第4章直流交流變換器(逆變器)

1第四章直流/交流變換器（逆變器）電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)（第三版）2第四章直流/交流變換器（逆變器）4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3單相逆變器單脈波脈沖寬度控制(PWM)4.4正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)技術(shù)4.5三相逆變電路工作原理4.6大功率逆變電路3第四章直流/交流變換器4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3單相逆變器單脈波脈沖寬度控制4.4正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)4.5三相逆變電路工作原理4.6大功率逆變電路4逆變器的類型逆變器輸出波形性能指標(biāo)4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)5逆變器的類型(按直流電源特性分類)電壓型逆變器VSI電流型逆變器CSICdLdVSI

特點(diǎn)：直流輸入具有電壓源特性，故逆變輸出也呈現(xiàn)電壓源特性;橋臂不可直通，輸出不可短路。CSI特點(diǎn)：直流輸入具有電流源特性，故逆變輸出也呈現(xiàn)電流源特性;橋臂可直通，輸出可短路。VSI應(yīng)用廣泛，CSI通常在大功率領(lǐng)域有所應(yīng)用。原因是：電感儲能密度小，導(dǎo)致裝置的體積大，笨重;多數(shù)全控器件不具備逆阻特性,使用時需串聯(lián)二極管。6單相半橋單相全橋推挽逆變?nèi)鄻蚴紺o2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4b也稱H橋逆變器的類型(按逆變器電路結(jié)構(gòu)分類)OVD/2VD/2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABC7按輸出電壓不同分為：1.

恒壓恒頻型（CVCF，ConstantVoltageConstantFrequency

）2.

變壓變頻型（VVVF，VariableVoltageVariableFrequency

）3.脈沖電壓（電流）型按開關(guān)器件不同及換流關(guān)斷方式不同分類：1.自關(guān)斷型2.強(qiáng)迫關(guān)斷型3.電網(wǎng)換流型（有源逆變或負(fù)載反電動勢換流）4.負(fù)載諧振換流型逆變器的類型(其它分類方式)8諧波系數(shù)HF總諧波系數(shù)THD畸變系數(shù)DF最低次諧波LOH逆變器輸出波形性能指標(biāo)9諧波系數(shù)HF諧波系數(shù)（HarmonicFactor）定義：第n次諧波分量的有效值和基波分量的有效值之比。定義公式：

HFn=Vn

/V1無效成份有效成份越小越好意義：

HF表征了某一次諧波含量相對于基波的大小。

10總諧波系數(shù)THDTHD（TotalHarmonicDistortion）定義：所有非基波成份的有效值與基波分量有效值之比。定義公式：

總無效成份有效成份越小越好理想正弦為零意義：

THD表征了實(shí)際波形與理想基波正弦分量的差異程度。

公式變形：

11畸變系數(shù)DF畸變系數(shù)（DistortionFactor）：

各次諧波分量經(jīng)過加權(quán)以后的總有效值與基波有效值之比。加權(quán)的含義：濾波器對不同的頻率分量衰減不同，故濾波后的各諧波分量不再是濾波前的值。應(yīng)該將濾波器對諧波的衰減效應(yīng)體現(xiàn)出來。不同類型的濾波器對相同頻率的諧波衰減也不同。DF的意義：評估非正弦的周期性波形經(jīng)過濾波以后的畸變程度。12DFI：對應(yīng)一階濾波器DF

的定義式DFII：對應(yīng)二階濾波器第n次諧波經(jīng)過濾波器后，衰減為原來的1/n2第n次諧波經(jīng)過濾波器后，衰減為原來的1/n13最低次諧波LOH最低次諧波（Lowest-OrderHarmonic）：

