第4章 直流交流变换器(逆变器)

1、1第四章第四章 直流直流/ /交流变换器（逆变器）交流变换器（逆变器）电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）电力电子变换和控制技术（第三版）2第四章第四章 直流直流/ /交流变换器（逆变器）交流变换器（逆变器）4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制(PWM)4.4 正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路3第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽

2、度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路4n逆变器的类型n逆变器输出波形性能指标4.1 4.1 逆变器的类型和性能指标逆变器的类型和性能指标5逆变器的类型(按直流电源特性分类) 电压型逆变器电压型逆变器VSIVSI 电流型逆变器电流型逆变器CSI CSI CdLdVSI 特点：特点：直流输入具有电压源特性，故逆直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性变输出也呈现电压源特性; ;1. 1.桥臂不可直通，输出不可短路。桥臂不可直通，输出不可短路。CSI 特点：特点：直流输入具有电流源特性，故逆直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性变输出也呈现电流源特性;

3、;1. 1.桥臂可直通，输出可短路。桥臂可直通，输出可短路。VSI应用广泛，应用广泛，CSI通常在大功率领域有所应用。原因是：通常在大功率领域有所应用。原因是：电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重; ;1. 1.多数全控器件不具备逆阻特性多数全控器件不具备逆阻特性, ,使用时需串联二极管。使用时需串联二极管。6 单相半桥单相半桥 单相全桥单相全桥 推挽逆变推挽逆变 三相桥式三相桥式 Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4b也称H桥逆变器的类型(按逆变器电路结构分类)OVD /2VD /2T3T6D3D6T1

4、D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABC7按输出电压不同分为：按输出电压不同分为：1.1. 恒压恒频型（恒压恒频型（CVCF，Constant Voltage Constant Frequency ）2.2. 变压变频型（变压变频型（VVVF，Variable Voltage Variable Frequency ）3. 3. 脉冲电压（电流）型脉冲电压（电流）型按开关器件不同及换流关断方式不同分类：按开关器件不同及换流关断方式不同分类：1.1.自关断型自关断型2.2.强迫关断型强迫关断型3.3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）4.4.负载

5、谐振换流型负载谐振换流型逆变器的类型(其它分类方式)8n 谐波系数 HFn 总谐波系数 THDn 畸变系数 DFn 最低次谐波 LOH逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标9谐波系数 HF谐波系数（Harmonic Factor）定义： 第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比。 定义公式： HFn = Vn / V1无效成份有效成份越小越好意义： HF表征了某一次谐波含量相对于基波的大小。 102n2n11VVTHD总谐波系数 THDTHD （Total Harmonic Distortion）定义： 所有非基波成份非基波成份的有效值与基波分量有效值之比。 定义公式： 总无效成份有

6、效成份越小越好理想正弦为零意义： THD表征了实际波形与理想基波正弦分量的差异程度。 公式变形： 1211211n2nVVVVVTHD11畸变系数 DF畸变系数（Distortion Factor） ： 各次谐波分量经过加权加权以后的总有效值与基波有效值之比。加权的含义：滤波器对不同的频率分量衰减不同，故滤波后的各谐波分量不再是滤波前的值。应该将滤波器对谐波的衰减效应体现出来。1. 不同类型的滤波器对相同频率的谐波衰减也不同。DF的意义：评估非正弦的周期性波形经过滤波以后的畸变程度。12DFI：对应一阶滤波器2n2n1In1VVDFDF 的定义式DFII：对应二阶滤波器2n22n1IIn1VV

7、DF第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n2第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n13最低次谐波 LOH最低次谐波（Lowest-Order Harmonic） ： 距离基波频率最近的谐波 关注LOH的原因： 逆变器的滤波器一般具有低通特性，对高次谐波衰减强烈。因此滤波器设计时重点考虑滤波器对最低次谐波的衰减效果。 LOH的决定因素： 1.开关频率 2.调制方式14第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆

