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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4.1.
2、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、有源逆变、负载
3、反电动势、负载谐自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。振换流逆变器。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)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）4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续3）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）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
4、后在负载上的n n次谐波电压次谐波电压V VLnLn为为:4.1.2 逆变器输出波形性能指标（续）逆变器输出波形性能指标（续）次次谐谐波衰减了波衰减了倍倍q逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包括：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频逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率率q电磁干扰电磁干扰EMIEMI及电磁兼容性及电磁兼容性EMCEMC 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
5、型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路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T1T1、T4T4与与T2T2、T3T3 交替通、断交替通、断 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）电阻负载电阻负载 电感电感负载负载 阻感负载阻感负载 电压型单相全桥逆变电路（续）电压型单相全桥逆变电路（续）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，
6、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，负载时，T T、D D交替交替导电导电1D2Dt t0DV21anv(b)b)电压波形电压波形2T驱动驱动20T0T230T 电压型单相半桥逆变电路（续）电压型单相半桥逆变电路（续）1T 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 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4.3.0 概述概述 4.3
7、.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波形控制控制方案控制方案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
8、，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4.3.0 概述（续概述（续1）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）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PWM逆变器逆变器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）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 在某一很短的
9、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
10、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）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2）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）T1（D1）、）、T4（D4）导通导通T3（D3
11、）、）、T2（D2）导通导通T1（D1）、）、T3（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）单极性单极性SPWM（续（续3）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,单极性倍频单极性倍频(1)P=6,2P-1=11,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%(2)单极性单极性SPWM（续（续4）双
12、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冲宽度调制BSPWM逆变器（续逆变器（续1）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
13、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）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、
14、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（续电压型三相逆变工作原理（续2）三相桥式逆变器三相桥式逆变器电电 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）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）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1212，2323，3434，4545，5656，6161，12124.4.2 电
15、流型三相逆变工作原理电流型三相逆变工作原理三角形负载三角形负载4.4.2 电流型三相逆变工作原理（续）电流型三相逆变工作原理（续）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4.5 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）（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
16、 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
17、有效途径扩大容量的有效途径4.6.0 概述概述4.6.1 12阶梯波逆变器阶梯波逆变器4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续1）4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续2）4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续3）4.6.1 12阶梯波逆变器（续阶梯波逆变器（续4）4.6.2 24阶梯波逆变器阶梯波逆变器输出电压波形合成输出电压波形合成4.6.2 24阶梯波逆变器（续）阶梯波逆变器（续）q逆变器应用非常广泛：变频变压、变速传动的交流电动机、逆变器应用非常广泛：变频变压、变速传动的交流电动机、恒频恒压交流负载、直流电源变换系统、新能源系统以及直流恒频恒压交流负载、直流电源变换系统、新能源系统以及直流输电系统等输电系统等.q逆变器的开关器件现在都采用全控型开关器件。逆变器的开关器件现在都采用全控型开关器件。q功率：功率：GTOGTO（高）高）IGCTIGCT、IGBTIGBT、MCTMCT、SITSIT（中）中）P-MOSFETP-MOSFET（小）小）q频率：频率：P-MOSFETP-MOSFET、SITSIT（高）高）IGBTIGBT、IGCTIGCT、MCTMCT（中）中）GTOGTO（低）低）q逆变器输出电压大小可调和输出电压波形质量好。逆变器输出电压大小可调和输出电压波形质量好。小结小结