电力电子技术第三章

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1、 第三章第三章 直流直流交流变换技术交流变换技术 主讲：李主讲：李 善善 寿寿 电话电话: 0551-351314 电邮电邮:电力电子技术电力电子技术第一页，共九十八页。第一页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述一、一、逆变概念逆变概念n逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电。与整流相对应，直流电变成交流电。o交流侧接电网，为有源逆变；o交流侧接负载，为无源逆变； n本章讲述无源逆变。本章讲述无源逆变。二、二、逆变器的分类逆变器的分类（1）按功率器件分： 半控器件逆变电路、全控器件逆变电路（2）按输出波形分： 方波输出逆变器、正弦波输出逆变器、其他输出波形逆变器第二页，共九十八页。第二页，共

2、九十八页。3.1 3.1 概述概述（3）按输入直流电源形式分： 电压源逆变器、电流源逆变器三、逆变器的工业应用三、逆变器的工业应用o变频变压电源VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速；o恒频恒压电源CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各种电源；o感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。第三页，共九十八页。第三页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述四、常用逆变电路结构四、常用逆变电路结构 常用结构分为：推挽、半桥、全桥三种（1 1）推挽逆变电路）推挽逆变电路第四页，共九十八页。第四页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述VT2导通，变压器一次侧两个 绕组的同名端电压极性为正，负

3、载侧两端电压为上正下负，而同时由于VT2导通、VT1截止，有： VT2和VT1均没有触发信号，都不导通，变压器二次绕组没有感应电压，负载两端电压为0，且VT2和 VT1两端电压都为Ui。VT1有门极信号可以触发导通，因此变压器一次侧两个绕组的同名端电压极性为负，负载侧两端电压为上负下正，而同时由于VT1导通、VT2截止，有：第五页，共九十八页。第五页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述（2 2）半桥逆变电路）半桥逆变电路第六页，共九十八页。第六页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述（1）VT1 和VT2在一个周期内交替导通，各自导通半个周期。 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。

4、（2）此电路所带负载为感性负载，所以电流输出波形滞后电压 一定角度。 如图所示，在t2时刻前，VT1导通、VT2关断，t2时刻VT2开 通、VT1关断，但是由于所带负载是感性负载，所以电流不能立 刻反向，先通过VD2续流一直到电流达到零为止，此时VD2截止、 VT2正式开通，电流反向。其余工作过程类似。第七页，共九十八页。第七页，共九十八页。3.1 3.1 概述概述（3 3）全桥逆变电路）全桥逆变电路第八页，共九十八页。第八页，共九十八页。一、基本电路结构一、基本电路结构3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路第九页，共九十八页。第九页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相

5、方波逆变电路 二、理想条件假定二、理想条件假定1、器件特性理想：功率器件无损耗、无延时，开关状态切换瞬间完成；随着技术进步，实际器件与理想状况差别越来越小。2、电源特性理想：逆变能量来源为理想直流电压源；实际电路是低内阻大容量直流母线电容来逼近的。3、电路特性理想：逆变电路忽略分布、寄生参数的影响，连接线为理想零阻抗；实际电路采用材料和电路布局的改善来逼近这种状态。4、负载特性理想：负载为理想线性元件，电阻无寄生电感和电容，电抗器无损耗和饱和，电容器无等效串并联电阻和电感。实际线性负载在一定范围内可以视为理想。第十页，共九十八页。第十页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变

6、电路三、电路分析的目的三、电路分析的目的1、理解逆变的工作原理2、了解器件工作中的状态（电压、电流波形）3、分析相关电流、电压的数值关系四、电路工作分析四、电路工作分析1、波形控制规律波形控制规律（1）VT1、VT3和VT2、VT4分为两个工作组，工作状态（开通和关 断）互补。（2）假定输出交流电周期为T，则VT1、VT3和VT2、VT4分别工作 T/2时间，即开通和关断时间分别为T/2。第十一页，共九十八页。第十一页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路2 2、电路工作波形分析、电路工作波形分析（1）各桥臂由MOSFET与反并二极管组成，当MOSFET一旦开通， 桥臂

7、可以正反向流动电流，此时桥臂可以视为短路；在0 期间，VT1、VT3开通， ；2期间，VT2、VT4开 通， ；一个周期内电压平均值为零（直流分量为零）， 因此负载上电流波形的直流分量也为零，稳态时电流瞬时值必 然有正有负，各半周期的电流起始值与电流终值必然方向相反。（2）01时段，ug1、30， VT1、VT3开通，对于电感负载，电流 滞后，此时VD1、VD3续流，电流方向：AVD1CdVD3 B，由于二极管续流存在，VT1、VT3实际不能导通；ug2、4= 0， VT2、VT4关断。第十二页，共九十八页。第十二页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路 （3）1 时段

8、，ug1、30， 电流过零，VT1、VT3正常开通，电流方向：VT1ABVT3，形成负载电流正半波；ug2、4=0，VT2、VT4关断。（4） 2时段，ug1、3= 0，VT1、VT3关断，ug2、40，VT2、VT4开 通，对于电感负载，电流滞后，此时VD2、VD4续流，电流方向：BVD2CdVD4A, 由于二极管续流存在，VT2、VT4实际不能导通。（5）2 2时段， ug2、40，电流过零，VT2、VT4正常开通，电流方向：VT2BAVT4，形成负载电流负半波；ug1、3= 0，VT1、VT3关断。第十三页，共九十八页。第十三页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电

