1、电电 力力 电电 子子 技技 术术 Power Electronic Technology第第4章章 DC-AC变换器变换器（无源逆变电路）（无源逆变电路）DC-AC变换器变换器是指能将一定幅值的直流输入直流输入电压（或电流）变换成一定幅值幅值、一定频率频率的交流输出交流输出电压（或电流）的电力电子装置。向无源负载（如电机、电炉、或其它用电器等）供电的DC-AC变换器又称为无源逆变电路无源逆变电路，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有源逆变电路,习惯作为整流器电路的
2、馈能运行来讨论 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。交流电机交流电机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源频率可变的电源，这些电源的核心就是逆变电路。4.1 概述概述有些负载虽然也用工频电源供电，但对电源的频率稳定性频率稳定性、波形畸变波形畸变等有严格要求，且绝不允许瞬时停电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
3、会带来严重后果。因此，需要不间断电源不间断电源（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 概述概述蓄电池市电整流器逆变器负载重点学习内容: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方波变换
4、、阶梯波变阶梯波变换换、正弦波变换正弦波变换。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？4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 考虑采用开关切换的方式将直流量变换成交流量 完成直流电压直流电压变换的逆变器称为电压型逆变器电压型逆变器 完成直流电流直流电流变换的逆变器则称为电流型逆变器电流型逆变器。左图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直流侧电压基本
5、不变如何完成直流交流这一变换呢？4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 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，则所用开关管必须具有电流双向流通的能具有电流双向流通的能力力，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 左图所示电流型逆变器直流侧采用足够容量的电感滤波，因此直流侧直流侧电流基本不变电流基本不变 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方波电流，其输出电压波形取决于负载对方波电流的响应4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理 若考虑到直流电流的单
6、向性以及负载的无功缓冲，则左图中的开关管必须具有电流反相阻断的能力反相阻断的能力，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反相电流阻断特性流阻断特性。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理为什么？以左a)图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左b图所示，显然，
7、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？1.方波变换方式方波变换方式 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（脉冲幅值调制（PAMPluse Amplitude Modulation）和单单脉冲调制脉冲调制（SPMSingle Pluse Modulation）。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理4.
8、1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理1.方波变换方式方波变换方式 脉冲幅值调制（脉冲幅值调制（PAM）是指：）是指：逆变器的输出频率输出频率可由180方波（如右a)图所示）或120方波（如右b)图所示）的周期来控制（如右c)图所示），而逆变器输出基波的幅值基波的幅值则由输出方波的幅值输出方波的幅值即逆变器直流侧电压直流侧电压（或电流）的幅值来控制。显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角导通角恒定（180方波或120方波）。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理1.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：逆变器的输出频率频率仍由方波的周期方波的周期来控制，而
9、逆变器输出基波的幅值基波的幅值则由逆变器输出方波的导通角导通角进行控制，即可使导通角在0180范围调节 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 逆变器的基本原理逆变器的基本原理1.方波变换方式方波变换方式 采用SPM变换方式时，由于逆变器输出方波的幅值一幅值一定定，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需要调节方波的导通角，因而需要需要采用快速功率采用快速功率元件（如IGBT等）PAM方式方式由于需要控制逆变器输出方波的幅值控制逆变器输出方波的幅值，因
10、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导电角恒定，因此无需无需采用快速采用快速的全控型功率元件（如IGBT等）2.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
11、方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多了个电平2.阶梯波变换方式阶梯波变换方式由于这种多电平输出的交流波形形似阶梯波形，因此采用方波叠加的DC-AC变换方式成为交流阶梯波变换。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理交流阶梯波是由多组采用方波变换的叠加组合而成，该阶梯波的THD为9.48%，远低于120和180方波变换时的THD。2.阶梯波变换方式阶梯波变换方式实现这种交流阶梯波变换的原理电路如下b)图所示分相叠加的组合逆变器结构，通过多组采用方波变换的逆变器
12、进行移相叠加组合 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3.斩控调制方式斩控调制方式 斩控方式主要是指：逆变器输出调制脉冲幅值固定不变，而逆变器中功率开关管以一定的控制规律进行调制，当开关频率足够高时，输出电压波形的谐波含量足够小，这种控制方式是当前逆变器的主要控制方式。一般有两类：PWM、PFM4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理3.斩控调制方式斩控调制方式 脉冲宽度调制（PWM）：在一定的开关调制频率条件下，调制脉冲的幅值恒定，而调制脉冲的宽度可调。若调制脉冲的宽度按正弦分布，则称之为正弦脉冲宽度调制（正弦脉冲宽度调制（SPWM），
13、基于SPWM控制的逆变器输出波形如下图所示。4.1.1 逆变器的基本原理逆变器的基本原理3.斩控调制方式斩控调制方式 脉冲频率调制（PFM）：这种控制方式是指调制脉冲宽度和幅值固定不变，而脉冲调制频率可调。基于PFM控制的逆变器输出波形如下图所示。PFM控制方式由于需要很宽的开关频率变化范围，考虑到输出滤波器设计的困难，因此在逆变器中一般较少采用。4.1.2 逆变器的分类逆变器的分类 1.按直流侧储能元件直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器电压型逆变器（VSIVoltage Source Inverter）和）和电流型逆变器电流型逆变器（CSICurrent Source Inver
