第5章直流-交流(DC-AC)变换1

1、第第5 5章章 无源逆变电路无源逆变电路 5.15.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 5.25.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 5.35.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.45.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.55.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 5.11 1）定义：）定义：如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直如果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，流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，2 2）应用：）应用：它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电

2、机的它用于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。串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。l1 1）定义：）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到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，流电供给负载，l2 2）应用：）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源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。等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。 1 1、有源逆变、有源逆变: :2

3、 2、无源逆变：、无源逆变：逆变器的性能指标逆变器的性能指标 （1 1）谐波系数）谐波系数HFHF（Harmonic FactorHarmonic Factor） 谐波系数谐波系数HFHF定义为谐波分量有效值同基波分量有效值定义为谐波分量有效值同基波分量有效值之比，即之比，即 式中式中n=1n=1、2 2、3 3， 表示谐波次数，表示谐波次数，n=1n=1时为基波。时为基波。(5.1.1(5.1.1) )1UUHFn （2 2）总谐波系数）总谐波系数THDTHD（Total Harmonic Total Harmonic DistrotionDistrotion） 4 . 3,2211nnUU

4、THD(5.1.2(5.1.2) )（5 5）电磁干扰（）电磁干扰（EMIEMI）和电磁兼容性（）和电磁兼容性（EMCEMC）（3 3）逆变效率）逆变效率 （4 4）单位重量的输出功率）单位重量的输出功率: :衡量逆变器输出功率密度的指标。衡量逆变器输出功率密度的指标。总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THDTHD定义为定义为逆变电路的分类逆变电路的分类 电压型电压型：电压型逆变器的输人端并接有大电容，输入直电压型逆变器的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。流电源为恒压源，逆变器将直流电压变换成

5、交流电压。 电流型电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直电流型逆变器的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。电流输出。5.1.2（1 1）、根据输入直流电源特点分类）、根据输入直流电源特点分类 半桥式逆变电路；半桥式逆变电路； 全桥式逆变电路；全桥式逆变电路； 推挽式逆变电路；推挽式逆变电路； 其他形式：如单管晶体管逆变电路。其他形式：如单管晶体管逆变电路。（2 2）、根据电路的结构特点分类）、根据电路的结构特点分类 器件换流（自换流）型逆变电路；器件换流（自换流）型逆变电路； 电网换流型逆

6、变电路；电网换流型逆变电路； 负载换流型逆变电路；负载换流型逆变电路； 脉冲换流型逆变电路；脉冲换流型逆变电路； 逆变电路的分类逆变电路的分类5.1.2（3 3）、根据换流方式分类）、根据换流方式分类（4 4）、根据负载特点分类）、根据负载特点分类 非谐振式逆变电路非谐振式逆变电路 谐振式逆变电路谐振式逆变电路逆变电路用途逆变电路用途 1 1、可以做成变频变压电源（、可以做成变频变压电源（VVVFVVVF），主要用于交流），主要用于交流电动机调速电动机调速。5.1.3 2 2、可以做成恒频恒压电源（、可以做成恒频恒压电源（CVCFCVCF），其典型代表为），其典型代表为不间断电源（不间断电源（

7、UPSUPS）、航空机载电源、机车照明，通信等）、航空机载电源、机车照明，通信等辅助电源也要用辅助电源也要用CVCFCVCF电源。电源。 3 3、可以做成感应加热电源，例如中频电源，、可以做成感应加热电源，例如中频电源，高频电源等。高频电源等。逆变器的用途十分广泛：逆变器的用途十分广泛：第第5 5章章 无源逆变电路无源逆变电路 5.15.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 5.25.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 5.35.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.45.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.55.5 逆变器的逆变器的SPWMSPWM控制技术控制技术 逆变电

8、路的工作原理逆变电路的工作原理 U Ud d为输入直流电压，为输入直流电压，R R为逆变器的输出负载。为逆变器的输出负载。 当开关当开关T T1 1、T T4 4闭合，闭合，T T2 2、T T3 3断开时，逆变器输出断开时，逆变器输出电压电压u u0 0= =U Ud d； 当开关当开关T T1 1、T T4 4断开，断开，T T2 2、T T3 3闭合时，输出电压闭合时，输出电压 u u0 0= =U Ud d ; ; 当以频率当以频率f fS S交替切换开关交替切换开关T T1 1、T T4 4和和T T2 2、T T3 3时，则在时，则在电阻电阻R R上获得如图上获得如图5.2.4(b