9、路第十四页，共九十八页。第十四页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路3 3、相关参数计算、相关参数计算（1）按傅立叶级数展开分析，输出电压：（2）基波电压幅值：（3）基波电压有效值：（4）基波电压增益： 第十五页，共九十八页。第十五页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路（5）谐波失真度： 其中： 为基波幅值的标么值（6）输入电流分析a、电流波形正负幅值相等 0期间： RL电路电流的三要素法公式：第十六页，共九十八页。第十六页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路2期间： 由于输入电压的平均值为零（直流分量为零），输出电

10、流的直流分量亦为零。则：第十七页，共九十八页。第十七页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路b、电流幅值计算 在时刻有：第十八页，共九十八页。第十八页，共九十八页。3.2 3.2 单相方波逆变电路单相方波逆变电路4、方波逆变电路的特点、方波逆变电路的特点（1）方波逆变电路输出为交变方波，各占50%周期，与负载性质无关，在电路和参数确定情况下，输出电压形状和幅值都不可调节； （2）输出电压谐波含量丰富。方波输出除基波外还包含奇次谐波，第n次谐波的幅值与其频率成反比。谐波含量高的逆变器如果用于电机驱动，会造成定子谐波电流铜损明显增加和较大幅度转矩脉动；（3）直流电压利用率较

11、高，基波电压增益 的物理意义是表示一定幅值的直流电压可以逆变产生的交流输出电压基波有效值，又称作直流电压利用率。第十九页，共九十八页。第十九页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法q调节直流母线电压：可以通过相控整流或者整流后加DC-DC变换器来实现；q移相调压控制：两套方波逆变器通过变压器进行串联移相调压或通过移相调压全桥逆变电路实现。q方波PWM电压控制：在输出方波电压中加入脉宽调制波，调节输出电压的平均值，从而调节输出电压第二十页，共九十八页。第二十页，共九十八页。

12、3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制二、两级调压逆变电路二、两级调压逆变电路o电路结构o电路特点 优点：分级调压、调频，调节方便； 缺点：电路结构复杂，效率低。DC/DC变换DC/AC变换UdcUdUac第二十一页，共九十八页。第二十一页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制三、三、电流连续工作状态下电流连续工作状态下移相调压控制移相调压控制1、移相调压的工作原理 ug1、ug4互补输出，ug2、ug3互补输出，但两组信号的相位在0之间可调，输出脉宽可以变化，从而调节输出电压基波和有效值。（1）t0时刻开始，01时间段

13、： 此时ug1,30、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂导通，由于是感性负载，电流滞后，此时负载电流与电压反向，因此VD3、VD1 导通，负载电感储能向直流母线回馈，负载电流绝对值按照指数规律下降，直到1时刻负载电流过零，负载电压Uo+Ud，直流母线的输入电流与负载电流相同。第二十二页，共九十八页。第二十二页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制第二十三页，共九十八页。第二十三页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制（2）1时刻开始，12时间段： 此时ug1,30、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂

14、导通，负载电流由VD3、VD1转换到VT3、VT1，负载电流按照指数规律正向增大，负载电压Uo+Ud，直流母线的输入电流与负载电流相同。（3）2时刻开始，23时间段： 此时ug1,20、ug3,4=0，VT1、VT2所在桥臂导通，由于电感的续流作用，负载电流由VT3切换到VD2，VT1继续导通，此时负载被VT1、VD2“短路”，负载电感储能在负载电阻中消耗，io以较小的斜率指数下降，负载电压Uo0，直流母线的输入电流为0。第二十四页，共九十八页。第二十四页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制（4）3时刻开始，34时间段： 此时ug1,3=0、ug2

15、,40，VT2、VT4所在桥臂导通，由于电感的续流作用，负载电流由VD2、VT1转换到VD2、VD4，负载电感储能向直流母线回馈，负载电流按照指数规律下降，直到4时刻负载电流过零，负载电压Uo-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。（5）4时刻开始，45时间段： 此时ug1,3=0、ug2,40，VT2、VT4所在桥臂导通，负载电流由VD2、VD4切换到VT2、VT4，负载电流按照指数规律反向增加，负载电压Uo-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。第二十五页，共九十八页。第二十五页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制（6）5时刻开始，56时间段：

16、 此时ug1,2=0、ug3,40，VT3、VT4 所在桥臂导通，由于电感的续流作用，负载电流由VT2切换到VD3，VT4继续导通，此时负载被VT4、VD3“短路”，负载电感储能在负载电阻中消耗，io的绝对值以较小的斜率指数下降，负载电压Uo0，直流母线输入电流为0。第二十六页，共九十八页。第二十六页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制2、方波移相调压逆变电路的输出电压分析（1）输出电压波形特点UoUdUd第二十七页，共九十八页。第二十七页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制（2）输出电压分析 输出电压：（3）谐波分析 各次谐波幅值 各次谐波相对幅值（以 、 时的 为基准值）第二十八页，共九十八页。第二十八页，共九十八页。第二十九页，共九十八页。第二十九页，共九十八页。3.3 3.3 单相方波逆变电路的电压控制单相方波逆变电路的电压控制3、移相全桥逆变电路特点q单级电路，结构简单、效率高q调节控制信号相位变化，实现调压，实质上是改变输出正负脉冲宽度调节电压，实质上是脉宽调制q输出谐波含量仍然很高