电力电子-陈坚_第4章汇编

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 4 4 章章直流直流/ /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三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制控制4.6 大容量逆变器的复合结构大容量逆变器的复合结构小结小结4 4 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逆变器的类型和性能指标

2、4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型4.1.2 逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标4.1.3 其他指标其他指标4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型 电压型逆变器电压型逆变器VSI VSI 单相半桥单相半桥 单相全桥单相全桥 推挽逆变推挽逆变 三相桥三相桥 电流型逆变器电流型逆变器CSI CSI 依据直流电源的特性不同可分为依据直流电源的特性不同可分为：按输出电压不同分为按输出电压不同分为CVCFCVCF、VVVFVVVF、脉冲型脉冲型按逆变器电路结构不同分为：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：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

3、逆变、负载反电动势、负载自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。谐振换流逆变器。Z3T4T3D4Db1T2T1D2DaaiCDVDiZ3T4T3D4Db1T2T1D2DaaiLDVDi电压型逆变器电压型逆变器VSI电流型逆变器电流型逆变器CSI4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型(续续1)Z1oC2oCDV1T2T1D2Daian单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续2）* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负载负载* *推挽式单相逆变电路推挽式单相逆变电路4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续3）2dV2

4、dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续3）1/)1(VVHFnn 谐波系数谐波系数 232221221212 , 12121214 , 3 , 2211VV)11)2(VVVVVVVTHDVVTHDnnnn（总谐波系数总谐波系数DV180 方方波VVVVVD 33.0/133 VVHF2 .05 HF48.021212 VVVTHDDX-Axis0tt 方波方波2To180DV)(1tv4.1.2 逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标A

5、BCDRLV VD DS1S2S3S4C(a) 基基本本逆逆变变电电路路0v1vX-Axis1vDovV VD D0 t tCov2T畸变系数畸变系数DFDF逆变电路输出的逆变电路输出的n n次谐波有效值次谐波有效值V Vn n经经LCLC滤波后在负载上的滤波后在负载上的n n次谐波电压次谐波电压V VLnLn为为: : 11122 LCnVcncnLnVVnnLn 2020222)( nVnVLCnVVnnnLn 21224 , 3, 212n122)(1:n nVVDFnHFVnVDFnnnnnn总畸变系数总畸变系数次谐波的畸变系数次谐波的畸变系数第第倍，倍，次谐波衰减了次谐波衰减了4.1

6、.2 逆变器输出波形性能指标（续）逆变器输出波形性能指标（续）n220()n次谐波衰减了次谐波衰减了倍倍q逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包括：应包括：q逆变效率逆变效率q单位重量（或单位体积）输出功率单位重量（或单位体积）输出功率q可靠性指标可靠性指标q逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率频率q电磁干扰电磁干扰EMIEMI及电磁兼容性及电磁兼容性EMCEMC4.1.3 其他指标其他指标4.2.1 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路4.2.2 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路

7、4.2.3 变压器中心抽头推挽式变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电路单相逆变电路4.2 电压型单相方波逆电路工作原理电压型单相方波逆电路工作原理ttt(b)负 载 电 压(c)电 阻 负 载 电 流 波 形(d)电 感 负 载 电 流 波 形t(e)R-L负 载 电 流 波 形(f)输 入 电 流 波 形1T驱 动4T1T驱 动4T2T驱 动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负 载L负 载aiRL负 载2tDi2D3D1D4DT1T1、T4T4与与T2T2、T3T3 交替通、断交替通、断4.2

8、.1 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路不同负载时，不同负载时，D D、T T导电情况不同导电情况不同T T导电供电，导电供电，D D导电导电续流（返回）续流（返回） D202D0, 5 , 3, 102)sin(4VdtVTVtnnVtvTabDnab 总有效值总有效值 DDD19 . 02224VVVV 基波有效值基波有效值电阻负载电阻负载 电感电感负载负载 阻感负载阻感负载4.2.1 电压型单相全桥逆变电路（续）电压型单相全桥逆变电路（续）图图 4 4. . 2 2 单单 相相 半半 桥桥 逆逆 变变 电电 路路 及及 电电 压压 电电 流流 波波 形形t0ai1D2D1T2T

