第4章: 无源逆变电路 4.1 逆变器的性能指标与分类 4.2 逆变电路的工作原理 4.3 电压型逆变电路 4.4 电流型逆
变电路 4.5负载换流式逆变电路 4.1逆变器的性能指标与分类
1）定义：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。2）应用：直流电机
的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将
直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电
子技术的重要内容。 1、有源逆变:2、无源逆变：4.1.1逆变器的性能指标 （1）谐波系数HF：谐波分量有效值同基波分量有致值
之比。 （2）总谐波系数：总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。（5）电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）（3）逆变
效率（4）单位重量的输出功率:衡量逆变器输出率密度的指标。4.1.2 逆变电路的分类 ① 电压型：输人端并接有大电容，输入直流电
源为恒压源，逆变器将直流电压变换成交流电压。 ② 电流型：输入端串接有大电感，输入直流电源为恒流源，逆变器将输入的直流电流变换为
交流电流输出。（1）、根据输入直流电源特点分类 ① 半桥式逆变电路； ② 全桥式逆变电路； ③ 推换式逆变电路； ④ 其他形式：
如单管晶体管逆变电路。（2）、根据电路的结构特点分类4.1.2逆变电路的分类（3）、根据换流方式分类（4）、根据负载特点分类① 非
谐振式逆变电路② 谐振式逆变电路① 负载换流型逆变电路；② 脉冲换流型逆变电路； ③ 自换流型逆变电路。4.1.3 逆变电路用途
1、可以做成变频变压电源（VVVF），主要用于交流电动机调速。 2、可以做成恒频恒压电源（CVCF），其典型代
表为不间断电源（UPS）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用CVCF电源。 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源
，高频电源等。逆变器的用途十分广泛：4.2 逆变电路的工作原理 开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud； 开
关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=－Ud ; 当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电
阻R上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，
如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图4.2.1 单相桥式逆变电路工作原理 1、主要功能: 图4.2.1
(a)中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO
）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给
负载。2、工作原理： 它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全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C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。 T1和T2之间存在死区时间，以避
免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。1.电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：4.3.1 电压型单相半桥逆变电路4.3
电压型逆变电路 动画 输出电压有效值为: 由傅里叶分析，输出电压瞬时值为: 其中，
为输出电压角频率。 当 n=1时其基波分量的有效值为:
(4.3.1)(4.3.2)(4.3.3)
在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻
感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则 u0=Ud/2。 t2时刻关断的T1，同时给T2
发出导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud /2 。 t3时刻i
。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=－Ud /2 。 在t4时刻关断T2，同时给
T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud /2 ；
t5时刻 i。降至零， T1导通，u0=Ud /2 ； 图4.3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形2、工作原理：缓冲电感反
馈的无功能量缺点：1）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输
出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。 优点： 简单，使用器件少；应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；4.3.2 电压型单
相全桥逆变电路 全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂, T1和T4同时通、断；T2和
T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替
导通180°。1、电路工作过程：输出方波电压瞬时值：
输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：图4.3.2 电压型单相全桥逆变电路和电压、电流波形图(4.3.6)(4
.3.4)(4.3.5) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两
倍。1）纯电阻负载时 0≤t＜Ts／4，Ts2≤t≤3Ts／4期间，D1、D4导通起负载电流续流作用，在此期
间T1～T4均不导通。图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图 2）电感负载时由可得负载电流峰值为：(4.3.7
) 0≤θ≤ωt期间，T1和T4有驱动信号，由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、D4导通起负载
电流续流作用， u0=+Ud。 θ≤ωt≤π期间， i0为正值，T1和T4才导通。
π≤ωt≤π+θ期间，T2和T3有驱动信号，由于电流i0为负值，T2、T3不导通，D2、D3导通起负载电流续流作用， u0=
－Ud 。 π+θ≤ωt≤2π期间，T2和T3才导通。3）阻感负载RL时图4.3.2 电压型单相全桥逆变
电路和电压、电流波形图 图4.3.2(e)所示是RL负载时直流电源输入电流的波形。图4.3.2(f)所示是RL负载
时直流电源输入电流的波形。4.3.3 电压型三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每
个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导电的时间依次相差120°。 在一个周期内，6
个开关管触发导通的次序为T1→T2 →T3 →T4 →T5→T6 ，依次相隔60°，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为
T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°。图4.3.3 电压型三相
桥式逆变电路 1、工作过程： 将一个工作周期分成6个区域。 在0<ωt≤π/3区域，设ug1>0, ug2>0,
ug3>0，则有T1，T2，T3导通， 2、各相负载相电压和线电压波形：根据同样的思路可得其余5个时域的值线电压相电压图4.3.
