电力电子技术41逆变ppt课件

1、1234概述概述 电压型逆变器电压型逆变器VSIVSI） 空间矢量空间矢量PWMPWM控制控制 基本内容电流型逆变器电流型逆变器 DC-AC变换器是指能将一定幅值的直流输入电压或电流变换器是指能将一定幅值的直流输入电压或电流变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压或电流），变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压或电流），并向无源负载如电机、电炉、或其它用电器等供电的并向无源负载如电机、电炉、或其它用电器等供电的电力电子装置。电力电子装置。 DC-AC变换器又称为无源逆变电路，常简称作逆变器变换器又称为无源逆变电路，常简称作逆变器Inverter）。）。 能把一定幅值的直流输入电压或电流变换成一定

2、幅值、能把一定幅值的直流输入电压或电流变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压或电流），并向电网供电的电一定频率的交流输出电压或电流），并向电网供电的电力电子装置称为有源逆变电路力电子装置称为有源逆变电路,习惯作为整流器电路的馈能习惯作为整流器电路的馈能运行来讨论运行来讨论 本章将只讨论无源逆变电路本章将只讨论无源逆变电路逆变器。逆变器。 4.1 概述概述许多场合下，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的特殊需要，要用交直交变频电路进行电能变换。如感应加热，根据加热工艺和对象的不同，所需感应加热电源的频率范围从几百Hz到几千Hz。交流电机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源，这些电源的核心

3、就是逆变电路。有些负载虽然也用工频电源供电，但对电源的频率稳定性、波形畸变等有严格要求，且绝不允许瞬时停电。比如对于计算机一类的负载，特别是银行、证券公司、医院以及大型计算机中心的计算机，瞬时的停电会带来严重后果。因此，需要不间断电源Uninterruptable Power SupplyUPS），其核心就是逆变电路。除了工业应用之外，逆变器在空调、冰箱等家用电器中也有广泛应用。4.1 概述概述 UPS基本工作原理 市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。 此时负载可得到高质量的交流电压，具

4、有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。4.1 概述概述蓄电池市电整流器逆变器负载 重点学习内容: 逆变器的电路结构、分类及主要性能指标。 逆变器的三种基本变换方式方波变换、阶梯波变换、正弦波变换。 方波逆变器的基本电路及其特点。 阶梯波逆变器的基本电路及其特点。 正弦波逆变器及其SPWM控制。 空间矢量PWM控制的基本问题原理、矢量分布、矢量合成。 4.1 概述概述4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 如何完成直流交流这一变换呢？ 考虑采用开关切换的方式将直流量变换成交流量 完成直流电压变换的逆变器称为电压型逆变器 完成直流电流变换的逆变器则称为电流型逆变器。 图4-1a所示电压型逆变

5、器直流侧采用足够容量的电容滤波，因此直流侧电压基本不变 逆变器的输出电压为幅值与直流电压幅值相等的方波电压，其输出电流波形取决于负载对方波电压的响应 若考虑到负载的无功缓冲，则图4-1a中的开关管必须具有电流双向流通的能力，为此可采用单向功率管反向并联续流二极管的组合来实现开关管的电流双向流通特性4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 图4-1b所示电流型逆变器直流侧采用足够容量的电感滤波，因此直流侧电流基本不变 逆变器的输出电流为幅值与直流电流幅值相等的方波电流，其输出电压波形取决于负载对方波电流的响应 若考虑到直流电流的单向性以及负载的无功缓冲，则图4-1b中的开关管必须具有电流反相

6、阻断的能力，考虑到常规功率管弱的反向阻断特性，为此可采用单向功率管顺向串联二极管的组合来实现开关管的反相电流阻断特性。 4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 以图4-2a所示的单相电压型全桥逆变器原理电路来讨论逆变器的基本原理。 图4-2a中，当功率管VT1VD1和VT4VD4导通而VT2VD2和VT3VD3关断时，输出电压为正的方波电压；当功率管VT2VD2和VT3VD3导通而VT1VD1和VT4VD4关断时，输出电压为负的方波电压。 单相全桥电路的输出波形如图4-2b所示，显然，输出的正、负方波电压幅值相等 若使输出的正、负方波电压宽度相等，则输出电压的正、负半周的面积相等，从而实

7、现了直流电压到交流电压的变换，这就是实现逆变器的基本思路。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理实现DC-AC变换功能的逆变器有那些变换方式呢？ 方波变换方式方波变换方式 方波变换方式是实现方波变换方式是实现DC-AC最简单的变换最简单的变换方式，一般而言，方波变换时逆变器的交方式，一般而言，方波变换时逆变器的交流输出有两种基本调制方式：脉冲幅值调流输出有两种基本调制方式：脉冲幅值调制制PAMPluse Amplitude Modulation和单脉冲调制和单脉冲调制SPMSingle Pluse Modulation）。）。 脉冲幅值调制脉冲幅值调制PAM是指：逆变器的输是指：逆变器的

