第4章直流交流变换器(逆变器)

1第四章直流/交流变换器（逆变器）电力电子学——电力电子变换和控制技术（第三版）2第四章直流/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第四章直流/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4逆变器的类型逆变器输出波形性能指标4.1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VSI电流型逆变器CSICdLdVSI特点：1.直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性;2.桥臂不可直通，输出不可短路。CSI特点：1.直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性;2.桥臂可直通，输出可短路。VSI应用广泛，CSI通常在大功率领域有所应用。原因是：1.电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重;2.多数全控器件不具备逆阻特性,使用时需串联二极管。6单相半桥单相全桥推挽逆变三相桥式Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4b也称H桥逆变器的类型(按逆变器电路结构分类)OVD/2VD/2T3T6D3D6T1D1T4D2T5T2D5D2iAiBiCABC7按输出电压不同分为：1.恒压恒频型（CVCF，ConstantVoltageConstantFrequency）2.变压变频型（VVVF，VariableVoltageVariableFrequency）3.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：1.自关断型2.强迫关断型3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）4.负载谐振换流型逆变器的类型(其它分类方式)8谐波系数HF总谐波系数THD畸变系数DF最低次谐波LOH逆变器输出波形性能指标9谐波系数HF谐波系数（HarmonicFactor）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。102n2n11VVTHD总谐波系数THDTHD（TotalHarmonicDistortion）定义：所有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：1211211n2nVVVVVTHD11畸变系数DF畸变系数（DistortionFactor）：各次谐波分量经过加权以后的总有效值与基波有效值之比。加权的含义：1.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。2.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2n22n1IIn1VVDF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-OrderHarmonic）：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第四章直流/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15电压型单相半桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路变压器中心抽头推挽式单相逆变电路4.2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Van1.T1驱动导通时，T2关断；2.T2驱动导通时，T1关断。,5,3,1Dansinπ2ntnnVvDD145.0π2VVVCo2nCo1T1T2D1D2RaiaVD驱动T1驱动T2T1ONT2ONvanT0.5VD0t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）1.T1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？tiLtiLVaaDdd2amamamD882/4fLiTLiTiLV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(sinntZVi22n)n(LRZCo2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT0.5VD0tvan输出电压波形To0tia负载电感电流波形2T23T驱动T1驱动T2D1T1D2T219电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ttttVv7sin715sin513sin31sinπ4DabDD1m27.14VVVDD19.0π22VVV1mDnm1nπ4VnVVT3T4D3D4RaiaVDT1D1T2D2bidvabToVD0t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。amamamaD442/2ddfLiTLiTiLtiLtiLVaiam=VD/4fLTVD0tvab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T3T3T4D3D4LaiaVDT1D1T2D2bidD1D4T1T4D2D3T2T321电压型单相全桥逆变电路（阻感负载）5,3,1nnn1ma)n(sinntZVi)sin(1π4122Da1tLRViT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bid驱动T1和T4驱动T2和T3D1D4T1T4D2D3T2T3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22变压器中心抽头推挽逆变电路1.仅二个开关T1、T2轮流导电180°；2.开关管断态电压为2VD；3.要输出变压器；4.适用于低压小功率、需电气隔离的应用场合。23第四章直流/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通过输入直流调压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控整流方案可控直流电源逆变器负载+-交流电源直流环节滤波器斩波调压方案DC/DC斩波器逆变器负载二极管整流器滤波器以上两种调压方式均需要可控的直流输入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VDθ2T23TvoT0tPWM输出电压VD2T23T27单脉冲调压方式θNωt0.5VD-0.5VDVanT1、T2桥臂输出电压波形T3、T4桥臂输出电压波形ωtVbn0.5VD-0.5VDT1、T2桥臂按180°方式开关T3、T4桥臂按180°方式开关两桥臂驱动信号错开θ角Vab=Van-Vbnθ全桥电路输出电压Vab的波形ωtVabVD-VD输出电压大小：ttttVtv7sin27sin715sin25sin513sin23sin31sin2sinπ4Dab改变移相角θ，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2sinπ4D1mVV基波幅值：谐波幅值：n2nsinnπ41mDnmVVV1.输出基波电压大小平滑可调；2.输出基波频率可调；3.低次谐波幅值大，滤除困难。度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0020804060100120140160180dmVV41dmVV43dmVV45dmVV47220dV12π4d1mVVπ4d3mVVπ4d5mVVπ4d7mVV2π0ωtθπ29第四章直流/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30SPWM基本原理双极性SPWM调制单极性SPWM调制规则采样SPWMSPWM的谐波特性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、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），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脉冲序列基本上是正弦电流冲量等效原理tVsin1m按Δt分成片段ΔtVd32SPWM基本原理SS1mSS1m)1(m1)1(abKD21sin21sin2cos1cos)sin()(SSTKTTVKTTKVdttVdttvTVSKTTKKTTKSSKSSD1mSKSKKsin)21sin(2TTVVTTDαKDK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：VDωt2πv(t)0πωt0vab(t)-VDTsTK基于冲量等效原理的直接SPWM33双极性SPWM调制（脉冲生成）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bidVDVab0ωt2π0ωtVrmvrvcVcm9rcffNcmrmVVM34双极性SPWM调制（等效面积）T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D2bidcmrcmrcmCK1212VvVvVEHBFAEABTTDDDCKCDKCDKab121/2/VDVTTTVTTVTVrcmDabvVVVtVVVVVtVVVtvtvrDcmrmDcmrrmDcmr1absinsin)()(35双极性SPWM调制（特性）tVtVMtVVVtvr1mrDrDcmrmab1sinsinsin)(基波特性：基波大小与调制比M成正比谐波波特性：1.消除了低次谐波，3、5、7…等次谐波没有了。2.LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。3.谐波幅值可以与基波相比较，甚至更大。如果M大于1，输出电压会怎样？这时的THD会如何？00.20.40.60.810.20.40.60.81r15V1V19V3129VV(d)N=15基波和谐波值1713VV3327VVdnVV22dnπ22VV36SPWM的优点00.5π-101π1.5π2π0.4πTHD=65.5%V1m=0.748VD单脉冲宽