8、变电路15n 电压型单相半桥逆变电路n 电压型单相全桥逆变电路n 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路4.24.2电压型单相方波逆变电路工作原理16电压型单相半桥逆变电路（电阻负载） 电容很大，近似认为电容电压恒定。 电容相等，电压均分。 T1、T2周期性交替通、断，产生交变的VanT1驱动导通时，T2关断；2. T2驱动导通时，T1关断。,5,3,1Dansin2ntnnVvDD145.02VVVCo2nCo1T1T2D1D2RaiaVD驱动T1驱动T2T1 ONT2 ONvanT0.5VD0t输出电压波形0.5VD/R0tia负载电阻电流波形2T23T17电压型单相半桥逆变电路（纯电感负载）T

9、1驱动导通时，T2关断。2. T2驱动导通时，T1关断电流为什么没有直流分量？电流为什么没有直流分量？tiLtiLVaaDdd2amamamD882/4fLiTLiTiLV驱动T1驱动T2LfVioDam8 /D1T1D2T2T0.5VD0tvan输出电压波形T0tia负载电感电流波形2T23TCo2nCo1T1T2D1D2LaiaVD18电压型单相半桥逆变电路（阻感负载） 5 , 3 , 1nnnm1a)n(sinntZVi22n)n(LRZCo2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT0.5VD0tvan输出电压波形To0tia负载电感电流波形2T23T驱动T1驱动T2D1T1D2T219电

10、压型单相全桥逆变电路（电阻负载）T1、T4一组，T2、T3一组两组器件周期性交替通、断产生交变的VabT1、T4驱动导通，T2、T3关断T2、T3驱动导通，T1、T4关断ttttVv7sin715sin513sin31sin4DabDD1m27. 14VVVDD19 . 022VVV1mDnm1n4VnVVT3T4D3D4RaiaVDT1D1T2D2bidvabToVD0t输出电压波形VD/R0tia负载电阻电流波形2To23To驱动T1和T4驱动T2和T320电压型单相全桥逆变电路（电感负载）T1、T4通，T2、T3断时。T2、T3通，T1、T4断时。amamamaD442/2ddfLiTL

11、iTiLtiLtiLVaiam=VD/4fL TVD0tvab输出电压波形T0tia负载电感电流波形2T23T驱动T1和T4驱动T2和T3T3T4D3D4LaiaVDT1D1T2D2bidD1 D4T1 T4D2 D3T2 T321电压型单相全桥逆变电路（阻感负载）5 , 3 , 1nnn1ma)n(sinntZVi)sin(14122Da1tLRViT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bid驱动T1和T4驱动T2和T3D1 D4T1 T4D2 D3T2 T3输入电流波形ToVD0tvabTo0tia2To23ToTo0tid输出电压波形R-L负载电流波形基波电流基波电流在直流侧的形态

12、22变压器中心抽头推挽逆变电路 仅二个开关T1、T2轮流导电180； 开关管断态电压为2VD； 要输出变压器； 适用于低压小功率、需电气隔离的应用场合。23第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路24单相逆变器单脉波脉冲宽度控制n 通过输入直流调压n 逆变器本身调压逆变器输出电压调节方式25通过输入直流调压可可控控整整流流方方案案 可可 控控直直 流流电电 源源逆逆变变器器负负载载+-交交流流电电源源直直

13、流流环环 节节滤滤 波波 器器斩斩波波调调压压方方案案DC/DC斩斩波波器器逆逆变变器器负负载载二二极极管管整整流流器器滤滤波波器器以上两种调压方式均需要以上两种调压方式均需要可控可控的直流输入的直流输入26逆变器本身调压180不可调压单脉冲调制调压多脉冲调制调压T0tvo180方波VD2T23TT0tvo单脉冲方波VD2T23TvoT0tPWM输出电压VD2T23T27单脉冲调压方式Nt0.5VD-0.5VDVan T T1 1、T T2 2桥臂输出电压波形桥臂输出电压波形T3、T4桥臂输出电压波形桥臂输出电压波形tVbn0.5VD-0.5VDT1、T2桥臂按180方式开关T3、T4桥臂按1

