电力电子学(陈坚)第四章课件

第4章 直流/交流变换器（逆变器） 1电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著华中科技大学华中科技大学第4章 直流/交流变换器（逆变器） 2第四章第四章 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4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 3第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 4n逆变器的类型n逆变器输出波形性能指标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第4章 直流/交流变换器（逆变器） 5n逆变器的类型n逆变器输出波形性能指标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第4章 直流/交流变换器（逆变器） 6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： 电压型逆变器电压型逆变器VSIVSI 电流型逆变器电流型逆变器CSI CSI CdLdVSI VSI 特点：特点：1. 1.直流输入具有电压源特性，故逆直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性。变输出也呈现电压源特性。2.2.桥臂不可直通，输出不可短路。桥臂不可直通，输出不可短路。CSI CSI 特点：特点：1. 1.直流输入具有电流源特性，故逆直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性。变输出也呈现电流源特性。2.2.桥臂可直通，输出可短路。桥臂可直通，输出可短路。CSICSI应用不广泛的原因：应用不广泛的原因：1. 1.电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重。电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重。2.2.多数全控器件不具备逆阻特性。多数全控器件不具备逆阻特性。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 7按逆变器电路结构不同分为：按逆变器电路结构不同分为： 单相半桥单相半桥 单相全桥单相全桥 推挽逆变推挽逆变 三相桥式三相桥式 * * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负负载载* *推推挽挽式式单单相相逆逆变变电电路路2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVDT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4b也称H桥第4章 直流/交流变换器（逆变器） 8其它分类方式其它分类方式按输出电压不同分为：按输出电压不同分为：1.1. 恒压恒频型（恒压恒频型（CVCF：Constant Voltage Constant Frequency ）2.2. 变压变频型（变压变频型（VVVF：Variable Voltage Variable Frequency ）3. 3. 脉冲电压（电流）型脉冲电压（电流）型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：1.1.自关断型自关断型2.2.强迫关断型强迫关断型3.3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）4.4.负载谐振换流型负载谐振换流型第4章 直流/交流变换器（逆变器） 9n逆变器的类型n逆变器输出波形性能指标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第4章 直流/交流变换器（逆变器） 10n 谐波系数 HF（Harmonic Factor）n 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion）n 畸变系数 DF （Distortion Factor）n 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标第4章 直流/交流变换器（逆变器） 11n 谐波系数 HF（Harmonic Factor）n 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion）n 畸变系数 DF （Distortion Factor）n 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标第4章 直流/交流变换器（逆变器） 12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大小。 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 13n 谐波系数 HF（Harmonic Factor）n 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion）n 畸变系数 DF （Distortion Factor）n 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标第4章 直流/交流变换器（逆变器） 142211nnVVTHD总谐波系数 THDTHD定义： 所有非非基波分量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： 111111212VVVVVVVVTHDnn第4章 直流/交流变换器（逆变器） 15n 谐波系数 HF（Harmonic Factor）n 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion）n 畸变系数 DF （Distortion Factor）n 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标第4章 直流/交流变换器（逆变器） 16畸变系数 DF畸变系数：各次谐波分量经过加权加权以后的总有效值与基波有效值之比。加权的含义：1. 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。2. 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：评估非正弦周期波形经过滤波以后的畸变 程度。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 17DFI：对应一阶滤波器2211nnInVVDFDF 的定义式DFII：对应一阶滤波器22211nnIInVVDF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） 18n 谐波系数 HF（Harmonic Factor）n 总谐波系数 THD （Total Harmonic Distortion）n 畸变系数 DF （Distortion Factor）n 最低次谐波 LOH （Lowest-Order Harmonic）逆变器输出波形性能指标逆变器输出波形性能指标第4章 直流/交流变换器（逆变器） 19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） 20第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 214.2 电压型单相方波逆变电路工作原理n 单相半桥逆变电路n 单相全桥逆变电路n 变压器中心抽头推挽逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 224.2 电压型单相方波逆变电路工作原理n 单相半桥逆变电路n 单相全桥逆变电路n 变压器中心抽头推挽逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 23单相半桥逆变原理（电阻负载） 电容很大，近似认为电容电压不变。 