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1、 第第 4 4 章章直流直流/ /交流变换器交流变换器14 4 直流直流/ /交流逆变器交流逆变器4.1 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 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 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 4.4 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理4.5 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SPWMSPWM控制控制4.6 4.6 大容量逆变器的复合结构大容量逆变器的复合结构本章小结本章小结 逆变器应用广泛逆变器应用广泛l非工频交流负载l感应加热：数10数
2、百kHzl长波通讯：数10kHzl甚低频发射机：10kHzl功率超声应用：l电火花加工：l声纳电源：l臭氧发生器：数10kHzl交流电机变频调速lSCR变频调速：1kHzlIGBT变频调速：数10kHzl高频内调制应用l不间断电源(UPS)及备用电源：数10kHzl高频逆变式整流焊机：数10kHzl通用变频器l激光电源：数10kHzl高频电镀电源：数10kHzlX射线高压直流电源：数10kHzl通用高压直流充电电源：数10kHzl快速充电电源l特殊用途高频逆变器l高频电子镇流器l大功率紫外光源l太阳能、风能和波能发电l等离子体脉冲发生器电源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
3、.1.1 4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型4.1.2 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 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（constant voltage & constant freqeuncyconstant voltage & constant freqeuncy
4、）、VVVF (VVVF (variable voltage variable frequency variable voltage variable frequency ) )、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 4.1.1 逆变器的类型逆变器的类型( (续续1)1)Z ZDV3T4T3D4Db
5、 b1T2T1D2Da adiai单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥4.1.1 4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续2 2）4.1.1 4.1.1 逆变器的类型（续逆变器的类型（续3 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）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: : 4.1.3 其他指标其他指标q逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包逆变器的性能指标除
6、输出波形性能指标外，还应包 括：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率逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率q电磁干扰电磁干扰EMIEMI及电磁兼容性及电磁兼容性EMCEMC4.2 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4.2.1 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 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4.2.3 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)单相逆变电单相逆变电
7、路路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T1T1、T4T4与与T2T2、T3T3 交替通、断交替通、断单相全桥单相全桥180逆变器电逆变器电感负载电流感负载电流分析方法： 分段式求解电路方程法分段式求解电路方程法谐波分解法单相全桥单相全桥180逆变器电感负载电流逆变器电感负载电流分析方法： 分段式求解电路方程法 谐波分解法谐波分解法谐波分析法计算示例谐波分析法计算示例 如图全桥逆变器，负载由R、L、C构成，求负载回路电流。17计算示例计算示例 计算示例（续）计算示例（续）作业题作业题-1 请用PSPICE仿真验证上述两题计算结果。4.2.1 电压型单相全桥逆变电路（续）电压
8、型单相全桥逆变电路（续）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（反回）续流（反回）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电容分压，半桥电路T1、T2交替通、断二级管D的功用R、L负载时，T、D交替导电4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续）电压型单相半桥逆变电路（续）4.2.3 变压器中心抽头推挽式变压器中心抽头推挽式 单相逆变电路单相逆变电路 l仅二个开关T1、T2轮流导电180度l开关管断态电压高一倍2VDl要输出变压器l适用于低压小功率、须隔离的应用推
9、挽式推挽式谐振型逆变器谐振型逆变器 - 常用于荧光灯启辉器的电路常用于荧光灯启辉器的电路负载与电容并联谐振电路分析负载与电容并联谐振电路分析谐振条件下，负载电阻电压增益与品质因素成正比！全桥谐振逆变器全桥谐振逆变器半桥谐振逆变器半桥谐振逆变器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 引言引言 4.3.1 4.3.1 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制PWMPWM逆变器逆变器 4.3.2 4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWMSPWM基本原理基本原理 4.3.3 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 4.3.4 双极