14、80方式开关两桥臂驱动信号错开角Vab=Van-Vbn 全桥电路输出电压全桥电路输出电压Vab的波形的波形tVabVD-VD输出电压大小： ttttVtv7sin27sin715sin25sin513sin23sin31sin2sin4Dab改变移相角改变移相角，也就调节了输出电压电压，故也称移相调压。，也就调节了输出电压电压，故也称移相调压。nT3T4D3D4ZaiaVD /2T1D1T2D2bidVD /228单脉冲调压的电压调节特性2sin4D1mVV基波幅值：基波幅值：谐波幅值：谐波幅值：n2nsinn41mDnmVVV输出基波电压大小平滑可调；输出基波频率可调；低次谐波幅值大，滤除困

15、难滤除困难。4d1mVV4d3mVV4d5mVV4d7mVV20t29第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路30n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n指定谐波消除调制正弦脉冲宽度调制技术31SPWM基本原理大小、波形不相同的大小、波形不相同的窄窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积）

16、，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。输出或响应是基本相同的。 正弦形 电压正弦电流正弦等效窄窄脉冲 序列基本上是正弦电流冲量等效原理tVsin1m按t分成片段tVd32SPWM基本原理 SS1mSS1m)1(m1)1(abKD21sin21sin2cos1cos)sin()(SSTKTTVKTTKVdttVdttvTVSKTTKKTTKSSKSSD1mSKS

17、KKsin)21sin(2TTVVTTDKDK 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化M：调制比D1mVMV输出电压基波与M成正比：VDt2v(t)0t0v ab (t)-VDTsTK基于冲量等效原理的直接SPWM33双极性SPWM调制（脉冲生成）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bidVDVab0t20tVrmvrvcVcm9rcffNcmrmVVM 34双极性SPWM调制（等效面积）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bidcmrcmrcmCK1212VvVvVEHBFAEABTTDDDCKCDKCDKab121/2/VDVTTTVTTVTVrcmDabvVVVtVVV

18、VVtVVVtvtvrDcmrmDcmrrmDcmr1absinsin)()(35双极性SPWM调制（特性）tVtVMtVVVtvr1mrDrDcmrmab1sinsinsin)(基波特性：基波特性：基波大小与调制比M成正比谐波波特性：谐波波特性：消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。谐波幅值可以与基波相比较，甚至更大。如果如果M大于大于1，输出电，输出电压会怎样？压会怎样？这时的THD会如何？会如何？dn22VV36SPWM的优点00.5-1011.520.4THD=65.5%V1m=0.748VD单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制滤

19、波前波形滤波前波形10-100.51.52THD=160%V1m=0.748VDN = 50双极性双极性SPWM滤波前波形滤波前波形32mH50f由于由于SPWM的谐波频率高，滤波器对的谐波频率高，滤波器对高次谐波高次谐波有有强烈强烈的的衰减衰减作用作用 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制滤波后波形滤波后波形0.520-101THD=52.4%V1m=0.74VD1.5THD =4.83%V1m=0.74VD0.8-0.8000.52双极性双极性SPWM滤波后波形滤波后波形1.537单极性SPWM调制（脉冲生成）nT3T4D3D4ZaiaVD /2T1D1T2D2bidVD /2vc-vcTcvrV

20、D-VDttvab38单极性SPWM调制（脉冲面积）nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T2D2bidVD/2cmkrmcmrckckksin4/2/2/VVVvEAFBECFCTTTTDkcmrmckDabsin2/VVVTTVVDtVMVrDab1sin一个载波周期，输出两个脉冲39单极性SPWM调制（特点）基波特性：基波特性：基波大小与调制比M成正比谐波波特性：谐波波特性：消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。谐波幅值仍然可以与基波相比较，甚至更大。LOH在两倍两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。tVMVrDab1sin 最低次谐波频率（最低次谐波频率（LOH）提高一倍提高

21、一倍，相当于双极性调制两倍开关，相当于双极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频频率的效果，所以也称单极倍频SPWM。 dnnVVV22 M2132)( nV1V1513VV 1711VV 3125VV 2927VV cmrmVVM 时时基基波波和和谐谐波波值值6,14 PN0 00 0. .2 20 0. .4 40 0. .6 60 0. .8 81 1. .0 00 0. .2 20 0. .4 40 0. .6 60 0. .8 8N=7时，基波与谐波相对值dn22VVV 2/ 132V40规则采样SPWMcm2rSbcm1rSa)(14)(14vtvTTvtvTT ， ， 不对称