8、输出频率可由出频率可由180方波如图方波如图4-3a所示所示或或120方波如图方波如图4-3b所示的周期来所示的周期来控制如图控制如图4-3c所示），而逆变器输出基所示），而逆变器输出基波的幅值则由输出方波的幅值即逆变器直波的幅值则由输出方波的幅值即逆变器直流侧电压或电流的幅值来控制，如图流侧电压或电流的幅值来控制，如图4-3d所示。所示。 显然，采用显然，采用PAM控制方式时，其方波的导控制方式时，其方波的导通角恒定通角恒定180方波或方波或120方波）。方波）。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 方波变换方式方波变换方式 单脉冲调制单脉冲调制SPM是指：逆变器是指：逆变器的输出频

9、率仍由方波的周期来控制，的输出频率仍由方波的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由逆变而逆变器输出基波的幅值则由逆变器输出方波的导通角进行控制，即器输出方波的导通角进行控制，即可使导通角在可使导通角在0180范围调节，范围调节，逆变器的输出波形如图逆变器的输出波形如图4-3e所示。所示。 显然，采用显然，采用SPM控制方式时，逆变控制方式时，逆变器输出方波的幅值即逆变器直流侧器输出方波的幅值即逆变器直流侧电压或电流的幅值恒定。电压或电流的幅值恒定。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 方波变换方式方波变换方式 采用采用SPM变换方式时，由于逆

10、变器输出方波的幅值一定，因此变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一定，因此逆变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的直流电源整流输入逆变器直流侧可采用较为简单的不变幅值的直流电源整流输入方式如二极管整流电路）。方式如二极管整流电路）。 但是但是SPM方式由于需要调节方波的导通角，因而需要采用快速方式由于需要调节方波的导通角，因而需要采用快速功率元件如功率元件如IGBT等）等） PAM方式由于需要控制逆变器输出方波的幅值，因此逆变器直方式由于需要控制逆变器输出方波的幅值，因此逆变器直流侧必须采用可变幅值的直流电源整流输入方式如采用相控流侧必须采用可变幅值的直流电源整流输入方式如采用相控整流电源），因

11、而直流侧电路与控制相对复杂。整流电源），因而直流侧电路与控制相对复杂。 但是但是PAM方式由于输出方波的导电角恒定，因此无需采用快速方式由于输出方波的导电角恒定，因此无需采用快速的全控型功率元件如的全控型功率元件如IGBT等）等） 阶梯波变换方式阶梯波变换方式 采用方波变换方式时，虽然逆变器的控制较为简单，但交流输采用方波变换方式时，虽然逆变器的控制较为简单，但交流输出谐波较大。出谐波较大。 研究表明：对于研究表明：对于180方波变换方式，其输出波形的谐波总畸方波变换方式，其输出波形的谐波总畸变率变率THD 约为约为48，而对于，而对于120方波变换方式，其输出波形方波变换方式，其输出波形的谐

12、波总畸变率的谐波总畸变率THD约为约为30。 为何为何120方波变换方式的输出波形的方波变换方式的输出波形的THD比比180方波变换方波变换方式的的输出波形的方式的的输出波形的THD要低呢？要低呢？ 因此，为减少因此，为减少DC-AC变换时的交流输出谐波，可以考虑采用方变换时的交流输出谐波，可以考虑采用方波变换叠加以增加输出交流波形的输出电平数波变换叠加以增加输出交流波形的输出电平数 。 THDTotal Harmonic Distortion，衡量，衡量谐波含量的重要指标谐波含量的重要指标4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 阶梯波变换方式

13、阶梯波变换方式 由于这种多电平输出的交流波由于这种多电平输出的交流波形形似阶梯波形，因此采用方形形似阶梯波形，因此采用方波叠加的波叠加的DC-AC变换方式即为变换方式即为交流阶梯波变换，如图交流阶梯波变换，如图4-4a所示。所示。 4-4a所示的交流阶梯波是由多组所示的交流阶梯波是由多组采用方波变换的叠加组合而成。采用方波变换的叠加组合而成。 实现这种交流阶梯波变换的原实现这种交流阶梯波变换的原理电路如图理电路如图4-4b所示，通过多组所示，通过多组采用方波变换的逆变器进行移采用方波变换的逆变器进行移相叠加组合相叠加组合 4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 斩控调制方式斩控调制方式

14、脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWM）：）： 在一定的开关调制频率在一定的开关调制频率条件下，调制脉冲的幅值条件下，调制脉冲的幅值恒定，而调制脉冲的宽度恒定，而调制脉冲的宽度可调。若调制脉冲的宽度可调。若调制脉冲的宽度按正弦分布，则称之为正按正弦分布，则称之为正弦脉冲宽度调制弦脉冲宽度调制SPWM），基于），基于SPWM控制的逆变器输出波形如控制的逆变器输出波形如图图4-5a所示。所示。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 斩控调制方式斩控调制方式 脉冲频率调制脉冲频率调制PFM）：）： 这种控制方式是指调制这种控制方式是指调制脉冲宽度和幅值固定不变，脉冲宽度和幅值固定不变，而脉冲调制频率可