10、性正弦脉冲宽度调制双极性正弦脉冲宽度调制BSPWMBSPWM逆变器逆变器 4.3.5 4.3.5 基波移相控制基波移相控制引言引言控制方案控制方案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，谐波频率高引言（续引言（续1 1）逆变器自身控制方案逆变器自身控制方案引言（续引言（续2 2）2024/9/7324.34.3 单相电压型单脉波逆变器（单相电压型单脉波逆变器（P
11、WMPWM）移相调压（图移相调压（图4-6）可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压移相调压各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变V3的基极信号只比V1落后q q ( 0 0q q 180)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-q quo成为正负各为q q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值图4-6单相全桥逆变电路的移相调压方式4.3.1 单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制PWMPWM逆变器逆变器正半周中，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
12、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PWMPWM逆变器（续）逆变器（续）思考题：分析计算移相思考题：分析计算移相PWMPWM方式，输出电压方式，输出电压THD THD 与与 关系，是否有极小值关系，是否有极小值？4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWMSPWM基本原理基本原理 （续（续1 1）4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWMSPWM基本原理（续基本原理（续2 2） 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
13、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，这就要求脉波数量这就要求脉波数量P很多。脉波很多。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。 冲量等效原理冲量等效原理PWM控制的基本
14、原理l理论基础理论基础-冲量等效原理冲量等效原理l冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同l冲量冲量指窄脉冲的面积l效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同l低频段非常接近，仅在高频段略有差异PWM控制的基本原理l一个实例一个实例l图6-2a的电路l电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示l电路输出：i(t)，图6-2bl面积等效原理面积等效原理冲量相同的各种窄脉冲的响应波形l用一系列等幅不等宽的脉冲用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波l正弦半波N等分等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等l用矩形脉冲代替，等
15、幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等l宽度按正弦规律变化SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可PWM功能功能PWM 可用于调制任意波形可用于调制任意波形4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWMSPWM基本原理基本原理 （续（续3 3）第k个时区中心点相位角：第k个脉冲作用时间：4.3.3 单极性正弦脉冲宽度调制单极性正弦脉冲宽度调制SSPWMSSPWMT1（D1）、）、T4（D4）导通导通 VabVdT3（D3）、）、T2（D2）导通导通 VabVdT1（D1）、）、T3（D3）导通导通或或T2（D2）、
16、）、T4（D4）导通导通 Vab0SPWM 的几个概念的几个概念4.3.3 单极性正弦脉冲宽度调制逆变器（续）单极性正弦脉冲宽度调制逆变器（续）4.3.3 4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制单极性倍频正弦脉冲宽度调制单极性倍频正弦脉冲宽度调制单极性倍频正弦脉冲宽度调制SSPWMSSPWM（续）（续）（续）（续） 单极倍频：每个单极倍频：每个TC中有两个单方向脉波中有两个单方向脉波, 输出脉冲数：输出脉冲数：p=2N规则抽样法获得对称脉波规则抽样法获得对称脉波基波电压基波电压直流电压利用率直流电压利用率采用单级倍频采用单级倍频 SPWM输出交流电压输出交流电压基波幅值与调制比基波幅值与调制比
17、M的关系的关系4.3.3 4.3.3 单极性正弦倍频脉冲宽度调制单极性正弦倍频脉冲宽度调制单极性正弦倍频脉冲宽度调制单极性正弦倍频脉冲宽度调制SSPWMSSPWM 输出电压谐波分析输出电压谐波分析输出电压谐波分析输出电压谐波分析l输出谐波为奇次谐波：l其中，j1，2，3，。， k1，3，5，。输出交流含基波，载波比倍频2N为中心的边际高频谐波(1)SPWM可以消除可以消除, 2N-1以下谐波。以下谐波。N=6 时，最低谐波为时，最低谐波为11次；次；(2) 11次谐波大于次谐波大于1/11=9%N=6输出交流谐波分析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BSPWMBSPWM逆