9、R-L( (e e) )R R- -L L负负 载载 电电 流流 波波 形形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081( (d d) )电电 感感 负负 载载 电电 流流 波波 形形t0aiO ON N1T2TO ON N0T043T041T( (c c) )电电 阻阻 负负 载载 电电 流流 波波 形形t0DV21anv( (b b) )电电 压压 波波 形形1T2T驱动驱动20T0T230T4.2.2 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路 电容分压，半桥电路电容分压，半桥电路 T1T1、T2T2交替通、断交替通、断 二级管二级管D D的功用的功用 R R、L L负载时，负载

10、时，T T、D D交替交替导电导电Z1oC2oCDV1T2T1D2Daian1D2Dt t0DV21anv( (b)b)电压波形电压波形2T驱动驱动20T0T230TtnnVvDnan sin2,5,3, 1 DD1D145. 022sin2VVVtVva 基波基波)sin()(2)(221tLRVtiaZ1oC2oCDV1T2T1D2Daian4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续）电压型单相半桥逆变电路（续）1T4.2.3 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路变压器中心抽头推挽式单相逆变电路q 仅二个开关仅二个开关T1、T2轮轮流导电流导电180度度q 开关管断态电压高一倍开关管断态电压高一倍

11、 2VDq 要输出变压器要输出变压器q 适用于低压小功率、须适用于低压小功率、须隔离的应用隔离的应用* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负载负载* *推挽式单相逆变电路推挽式单相逆变电路4.3.0 概述概述 4.3.1 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制PWM逆变器逆变器4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM基本原理基本原理4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器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双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器逆变器4.3.5 基波移相控制基波移相控制4.3 单相逆变器输出电压和波形控制单相逆变器输出电压和

12、波形控制LCnVVnLn22 控制方案控制方案1:1:控制方案控制方案2:2:控制方案控制方案3:3:可控整流方案可控整流方案斩波调压方案斩波调压方案逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案q控制输出电压基波控制输出电压基波V1V1的大小的大小q 控制输出电压波形，要求谐波系数小，谐波频率高控制输出电压波形，要求谐波系数小，谐波频率高4.3.0 概述概述可控整流方案可控整流方案 可控可控直流直流电源电源逆逆变变器器负负载载+-交流交流电源电源直流直流环节环节滤波器滤波器斩波调压方案斩波调压方案DC/DC斩波器斩波器逆逆变变器器负负载载二极二极管整管整流器流器滤波器滤波器4.3.0 概述（续概述（续

13、1）ABCDRLS1S2S3S4C基基本本逆逆变变电电路路0v1vDV逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案4.3.0 概述（续概述（续2）X-Axis1vDovE0 t tX-Axis1vov0 t CTonTonT (b) 方波方波(c) 宽度宽度 方波方波t T/2TPWM输出电压波形输出电压波形0ov2Ttov2T 2tovo180o180 DVDV正半周中，正半周中，T T1 1、T T4 4导通导通 角角负半周中，负半周中，T T2 2、T T3 3导通导通 角角开关频率决定输出频率开关频率决定输出频率脉宽脉宽 决定输出电压大小决定输出电压大小4.3.1 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制

14、PWM逆变器逆变器次次谐谐波波电电压压相相对对值值、基基波波、的的矩矩形形波波的的脉脉宽宽为为753 tnnnVvVtdVVndntabddab sin) 1(2sin4)(2221, 7 , 5 , 3 , 1)(21222 14sin24sin2mDDn mVVVnVnddmVVVV 22411 时时，4.3.1 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制PWM逆变器（续）逆变器（续）0oDoDovVvVv 逆变电路只能直接输出X-Axis1vDov0 t tX-Axis1vov0 t CTonTonT t T/2T0ov2Ttov2T 2tovDVDVDVABCDRLS1S2S3S4C基基本本逆逆变变

