逆变电路的基本工作原理

  逆变电源基础原理逆变电源是一种将电压转化为不同频率、不同电压或不同波形的电源设备。

  逆变电源的工作原理最重要的包含以下几个方面：1.整流：首先将交流电源通过整流电路转换为直流电源。

  整流电路通常由整流桥组成，整流桥将交流电压的正负半周分别经过二极管整流，然后通过电感滤波电路平滑输出。

  2.滤波：经过整流的直流电压任旧存在一定的脉动，一定要通过滤波电路进行平滑。

  滤波电路一般由电容和电感组成，电容负责对电压进行平滑，电感则负责对电流进行过滤。

  开关管将直流电压进行开关操作，经过控制开关管的开关时间和频率，产生高频脉宽调制电压信号。

  4.输出：通过输出变压器将逆变器电路产生的交流电压进行变压操作，得到要的输出电压。

  同时，通过输出滤波电路对输出电压的波形进行进一步的滤波平滑，减小输出电压的脉动。

  控制电路通过对开关管的控制，调整开关操作的频率和占空比，以此来实现对输出电压的调节。

  逆变电源大范围的应用于所有的领域，如UPS电源、太阳能逆变器、电动汽车充电器等。

  逆变电源通过将太阳能光伏电池板产生的直流电转换为交流电，能够很好的满足家庭、工业等电力需求。

  此外，逆变电源还能轻松实现电动汽车的充电功能，将家庭用电网交流电转化为适合电动汽车充电的直流电。

  通过整流、滤波、逆变和输出等步骤，逆变电源能够将直流电转换为交流电，并经过控制电路调节输出电压、频率和波形。

  逆变器工作原理引言概述：逆变器是一种将直流电能转换为交流电能的电子设备，大范围的应用于太阳能发电、风能发电、电动车辆等领域。

  一、逆变器的基础原理1.1 电源与负载间的转换逆变器的基础原理是将直流电源转换为交流电源。

  直流电源通常由电池、太阳能电池板等提供，而交流电源是我们家庭和工业中常用的电源。

  逆变器通过将直流电源经过一系列电子元件的处理，将其转换为交流电源，以供给负载使用。

  1.2 逆变器的拓扑结构逆变器的拓扑结构一般会用多种形式，如单相桥式、三相桥式、多电平等。

  它由四个开关管和四个二极管组成，通过开关管的开关动作来实现对直流电源的控制，由此产生交流电源。

  1.3 逆变器的控制策略逆变器的控制策略是指通过控制开关管的开关动作来实现对输出电压和频率的控制。

  脉宽调制控制通过调节开关管的开关频率和占空比来控制输出电压的大小和波形的形状。

  二、逆变器的构成要素2.1 开关管开关管是逆变器中最关键的元件之一，它负责控制直流电源的开关动作。

  功率场效应管则具有较低的导通电阻和较高的开关速度，适合用于高功率逆变器。

  微处理器负责接收输入信号并进行一定的计算，控制芯片则负责产生控制信号，传感器则用于监测逆变器的工作状态。

  2.3 滤波电路逆变器输出的交流电压中常常含有较高的谐波成分，为了减小谐波成分对负载的影响，逆变器常常要配备滤波电路。

  滤波电路能通过电感和电容来实现对谐波的滤除，从而得到较为纯净的交流电源。

  第5章逆变电路主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。

  基本要求：掌握换流方式，掌握电压型逆变电路，理解电流型逆变电路，了解多重逆变电路和多电平逆变电路。

  本章无源逆变逆变电路的应用：蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，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的核心部分都是逆变电路。

  本章仅讲述逆变电路基本内容，第6章PWM控制技术和第8章组合变流电路中，有关逆变电路的内容会进一步展开1换流方式（1）逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：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。

  S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o 为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，u o为负，把直流电变成了交流电。

  图5-1 逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流i o和u o的波形相同，相位也相同。

  t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，u o变负，但i o不能立刻反向。

  i o从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，i o逐渐减小，t2时刻降为零，之后i o才反向并增大（2）换流方式分类换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。

