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电力电子技术第十二章——方波逆变器

news 2025/11/3 8:32:26

参考教程：https://www.bilibili.com/video/BV1pS4y1g7D9?spm_id_from=333.788.videopod.episodes&vd_source=8f8a7bd7765d52551c498d7eaed8acd5

一、逆变器的引入

1、逆变器与整流器的区别

整流器的作用是将交流电转换为直流电输出，逆变器与之相反，它的作用是将直流电转换为交流电输出

2、开关式DC-AC逆变器举例

下图所示的是使用了开关式DC-AC逆变器的电路示意图

左图中，左侧输入的交流电经过二极管整流器整流后转换为直流电，然后再经过开关式DC-AC逆变器即可转换为交流电用于驱动电机，功率流向是单向的

右图中，将二极管整流器替换为开关式转换器，则可以实现功率的双向流动

3、逆变器的工作象限

在规定了电流和电压的参考方向后，以同参考方向为例，如果电流和电压的实际方向相同，则转换器工作在逆变态，此时功率的流向为输入流向输出（功率输出），否则转换器工作在整流态，此时功率的流向为输出流向输入（功率回收）

二、初入电压源型逆变器

1、单相全桥电压型逆变器

（1）下图所示的是单相全桥电压型逆变器的原理图，直流输入侧为恒定电压，交流输出侧为方波或准方波电压，电流由负载决定，IGBT在功率正向流动（功率输出）时导通，IGBT反向并联的二极管在功率反向流动（功率回收）时导通。

（2）分析单相全桥电压型逆变器时，可将并联的IGBT与二极管视为一个整体的开关，它们按照对角线分为两组，交流输出为方波电压时，两组开关在一个开关周期内交替导通。

当开关S1和S4导通时，上左图中的粉色回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=U_{d}$ ，在此状态下又细分为两个状态：

①当时间位于上右图浅粉色区域中时，电流与电压反向，IGBT和二极管不导通反向电流，因此Q1和Q4截止、D1和D4导通，逆变器工作在整流态

②当时间位于上右图深粉色区域中时，电流与电压同向，IGBT和二极管导通正向电流，因此Q1和Q4导通、D1和D4截止，逆变器工作在逆变态

当开关S2和S3导通时，上左图中的绿色回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=-U_{d}$ ，在此状态下又细分为两个状态：

①当时间位于上右图浅绿色区域中时，电流与电压反向，IGBT和二极管不导通反向电流，因此Q2和Q3截止、D2和D3导通，逆变器工作在整流态

②当时间位于上右图深绿色区域中时，电流与电压同向，IGBT和二极管导通正向电流，因此Q2和Q3导通、D2和D3截止，逆变器工作在逆变态

2、单相半桥电压型逆变器

（1）下图所示的是单相半桥电压型逆变器的原理图，直流输入侧为恒定电压，均分在两个串联的电容上，交流输出侧为方波或准方波电压，电流由负载决定，IGBT在功率正向流动（功率输出）时导通，IGBT反向并联的二极管在功率反向流动（功率回收）时导通。

（2）分析单相半桥电压型逆变器时，可将并联的IGBT与二极管视为一个整体的开关，交流输出为方波电压时，它们在一个开关周期内交替导通。

当开关S1导通时，上左图中的粉色回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=U_{d}/2$ ，在此状态下又细分为两个状态：

①当时间位于上右图浅粉色区域中时，电流与电压反向，IGBT和二极管不导通反向电流，因此Q1截止、D1导通，逆变器工作在整流态

②当时间位于上右图深粉色区域中时，电流与电压同向，IGBT和二极管导通正向电流，因此Q1导通、D1截止，逆变器工作在逆变态

当开关S2导通时，上左图中的绿色回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=-U_{d}/2$ ，在此状态下又细分为两个状态：

①当时间位于上右图浅绿色区域中时，电流与电压反向，IGBT和二极管不导通反向电流，因此Q2截止、D2导通，逆变器工作在整流态

②当时间位于上右图深绿色区域中时，电流与电压同向，IGBT和二极管导通正向电流，因此Q2导通、D2截止，逆变器工作在逆变态

3、推挽电压型逆变器

下图所示的是推挽电压型逆变器的原理图，它相当于单相全桥电压型逆变器的变式，使用变压器替代了两对开关组件，其中输入侧变压器的抽头处于中间位置，输入输出匝数比为2:1，在对其做分析时，同样可以把并联的IGBT与二极管视为一个整体的开关，交流输出为方波电压时，它们在一个开关周期内交替导通

当开关S1导通时，左侧回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=U_{d}$

当开关S2导通时，右侧回路导通，不难求出输出电压 $u_{o}=-U_{d}$

4、谐波分析

三、深入电压源型逆变器

1、准方波电压的输出

（1）前面介绍单相全桥电压型逆变器的时候，两对开关是交替导通的，此条件下输出侧将产生方波电压，如果对控制方法进行改善，让两对开关管不是严格地交替导通，如下图所示，只要保证S1、S2不同时导通，S3、S4不同时导通，那么输出侧将产生准方波电压，不难发现，其形状会更像正弦波。

（2）用 $\alpha$ 表征两对开关管的轮换导通相位差，不难得出基波的幅值可通过控制 $\alpha$ 调节，要想消除某些谐波成分，也可通过控制 $\alpha$ 实现，但需要注意的是，这二者不能单独控制，因为只有一个 $\alpha$ 参数，如果控制 $\alpha$ 消除谐波，那么可以在前面增加一级DC-DC变换器用于调节基波的幅值；另外需注意不能用半桥逆变器实现准方波电压的输出。

2、三相电压型逆变器

（1）下图所示的是三相电压型逆变器。

（2）N点电压分析：

四、电流源型逆变器

1、单相全桥电流型逆变器

（1）下图所示的是单相全桥电流型逆变器的原理图，直流输入侧串联一个高阻抗的电感，可认为输入电流为恒定电流，交流输出侧电流为准方波电流。由于恒定电流不能断路，因此必须保证任何时候上下都有晶闸管导通，这里与电压型逆变器不同的是，电压型逆变器要求“换管”时同一垂线上的IGBT不能同时导通，而电流型逆变器要求“换管”时同一垂线上的晶闸管需要同时导通，以实现电流换向。

（2）体现输出侧的漏感，如下图所示，晶闸管的开关频率略高于谐振频率。

在状态1下，晶闸管VT1和VT4导通，不难得出 $i_{o}=I_{d}$ 、 $u_{o}=u_{AB}$ ，输入电流对负载的电容充电

在状态2下，给予晶闸管VT2和VT3门极高电平信号，打开晶闸管VT2和VT3，此时电流回路由VT1和VT4逐渐切换至VT2和VT3，也就是电流换向，通过分析VT1的电压可知，当4个晶闸管同时导通时，如果没有漏感的存在，根据基尔霍夫电压定律可知，VT1将承受（电容提供的）反向偏压，因此它最后一定是会关断的，只是漏感让它“苟活”了一小段时间，VT4亦是同理