15、电电路路0v1vDV4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM基本原理基本原理iitVm sin1t期间期间tdV 在某一很短的时间段期间，在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于脉冲电压作用于L、R电路时，电路时，只要两个只要两个窄脉冲窄脉冲电压的电压的冲量相冲量相等等，则它们所形成的电流响应，则它们所形成的电流响应就相同。因此要使就相同。因此要使图图4.8(b)的的PWM电压波在每一时间段都与电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还

16、必须很窄，时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求这就要求脉波数量脉波数量P很多很多。脉波。脉波数越多，不连续的按正弦规律数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。效于正弦电压。 4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续基本原理（续1）tVtvm sin)(1 0t452123789210tdVdV)(tvab(b)(tv1031245109876105107109120(a)(b)SPWM等等效效电电压压(a)正正弦弦电电压压3123454.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续基本原理（续2）vab(t)i

17、(t)111sin1sin1sinDDmmmmDmmmDVdtVtVtdttVtdtVtVtdtV冲量等效原理冲量等效原理: 大小、波形不相同的大小、波形不相同的窄脉冲窄脉冲变量作用于惯性系统变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的时，只要它们的冲量即变量对时间的积分积分相等，其作相等，其作用效果基本相同。用效果基本相同。 4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续基本原理（续3）单极性SPWM电压波形单极性SPWM电压波形2 tdVabvO O1123456i i 2T1（D1）、）、T4（D4）导通导通T3（D3）、）、T2（D2）导通导通T1（D1）、）、T3

18、（D3）导通导通或或T2（D2）、）、T4（D4）导通导通4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器Vab0VabVdVabVd三种电平三种电平1 2 3 4 11 10 2t6,14 PffNrc( (d d) )S SP PW WM M电电 压压2 trrfv ,dVMI ccfv ,abvO OO O12 1123456（ b b） 由由 相相 交交 确确 定定 开开 关关 点点rcvv,i i相当的高次谐波。相当的高次谐波。与开关频率与开关频率和和，仅含基波仅含基波各段脉宽按正弦变化，各段脉宽按正弦变化，等幅多脉冲电压等幅多脉冲电压的交点所确定的的交点

19、所确定的与三角波与三角波由正弦波由正弦波cr11ababccrr,)()(fffvvvfvfv0crccmrmDcmrmm1cmrm:ffffNvvMVvvvvv载波比载波比调制比调制比，则，则若若 4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器（续单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器（续1）单极性单极性SPWM（续（续2）1 2 3 4 11 10 2t6,14 PffNrc单单极极性性S SP PW WM M电电压压波波形形2 trrfv ,dVccfv ,abvO OO O12 1123456（b b）由由 相相交交确确定定开开关关点点rcvv,单极性单极性SPWM（续（续3）DDcmrm1m

20、11DD21809 . 022MVVVVVVVVV 当脉波数很多时，当脉波数很多时，宽方波的基波有效值宽方波的基波有效值是是 121143211112114321coscoscoscoscoscos21222coscoscoscoscoscos222:6 dmdnmnnVVVnnnnnnnVVBV个脉波时，有效值个脉波时，有效值 dnnVVV22 M2132)( nV1V1513VV 1711VV 3125VV 2927VV cmrmVVM 时基波和谐波值时基波和谐波值6,14 PN0 01.00.80.

21、8 21Dnmnm12121coscos2 nnnVVVn 次谐波幅值为次谐波幅值为产生产生，脉宽脉宽，终点，终点单脉波起点单脉波起点单极性倍频驱动信号生成方式单极性倍频驱动信号生成方式rVcV, 1, 21, 2, 1, 2rcrcVV T ON T OFFT TVV T OFF T ON,0, 4, 33, 40, 4, 3rcrcVVT ON T OFFTTVVT OFF T ON单极性倍单极性倍频频驱动信号生成电路驱动信号生成电路-1+- -cv三角波三角波rv正弦波正弦波-1+-+-AB11,TVg22,TVg44,TVg33,TVgAVAVBVBV+(1) P=6, 2P-1=11