22、规则采样：对称规则采样：cm2or 1rSba)(14vtvTTT差异：差异：不对称规则采样的脉宽计算量、不对称规则采样的脉宽计算量、采样频率是对称规则采样的采样频率是对称规则采样的2倍倍不对称调制的不对称调制的采样频率采样频率是开关频是开关频率的率的2倍。倍。1.不对称规则采样的谐波比对称规不对称规则采样的谐波比对称规则采样则采样小小。规则采样适合微处理器计算41SPWM的谐波特性（双极性）边带谐波载波倍频谐波基波分量 )()(cos2)(sin)2(14 )(cos2sin)2(14 )cos()(rrcc1)0(nDcc01DrrDabtntmnmMmJmVtmmMmJmVtMVtvmn

23、nmn 基波的频率频率、相位相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。n 输出波形不含载波偶次倍频谐波。n 谐波间隔为两倍基波频率，奇次载频两侧为偶次边带谐波，偶次载频两侧为奇次边带谐波。0250.50.751.0双极性SPWM典型频谱图M=0.75N=1542SPWM谐波特性（单极性）tntmnmMmJmVtMVtvmnrc112nDrDab) 12(2cos) 1(cos)(214 cos)( 1020304050607000.250.50.751.0M=0.75N=15单极性SPWM典型频谱图 基波的基波的频率、相位频率、相位均与均与调制波或参考波相同，调制

24、波或参考波相同，基波幅值为基波幅值为MVD。 输出电压无载波奇次倍输出电压无载波奇次倍频及两侧的边带谐波。频及两侧的边带谐波。 输出电压中输出电压中不含载波频不含载波频率偶次倍频谐波率偶次倍频谐波。3. 载波偶次倍频两侧也载波偶次倍频两侧也仅含仅含奇次边带奇次边带谐波簇谐波簇。43规则采样SPWM谐波特性：n 会产生基波边带谐波，但很小，可忽略。n 不对称规则采样载波频率两侧既有奇次边带谐波也有偶次边带谐波。n 对称规则采样单极倍频SPWM不能完全消除奇次倍频的边带谐波。异步调制：n 同步调制：载波比是整数。n 异步调制：载波比不是整数n 次谐波：异步调制时谐波频率不再是基波的整数倍，称为次谐

25、波。n 低载波比时，对次谐波的考虑。规则采样和异步调制的谐波特性44指定谐波消除调制 017cos7cos7cos24015cos5cos5cos241coscoscos24321D7m321D5mD321D1mVVVVVMVVSHE（ Selected Harmonic Elimination ）： 大功率器件的开关频率低，即使采用SPWM，由于载波比小，仍然含有低次谐波。 求各次分量的傅里叶级数： （%）45第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.

26、5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路46n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWM调制n 三相逆变器电压空间矢量调制三相逆变电路工作原理47电压型三相逆变工作原理（电路）单相逆变器合成三相单相逆变器合成三相对应的变换器电路对应的变换器电路三个单相逆变器组合；三个单相逆变器组合；每个逆变器基波互差每个逆变器基波互差120 ；输出用三相变压器耦合输出用三相变压器耦合形成三相电压。形成三相电压。A相相：T1、T4、T1、T4B相相： T3、T6、T3、T6C相：相： T5、T2、T5、T2每相由一个每相由一个H桥构成，桥构成，适合大功

27、率应用适合大功率应用逆变器1逆变器2逆变器3+-+ vAD-+ vBE-+ vCF-+ van-+ vbn-+ vcn-NABCnVD/2VD/2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2ADBECF48电压型三相逆变工作原理（三相桥式电路）三个单相半桥逆变器构成：三个单相半桥逆变器构成：每个半桥均每个半桥均180导电方式，导电方式，所以所以Vao、Vbo、Vco是是180方波方波半桥基波之间互差半桥基波之间互差120导电顺序：导电顺序：123234 345 456 561 612 123VAB、VBC、VCA：120方波方波OVD /2V