9、5.2.4(b) )所示的交变电压波形，所示的交变电压波形，其周期其周期T Ts s=1/=1/f fS S，这样，就将直流电压这样，就将直流电压E E变成了交变成了交流电压流电压u uo o。u uo o含有各次谐波，如果想得到正弦波含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。电压，则可通过滤波器滤波获得。图图5.2.1 单相桥式逆变单相桥式逆变 电路工作原理电路工作原理 5.2.21、主要功能、主要功能: 图图5.2.1(a)中主电路开关中主电路开关T1T4，它实际是各种半导体开关器件的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一种理想模型。逆变电

10、路中常用的开关器件有快速晶闸管快速晶闸管、可关可关断晶闸管（断晶闸管（GTO）、功率晶体管（功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（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。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、工作原理：第第5 5章章 无源逆变电路无源逆变电路 5.15.1 逆变器的性能指标与分类逆变器的性能指标与分类 5.25.2 逆变电路的工作原理逆变电路的工作原理 5.35.3 电压型逆变电路电压型逆变电路 5.45.4 电流型逆变电路电流型逆变电路 5.55.5 逆变器的逆变

11、器的SPWMSPWM控制技术控制技术 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 它由两个导电臂构成，每个导电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极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容串联的足够大的电容CC1 1和和CC2 2，且且满足满足CC1 1=C=C2 2。设感性负载连接在设感性负载连接在A A、0 0两点间。两点间。 T T1 1和和T T2 2之间存在死区时间，以避免之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。管均无驱动信号。图图5.

12、3.1 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电压型半桥逆变电路及其电压电流波形 5.3.1电压型逆变电路电压型逆变电路半桥逆变半桥逆变电路结构及波形：电路结构及波形： 在一个周期内，电力晶体管在一个周期内，电力晶体管T T1 1和和T T2 2的基极信号的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载，设若负载为阻感负载，设t t2 2时刻以前，时刻以前，T T1 1有驱动有驱动信号导通，信号导通，T T2 2截止，则截止，则 u u0 0=U=Ud d/2/2。 t t2 2时刻关断的时刻关断的T T1 1，同时给同时给T T2 2发出导通信号。由发

13、出导通信号。由于感性负载中的电流于感性负载中的电流ioio不能立即改变方向，于不能立即改变方向，于是是D D2 2导通续流，导通续流，u u0 0= =U Ud d /2/2 t t3 3时刻时刻ioio降至零，降至零，D D2 2截止，截止，T T2 2导通，导通， ioio开始反开始反向增大，此时仍然有向增大，此时仍然有u u0 0= =U Ud d /2/2 。 在在t t4 4时刻关断时刻关断T T2 2，同时给同时给T T1 1发出导通信号，由发出导通信号，由于感性负载中的电流于感性负载中的电流ioio不能立即改变方向，不能立即改变方向，D D1 1先导通续流，此时仍然有先导通续流，

14、此时仍然有u u0 0= =U Ud d /2 /2 ； t t5 5时刻时刻ioio降至零，降至零， T T1 1导通，导通，u u0 0= =U Ud d /2 /2 ； 图图5.3.1 电压型半桥逆变电压型半桥逆变电路及其电压电流波形电路及其电压电流波形 5.3.11 1、电压型逆变电路、电压型逆变电路半桥逆变电路半桥逆变电路工作原理：工作原理：电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 缓缓冲冲电电感感反反馈馈的的无无功功能能量量 输出输出电压有效值电压有效值为为: : 由傅里叶分析，输出由傅里叶分析，输出电压瞬时值电压瞬时值为为: : 其中，其中， 为输出电压角频率。为输出电压角频

15、率。 当当 n=1n=1时其时其基波分量的有效值基波分量的有效值为为: : 5.3.122222/0dTdSOUdtUTUStnnUundo sin2, 5 , 3, 1 ddOUUU45. 0221(5.3.1)(5.3.2)(5.3.3)sf 2 图图5.3.1 电压型半桥逆变电路电压型半桥逆变电路及其电压电流波形及其电压电流波形 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路缺点：缺点：5.3.11）交流电压幅值仅为）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；）直流侧需分压电容器；3 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接接LC滤波器，