15、调。基而脉冲调制频率可调。基于于PFM控制的逆变器输出控制的逆变器输出波形如图波形如图4-5b所示。所示。PFM控制方式由于需要很宽的控制方式由于需要很宽的开关频率变化范围，考虑开关频率变化范围，考虑到输出滤波器设计的困难，到输出滤波器设计的困难，因此在逆变器中一般较少因此在逆变器中一般较少采用。采用。 4.1.2 逆变器的分类逆变器的分类 按直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器VSIVoltage Source Inverter和电流型逆变器CSICurrent Source Inverter）。 逆变器中直流侧必须设置储能元件，如电感元件和电容元件。 储能元件的作用： 直流侧的滤

16、波作用； 缓冲负载的无功能量。 当逆变器直流侧设置电容元件且电容容量足够大时，此时由于直流侧的低输出阻抗，因而呈现出电压源特性 当逆变器直流侧设置电感元件且电感值足够大时，此时由于直流侧的高输出阻抗，因而呈现出电流源特性。 4.1.2 逆变器的分类逆变器的分类 按逆变器输出波形的不同，逆变器可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、以及正弦波逆变器等。 方波逆变器常采用脉冲幅值调制PAM控制 阶梯波逆变器常采用移相叠加或多电平控制 正弦波逆变器则常采用脉冲宽度调制PWM控制 按逆变器功率电路结构形式的不同，逆变器可分为半桥逆变器、全桥逆变器、推挽式逆变器等。 按逆变器功率电路的功率器件的不同，逆变器可分

17、为半控型逆变器和全控型逆变器。 半控型逆变器功率电路的功率器件采用半控型功率器件 全控型逆变器功率电路的功率器件采用全控型功率器件 4.1.2 逆变器的分类逆变器的分类 按逆变器输出频率的不同，逆变器可分为工频逆变器、中频逆变器以及高频逆变器。 按逆变器输出交流电的相数的不同，逆变器可分为单相逆变器、三相逆变器以及多相逆变器。 按逆变器输入、输出是否隔离，逆变器可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。其中隔离型逆变器又可分为低频隔离型逆变器和高频隔离型逆变器两类。 按逆变器输出电平的不同，逆变器可分为两电平逆变器和多电平逆变器。4.1.3 逆变器的性能指标逆变器的性能指标1逆变器的输出波形性能指标

18、 谐波系数HFHarmonic Factor）:表征实际波形中第n次谐波与基波相比的相对值。第n次谐波系数HFn定义为第n次谐波分量有效值Un与基波分量有效值U1之比，即 总谐波畸变系数THDTotal Harmonic Distortion Factor）表征实际波形同基波分量的接近程度。总谐波畸变系数THD定义为各次谐波分量有效值Unn=2、3）平方之和的开方与基波分量有效值U1之比，即1UUHFn213 , 2211 nnUUTHD对于理想正弦波而言，其THD为零。 4.1.3 逆变器的性能指标逆变器的性能指标1逆变器的输出波形性能指标 畸变系数DFDistortion Factor）表

19、征一个实际波形中谐波分量对波形畸变的影响程度 。第n次谐波系数HFn定义为：考察第n次谐波对波形畸变的影响程度，可定义第n次谐波的畸变系数DFn为 最低次谐波LOHLowest-Order Harmonic）213 , 2221n1 nnUUDF21nUUDFnn4.1.3 逆变器的性能指标逆变器的性能指标2其它主要性能指标 额定容量 逆变效率 输出频率精度 功率密度 输出直流分量 过载能力 短路能力 允许输入电压 输出电压精度 负载功率因数 平均无故障间隔时间MTBF）4.2 电压型逆变器电压型逆变器VSI） 电压型逆变器的直流侧以电容为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈现出电压源特性。电压型逆

20、变器有以下主要特点：直流侧有足够大的储能电容元件，直流侧呈现出电压源特性。逆变器输出电压波形为方波或方波脉冲，该波形与负载无关。逆变器输出的电流波形则取决于负载，且输出电流的相位随负载功率因数的变化而变化。逆变器输出电压的控制可以通过PAM 和PWM来实现。依据电压型逆变器的控制方式和结构的不同，电压型逆变器主要可分为方波型、阶梯波型、正弦波型PWM型三类。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 按拓扑结构的不同可分为多种结构，主要包括：单相全桥逆变器单相半桥逆变器推挽式逆变器三相桥式逆变器按所采用功率器件的不同分为：半控型全控型由于电压型逆变器已较少采用基于晶闸管的半控型结构，因此，以

21、下将只讨论全控型电压型逆变器。 电压型单相方波逆变器以不同的拓扑结构可分为电压型单相全桥逆变器、电压型单相半桥逆变器以及带中心抽头变压器的电压型单相推挽式逆变器等。1 电压型单相全桥方波逆变器 该逆变器由四个桥臂构成。这种电压型单相全桥方波逆变器的输出波形控制主要有脉冲幅值调制PAM和单脉冲调制SPM两类，而单脉冲调制又包含对称单脉冲调制和移相单脉冲调制。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 上桥臂下桥臂4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 1)脉冲幅值调制主电路的四个功率管采用180互补控制模式逆变器输出的电压为180导电的交流方波电压其方波电压幅值