  半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。

  本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。

  其工作原理主要是通过控制开关器件的通断状态，使得直流输入得以转换为交流输出。

  一、单相逆变电路的基本结构单相逆变电路通常由整流桥、滤波电路和逆变桥组成。

  整流桥用于将交流输入转换为直流输出，然后经过滤波电路进行滤波处理，最终输入到逆变桥中进行逆变处理，将直流电转换为交流电输出。

  逆变桥由交叉连接的晶闸管或MOSFET器件组成，通过控制这些开关器件的通断状态，可以实现交流输出的频率和幅值调节，从而实现对输出电压的控制。

  二、单相逆变电路的工作原理1. 整流桥工作原理当交流电源输入时，整流桥中的晶闸管或二极管将正负半周的交流电转换为相同方向的直流电。

  在正半周时，D1和D2导通，而D3和D4截止；在负半周时，D3和D4导通，而D1和D2截止。

  2. 滤波电路工作原理滤波电路主要由电容器和电感器构成，其作用是将整流输出中的脉动电流进行平滑处理，以得到更稳定的直流电输出。

  电容器可以对电流进行储存和释放，从而减小输出波动；电感器则可以对电流进行滞后作用，进一步平滑输出。

  3. 逆变桥工作原理逆变桥由晶闸管或MOSFET器件构成，这些开关器件能够最终靠控制电压信号的施加来实现其通断状态的控制。

  通过逆变桥可以实现对输出电压幅值和频率的调节，进而得到不同频率和幅值的交流电输出。

  当逆变桥中的晶闸管或MOSFET导通时，相应的输出端就会出现相反的电压，从而实现了电流的反向流动，进而实现了直流到交流的转换。

  三、单相逆变电路的应用单相逆变电路广泛应用于各种场合，如UPS电源、太阳能逆变器、变频空调等。

  UPS电源主要用于对电力电子的变流和逆变功能，以实现电网与电池之间的双向转换，确保电力系统的稳定可靠；太阳能逆变器则主要用于将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，从而供给家庭或工业用电；而变频空调则利用逆变技术实现对电机速度的调节，从而实现对空调压缩机的能耗控制。