电容相等，电压均分。 T1、T2周期性交替通、断，产生交变的Van图图4 4. .2 2 单单相相半半桥桥逆逆变变电电路路及及电电压压电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TR-L( (e e) )R R- -L L负负载载电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081( (d d) )电电感感负负载载电电流流波波形形t0aiO ON N1T2TO ON N0T043T041T( (c c) )电电阻阻负负载载电电流流波波形形t0DV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230T1. T1驱动导通时，T2关断。2. T2驱动导通时，T1关断tnnVvDnan sin2,5,3,1 DDVVV45.021Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVD第4章 直流/交流变换器（逆变器） 24单相半桥逆变原理（纯电感负载）图图4 4. .2 2 单单相相半半桥桥逆逆变变电电路路及及电电压压电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TR-L( (e e) )R R- -L L负负载载电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081( (d d) )电电感感负负载载电电流流波波形形t0aiO ON N1T2TO ON N0T043T041T( (c c) )电电阻阻负负载载电电流流波波形形t0DV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230T1. 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？电流为什么没有直流分量？tiLdtdiLVaaD2amamamDfLiTLiTiLV882/4Co2nCo1T1T2D1D2ZaiaVD第4章 直流/交流变换器（逆变器） 25图图4 4. .2 2 单单相相半半桥桥逆逆变变电电路路及及电电压压电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TR-L( (e e) )R R- -L L负负载载电电流流波波形形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081( (d d) )电电感感负负载载电电流流波波形形t0aiO ON N1T2TO ON N0T043T041T( (c c) )电电阻阻负负载载电电流流波波形形t0DV21anv( (b b) )电电压压波波形形1T2T驱动驱动20T0T230T单相半桥逆变原理（阻感负载） 5 , 3 , 11)(sinnnnmatnnZVi22)(LnRZnCo2nCo1T1T2D1D2ZaiaVD第4章 直流/交流变换器（逆变器） 264.2 电压型单相方波逆变电路工作原理n 单相半桥逆变电路n 单相全桥逆变电路n 变压器中心抽头推挽逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 27单相全桥逆变原理（电阻负载）ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4DT1、T4一组，T2、T3一组两组器件周期性交替通、断产生交变的VabT1、T4驱动导通，T2、T3关断T2、T3驱动导通，T1、T4关断ttttVvDab7sin715sin513sin31sin4DDmVVV27. 141DDVVV9 . 0221mDnmVnVnV114T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4bid第4章 直流/交流变换器（逆变器） 28ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载ai单相全桥逆变原理（电感负载）T1、T4通，T2、T3断时。T2、T3通，T1、T4断时。amamamaaDfLiTLiTiLtiLdtdiLV442/2iam=VD/4fL T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4bid第4章 直流/交流变换器（逆变器） 29单相全桥逆变原理（阻感负载）ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4Dttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TaiRL负载2tDi2D3D1D4D5 , 3 , 11)(sinnnnmatnnZVi)sin(141221tLRViDaT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4bid第4章 直流/交流变换器（逆变器） 304.2 电压型单相方波逆变电路工作原理n 单相半桥逆变电路n 单相全桥逆变电路n 变压器中心抽头推挽逆变电路单相全桥逆变原理（阻感负载）第4章 直流/交流变换器（逆变器） 31* * *a ab bA AB BO ODV1T2T1D2D负载负载* *推挽式单相逆变电路推挽式单相逆变电路推挽逆变电路1. 仅二个开关T1、T2轮流导电180度2. 开关管断态电压高一倍 2VD3. 要输出变压器4. 适用于低压小功率、须隔离的应用第4章 直流/交流变换器（逆变器） 32第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 33通过输入直流调压：可可控控整整流流方方案案 可可控控直直流流电电源源逆逆变变器器负负载载+-交交流流电电源源直直流流环环节节滤滤波波器器斩斩波波调调压压方方案案DC/DC斩斩波波器器逆逆变变器器负负载载二二极极管管整整流流器器滤滤波波器器以上两种调压方式均需要可控的直流输入以上两种调压方式均需要可控的直流输入第4章 直流/交流变换器（逆变器） 34逆变器本身调压：ABCDRLS1S2S3S4C基基本本逆逆变变电电路路0v1vDVX-Axis1vDovE0 t tX-Axis1vov0 t CTonTonT (b) 方方波波(c) 宽宽度度 方方波波t T/2TPWM输输出出电电压压波波形形0ov2Ttov2T 2tovo180o180 DVDV180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） 35单脉冲调压方式Nt0.5VD-0.5VDVan T T1 1、T T2 2桥臂输出电压波形桥臂输出电压波形T3、T4桥臂输出电压波形桥臂输出电压波形tVbn0.5VD-0.5VDT1、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 全桥电路输出电压全桥电路输出电压Vab的波形的波形tVabVD-VD输出电压大小： ttttVtvDab7sin27sin715sin25sin513sin23sin31sin2sin4改变移相角改变移相角，也就调节了输出电压电压。故也称移相调压，也就调节了输出电压电压。故也称移相调压nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T4D4bidVD/2第4章 直流/交流变换器（逆变器） 36单脉冲调压的电压调节特性2sin41DmVV基波幅值：基波幅值：谐波幅值：谐波幅值：nVnnVVmDnm12sin41.输出电压大小平滑可调2.输出基波频率可调3.低次谐波幅值大，滤除困难。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 37第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 384.