22、即为逆变器的直流电压幅值，其互补驱动信号与输出波形如图4-7所示。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 功率管的实际导通角则与负载电功率管的实际导通角则与负载电流电压相位角有关。流电压相位角有关。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 1)脉冲幅值调制 若令逆变器输出电压有效值为Uab而瞬时值为uab，则Uab、uab分别为：输出基波电压的有效值U1为: 改变方波驱动信号周期即可改变交流输出电压频率对于PAM控制方式，逆变器输出电压的基波幅值则由直流电压进行控制，因而需要设置可控整流电源，因而P

23、AM控制方式在电压型逆变器中运用不多，而在基于晶闸管的电流型逆变器中运用较多 d21202dsabsd2UtUTUT（4-5） , 5 , 3 , 1dabsin4)(ntnnUtu（4-6） dd19 . 024UUU（4-7） 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2) 对称单脉冲调制 对于电阻性负载，可以采用对称单脉冲调制：每半个输出周期对称改变一次逆变器的开关状态，并通过调整方波脉冲的宽度来控制逆变器输出电压的基波大小，相关波形如图4-8所示。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2) 对称单脉冲调制要改变输出电压的基波幅值，只需改变其中矩形调

24、制波幅值Urm的大小，而三角载波的幅值Ucm则固定不变。 改变矩形调制波的幅值大小就可以线性改变功率管驱动信号的宽度，从而改变输出方波电压的宽度，即改变输出电压的基波幅值若需改变输出电压的频率，则只要同步改变三角载波和矩形调制波的周期Ts即可 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2) 对称单脉冲调制输出方波电压的宽度为 : M为调制系数，且定义MUrm/Ucm。rmcmUMU（4-8） )(d22d2)(2)(2dabUtUU（4-9） 显然，M1， 。根据傅立叶分析，对于图4-8所定义的时间坐标原点，宽度为的方波电压有效值Uab和瞬时值uab分别为tnnnUtunnsi

25、n) 1(2sin4)(, 5 , 3 , 121dab （4-10） 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2) 对称单脉冲调制n次谐波电压幅值Unm和基波电压幅值U1m分别为 )7 , 5 , 3(2sin4dnmnnnUU（4-11） 2sin4d1mUU（4-12）进一步分析表明：对称单脉冲调制时，改变方波宽度可以有效地控制逆变器输出电压基波的大小，但不能有效地抑制输出电压的谐波。例如：当2/3时，三次谐波幅值为零，即不存在三次谐波；而当时，三次谐波幅值则为基波幅值的33。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 3移相单脉冲调制特点：单相全桥逆变

26、器四个功率管驱动信号均为180方波，并且负载一端上下桥臂的驱动信号相位固定，而负载另一端上下桥臂的驱动信号相位可移动。一般称驱动信号相位固定的桥臂为超前桥臂，称驱动信号可移相的桥臂为滞后桥臂。调节超前桥臂与滞后桥臂间的相角，就可以调节单相全桥逆变器的输出方波宽度，从而控制逆变器输出电压的基波幅值。图4-9移相单脉冲调制时驱动信号与输出波形 a) 驱动信号 b) 输出波形tuG10tuG20tuG30tuG402. 电压型单相半桥方波逆变器电压型单相半桥方波逆变器 对于一定直流侧电压且采用单脉冲调制的电压型单相全桥逆对于一定直流侧电压且采用单脉冲调制的电压型单相全桥逆变器，当需要逆变器在较低的输

27、出交流电压范围运行时，变器，当需要逆变器在较低的输出交流电压范围运行时，其输出方波脉冲相对较窄。这种情况下，一方面输出脉其输出方波脉冲相对较窄。这种情况下，一方面输出脉冲的调节范围会变小，另一方面逆变器输出的谐波分量冲的调节范围会变小，另一方面逆变器输出的谐波分量将变大。将变大。那么一定的直流侧电压条件下，如何改善较低交流电压输出那么一定的直流侧电压条件下，如何改善较低交流电压输出时电压型单相逆变器的性能呢？时电压型单相逆变器的性能呢？造成上述情况的原因主要是由于电压型单相全桥逆变器工作造成上述情况的原因主要是由于电压型单相全桥逆变器工作时，其输出的方波电压幅值总是等于直流电压幅值，因时，其输

28、出的方波电压幅值总是等于直流电压幅值，因此若要输出较低的交流电压，则必然使输出方波的宽度此若要输出较低的交流电压，则必然使输出方波的宽度调窄。调窄。4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2. 电压型单相半桥方波逆变器电压型单相半桥方波逆变器 为此，可考虑降低逆变器输出方波电压的电压幅值以使输出为此，可考虑降低逆变器输出方波电压的电压幅值以使输出方波电压的脉冲宽度变宽。方波电压的脉冲宽度变宽。但是要在不降低逆变器直流电压且采用单脉冲控制的条件下，但是要在不降低逆变器直流电压且采用单脉冲控制的条件下，适当降低逆变器输出方波电压的电压幅值，则必须对电适当降低逆变器输出方波电压的电