距離基波頻率最近的諧波

關(guān)注LOH的原因：

逆變器的濾波器一般具有低通特性，對高次諧波衰減強(qiáng)烈。因此濾波器設(shè)計時重點(diǎn)考慮濾波器對最低次諧波的衰減效果。LOH的決定因素：

1.開關(guān)頻率

2.調(diào)制方式14第四章直流/交流變換器4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3單相逆變器單脈波脈沖寬度控制4.4正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)4.5三相逆變電路工作原理4.6大功率逆變電路15電壓型單相半橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路變壓器中心抽頭推挽式單相逆變電路4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理16電壓型單相半橋逆變電路（電阻負(fù)載）電容很大，近似認(rèn)為電容電壓恒定。電容相等，電壓均分。T1、T2周期性交替通、斷，產(chǎn)生交變的VanT1驅(qū)動導(dǎo)通時，T2關(guān)斷；2.T2驅(qū)動導(dǎo)通時，T1關(guān)斷。Co2nCo1T1T2D1D2RaiaVD驅(qū)動T1驅(qū)動T2T1ONT2ONvanT0.5VD0t輸出電壓波形0.5VD/R0tia負(fù)載電阻電流波形17電壓型單相半橋逆變電路（純電感負(fù)載）T1驅(qū)動導(dǎo)通時，T2關(guān)斷。2.

T2驅(qū)動導(dǎo)通時，T1關(guān)斷電流為什么沒有直流分量？驅(qū)動T1驅(qū)動T2D1T1D2T2T0.5VD0tvan輸出電壓波形T0tia負(fù)載電感電流波形Co2nCo1T1T2D1D2LaiaVD18電壓型單相半橋逆變電路（阻感負(fù)載）Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT0.5VD0tvan輸出電壓波形To0tia負(fù)載電感電流波形驅(qū)動T1驅(qū)動T2D1T1D2T219電壓型單相全橋逆變電路（電阻負(fù)載）T1、T4一組，T2、T3一組兩組器件周期性交替通、斷產(chǎn)生交變的VabT1、T4驅(qū)動導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷T2、T3驅(qū)動導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷T3T4D3D4RaiaVDT1D1T2D2bidvabToVD0t輸出電壓波形VD/R0tia負(fù)載電阻電流波形驅(qū)動T1和T4驅(qū)動T2和T320電壓型單相全橋逆變電路（電感負(fù)載）T1、T4通，T2、T3斷時。T2、T3通，T1、T4斷時。iam=VD/4fL

TVD0tvab輸出電壓波形T0tia負(fù)載電感電流波形驅(qū)動T1和T4驅(qū)動T2和T3T3T4D3D4LaiaVDT1D1T2D2bidD1

D4T1

T4D2

D3T2

T321電壓型單相全橋逆變電路（阻感負(fù)載）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bid驅(qū)動T1和T4驅(qū)動T2和T3D1

D4T1

T4D2

D3T2

T3輸入電流波形ToVD0tvabTo0tiaTo0tid輸出電壓波形R-L負(fù)載電流波形基波電流基波電流在直流側(cè)的形態(tài)22變壓器中心抽頭推挽逆變電路僅二個開關(guān)T1、T2輪流導(dǎo)電180°；開關(guān)管斷態(tài)電壓為2VD；

要輸出變壓器；適用于低壓小功率、需電氣隔離的應(yīng)用場合。23第四章直流/交流變換器4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3單相逆變器單脈波脈沖寬度控制4.4正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)4.5三相逆變電路工作原理4.6大功率逆變電路24單相逆變器單脈波脈沖寬度控制通過輸入直流調(diào)壓逆變器本身調(diào)壓逆變器輸出電壓調(diào)節(jié)方式25通過輸入直流調(diào)壓以上兩種調(diào)壓方式均需要可控的直流輸入26逆變器本身調(diào)壓180°不可調(diào)壓單脈沖調(diào)制調(diào)壓多脈沖調(diào)制調(diào)壓T0tvo180°方波VDT0tvo單脈沖方波VDθvoT0tPWM輸出電壓VD27單脈沖調(diào)壓方式θNωt0.5VD-0.5VDVan

T1、T2橋臂輸出電壓波形T3、T4橋臂輸出電壓波形ωtVbn0.5VD-0.5VDT1、T2橋臂按180°方式開關(guān)T3、T4橋臂按180°方式開關(guān)兩橋臂驅(qū)動信號錯開θ角Vab=Van-Vbnθ