14、ter）。逆变器中直流侧必须设置储能元件储能元件，如电感元件电感元件和电容元电容元件件。储能元件的作用作用：直流侧的滤波作用；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电压源特性当逆变器直流侧设置电感元件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电流源特性。4.1.2 逆变器的分类逆变器的分类 2.按逆变器输出波形输出波形的不同，逆变器可分为方波逆变器方波逆变器、阶阶梯波逆变器梯波逆变器、以及正弦波逆变器正弦波逆变器等。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
15、叠加控制正弦波逆变器则常采用脉冲宽度调制（PWM）控制3.按逆变器功率电路结构形式的不同，逆变器可分为半桥逆半桥逆变器变器、全桥逆变器全桥逆变器、推挽式逆变器推挽式逆变器等。4.按逆变器功率电路的功率器件的不同，逆变器可分为半控半控型逆变器型逆变器和全控型逆变器全控型逆变器。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 5.按逆变器输出频率频率的不同，逆变器可分为工频逆变器工频逆变器、中中频逆变器频逆变器以及高频逆变器高频逆变器。6.按逆变器输出交流电的相数相数的不同，逆变器可分为单相逆单相逆变器变器、
16、三相逆变器三相逆变器以及多相逆变器多相逆变器。7.按逆变器输入、输出是否隔离是否隔离，逆变器可分为隔离型逆变隔离型逆变器器和非隔离型逆变器非隔离型逆变器。其中隔离型逆变器又可分为低频隔低频隔离型逆变器离型逆变器和高频隔离型逆变器高频隔离型逆变器两类。8.按逆变器输出电平输出电平的不同，逆变器可分为两电平逆变器两电平逆变器和多电平逆变器多电平逆变器。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逆变器的输出波形性能指标 谐波系数谐波系数HF（Harmonic Factor）:表征实际波形中第第n次谐波与基波相比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
17、分量有效值Un与基波分量有效值U1之比，即 总谐波畸变系数总谐波畸变系数THD（Total Harmonic Distortion Factor）表征实际波形同基波分量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Un（n=2、3）的均方根与基波分量有效值U1之比，即1UUHFn213,2211 nnUUTHD4.1.3 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逆变器的输出波形性能指标 畸变系数畸变系数DF（Distortion Factor）表征实际波形中每一次谐波分量对波形畸变的影响程度。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
18、变系数DFn为 最低次谐波最低次谐波LOH（Lowest-Order Harmonic）定义为与基波频率最接近的谐波21nUUDFnn4.1.3 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）电压型逆变器电压型逆变器的直流侧以电容电容为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈现出电压源特性。电压型逆变器有以下主要特点：主要特点：直流侧有足够大的储能电容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
19、电压波形为方波方波或方波脉冲方波脉冲，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方波型、阶梯波型阶梯波型、正弦波型正弦波型（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，以下将只讨论全控型电压型逆变器全
20、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电压型单相相全桥全桥逆变器逆变器、电压型单相电压型单相半桥半桥逆变器逆变器以及带中心抽头带中心抽头变压器的电压型单相变压器的电压型单相推挽推挽式逆变器式逆变器等。1）电压型单相全桥方波逆变器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脉冲幅值调制（冲幅值调制（PAM）和单脉冲调制（单脉冲调制（SPM）两类，而单脉冲调制又包含对称单对称单脉冲调制和移相移相单脉冲调制。上桥臂下桥臂4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 1)
21、脉冲幅值调制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左图所示。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 功率管的功率管的实际导通角实际导通角则与负载电则与负载电流电压相位角有关。流电压相位角有关。纯电感负载纯电感负载VT1,4VD2,3VT2,34.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器
22、1)脉冲幅值调制脉冲幅值调制 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方波驱动信号周期即可改变交流输出电压频率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输出电压的基波幅值则由直流电压直流电压进行控制，需要设置可控整流电源设置可控整流电源，因而PAM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 电压型方波逆变器电压型方波逆变器
23、 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 调节直流侧电压调节直流侧电压Ud的办法的办法AC（负载）AC（电源）AC（负载）AC电源）可控整流方式二极管整流桥直流斩波4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2)对称单脉冲调制对称单脉冲调制特点：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2)对称单脉冲调制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制波幅值Urm的大小，而三角载波的
24、幅值Ucm则固定不变。改变矩形调制波的幅值大小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频率，则只要同步改变三角载波和矩形调制调制波的周期波的周期T Ts s即可 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2)对称单脉冲调制对称单脉冲调制输出方波电压的宽度为:M为调制系数为调制系数，且定义MUrm/Ucm。rmcmUMU)(d22d2)(2)(2dabUtUU显然，M1，。根据傅立叶分析，对上图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tnn
25、nUtunnsin)1(2sin4)(,5,3,121dab 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 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(2sin4dnmnnnUU2sin4d1mUU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 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4
26、.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 2)对称单脉冲调制对称单脉冲调制对于感性负载无法实现对称单脉冲调制。互补通关模式互补通关模式4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 3）移相单脉冲调制移相单脉冲调制特点：各栅极信号仍为180正偏，180反偏，且V1和V2、V3和V4互补关系不变。V3的栅极信号比V1落后（0180）。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4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 3）移相单脉冲调制移