29、压幅值，则必须对电压型单相全桥方波逆变器的电路结构进行改造。压型单相全桥方波逆变器的电路结构进行改造。将逆变器的直流电压分解为两个相等的电压源串联，并将串将逆变器的直流电压分解为两个相等的电压源串联，并将串联电压源的电压中心点与负载一端相连，而负载的另一联电压源的电压中心点与负载一端相连，而负载的另一端与桥臂支路的输出端相连，这种只有一相桥臂支路的端与桥臂支路的输出端相连，这种只有一相桥臂支路的电压型单相逆变器称为电压型单相半桥逆变器电压型单相逆变器称为电压型单相半桥逆变器电路结构和采用电路结构和采用180导电的交流方波调制时的相关波形如图导电的交流方波调制时的相关波形如图4-10所示。所示。

30、4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2. 电压型单相半桥方波逆变器电压型单相半桥方波逆变器 在在0tTs/2期间，期间，VT1得到驱动，得到驱动，VT2截止，逆变器的输出电截止，逆变器的输出电压压uanUd/2； 在在Ts/2tTs期间，期间，VT2得到驱得到驱动，动，VT1截止，逆变器的输截止，逆变器的输出电压出电压uanUd/2 在直流侧电压相同的情况下，电在直流侧电压相同的情况下，电压型单相半桥逆变器输出方压型单相半桥逆变器输出方波电压的幅值只有电压型单波电压的幅值只有电压型单相全桥逆变器输出方波电压相全桥逆

31、变器输出方波电压的一半。的一半。 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 电压型单相半桥方波逆变器与电压型单相全桥方波逆变器相比 :少用了一半的功率器件当直流侧电压相等时，180调制时的输出电压有效值Uan、瞬时值uan以及输出基波分量的有效值U1均降低了一半在直流侧电压和输出功率相等条件下，功率器件的耐压值与全桥逆变器功率器件的耐压值相等，但电流定额比全桥逆变器功率器件的电流定额提高一倍适合于“高电压输入且“低电压输出的变流应用场合 4.2.1.1 电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 3. 带中心抽头变压器的电压型单相带中心抽头变压器的电压型单相推挽式方波逆变器推挽式

32、方波逆变器 电压型单相半桥方波逆变器较适合电压型单相半桥方波逆变器较适合于于“高电压高电压输入且输入且“低电压低电压输出的变流应用场合。输出的变流应用场合。若实际应用是要求逆变器与输出负若实际应用是要求逆变器与输出负载隔离或者负载电压与逆变器载隔离或者负载电压与逆变器直流电压的幅值相差较大时，直流电压的幅值相差较大时，如何设计出满足要求的电压型如何设计出满足要求的电压型单相逆变器电路呢？单相逆变器电路呢？图图4-11所示的带中心抽头变压器的所示的带中心抽头变压器的电压型单相推挽式逆变器电路电压型单相推挽式逆变器电路就能满足这一要求。就能满足这一要求。图4-11带中心抽头变压器的电压型单相推挽式

33、方波逆变器电路4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 方波调制是DC-AC变换最简单的一种控制方式。若以图4-12所示的逆变器直流电压中心点为电位参考点，控制相应的功率管使逆变器各相输出相位互差120的交流方波电压，即可实现电压型三相DC-AC的变换。逆变器每相的方波变换可采用180导电方式和120导电方式 。 图4-12电压型三相桥式逆变器电路结构 4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 180导电方式有以下特征：每相的上下桥臂均采用180互补控制模式。相邻相的桥臂驱动信号相位互差120。任何时刻有且只有三个桥臂导电，或两个上桥臂一个下桥臂

34、导电，或一个上桥臂两个下桥臂导电 。图4-13电压型三相桥式逆变器180导电方式时的相关波形4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 这种调制方式有以下特征：按图4-12所标功率器件的序号，相邻序号的功率管的驱动信号相位互差60图4-13电压型三相桥式逆变器180导电方式时的相关波形4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 这种调制方式有以下特征：若逆变器直流侧电压为Ud，当负载为星形对称负载时，则逆变器输出相电压波形为交流六阶梯波波形，即每间隔60就发生一次电平的突变，且电平取值分别为Ud/3、2Ud/3。若逆变器直流侧电压为Ud，则逆变器输出

35、线电压波形为120导电的交流方波波形，其方波幅值为Ud 。图4-13电压型三相桥式逆变器180导电方式时的相关波形4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 对于180导电方式的电压型三相桥式逆变器电路，总共有238个开关模式，去除三个上桥臂全通和三个下桥臂全通这两个零电压开关模式，则采用180导电方式的三相桥式方波逆变器共有六个非零电压开关模式。对应每个非零电压开关模式的逆变器等值电路及其输出电压如表4-1所示。4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 考虑180导电方式的电压型三相桥式逆变器的相电压波形，该波形为交流六阶梯波波形。如果取时间坐标

