅极信号比 V1 落后 （0＜＜180°）。V3、V4 的
教学内容 批注 栅极信号分别比V2、V1的前移180°-0。输出电压是正负各 为日的脉冲。 V. 本D, D R D 1、工作原理 0-:VD1和VD4导通，uo=Ud: -:V1和V4导通，uw=Ud: 2-3:V1和VD3导通，u0=0: g4:VD和VD3导通，uw=-Ud: t-5:V2和V3导通，u=-Ud: 5-6:V2和VD4导通，u=0。 如果是纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相 同的结果，只是VD1-VD4不再导通，不起续流的作用。而 且在=0期间，四个桥臂均不导通，负载没有电流通过。 o 0 71 7 别品3贤品 输出电压是正负各为日的脉冲。改变日就可调节输出 电压。 四、带中心抽头变压器的逆变电路 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提供无功能量的反馈通道
教学内容 批注 栅极信号分别比 V2、V1 的前移 180°-。输出电压是正负各 为 的脉冲。 1、工作原理 0-t1：VD1 和 VD4导通，u0=Ud； t1- t2：V1 和 V4 导通，u0=Ud； t2- t3：V1 和 VD3 导通，u0=0； t3- t4：VD2 和 VD3导通，u0=-Ud； t4- t5：V2 和 V3 导通，u0=-Ud； t5- t6：V2 和 VD4 导通，u0=0。 如果是纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相 同的结果，只是 VD1-VD4 不再导通，不起续流的作用。而 且在 u0=0 期间，四个桥臂均不导通，负载没有电流通过。 输出电压是正负各为 的脉冲。改变 就可调节输出 电压。 四、带中心抽头变压器的逆变电路 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提供无功能量的反馈通道
教学内容 批注 ◇Ua和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，ue 和。波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 。 不D, 图48带中心抽头变压器的逆变电路 与全桥电路相比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 √器件承受的电压为2U,比全桥电路高一倍。 必须有一个变压器。 §4.2.2三相电压型逆变电路 1、主要应用：三相交流调速等。 2、三相电压型逆变电路工作方式 类工作方式(180度导电型)：逆变桥各相均有 一个管子导通： 令川类工作方式(120度导电型)：逆变桥只有两相 各有一个管子导通。 工作类型决定控制方式不一样，复杂程度有差异，本节主 要讲|类工作三相桥式逆变电路（口≤3)。 一、三相桥式逆变电路 1、电路结构特点 V. 本本 D VD, 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 基本工作方式是180°导电方式
教学内容 批注 Ud 和负载参数相同，变压器匝比为 1：1：1 时，uo 和 io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 图 4-8 带中心抽头变压器的逆变电路 与全桥电路相比较： ✓ 比全桥电路少用一半开关器件。 ✓ 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。 §4.2.2 三相电压型逆变电路 1、主要应用：三相交流调速等。 2、三相电压型逆变电路工作方式 Ⅰ类工作方式(180 度导电型):逆变桥各相均有 一个管子导通； Ⅱ类工作方式(120 度导电型):逆变桥只有两相 各有一个管子导通。 工作类型决定控制方式不一样,复杂程度有差异,本节主 要讲Ⅰ类工作三相桥式逆变电路（ 3 ）。 一、三相桥式逆变电路 1、电路结构特点 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 基本工作方式是 180°导电方式