16、输出滤波器滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输滤除逆变器输出电压中的高次谐波。出电压中的高次谐波。 l优点：优点： 简单，使用器件少；简单，使用器件少；应用：应用：用于几用于几kW以下的小功率逆变电源；以下的小功率逆变电源；电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 全控型开关器件全控型开关器件T T1 1和和T T4 4构成一对桥臂，构成一对桥臂，T T2 2和和T T3 3构成一对桥臂构成一对桥臂, , T T1 1和和T T4 4同时通、同时通、断；断；T T2 2和和T T3 3同时通、断。同时通、断。T T1 1(T)(T)4 4与与T T2 2(T(T3 3) )的驱动信号互补，即

17、的驱动信号互补，即T T1 1和和T T4 4有驱动信有驱动信号时，号时，T T2 2和和T T3 3无驱动信号，反之亦然，无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通两对桥臂各交替导通180180。图图5.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 5.3.21、电路工作过程：、电路工作过程：电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路输出方波电压瞬时值：输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值：输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：基波分量的有效值：图图5.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形

18、图 5.3.2(5.3.6)ddOUUU9 . 0241 dTdsOUdtUTUs 22/01tnnUundo sin4, 5 , 3, 1 (5.3.4)(5.3.5) 同单相半桥逆变电路相比，在相同负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。值为单相半桥逆变电路的两倍。1 1）纯电阻负载时）纯电阻负载时电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0 0t tT Ts s4 4期间，期间，D D1 1、D D4 4导通起负载电导通起负载电流续流作用，在此期间流续流作用，在此期间T T1 1 T T4

19、4均不导通。均不导通。 T Ts/s/2t3T2t3Ts s4 4期间，期间，D D2 2、D D3 3导通导通起负载电流续流作用，在此期间起负载电流续流作用，在此期间T T1 1 T T4 4均均不导通。不导通。图图5.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 5.3.22 2）电感负载时）电感负载时22somodTILdtdiLU dsomULTI4 由由可得负载电流峰值为：可得负载电流峰值为：(5.3.7) 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路 0 0 t t 期间，期间，T T1 1和和T T4 4有驱动信号，有驱动信号，由于电

20、流由于电流ii0为负值，为负值，T T1 1和和T T4 4不导通，不导通，D D1 1、D D4 4导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u u0 0=+=+U Ud d。 t t期间，期间， ii0为正值，为正值，T T1 1和和T T4 4才才导通。导通。 t t+ + 期间，期间，T T2 2和和T T3 3有驱动信号，有驱动信号，由于电流由于电流ii0为负值，为负值，T T2 2、T T3 3不导通，不导通，D D2 2、D D3 3导通起负载电流续流作用，导通起负载电流续流作用， u u0 0= =U Ud d 。 + + t t2 2 期间，期间，T T2 2和和T

21、T3 3才导通。才导通。5.3.23 3）阻感负载）阻感负载RLRL时时图图5.3.2 电压型单相全桥逆变电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图电路和电压、电流波形图 图图5.3.2(e)所示是所示是RL负载时直流电源输负载时直流电源输出电流出电流i0的波形。图的波形。图5.3.2(f)所示是所示是RL负载时负载时直流电源输入电流直流电源输入电流id的波形。的波形。电压型三相桥式逆变电路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电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为工作方式为180180导电型，即每个桥导电型，即每个桥臂的导电角为臂的导电角为180180，同一相上下桥，同一相上下

22、桥臂交替导电的纵向换流方式，各相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开始导电的时间依次相差120120。 在一个周期内，在一个周期内，6 6个开关管触个开关管触发导通的次序为发导通的次序为T T1 1TT2 2 T T3 3 T T4 4 TT5 5TT6 6 ，依次相隔依次相隔6060，任一时，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为组合顺序为T T1 1T T2 2T T3 3，T T2 2T T3 3T T4 4，T T3 3T T4 4T T5 5，T T4 4T T5 5T T6 6，T T5 5T T6 6T T1 1，T T6 6T T1 1T T2 2，每种组合工每种组合工作作6060。图图5.3.3 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 5.3.31 1、工作过程：、工作过程：电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 将一个工作周期分成将一个工作周期分成6 6个区域。个区域。 在在000, u0, ug2g20,