36、为相电压阶梯波的起点，并利用傅立叶分析，则不难求得逆变器输出a相电压的瞬时值uan为图4-13电压型三相桥式逆变器180导电方式时的相关波形)13sin13111sin1117sin715sin51(sin2)(dan tttttUtu（4-13）4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 从式4-13分析可知， 180导电方式的电压型三相桥式逆变器的输出相电压波形中不含偶次和3次谐波，而只含有5次及5次以上的奇次谐波，且谐波幅值与谐波次数成反比，其中相电压基波幅值Uan1m为 tttttUtu13sin13111sin1117sin715sin51sin2)(danda

37、nlm2UU（4-14） 4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 另外，考虑180导电方式时的电压型三相桥式逆变器的线电压波形，该波形为120的交流方波波形。如果取时间坐标为线电压零电平的中点，并利用傅立叶分析，则不难求得逆变器输出线电压的瞬时值uab为图4-13电压型三相桥式逆变器180导电方式时的相关波形)13sin13111sin1117sin715sin51(sin32)(dab tttttUtu（4-15）4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 从式4-15分析可知， 180导电方式的电压型三相桥式逆变器的输出线电压波形中不含偶次和

38、3次谐波，而只含有5次及5次以上的奇次谐波，且谐波幅值与谐波次数成反比，其中线电压的基波幅值Uabm1为 tttttUtu13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(dabddablm1 . 132UUU（4-16） 4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 120导电方式：这种调制方式要求逆变器中功率管的驱动信号为120方波，其有以下特征：每相的上下桥臂均采用120控制且有60导通间隙。 相邻相的桥臂驱动信号相位互差120任何时刻有且只有两个桥臂导电，即一个上桥臂和一个下桥臂导电相邻序号功率管的驱动信号相位互差604.2.1.2 电压型三相桥

39、式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 120导电方式： 若逆变器直流侧电压为Ud，当负载为星形对称负载时，负载相电压波形为120导电的交流方波波形，其方波幅值为Ud/2 若逆变器直流侧电压为Ud，则逆变器输出线电压波形为交流六阶梯波波形，即每间隔60就发生一次电平的突变，且电平取值分别为Ud、Ud/2。4.2.1.2 电压型三相桥式方波逆变器电压型三相桥式方波逆变器 120导电方式：由于每相的上下桥臂均采用120控制且有60导通间隙，因而避免了换流时上下桥臂的直通。由于任何时刻只有两个桥臂导电，从而导致功率器件的利用率较低，因此电压型三相桥式逆变器一般不采用120导电方式，而采用180导电方式

40、。120导电方式主要运用于电流型三相桥式逆变器的控制中 4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 电压型阶梯波逆变器的拓扑结构种类主要包括：变压器移相叠加结构、级联移相叠加结构以及多电平结构。 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构图图4-15a为两个单相电压型逆变为两个单相电压型逆变器的串联移相叠加结构器的串联移相叠加结构当每个逆变器采用单脉冲方波当每个逆变器采用单脉冲方波调制且脉冲宽度为调制且脉冲宽度为，若两个，若两个变压器的变比为变压器的变比为1:1，并且使两，并且使

41、两个单相逆变器输出方波的相位个单相逆变器输出方波的相位角错开角错开角度后再进行串联叠角度后再进行串联叠加，则串联叠加后的电压波形加，则串联叠加后的电压波形为为8阶梯波电压波形，如图阶梯波电压波形，如图4-15b所示。所示。4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构图图4-15a为两个单相电压型逆变为两个单相电压型逆变器的串联移相叠加结构器的串联移相叠加结构当每个逆变器采用单脉冲方波当每个逆变器采用单脉冲方波调制且脉冲宽度为调制且脉冲宽度为，若两个，若两个变压器的变比为变压器的变比为1:

42、1，并且使两，并且使两个单相逆变器输出方波的相位个单相逆变器输出方波的相位角错开角错开角度后再进行串联叠角度后再进行串联叠加，则串联叠加后的电压波形加，则串联叠加后的电压波形为为8阶梯波电压波形，如图阶梯波电压波形，如图4-15b所示。所示。图4-15两个单相电压型逆变器的串联移相叠加及其相关波形4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构根据傅立叶分析，每个逆变器的根据傅立叶分析，每个逆变器的输出电压输出电压u1、u2以及其叠加输出以及其叠加输出电压电压uo分别为。分别为。)2(sin

43、2sin14, 5 , 3 , 11 ntnnnEu (4-17) )2(sin2sin14, 5 , 3 , 12 ntnnnEu(4-18) , 5 , 3 , 121)(sin2cos2sin24ntnnnnEuuu(4-19）4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构值得一提的是：为消除第值得一提的是：为消除第n次谐波，则次谐波，则cos(n/2)=0，即，即(n/2)2k/2，其中，其中k0，1，2，3，因此，因此n（4k）/。分析可得，在消除分析可得，在消除3次谐波时，次谐