22、, 最低谐波为最低谐波为1111次次(3) 11次谐波大于次谐波大于1/11=9%DDDDVVVMVMVVVVV707. 02121cmrm1m1 时，时，%46.217854. 042221电压利用率少了电压利用率少了 DDVVV(2)单极性单极性SPWM（续（续4）双极性三角波双极性三角波VcVc、VrVr交点确定开关通、断交点确定开关通、断点。输出电压正、负半周中，点。输出电压正、负半周中，VabVab既有正电压也有负电压，既有正电压也有负电压，没有零电压没有零电压4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器逆变器4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制双极性正弦脉

23、冲宽度调制BSPWM逆变器（续逆变器（续1）次次最低次谐波为最低次谐波为调制比调制比载波比载波比132/15/cmrmrc NVVMffN相同的开关频率时相同的开关频率时单极单极SPWMSPWM：开关动作次数相对少开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于单相些，谐波情况好些，多用于单相逆变。逆变。双极性双极性SPWMSPWM：谐波情况差些，用谐波情况差些，用于三相逆变。于三相逆变。4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器（续逆变器（续2）AVES1S40vS1S4BVBAovvv S2S3S2S31AV1BV1 1V11121211cos2 BABAVVVVV

24、121cos2 V又又可可消消除除某某次次谐谐波波波波电电压压大大小小，基基波波移移相相，既既可可调调节节基基 1803n60311n ，次谐波相差次谐波相差nn0,3B3A3 VVV 1805n3651 ，0,5B55AVVV 4.3.5 基波移相控制基波移相控制4.4.1 电压型三相逆变工作原理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电流型三相逆变工作原理4.4 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理三个相差三个相差120120度的单相逆变器组成一个三相逆变器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电压型三相逆变工作原理2dV2dVABCFED1

25、T1D3D3T5T5D2D2T6T6D4D4T5D5T 3T 3D1D1T 4T 4D6T 6D2D2T （b）电路图4.4.1 电压型三相逆变工作原理（续电压型三相逆变工作原理（续1）A相相：T1、T4、T1、T4B相相：T3、T6、T3、T6 C相：相：T5、T2、T5、T2三个相差三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变度的单相逆变器组成一个三相逆变器器2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0（a）电路4.4.1 电压型三相逆变工作原理（续电压型三相逆变工作原理（续2）123612561456345234123180开关导电顺序为：上、下开

26、关互补导电，时导电。任何时候有三个开关同，每个开关导电三相桥式逆变器三相桥式逆变器aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形负载三角形负载abcaVaincibiccaV.abV.bcV.anV.abbnV.cnV.n1.51.531caV. 星形负载星形负载2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0电电 路路4.4.1 电压型三相逆变工作原理（续电压型三相逆变工作原理（续3）4.4.1 电压型三相逆变工作原理（续电压型三相逆变工作原理（续4）负载相电压阶梯波方波线电压三开关同时导电导电120)(180

27、4.4.1 电压型三相逆变工作原理（续电压型三相逆变工作原理（续5）t0abv2tanv0dVMdV32dV31ddmVVV636.021 tttttVtvdan 13cos13111cos1117cos715cos51cos2)( tttttVtvdab 13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(ddmVVV1 .1321 tttttVtvdab 13cos13111cos1117cos715cos51cos32)(a) 电电 路路 :星星 型型 负负 载载R RU Ud dL LdiT T1 1T T3 3T T5 5T T2 2T T6 6T T4 4a ab

28、 bc cR RR Rn naibici2222222222T T1 1ttttttttttV Vg g1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5T T6 6T T6 6V Vg g2 2V Vg g3 3V Vg g4 4V Vg g5 5V Vg g6 6000000aibici0000abidIT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 50120( (b b) ) 波波形形（ 导导电电类类型型）L L大，大，i iD D恒定恒定120120度导电模式，仅两个开关同时度导电模式，仅两个开关同时导电导电1212，2323，3434，4545，5656，6161，1

