电力电子四章

电力电子四章第一页，共六十八页，2022年，8月28日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电压型单相逆变器电压和波形控制4.4三相逆变电路工作原理4.5三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制4.6大容量逆变器的复合结构小结4DC-AC变换电路（逆变器）第二页，共六十八页，2022年，8月28日4.1

逆变器的类型和基本工作原理4.1.1逆变器的类型4.1.2逆变电路的基本工作原理4.1.3电压型逆变电路的特点第三页，共六十八页，2022年，8月28日4.1.1逆变器的类型电压型逆变器VSI单相半桥单相全桥推挽逆变三相桥电流型逆变器CSI

依据直流电源的特性不同可分为：按输出电压不同分为CVCF、VVVF、脉冲型按逆变器电路结构不同分为：

按开关器件不同及换流关断方式不同分类：自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。第四页，共六十八页，2022年，8月28日电压型逆变器VSI电流型逆变器CSI4.1.1逆变器的类型(续1)第五页，共六十八页，2022年，8月28日单相半桥单相全桥4.1.1逆变器的类型（续2）第六页，共六十八页，2022年，8月28日4.1.1逆变器的类型（续3）第七页，共六十八页，2022年，8月28日电压型三相桥式逆变电路4.1.1逆变器的类型（续3）第八页，共六十八页，2022年，8月28日以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理4.1.2逆变电路的基本工作原理逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。第九页，共六十八页，2022年，8月28日4.1.2逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。直流电交流电第十页，共六十八页，2022年，8月28日4.1.2逆变电路的基本工作原理逆变电路最基本的工作原理

——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。逆变电路及其波形举例a)ub)toiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。第十一页，共六十八页，2022年，8月28日4.1.3电压型逆变电路的特点电压型全桥逆变电路

(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功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。第十二页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.1电压型单相半桥逆变电路4.2.2电压型单相全桥逆变电路4.2.3变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电路4.2

电压型单相方波逆电路工作原理第十三页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.1电压型单相半桥逆变电路电容分压，半桥电路T1、T2交替通、断二级管D的功用R、L负载时，T、D交替导电第十四页，共六十八页，2022年，8月28日1D2Dt0DV21anv(b)电压波形2T驱动驱动20T0T230T4.2.1电压型单相半桥逆变电路（续）1T第十五页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.1电压型单相半桥逆变电路（续）优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：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。第十六页，共六十八页，2022年，8月28日T1、T4与T2、T3

交替通、断4.2.2电压型单相全桥逆变电路第十七页，共六十八页，2022年，8月28日不同负载时，D、T导电情况不同T导电供电，D导电续流（返回）电阻负载电感负载阻感负载4.2.2电压型单相全桥逆变电路（续）第十八页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.2电压型单相全桥逆变电路（续）全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。单相全桥逆变电路的移相调压方式tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo第十九页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.2电压型单相全桥逆变电路（续）阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。V3的基极信号比V1落后q

（0＜q

＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压。tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo单相全桥逆变电路的移相调压方式第二十页，共六十八页，2022年，8月28日4.2.3变压器中心抽头推挽式单相逆变电路

仅二个开关T1、T2轮流导电180度开关管断态电压高一倍2VD

要输出变压器适用于低压小功率、须隔离的应用第二十一页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.0概述

4.3.1单脉冲宽度调制PWM逆变器4.3.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理4.3.3单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器4.3.4双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器4.3.5基波移相控制4.3单相逆变器输出电压和波形控制第二十二页，共六十八页，2022年，8月28日控制方案1:控制方案2:控制方案3:可控整流方案斩波调压方案逆变器自身控制方案控制输出电压基波V1的大小控制输出电压波形，要求谐波系数小，谐波频率高4.3.0概述第二十三页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.0概述（续1）第二十四页，共六十八页，2022年，8月28日逆变器自身控制方案4.3.0概述（续2）第二十五页，共六十八页，2022年，8月28日正半周中，T1、T4导通角负半周中，T2、T3导通角开关频率决定输出频率脉宽决定输出电压大小4.3.1单脉冲宽度调制PWM逆变器第二十六页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.1单脉冲宽度调制PWM逆变器（续）第二十七页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理第二十八页，共六十八页，2022年，8月28日

在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则它们所形成的电流响应就相同。因此要使PWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量P很多。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。

4.3.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理（续1）第二十九页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理（续2）第三十页，共六十八页，2022年，8月28日冲量等效原理:

大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。

4.3.2正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理（续3）第三十一页，共六十八页，2022年，8月28日T1（D1）、T4（D4）导通T3（D3）、T2（D2）导通T1（D1）、T3（D3）导通或T2（D2）、T4（D4）导通4.3.3单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器Vab＝0Vab＝－VdVab＝Vd三种电平第三十二页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.3单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器（续1）第三十三页，共六十八页，2022年，8月28日单极性SPWM（续2）第三十四页，共六十八页，2022年，8月28日单极性SPWM（续3）第三十五页，共六十八页，2022年，8月28日单极性倍频驱动信号生成方式,单极性倍频第三十六页，共六十八页，2022年，8月28日(1)

P=6,2P-1=11,

最低谐波为11次(3)11次谐波大于1/11=9%(2)单极性SPWM（续4）第三十七页，共六十八页，2022年，8月28日双极性三角波Vc、Vr交点确定开关通、断点。输出电压正、负半周中，Vab既有正电压也有负电压，没有零电压4.3.4双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器第三十八页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.4双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器（续1）第三十九页，共六十八页，2022年，8月28日相同的开关频率时单极SPWM：开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于单相逆变。双极性SPWM：谐波情况差些，用于三相逆变。4.3.4双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器（续2）第四十页，共六十八页，2022年，8月28日4.3.5基波移相控制第四十一页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理4.4.2电流型三相逆变工作原理4.4三相逆变电路工作原理第四十二页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路第四十三页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续1）基本工作方式——180°导电方式电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3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。第四十四页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续2）波形分析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。负载线电压负载相电压电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3第四十五页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续3）负载中点和电源中点间电压

负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是负载已知时，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，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”

数量分析见教材。第四十六页，共六十八页，2022年，8月28日三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器4.4.1电压型三相逆变工作原理（续4）第四十七页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续5）A相：T1、T4、T1’、T4’B相：T3、T6、T3’、T6’C相：T5、T2、T5’、T2’三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器第四十八页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续6）三相桥式逆变器第四十九页，共六十八页，2022年，8月28日电路4.4.1电压型三相逆变工作原理（续7）第五十页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续8）第五十一页，共六十八页，2022年，8月28日4.4.1电压型三相逆变工作原理（续9）第五十二页，共六十八页，2022年，8月28日L大，iD恒定120度导电模式，仅两个开关同时导电12，23，34，45，56，61，124.4.2电流型三相逆变工作原理第五十三页，共六十八页，2022年，8月28日三角形负载4.4.2电流型三相逆变工作原理（续）第五十四页，共六十八页，2022年，8月28日4.5三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制第五十五页，共六十八页，2022年，8月28日4.5三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制第五十六页，共六十八页，2022年，8月28日4.5三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制（续）第五十七页，共六十八页，2022年，8月28日（1）驱动信号可由硬件电路实现，亦可由软件MicroProcessor或DSP实现。（2）提高电压利用率，可改变vr或采用空间矢量控制。4.5三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制第五十八页，共六十八页，2022年，8月28日4.6.0概述4.6.112阶梯波逆变器4.6.224阶梯波逆变器4.6