44、波时，n为为3以及以及3的奇数倍。同理的奇数倍。同理, 在消除在消除5次谐波时，次谐波时，n为为5以及以及5的奇数倍。的奇数倍。以上分析表明：当采用上述两个单相电压型逆变器的串联移相叠加以上分析表明：当采用上述两个单相电压型逆变器的串联移相叠加以构成阶梯波逆变器时，如果移相角以构成阶梯波逆变器时，如果移相角/3，则不仅消除了，则不仅消除了3次谐次谐波，而且同时也消除了波，而且同时也消除了3的奇次倍谐波；另外，如果移相角的奇次倍谐波；另外，如果移相角/5，则不仅消除了则不仅消除了5次谐波，而且同时也消除了次谐波，而且同时也消除了5的奇次倍谐波；可见，的奇次倍谐波；可见，相对于方波逆变器而言，阶梯

45、波逆变器的输出谐波将大为减小。相对于方波逆变器而言，阶梯波逆变器的输出谐波将大为减小。 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构图图4-16a为三个单相电压型逆变器的串联移相叠加结构，当每个逆变为三个单相电压型逆变器的串联移相叠加结构，当每个逆变器采用单脉冲方波调制且脉冲宽度为器采用单脉冲方波调制且脉冲宽度为120，若逆变器，若逆变器1、逆变器、逆变器3输输出变压器的变比均为出变压器的变比均为1：1，而逆变器，而逆变器2输出变压器的变比为输出变压器的变比为 ，并且使三个单相逆变器输出

46、方波的相位角依次错开并且使三个单相逆变器输出方波的相位角依次错开45后再进行串后再进行串联叠加，则串联叠加后的电压波形为联叠加，则串联叠加后的电压波形为12阶梯波电压波形。阶梯波电压波形。 1:24.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构若以叠加后输出电压若以叠加后输出电压u的向量为基准，则各逆变器的输出电压的向量为基准，则各逆变器的输出电压u1、u2、u3以及叠加后的输出电压以及叠加后的输出电压u分别为分别为)4(sin2sin14, 5 , 3 , 11tnnnEun (4-21)

47、tnnEunsin2sin124, 5 , 3 , 12(4-22) )4(sin2sin14, 5 , 3 , 13tnnnEun (4-23)(sin)4cos21 (2sin1U24, 5 , 3 , 1d321tnnnnuuuun (4-24) 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器单相变压器串联移相叠加结构单相变压器串联移相叠加结构其中基波与各次谐波的幅值为其中基波与各次谐波的幅值为)4cos21 (2sin124d)m(nnnnUu (4-25) 显然，若要消除第n次谐波则应使Um(n)0，即 ，因此n/4=2k+/4,

48、 k0，1，2，3，n =8k +41。可见当k0时，n =3，5；当k1时，n =11，13；当k2时，n =19，21； .以上分析表明：当在输出电压u中消除3，5，11，13，19，21，次谐波时，则输出电压u中将不包含8k +41次谐波。另外，进一步分析式(4-24)可知，输出电压u中的谐波含量与脉冲宽度有关，当150时，输出电压u中的谐波含量最少。当调节脉冲宽度时，输出电压u的基波幅值和谐波含量均会发生变化。0)4/cos(21n)(sin)4cos21 (2sin1U24, 5 , 3 , 1d321tnnnnuuuun (4-24) 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器

49、移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器三相变压器串联移三相变压器串联移相叠加结构相叠加结构与单相变压器串联与单相变压器串联移相叠加结构相类移相叠加结构相类似，三相阶梯波电似，三相阶梯波电压型逆变器也可以压型逆变器也可以采用三相变压器串采用三相变压器串联移相叠加结构加联移相叠加结构加以实现，图以实现，图4-17为为两个三相电压型逆两个三相电压型逆变器逆变器变器逆变器1、逆、逆变器变器2采用变压器采用变压器串联移相的叠加结串联移相的叠加结构。构。图4-17两个三相电压型逆变器采用变压器串联移相叠加的电路结构 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波

50、逆变器的电压型阶梯波逆变器三相变压器串联移三相变压器串联移相叠加结构相叠加结构采用采用180导电方式导电方式控制时，其逆变器控制时，其逆变器输 出 线 电 压 应 为输 出 线 电 压 应 为120方波电压。方波电压。为了形成串联移相为了形成串联移相叠加的阶梯波电压，叠加的阶梯波电压，可使逆变器可使逆变器2的输出的输出电压相位滞后于逆电压相位滞后于逆变器变器1的输出电压相的输出电压相位位30。降低输出电压谐波降低输出电压谐波 变压器的接法变压器的接法 图4-17两个三相电压型逆变器采用变压器串联移相叠加的电路结构 输出变压器T1绕组采用D/Y形接法 输出变压器T2一次侧绕组采用D形接法，而二次