28、D /2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABCtVG1OtVG2OtVG3OtVG4OtVG5OtT1T2T3T4T5VG6OT62/32/34/35/3/32/34/3347/38/3310/313/3vABOtvBCOtvCAOt/32/34/3 5/3 2VD49)(31)(.ab.bc.bn.VVVVVV.ab.bn.an.)(3VVVVVVVVVVVV00cnbnancnbnanVVVZVZVZV)(31ca.ab.an.VVVOVD /2VD /2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABCiaabciabibicibcicanic

29、abcibiaiabibcicaiaabcnibic1nabcbc.Vca.Van.Vbn.Vcn.Vab.Vca.V3电压型三相逆变工作原理（负载电压）50电压型三相逆变工作原理（负载电压）)(31)(31)(.ab.bc.bn.ca.ab.an.VVVVVVVVV负载星形连接时：tttttVtvD13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(abtttttVtv13sin13111sin1117sin715sin51sin2)(DanvABOtvBCOtvCAOt/32/34/3 5/3 2vanOtvbnOtvcnOtVd/32Vd/351电流型三相逆变工作原理L

30、很大，很大，Id恒定恒定120导电模式，仅两个开关导电模式，仅两个开关同时导电同时导电1223 34 45 56 61 12VG1OtVG2OtVG3OVG4OVG5OT1T2T3T4T5VG6OT62/3ttttOOiaOibicIdtttLdT1T3T5T4T6T2nabcRRRibiaicId52电流型三相逆变工作原理babccaabbabbcacaab)(3iiiiiiiiiiiiab0)(0)(bccaabbccaabiiiZiZiZi)(31baabiiiiaabciabibicibcicaOOiaOibicIdttt2/324/3iabOt2Id/3Id/353三相逆变器SPWM

31、调制DDDVVVVVMVVVV866. 023212121DAom_maxDcmrmAom线电压最大值三相调制波正弦对称三相调制波正弦对称;三相共用载波三相共用载波;改变调制比改变调制比M，可改变，可改变输出电压输出电压;改变载波比改变载波比N可改变可改变LOH。OVD /2VD /2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABCVrm+-V1* VR参考波形形成fr+-+-+-Vc fc-1-1-1VG1，T1VG4，T4VG3，T3VG6，T6VG5，T5VG2，T2V1fVar(t)Vbr(t)Vcr(t)t2vcmvrmvarvbrvcrvctvAotvBotvCo

32、54谐波注入SPWM注入谐波(Harmonic Injection) SPWM原理桥臂之间基波电压峰值：H 桥 180调制：1.27VD三相180调制：1.1VDH 桥SPWM： VD三相SPWM ：0.866VDttttttMvvvvvvvvvrrrrrrr3r3r3rCrBrAr3Cr3Br3A3sin3sin3sin61)120sin()120sin(sinVAO1Vr3VAhAVBO1Vr3VBhBVCO1Vr3VChCONZAZBZC15. 132谐波注入后的线电压峰值可达：VD谐波注入后的调制比可达：55空间矢量调制2223232Dc34Db32Daco34jbo32jaoVSeV

33、SeVSvevevjj A 轴 B 轴 2sv2SVT C 轴 SV1 SV2 SV3 SV4 SV5 SV6 SV0 (-1-1-1) SV7 (1 1 1) (1-1-1) (11-1) (-11-1) (-111) (1-11) (-1-11) 1sv1SVT Vr 2VD /3 空间矢量定义：矢量合成原则：伏秒平衡Vr (cos+jsin )Tsv1SV1+Tsv2SV2+Tsv0/7SV0 Sa、b、c= 1， 桥臂上管通，下管断；Sa、b、c= -1，桥臂上管断，下管通。23sin3sinsmrsv1TVVT23sinsinmrsv2sTVVTsv2sv1ssv0/72TTTT最大调制范围：Dr31VV OVD /2VD /2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABC56空间矢量调制等效调制波10 ) 12()1 ( minmaxzzcrczbrbzarakkvkkvvvvvvvvvvv)32cos( ),32cos(, cosrcrbrat