  ①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准

  •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。

  • 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°，

  •t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。

  单相逆变电路工作原理单相逆变电路是一种将直流电转换为交流电的电路，它在很多电力系统中都有着重要的应用。

  一、整流阶段在单相逆变电路中，首先需要将输入的交流电转换为直流电，这个过程就是整流阶段。

  整流桥是由四个二极管组成的桥形电路，可以将输入的交流电转换为单向的脉动直流电。

  因此通常会使用大电容进行滤波，以消除整流产生的脉动电压，使得直流电平稳输出。

  二、中间储能阶段整流后的直流电会进入中间储能阶段，这个阶段通常采用电容和电感进行储能。

  在中间储能阶段，需要注意电容和电感的选取以及匹配，以确保良好的储能效果和稳定的输出。

  三、逆变阶段经过整流和中间储能后的直流电将会输入到逆变器中，逆变器是将直流电转换为交流电的关键部件。

  逆变器通常采用晶体管或晶闸管等器件来实现，通过控制这些器件的导通和关断来实现对直流电的逆变。

  在逆变过程中，需要根据实际需要来确定输出的交流电参数，包括电压、频率、波形等。

  在工作中，单相逆变电路还需要注意保护和控制等方面的问题，以确保电路的安全运行和稳定输出。

  总结：单相逆变电路通过整流、中间储能和逆变三个阶段，实现了将直流电转换为交流电的功能。

  单相逆变电路在家庭电器、太阳能发电等领域都有着广泛的应用，对于理解和掌握其工作原理具有重要意义。

  单相半桥电压型逆变电路是一种常见的逆变电路拓扑结构，常用于单相交流电源到直流电源的转换，适用于小功率应用。

  总体而言，半桥电压型逆变电路通过控制功率开关的导通时间，实现对输出交流电压幅值的调节，从而满足负载的电源需求。

  它通过控制开关器件的导通和断开，改变电源的电压极性，从而使其输出交流电压。

  当开关管导通时，直流电源通过负载流动，而当开关管断开时，电容滤波器中的电荷会继续为负载提供能量，从而形成一个交流电压。

  1. 当开关管导通时，直流电源的电流流向负载，电容滤波器会充电，同时负载得到电源供电。

  2. 当开关管断开时，负载中的电流不能突然中断，否则会造成负载电压变化，所以电容滤波器中的电荷会继续流向负载，保持电流的连续性。

  这时，电容滤波器会通过与负载串联的电感元件形成一个回路，而电荷的流动会继续为负载提供电能，从而形成一个交流电压。

  思考2：在导电方式一下工作，如果要改变输出电 压的有效值（即幅值），应该采取什么样的方式？ ★只能靠改变输入直 流电压的大小来改变 输出电压的有效值。 能否不改变直流电 压，直接进行调制 呢？为此提出了导 电方式二：

  图5-1 i 从电源负极流出，经 S S3流回正极，负载电 2、负载和 o t1时刻断开 St 、 S ，合上 S 、 S ， u 变负，但 u 1 1前： 4 S1、S4通， 2 3 o 和i o o 均为正 io不能立刻 电流从一条支路转移到另一条支路称为换流。 感能量向电源反馈， io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io 反向

  思考：在导电方式一下工作，如果要改变输出电压第二十讲-第二十三讲 单相与三相逆变电路

  用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路 的组合。

  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。

  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。 依次间导隔通60顺°序，T每1→个T桥2→臂T导3→通T14→20T°5→。T这6， 样，每个时刻上桥臂组和下桥臂组中都 各有一个臂导通。

  负载:纯电阻, 在[0,π]，T1导通，T2截止， u0=Ud / 2 。在[π, 2π]，T2导通， T1截止， u0=-Ud / 2 。

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  逆变电路的基本工作原理1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。

  图5-1 逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

  io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大（2）换流方式分类换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。

  半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一段时间反压，才能关断。

  本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。

  2、电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。

  可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。

  3、负载换流由负载提供换流电压叫做负载换流（Load Commutation）。

  图5-2 负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管，负载：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。

  电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld， id基本没脉动。

  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，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。

  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向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。

  图5-3 直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。

  两种电感耦合式强迫换流：图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。

  图5-4 电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）。

  先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）。

  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。

  2电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

  图5-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。

  为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管（1）单相电压型逆变电路1、半桥逆变电路电路结构：见图5-6。

  uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

  图5-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。

  1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180。

  io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。

  输出电压定量分析uo成傅里叶级数 (5-1)基波幅值 (5-2)基波有效值 (5-3)uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。

  图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式3、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，Ud和负载相同，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5-8 带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较，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。

  180导电方式：每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120，任一瞬间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。

  图5-9 三相电压型桥式逆变电路波形分析：图5-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，uUN=Ud/2，4通，uUN=-Ud/2。

  负载已知时，可由uUN波形求出iU 波形，一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。

  定量分析：a、输出线电压uUV展开成傅里叶级数 (5-8)式中，，k为自然数输出线)b、负载相电压uUN展开成傅里叶级数得：(5-12)式中，，k为自然数负载相电压有效值 (5-13)基波幅值 (5-14)基波有效值 (5-15)防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

  图5-11 电流型三相桥式逆变电路电流型逆变电路主要特征：(1)直流侧串大电感，相当于电流源。

  （1）单相电流型逆变电路图5-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器LT限制晶闸管开通时的di/dt。

  1、4和2、3以1000～2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电。

  因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波。

  t1-t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。

  io在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大于t2和t4的中点。

  保证晶闸管的可靠关断（图5-13）：晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tβ，tβ= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。

  td为触发引前时间 (5-16)io超前于uo的时间为(5-17)表示为电角度 (5-18)ω为电路工作角频率；γ、β分别是tγ、tβ对应的电角度）图5-13 并联谐振式逆变电路工作波形数量分析：忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数 (5-19)基波电流有效值 (5-20)负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降） (5-21)实际在做的工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。