29、2124.4.2 电流型三相逆变工作原理电流型三相逆变工作原理2222ttttaibici0000abidI0120(b) 波波形形（ 导导电电类类型型）c ca ab bbiabiaicicaibci三角形负载三角形负载(a) 电电 路路 :星星 型型 负负 载载R RU Ud dL LdiT T1 1T T3 3T T5 5T T2 2T T6 6T T4 4a ab bc cR RR Rn naibici4.4.2 电流型三相逆变工作原理（续）电流型三相逆变工作原理（续）AC CA AT T1 1T T4 4T T6 6T T3 3B BT T5 5T T2 2DV21DV210 0(

30、(a a) )电电路路BC Ctsinrrmracc Vvfv 三相正弦调制波三相正弦调制波、双极性三角载波双极性三角载波1rrrrmrcrrmrb22)240-tsin()120-tsin(ffVvVv 4.5 三相逆变器输出电压和波形的三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制控制( (c c) )电电 压压 波波 形形 图图tttt00000Cv0Bv0Avcrvbrvarvcv4.5 三相逆变器输出电压和波形的三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制控制4.5 三相逆变器输出电压和波形的三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制（续）控制（续）：）载波频率（c3f即可调节输出基波电压）改变（rm

31、1V的相位决定压输出电压相位由参考电r )4(vr1cmc ffVf，、固定rfff1r2调频，）改变（DDDAom_maxDDcmrmAom866. 023212121VVVVVMVVVV线电压最大值为率高则脉波多，最低谐波频大，载波比r/ ffNc+-1+-+-1+-V Vg g1 1 T T1 1V Vg g4 4 T T4 4V Vg g6 6 T T6 6V Vg g3 3 T T3 3cV+-1+-V Vg g2 2 T T2 2V Vg g5 5 T T5 5参参考考波波形形成成VR+rfcf oVoVrmV)(tVar)(tVbr)(tVcr( (b b) ) 驱驱动动信信号号

32、-（1 1）驱动信号可由硬件电路实现，亦可由软件）驱动信号可由硬件电路实现，亦可由软件Micro ProcessorMicro Processor或或DSPDSP实现。实现。（2 2）提高电压利用率，可改变）提高电压利用率，可改变v vr r或采用空间矢量控制。或采用空间矢量控制。 4.5 三相逆变器输出电压和波形的三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制控制4.6.0 概述概述4.6.1 12阶梯波逆变器阶梯波逆变器4.6.2 24阶梯波逆变器阶梯波逆变器4.6 大容量逆变器的复合结构大容量逆变器的复合结构q开关器件电压开关器件电压6 67 7KVKV，3KA3KA6KA6KA、8KA8KAq

33、一个三相桥容量难于达到一个三相桥容量难于达到1010MVAMVAq器件串联提高电压器件串联提高电压q器件并联增大电流器件并联增大电流q几个三相桥电路通过变压器组合成复合型逆变器是几个三相桥电路通过变压器组合成复合型逆变器是 扩大容量的有效途径扩大容量的有效途径4.6.0 概述概述1A1B1CPN2A2B2CPN1a1b1c2c2a2b(a)电路dVSNsN21aaAVVV 21bbBVVV 21ccCVVV 1aV2aV2bV1bV2cV1cV(b）输出电压合成AVBVCV4.6.1 12阶梯波逆变器阶梯波逆变器 nvv次次谐谐波波滞滞后后，滞滞后后比比方方波波n120a12a tttttNN

34、Vvpsda 13cos13111cos1117cos715cos51cos321 )(11cos111)(7cos71)(5cos51)cos(321 ttttNNVvpsda01805365a215a5a vvv， 018077 .25a2717aa7 vvv， 4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续1）221baaAVVVV221cbbBVVVV221accCVVVV1aV2aV2bV2cV2bV1bV2aV2cV1cV(b）输出电压合成AVBVCV1A1B1CPN2A2B2CPN1a1b1c2c2c2b2a2b2a(a)电路dVSN3SN4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续2）1cVAVBVCV2cV2aV2cV2bV1aV2aV1bV2bV(c)矢量图302bV 3030a12ba12avvvv超超前前，