全橋電路輸出電壓Vab的波形ωtVabVD-VD輸出電壓大?。焊淖円葡嘟铅?，也就調(diào)節(jié)了輸出電壓電壓，故也稱移相調(diào)壓。nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T2D2bidVD/228單脈沖調(diào)壓的電壓調(diào)節(jié)特性基波幅值：諧波幅值：輸出基波電壓大小平滑可調(diào)；輸出基波頻率可調(diào)；低次諧波幅值大，濾除困難。2π0ωtθπ29第四章直流/交流變換器4.1逆變器的類型和性能指標(biāo)4.2電壓型單相方波逆變電路工作原理4.3單相逆變器單脈波脈沖寬度控制4.4正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)4.5三相逆變電路工作原理4.6大功率逆變電路30

SPWM基本原理雙極性SPWM調(diào)制單極性SPWM調(diào)制規(guī)則采樣SPWM

SPWM的諧波特性指定諧波消除調(diào)制正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)31SPWM基本原理大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（面積），即變量對時間的積分相等，其作用效果相同。換而言之，無論沖量的表現(xiàn)形式如何，只要是沖量等效的脈沖作用在慣性系統(tǒng)上，慣性系統(tǒng)的輸出或響應(yīng)是基本相同的。正弦形電壓正弦電流正弦等效窄脈沖序列基本上是正弦電流沖量等效原理按Δt分成片段ΔtVd32SPWM基本原理αKDK

按正弦規(guī)律變化，故脈沖面積按正弦規(guī)律變化M：調(diào)制比輸出電壓基波與M成正比：VDωt2πv(t)0πωt0v

ab(t)-VDTsTK基于沖量等效原理的直接SPWM33雙極性SPWM調(diào)制（脈沖生成）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bidVDVab0ωt2π0ωtVrmvrvcVcm34雙極性SPWM調(diào)制（等效面積）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bid35雙極性SPWM調(diào)制（特性）基波特性：基波大小與調(diào)制比M成正比諧波波特性：消除了低次諧波，3、5、7…等次諧波沒有了。LOH在開關(guān)頻率附近，載波比N越大，LOH越高，有利于濾波。諧波幅值可以與基波相比較，甚至更大。如果M大于1，輸出電壓會怎樣？這時的THD會如何？36SPWM的優(yōu)點(diǎn)00.5π-101π1.5π2π0.4πTHD=65.5%V1m=0.748VD單脈沖寬度調(diào)制濾波前波形10-100.5ππ1.5π2πTHD=160%V1m=0.748VDN=50雙極性SPWM濾波前波形3Ω2mH50μf由于SPWM的諧波頻率高，濾波器對高次諧波有強(qiáng)烈的衰減作用單脈沖寬度調(diào)制濾波后波形0.5π2π0-101πTHD=52.4%V1m=0.74VD1.5πTHD=4.83%V1m=0.74VD0.8-0.8000.5ππ2π雙極性SPWM濾波后波形1.5π37單極性SPWM調(diào)制（脈沖生成）nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T2D2bidVD/2vc-vcTcvrVD-VDωtωtvab38單極性SPWM調(diào)制（脈沖面積）nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T2D2bidVD/2一個載波周期，輸出兩個脈沖39單極性SPWM調(diào)制（特點(diǎn)）基波特性：基波大小與調(diào)制比M成正比諧波波特性：消除了低次諧波，3、5、7…等次諧波沒有了。諧波幅值仍然可以與基波相比較，甚至更大。LOH在兩倍開關(guān)頻率附近，比雙極性SPWM優(yōu)越。最低次諧波頻率（LOH）提高一倍，相當(dāng)于雙極性調(diào)制兩倍開關(guān)頻率的效果，所以也稱單極倍頻SPWM。N=7時，基波與諧波相對值40規(guī)則采樣SPWM，

，

不對稱規(guī)則采樣：對稱規(guī)則采樣：差異：不對稱規(guī)則采樣的脈寬計算量、采樣頻率是對稱規(guī)則采樣的2倍不對稱調(diào)制的采樣頻率是開關(guān)頻率的2倍。不對稱規(guī)則采樣的諧波比對稱規(guī)則采樣小。規(guī)則采樣適合微處理器計算41SPWM的諧波特性（雙極性）基波的頻率、相位均與調(diào)制波或參考波相同，基波幅值為MVD。輸出波形不含載波偶次倍頻諧波。諧波間隔為兩倍基波頻率，奇次載頻兩側(cè)為偶次邊帶諧波，偶次載頻兩側(cè)為奇次邊帶諧波。0