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1、第4章 直流/交流变换器（逆变器）,1,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,2,依据直流电源的特性不同可分为：,电压型逆变器VSI,电流型逆变器CSI,VSI 特点：直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性。桥臂不可直通，输出不可短路。,CSI 特点：直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性。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：电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重。多数全控器件不具备逆阻特性,使用时需串联二极管。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,3,按逆变器电路结构不同分为：,单
2、相半桥,单相全桥,推挽逆变,三相桥式,也称H桥,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,4,谐波系数 HF（Harmonic Factor） 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion） 畸变系数 DF （Distortion Factor） 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,5,谐波系数 HF,谐波系数定义： 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
3、。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,6,总谐波系数 THD,THD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：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,7,畸变系数 DF,畸变系数：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：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。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。,第
4、4章 直流/交流变换器（逆变器）,8,DFI：对应一阶滤波器,DF 的定义式,DFII：对应一阶滤波器,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/n,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,9,最低次谐波 LOH,最低次谐波：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. 调制方式 2. 开关频率,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,10,单相半桥逆变原理（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、
5、T2周期性交替通、断，产生交变的Van,T1驱动导通时，T2关断。,2. T2驱动导通时，T1关断,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,11,单相半桥逆变原理（纯电感负载）,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？,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,12,单相半桥逆变原理（阻感负载）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,13,单相全桥逆变原理（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Vab,T1、T4驱动导通，T2、T3关断,T2、T3驱动导通，T1、T4关断,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,14,单相全桥逆
6、变原理（电感负载）,T1、T4通，T2、T3断时。,T2、T3通，T1、T4断时。,iam=VD/4fL,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,15,单相全桥逆变原理（阻感负载）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,16,通过输入直流调压：,以上两种调压方式均需要可控的直流输入,4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,17,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,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,18,单脉冲调压方式,T1、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角,Vab=Van-Vbn,输出电压
7、大小：,改变移相角，也就调节了输出电压电压。故也称移相调压,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,19,单脉冲调压的电压调节特性,基波幅值：,谐波幅值：,输出基波电压大小平滑可调输出基波频率可调低次谐波幅值大，滤除困难。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,20,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 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,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,21,冲量等效原理（SPWM的基本思想）,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
8、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,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,22,基于冲量等效原理的直接SPWM,DK 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化,M：调制比,输出电压基波与M成正比：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,23,双极性SPWM脉冲生成,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,24,双极性SPWM的脉冲面积,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,25,双极性SPWM的特性,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了
9、。LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。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？,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,26,SPWM的优点,由于SPWM的谐波频率高，滤波器对高次谐波有强烈的衰减作用,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,27,单极性SPWM脉冲生成,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,28,单极性SPWM脉冲面积,一个载波周期，输出两个脉冲,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,29,单极性SPWM特点,N=7时，基波与谐波相对值,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3,5,7
10、.等次谐波没有了。谐波幅值仍然可以与基波相比较，甚至更大。LOH在两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。,最低次谐波频率（LOH）提高一倍，相当于双极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频SPWM。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,30,规则采样SPWM（适合微处理器计算）,，,，,不对称规则采样：,对称规则采样：,差异：不对称规则采样的脉宽计算量、采样频率是对称规则采样的2倍不对称调制的采样频率是开关频率的2倍。不对称规则采样的谐波比对称规则采样小。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,31,双极性SPWM谐波特性,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。输出波形
11、不含载波偶次倍频谐波。谐波间隔为两倍基波频率，奇次载频两侧为偶此边带谐波，偶次载频两侧为奇次边带谐波。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,32,单极性SPWM谐波特性,1. 基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。2. 输出电压中不含载波频率偶次倍频及其边带谐波。3. 载波偶次倍频两侧也仅含奇次边带谐波簇。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,33,三相逆变器构成,单相逆变器合成三相,对应的变换器电路,三个单相逆变器组合；每个逆变器基波互差120；输出用三相变压器耦合形成三相电压。,A相：T1、T4、T1、T4B相：T3、T6、T3、T6 C相：T5、T2、T5、T2,每相
12、由一个H桥构成，适合大功率应用,电压型三相逆变工作原理,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,34,典型的三相电压型逆变电路（变压变频调速器）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,35,5.2.2 三相电压型逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变电路,图5-9 三相电压型桥式逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,36,5.2.2 三相电压型逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,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 。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。,第4章 直流/交流
13、变换器（逆变器）,37,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,38,三相电压型全桥逆变器6路开关信号（ 180导电方式）,三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形,三相逆变器U和V相桥臂输出电压（线电压，为120o方波）,基波分量,M,N,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,39,三相电压型全桥逆变器桥臂输出电压波形,三相电压型全桥逆变器负载相电压波形,负载中性点电压波形,基波分量,M,三相桥臂输出状态,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,40,数量分析 输出线电压uUV展开成傅里叶级数:,其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为:,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,41,三相SPWM原理
14、,三相调制波正弦对称。三相共用载波。改变调制比M，可改变输出电压。改变载波比N可改变LOH。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,42,逆变器输出电压空间矢量的定义,六拍阶梯波逆变器输出的各电压波形如前所示。,如果定义电压空间矢量 为：,则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态，可以分别推导得出6个电压空间矢量：Us1, Us2, Us3, Us4, Us5和Us6；Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量,为何有此定义？,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,43,逆变器的 8 种工作状态,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,44,逆变器的6个输出电压空间矢量,第4章 直流/交流
15、变换器（逆变器）,45,由6个电压空间矢量形成的电压空间矢量图,Us0，零电压矢量，含两种状态， 包括Us7（000）和 Us8 （111），不输出电压。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,46,空间矢量调制原理,空间矢量定义：,矢量合成原则：伏秒平衡,Vr (cos+jsin )Tsv1SV1+Tsv2SV2+Tsv0/7SV0,Sa、b、c= 1， 桥臂上管通，下管断；Sa、b、c= -1，桥臂上管断，下管通。,最大调制范围：,空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,47,首发零矢量的SVPWM作用模式,首发零矢量U7（000）的电压矢量输出顺序表,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,48,一个Ts 区间内的电压波形 （第一个60o扇区）,第扇区内的开关序列与逆变器三相电压波形（首发000矢量）,也称为电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）工作模式图,虚线间的每一小段表示一种工作状态,0 0 01 0 01 1 01 1 11 1 11 1 01 0 00 0 0,U相桥臂状态变化,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,49,一个Ts 区间内的电压波形 （第一个60o扇区）,