4 电压型三相桥式逆变电路及其工作波形式中Ud为逆变器输入直流电压。 3、负载相电压和线电压幅值分析：利用博里叶分析，
其相电压的瞬时值为：相电压基波幅值 (4.3.8)(4.3.9)由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅
值为基波幅值的1/n。其线电压的瞬时值为：线电压基波幅值 (4.3.11)(4.3.10)由上式可知，负载线电压中无3次谐波，只含
更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。表4.3.1三相桥式逆变电路的工作状态表4.4.1 电流型单相桥式逆变电路
当T1、T4导通，T2、T3关断时，I0=Id ；反之，I0=-Id 。 当以频率f交替切换开关管T1
、T4和T2、T3时，则在负载上获得如图 4.4.1（b）所示的电流波形。 输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无
关，而输出电压波形由负载性质决定。 主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串
入二极管。图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形 1、电路工作过程：防反相高压恒流大电感4.4 电流型逆变电路其
中基波幅值I01m和基波有效值I01分别为 (4.4.1) (4.4.2) (4.4.3) 将图4.4.1（b）所示的电流波形i
0展开成傅氏级数,有2、电流波形参数计算： 图4.4.1 电流型单相桥式 逆变电路及电流波形 导电方式为120°导通、横
向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。 导通顺序为1→T2→T3→T4→T5→T6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°
。这样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都各有一个臂导通。 输出电流波形与负载性质无关。 输出电压波形由负载的性质决定。
图4.4.3 电流型三相桥式逆变电路原理图及输出电流波形 (4.4.4) 1、工作方式: 输出电流的基波有效值I0
1和直流电流Id的关系式为： 4.5 负载换流式逆变电路4.5.1 并联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、
工作原理 3 、电路参数计算 4.5.2 串联谐振式逆变电路 1、电路结构 2、工作原理 4.5
.1 并联谐振式逆变电路 负载为中频电炉，实际上是一个感应线圈，图中L和R串联为其等效电路。因为负载功率因数很低，故并联补偿电
容器C。 电容C和电感L、电阻R构成并联谐振电路，所以称这种电路为并联谐振式逆变电路。 本电路采用负载换流，即要求负载电流超前
电压，因此，补偿电容应使负载过补偿，使负载电路工作在容性小失谐情况下。 图4.6.1 并联谐振式逆变电路的原理图 １、电路结构:
小电感，限制晶闸管电流上升率大滤波电感 并联谐振式逆变电路属电流型，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各次谐波。
工作时晶闸管交替触发的频率应接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上几乎不产生压降，
因此，负载电压波形为正弦波。又因基波频率稍大于负载谐振频率，负载电路呈容性，io超前电压uo一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的
。 图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 ２、工作原理：图4.6.2 并联谐振式逆变电路换流的工作过程 逆变电路
换流的工作过程 t2时刻触发T2，T3 ，电路开始换流。由于T2，T3导通时，负载两端电压施加到T1，T4的两端，使T1，T4承
受负压关断。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT ，故T1和T4在t2时刻不能立刻关断，T2，T3中的电流也不能立刻增大到稳定值。
在换流期间，四个晶闸管都导通，由于时间短和大电感Ld的恒流作用，电源不会短路。 当t=t4时刻，T1、T4电流减至零而关断，
直流侧电流Id全部从T1、T4转移到T2、T3 ，换流过程结束。t4-t2=tr称为换流时间。 T1、T4中的电流下降到零以后，
还需一段时间后才能恢复正向阻断能力，因此换流结束以后，还要使T1、T4承受一段反压时间tβ才能保证可靠关断。tβ=t5－t4应大于
晶闸管关断时间tq。 图4.6.3 并联谐振式逆变电路原理图及其工作波形 为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前t
?时刻触发T2、T3，称t?为触发引前时间。为了安全起见，必须使
式中k为大于1的安全系数，一般取为2~3。 负载的功率因数角φ由负载电流与电压的相位差决定，从图3
.6.3可知：
其中ω为电路的工作频率。图4.6.3 并联谐振式逆变 工作波形
（4.6.2）（4.6.1） 如果忽略换流过程，i0为矩形波。展开成傅氏级数得
(4.6.4)(4.6.5)(4.6.7) 其基波电流有效值逆变电路的
输入功率Pi为 逆变电路的输出功率Po为因为Po=Pi，于是可求得②负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系：①负载电流i0和直流侧
电流Id的关系：(4.6.3 )(4.6.6) 其直流侧采用不可控整流电路和大电容滤波，从而构成电压型逆变电路。电路为了续流，
设置了反并联二极管D1~D4。补偿电容C和负载电感线圈构成串联谐振电路。为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性 。图4.6.4 串联谐振式逆变电路 1、电路结构4.5.2 串联谐振式逆变电路 设晶闸管T1、T4导通，电流从A流向B，uo左正右负。由于电流超前电压， 当t=t1时，电流为零。 当t>t1时，电流反向。由于T2、T3未导通，反向电流通过二极管D1、D4续流，T1、T4承受反压关断。 当t=t2时，触发T2、T3，负载两端电压极性反向，即左负右正，D1、D4截止，电流从T2、T3中流过。 当t>t3时，电流再次反向，电流通过D2、D3续流，T2、T3承受反压关断。 当t=t4时，再触发T2、T3。二极管导通时间t?即为晶闸管反压时间，要使晶闸管可靠关断，t?应大于晶闸管关断时间tq。图4.5.5 串联谐振式逆变 电路的工作波形图 2、工作原理 |
|