18、逆变器变器双极性三角波双极性三角波V Vc c,V,Vr r交点确定开关交点确定开关通、断点通、断点输出电压正、负半输出电压正、负半周中，周中，v vabab既有正电既有正电压也有负电压，没压也有负电压，没有零电压有零电压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BSPWMBSPWM逆变器逆变器（续（续1 1）规则采样法规则采样法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BSPWMBSPWM逆变器逆变器（续（续2 2）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
19、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。4.3.4BSPWM逆变电路的谐波分析lPWM逆变电路输出电压频谱图l谐波角频率为 l式中，j =1,3,5,时，k=0,2,4,；lj =2,4,6,时，k=1,3,5,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及 2wc、3wc等及其附近的谐波单相双极PWM桥式逆变电路输出电压频谱图Homework-1l课本p136问答题：1-6Homework-2 应用PSPICE软件，设计单相全桥电压逆变器，分别采用单脉冲宽度调制、单极性倍频PWM和双极性调制技术（载波比N=50），已知直流电源电压
20、Vd =300V, 输出交流电压V0 频率50Hz，幅值 240V, 负载R=3欧姆。1、采用单脉冲宽度调制，脉宽为0.4,计算高次谐波分量，THD 大小；2、采用单极性倍频PWM调制方法，计算调制比和THD大小；3、采用双极性SPWM 调制方法，计算调制比和THD大小；4、对上述三种调制方法分别设计二阶LC滤波器，使输出负载电压THD 小于1%，比较滤波前、后波形效果，比较上述两种调制方法THD大小变化。5、要求理论分析和PSPICE 相互对照。Homework-3 逆变器防止上下桥臂直通的措施逆变器防止上下桥臂直通的措施PWM 在在DC-DC变换器中的应用实例变换器中的应用实例Forwar
21、d DC-DCPWM 在在DC-DC变换器中的应用变换器中的应用4.3.5 基波移相控制基波移相控制消除特定谐波消除特定谐波基波移相控制基波移相控制4.4.6 特定谐波消除的特定谐波消除的PWM消除特定谐波消除特定谐波特定谐波的消除特定谐波的消除4.6.2 多电平逆变器多电平逆变器l飞跨电容器多电平l级联多电平4.6.2 多电平逆变器原理多电平逆变器原理4.6.2 多电平逆变器工作原理多电平逆变器工作原理4.6.2 多电平逆变器原理多电平逆变器原理 多电平逆变器电流方向多电平逆变器电流方向级联（级联（cascaded）型）型H-桥式逆变器桥式逆变器多电平逆变器与多电平逆变器与PWM的比较的比较
22、多电平逆变器的优势多电平逆变器的优势4.4 三相逆变电路工作原理三相逆变电路工作原理4.4.1 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 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4.4.1 电压型三相逆变工作原理电压型三相逆变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半桥、全桥半桥、全桥-逆变器基本单元逆变器基本单元三相半桥电压型逆变器三相半桥电压型逆变器三相半桥式逆变器三相半桥式逆变器4.4.1 电压型三相全桥逆变工作原理电压型三相全桥逆变工作原理三个相差三个相差120120度的单相逆变器组成
23、一个三相逆变器度的单相逆变器组成一个三相逆变器 A A相相：T1T1、T4T4、T1T1、T4T4 B B相相：T3T3、T6T6、T3T3、T6T6 C C相：相：T5T5、T2T2、T5T5、T2T2电压型三相逆变器输出线电压电压型三相逆变器输出线电压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 2） 三相桥式逆变器三相桥式逆变器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3 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）4.4.1 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 5）三相逆变三相逆变器器PWM
24、输输出波形及出波形及谐波谐波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SPWMSPWM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SPWMSPWM控制控制（续（续1 1）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SPWMSPWM控制（续控制（续2 2）（1 1）驱动信号可由硬件电路）驱动信号可由硬件电路 实现，亦可由软件实现，亦可由软件 Micro Processor. Micro 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
25、量控制。 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 电流型三相逆变工作原理（续）电流型三相逆变工作原理（续）三角形负载三角形负载4.6 大容量逆变器的复合结构大容量逆变器的复合结构引言引言4.6.1 124.6.1 12阶梯波逆变器阶梯波逆变器4.6.2 244.6.2 24阶梯波逆变器阶梯波逆变器引言引言q开关器件电压开关器件电压6 67 7KVKV，3KA3KA6KA6KA、8KA8KAq一个
26、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4.6.1 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）4.6.2 24阶梯波逆变器阶梯波逆变器4.6.2 24阶梯阶梯波逆变器波逆变器（续）（续）输出电压波形合成输出电压波形合成小节小节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
27、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-P-MOSFETMOSFET（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。
