电力电子技术-4-1逆变

电力电子技术PowerElectronics电力电子技术第4章DC－AC变换器1234概述电压型逆变器（VSI）空间矢量PWM控制基本内容电流型逆变器电力电子技术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（Inverter）。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运行来讨论本章将只讨论无源逆变电路——逆变器。4.1概述4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术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（UninterruptablePowerSupply——UPS），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4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术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，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。4.1概述蓄电池市电整流器逆变器负载4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术重点学习内容:1.逆变器的电路结构、分类及主要性能指标。2.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。3.方波逆变器的基本电路及其特点。4.阶梯波逆变器的基本电路及其特点。5.正弦波逆变器及其SPWM控制。6.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4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术4.1.1逆变器的基本原理+-负载dCaSbS逆变器的原理拓扑ud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4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术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+-负载dCaSbS逆变器的原理拓扑ud4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术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逆变器的基本原理负载aSbSdIdL逆变器的原理拓扑4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术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VT1（VD1）和VT4（VD4）导通而VT2（VD2）和VT3（VD3）关断时，输出电压为正的方波电压；当功率管VT2（VD2）和VT3（VD3）导通而VT1（VD1）和VT4（VD4）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VD4VD3VT1VT2VT3VT4VD2VD1duoua)逆变器原理电路VT1VD1VT4VD4VT2VT3VD2VD3duiutoub)输出波形实现DC-AC变换功能的逆变器有那些变换方式呢？4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术VD4VD3VT1VT2VT3VT4VD2VD1duoua)逆变器原理电路1.方波变换方式方波变换方式是实现DC-AC最简单的变换方式，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：脉冲幅值调制（PAM－PluseAmplitudeModulation）和单脉冲调制（SPM－SinglePluseModulation）。脉冲幅值调制（PAM）是指：逆变器的输出频率可由180°方波（如图4-3a所示）或120°方波（如图4-3b所示）的周期来控制（如图4-3c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流侧电压（或电流）的幅值来控制，如图4-3d所示。显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角恒定（180°方波或120°方波）。4.1.1逆变器的基本原理d)a)b)c)4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术1.方波变换方式单脉冲调制（SPM）是指：逆变器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器输出方波的导通角进行控制，即可使导通角在0°～180°范围调节，逆变器的输出波形如图4-3e所示。显然，采用SPM控制方式时，逆变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。4.1.1逆变器的基本原理e)VD4VD3VT1VT2VT3VT4VD2VD1duoua)逆变器原理电路4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术4.1.1逆变器的基本原理1.方波变换方式采用SPM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方式（如二极管整流电路）。但是SPM方式由于需要调节方波的导通角，因而需要采用快速功率元件（如IGBT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），因而直流侧电路与控制相对复杂。但是PAM方式由于输出方波的导电角恒定，因此无需采用快速的全控型功率元件（如IGBT等）4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯波逆变器4.2.3电压型正弦波逆变器4.3空间矢量PWM控制4.3.1三相VSR空间电压矢量分布4.3.2空间电压矢量的合成4.4电流型逆变器4.4.1电流型方波逆变器4.4.2电流型阶梯波逆变器电力电子技术2.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，但交流输出谐波较大。研究表明：对于180°方波变换方式，其输出波形的谐波总畸变率THD约为48％，而对于120°方波变换方式，其输出波形的谐波总畸变率THD约为30％。为何120°方波变换方式的输出波形的THD比180°方波变换方式的的输出波形的THD要低呢？因此，为减少DC-AC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。THD——TotalHarmonicDistortion，衡量谐波含量的重要指标4.1.1逆变器的基本原理a)b)4.1概述4.1.1逆变器的基本原理4.1.2逆变器的分类4.1.3逆变器的性能指标4.2电压型逆变器（VSI）4.2.1电压型方波逆变器4.2.2电压型阶梯