51、侧绕组则采用曲折Y形接法 若使变压器T1的二次侧输出电压幅值与变压器T2的二次侧输出电压幅值相等，变压器T1、T2的变比分别为1:1和1:3，且变压器T1、T2的一次侧绕组匝数应相等。需要注意的是，图4-17中变压器T2的二次侧平行绕组应绕在同一铁芯上变压器T1、T2的二次侧基波电压合成相量图如图4-18所示4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器图4-17两个三相电压型逆变器采用变压器串联移相叠加的电路结构 图4-18变压器T1、T2的二次侧基波电压合成相量 图4-19串联移相叠加输出一相的相关波形 4.2.2.1采用变压器移相叠加

52、结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器 由图4-17、4-19并根据傅立叶分析，可得变压器T1、T2 的一相U相二次侧各绕组输出电压分别为, 3 , 2, 1161Asin) 1(1sin32kknktnntUud(4-26), 3 , 2, 11621A)30(sin) 1(1)30sin(32kknktnntUud(4-27) )30(sin) 1(1)30sin(32, 3 , 2, 11622BkknktnntUud (4-28)4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器 显然，每个绕组的输出电压只

53、含有6k1k1，2，3）次谐波，即含有5次、7次等奇次谐波，而不含有3次谐波。将变压器T1、T2 的一相U相二次侧各绕组输出电压叠加，则采用变压器输出串联移相叠加后的三相阶梯波电压型逆变器的一相U相的输出电压为)sin) 1(1(sin34, 3 , 2, 1112UNkknktnntUud(4-29) 采用变压器输出串联移相叠加后的三相阶梯波电压型逆变器的一相U相） 输出电压只含有12k1次谐波，即含有11次、13次等奇次谐波，而不含有5次、7次谐波。 实际上，变压器T1、T2 的一相U相二次侧各绕组输出电压波形均为120方波，而120方波可由两个互差60的180方波叠加而成。其各自的基波相

54、位互差60，而各自3次谐波的相位则互差360180，因此120方波中不含有3次谐波。 4.2.2.1采用变压器移相叠加结构采用变压器移相叠加结构 的电压型阶梯波逆变器的电压型阶梯波逆变器 若将两个120方波的相位互差180/536，则其各自的基波相位互差36，而各自5次谐波的相位则互差536180，因此两个相位互差36的120方波叠加，其叠加后的波形中将不含有5次谐波。 同理，若将两个120方波的相位互差180/724.7并进行叠加，则叠加后的波形中将不含有7次谐波。 显然，若通过两个相位互差适当角度的方波直接进行移相叠加，其叠加后的波形中只能消除某一特定次谐波。但是，若两个相位互差适当角度的

55、方波通过变压器进行移相叠加，只要适当选择变压器的变比和二次侧绕组的电压合成方式，就可以同时消除2个特定次谐波如5次、7次谐波）。 利用串联移相叠加的逆变器组数越多，其输出阶梯波的阶梯数就越多，能消除的谐波也就越多。 4.2.2.2 采用多电平结构的采用多电平结构的 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 引言引言多电平逆变器多电平逆变器(Multilevel Inverter)，就是通过对直流侧，就是通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波电压的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波电压的输出，从而使波形更加正弦化。的输出，从而使波形更加正弦化。二极管箝位式三电平逆变器又称二

56、极管箝位式三电平逆变器又称NPCNeutral Point Clamped三电平逆变器。三电平逆变器。这种逆变拓扑在开关器件承受相对两电平结构二分之一这种逆变拓扑在开关器件承受相对两电平结构二分之一压降和更低的开关频率情况下，得到与两电平相同或者压降和更低的开关频率情况下，得到与两电平相同或者更好的输出波形。更好的输出波形。三电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面降低了三电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面降低了器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面降低了电路运行中的降低了电路运行中的du/dt 、di/dt和输出波形谐波含量等。

57、和输出波形谐波含量等。因此，三电平变换器已经在高压大功率变频调速系统、因此，三电平变换器已经在高压大功率变频调速系统、电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域得到了高泛的电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域得到了高泛的研究与应用。研究与应用。4.2.2.2 采用多电平结构的采用多电平结构的 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器三电平逆变器工作原理三电平逆变器工作原理直流侧电压通过两个串联的分直流侧电压通过两个串联的分压电容、将电压分为三个等级，压电容、将电压分为三个等级，将两个电容串联的中点定义为将两个电容串联的中点定义为中性点中性点n。每一相需要每一相需要4个功率开关管，个功率开关管，4个续流二极管，两个箝位二极个续流二极管，两个箝位二极管。管。箝位二极管能在中间两个功率箝位二极管能在中间两个功率开关管导通时把电平箝在零电开关管导通时把电平箝在零电位，同时在开关管导通时提供位，同时在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。电流通道防止电容短路。其中每一个功率开关管承受正其中每一个功率开关管承受正向阻断电压为向阻断电压为ud/2 。 图4-20中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 4.2.2.2 采用多电平结构的采用多电平结构的 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器三电平逆变器工作原理三电平逆变器工作原理所谓三电平是指逆变器交流侧所谓三电平是指逆变器交流侧每相