27、相单脉冲调制一般称驱动信号相位固定的桥臂为超前超前桥臂桥臂，称驱动信号可移相的桥臂为滞后滞后桥臂桥臂。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压移相调压。移相调压。调节输出电压脉冲的宽度4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 半桥变换器半桥变换器4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 输出电压的幅值等于Ud输
28、出电压的幅值等于Ud/2输出电压较低时，较为适合2）电压型单相半桥方波逆电压型单相半桥方波逆变器变器 在0tTs/2期间，VT1得到驱动，VT2截止，逆变器的输出电压uanUd/2；在Ts/2tTs期间，VT2得到驱动，VT1截止，逆变器的输出电压uanUd/2 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波电压的幅值只有电压型单相全桥逆变器输出方波电压的一半。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 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
29、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均降低了一半相同电源前提下，管子损耗也减小一倍。但是，若获得相同幅值的输出电压的话，需要的总的电源电压要升高一倍适合于“高电压”输入且“低电压”输出的变流应用场合 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 在直流电压相同时，所需器件的耐压是相同的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方波逆变器 电压型单相半桥方波逆变器较适合于“高电压”输入且“低电压”输出的变流应用场合。若实
30、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单相逆变器电路呢？左图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就能满足这一要求。带中心抽头变压器的电压型单相推挽式方波逆变器电路4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。二极管的作用:提供无功能量的反馈通道。在Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。与全桥电路的比较：比全桥电路少用一半开关器件。器件承受的电压为2Ud，比全桥
31、电路高 一倍。适用于低压小功率，而又必须将直流电源与负载电气隔离的应用领域带中心抽头变压器的电压型单相推挽式方波逆变器电路4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 方波调制是DC-AC变换最简单的一种控制方式。若以左图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导电方式导电方式和120导电方导电方式式。电压型三相桥式逆变器电路结构
32、 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 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。基本工作方式180导电方式导电方式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，也称为纵向换流纵向换流。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 分析电路分析电路 负载各相输出端到电源中点N的电压：U相，上桥臂通，uUN=Ud/2，下桥臂通，uUN=-Ud/2。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 负载线电压 U
33、NWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 负载相电压 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu负载中点和电源中点间电压)uuu(31)uuu(31uWNVNUN WN VN UN NN)uuu(31u WN VN UNNN4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 )(31 WN VN UNNNuuuu NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型
34、三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 1112228mC C C由于由于180o导电模式，每一相上下导电模式，每一相上下桥臂任何时刻均有一个导通，即桥臂任何时刻均有一个导通，即可能为上通下关或上关下通，因可能为上通下关或上关下通，因此三相桥式电路总共的开关组合此三相桥式电路总共的开关组合数为：数为：其中有其中有2中零模式和中零模式和6中非零模中非零模式式状态123456电角度06060120120180180240240300300360导通开关5、6、16、1、21、2、32、3、43、4、54、5、6
35、UUNUd/32Ud/3Ud/3-Ud/32Ud/3-Ud/3UVN2Ud/3-Ud/3Ud/32Ud/3Ud/3-Ud/3UWNUd/3-Ud/32Ud/3-Ud/3Ud/32Ud/34.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。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，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，这是电压型逆变电路的一个特点。4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 式中，k为自然数定量分析
36、定量分析：输出线电压 uUV展开成傅里叶级数d202UVUV816.0d21UtuUdUVd2 31111sinsin5sin7sin11sin135711132 31sin(1)sinknUutttttUtn tn16 knddUV1m1.132UUUddUV1mUV178.062UUUU基波幅值：基波有效值：4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 不含偶次和3次谐波 式中 ，k为自然数 负载相电压负载相电压 uUN展开成傅里叶级数得nddUNtnsinn1tsinU2t13sin131t11sin111t7sin71t5sin51tsin
37、U2u16 kn4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 负载相电压有效值基波幅值基波有效值d202UNUN471.0d21UtuUddUN1m637.02UUUdUN1mUN145.02UUU4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 注意：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“先断后通先断后通”4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 120导电方式导电方式：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
38、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 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 120导电方式导电方式：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 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2
39、.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 120导电方式导电方式：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。120导电方式主要运用于电流型三相桥式逆变器的控制中 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 2.电压型三相方波逆变器电压型三相方波逆变器 电压型阶梯波逆变器的拓扑结构种类主要包括：变压变压器移相叠加器移相叠加结构、级联移相叠加级联移相叠加结构以及多电平多电平结构。4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆
40、变器 单相变压器串联移相叠加结单相变压器串联移相叠加结构构左图为两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，若两个变压器的变比为1:1，并且使两个单相逆变器输出方波的相位角错开角度后再进行串联叠加，则串联叠加后的电压波形为8阶梯波电压波形，如左图b所示。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 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构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，每个逆变器的输出电压u1、u2以及其叠加输出电压uo分
41、别为。11,3,5,41sinsin()22nEnuntn 21,3,5,41sinsin()22nEnuntn121,3,5,42sincossin()22nEnnuuuntn4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构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n次谐波，则cos(n/2)=0，即(n/2)2k/2，其中k0，1，2，3，因此n（4k）/。分析可得，在消除3次谐波时，n为3以及3的奇数倍。同理,在消除5次谐波时，n为5以及5的奇数倍。4.2.2 电压
42、型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器 121,3,5,42sincossin()22nEnnu uun tn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/3，则不仅消除了3次谐波，而且同时也消除了3的奇次倍谐波；另外，如果移相角/5，则不仅消除了5次谐波，而且同时也消除了5的奇次倍谐波；可见，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阶梯波逆变器的输出谐波将大为减小。4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压
43、型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构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下图a)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120，若逆变器1、逆变器3输出变压器的变比均为1：1，而逆变器2输出变压器的变比为 ，并且使三个单相逆变器输出方波的相位角依次错开45后再进行串联叠加，则串联叠加后的电压波形为12阶梯波电压波形。1:24.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器 单相变
44、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u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u分别为)4(sin2sin14,5,3,11tnnnEuntnnEunsin2sin124,5,3,12)4(sin2sin14,5,3,13tnnnEun)(sin)4cos21(2sin1U24,5,3,1d321tnnnnuuuun4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构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)4c
45、os21(2sin124d)m(nnnnUu显然，若要消除第n次谐波则应使Um(n)0，即 ，因此n/4=2k+/4,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(2sin1U24,5,3,1
46、d321tnnnnuuuun4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 1.采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器采用变压器移相叠加结构的电压型阶梯波逆变器 4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 1）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。二极管箝位式二极管箝位式三电平逆变器又称NPC（Neutral Point Clamped）三电平逆变器，是最早提出的一种多电平逆变
47、器拓扑结构。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相对两电平结构二分之一压降和更更低的开关频率情况下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。三电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面一方面降低了器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面另一方面降低了电路运行中的du/dt、di/dt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、电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域得到了广泛的研究与应用。4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 1）引言）引言4.2.2
48、电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 虽然与阶梯波一样，但习惯上称其为多电平，并且电平数为其波峰到波谷所包含的阶梯数。2）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中性点n。每一相需要4个功率开关管，4个续流二极管，两个箝位二极管。其实每一相所需的开关器件个数为2(n-1)、箝位二极管个数为2(n-2)、直流分压电容个数为n-1，其中n为电平数。中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结
49、构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 2）三电平逆变器工作原理）三电平逆变器工作原理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位，同时在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。其中每一个功率开关管承受正向阻断电压为 。中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 2dcV4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 2.三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每相输出电压相对于直流侧电压有三种可能的取值，即：正电压、零电平和负电压。以A相为例，电容C1、C2为变换电路提供2个相
50、同的直流电压，二极管Da1、Da2用于电平箝位。当同时开通Sa1、Sa2，关断Sa3、Sa4时，在逆变电路输出端可以获得一个正电压Vdc/2；同时开通Sa2、Sa3，关断Sa1、Sa4时，输出电压为0；同时开通Sa3、Sa4，关断Sa1、Sa2时，可在输出端得到一个负电压-Vdc/2。图4-20中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 2.采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器采用多电平结构的电压型阶梯波逆变器 由此可见，每相桥臂的四个主开关功率管有三种不同的通断组合，对应三种不同的输出电位。三电平逆变器的开关状态与输出电压关系如表2示。开关状态VAn导通器