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性第4章 直流/交流变换器（逆变器） 394.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 40冲量等效原理iitVm sin1t期期间间tdV 大小、波形不相同的大小、波形不相同的窄窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面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，惯性系统的的表现形式如何，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。输出或响应是基本相同的。 正弦形 电压iitVm sin1 t期期 间间 tdV 正弦电流正弦等效窄窄脉冲 序列正弦电流第4章 直流/交流变换器（逆变器） 41基于冲量等效原理的直接SPWMtVtvm sin)(1 0t2123789210)(tvab)(tv1031245109876105107109120(a)(b)SPWM等等效效电电压压(a)正正弦弦电电压压312345tVtvm sin)(1 0t45123789210tdVdV)(tvab(b)(tv1031245109876105107109120(a)(b)SPWM等等效效电电压压(a)正正弦弦电电压压312345 SSSmSSmKTTKmKTTKabKDTKTTVKTTKVdttVdttvTVSSSS21sin21sin2cos1cos)sin()(11)1(1)1(KsSDmSKSKKTTVVTTDsin)21sin(21KDK 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化M：调制比DSsmVTTMV)21sin(21输出电压基波与M成正比：第4章 直流/交流变换器（逆变器） 424.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 43双极性SPWM脉冲生成T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4bid第4章 直流/交流变换器（逆变器） 44双极性SPWM的脉冲面积T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T4D4bidcmrcmrcmCKVvVvVEHBFAEABTTD1212DDCKCDKCDKabVDVTTTVTTVTV121/2/rcmDabvVVVtVVVVVtVVVtvtvrDcmrmDcmrrmDcmrabsinsin)()(1第4章 直流/交流变换器（逆变器） 45双极性SPWM的特性tVtVMtVVVtvrmrDrDcmrmabsinsinsin)(11基波特性：基波特性：基波大小与调制比M成正比谐波波特性：谐波波特性：1. 消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了。2. LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。3. 谐波幅值可以与基波相比较甚至更大。（THD会如何？会如何？）如果如果M大于大于1会怎样？会怎样？第4章 直流/交流变换器（逆变器） 46SPWM的优点00.5-1011.520.4THD=65.5%V1m=0.748VD单脉冲宽度调制滤波前波形10-100.51.52THD=160%V1m=0.748VDN = 50双极性SPWM滤波前波形32mH50f由于由于SPWM的谐波频率高，滤波器对其有强烈的衰减作用的谐波频率高，滤波器对其有强烈的衰减作用 单脉冲宽度调制滤波后波形0.520-101THD=52.4%V1m=0.74VD1.5THD =4.83%V1m=0.74VD0.8-0.8000.52双极性SPWM滤波后波形1.5第4章 直流/交流变换器（逆变器） 474.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 48单极性SPWM脉冲生成nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T4D4bidVD/2第4章 直流/交流变换器（逆变器） 49单极性SPWM脉冲面积nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T4D4bidVD/2cmkrmcmrckckkVVVvEAFBECFCTTTTDsin4/2/2/kcmrmDckDabVVVTTVVsin2/tVMVrDabsin1第4章 直流/交流变换器（逆变器） 50单极性SPWM特点 dnnVVV22 M2132)( nV1V1513VV 1711VV 3125VV 2927VV cmrmVVM 时时基基波波和和谐谐波波值值6,14 PN0 00 0. .2 20 0. .4 40 0. .6 60 0. .8 81 1. .0 00 0. .2 20 0. .4 40 0. .6 60 0. .8 8N=7时，基波与谐波相对值基波特性：基波特性：基波大小与调制比M成正比谐波波特性：谐波波特性：1. 消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了。2. 谐波幅值仍然可以与基波相比较甚至更大。3. LOH在两倍两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。tVMVrDabsin1 最低次谐波频率提高一倍，相当于单极性调制两倍开关频率的效最低次谐波频率提高一倍，相当于单极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频果，所以也称单极倍频SPWM。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 514.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 52规则采样SPWMcmrsbcmrsavtvTTvtvTT)(14)(1421 ， ， 不对称规则采样：对称规则采样：cmorrsbavtvTTT)(142 1差异：差异：1.不对称规则采样的脉宽计算量、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采样频率是对称规则采样的2倍倍2.不对称调制的采样频率是开关频不对称调制的采样频率是开关频率的率的2倍。倍。3.不对称规则采样的谐波比对称规不对称规则采样的谐波比对称规则采样则采样小小。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 534.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 54双极性SPWM谐波特性边带谐波载波倍频谐波基波分量 )()(cos2)(sin)2(14 )(cos2sin)2(14 )cos()(1)0(01rrccmnnnDccmDrrDabtntmnmMmJmVtmmMmJmVtMVtvn 基波的频率频率、相位相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。n 输出波形不含载波偶次倍频谐波。n 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。0 15304560700.250.50.751.0双极性SPWM频谱图M=0.75N=15第4章 直流/交流变换器（逆变器） 55单极性SPWM谐波特性tntmnmMmJmVtMVtvrcmnnDrDab) 12(2cos) 1(cos)(214 cos)(112 n 基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。n输出电压中不含载波频率偶次倍频及其边带谐波。n载波偶次倍频两侧也仅含奇次边带谐波簇。1020304050607000.250.50.751.0M=0.75N=15第4章 直流/交流变换器（逆变器） 56规则采样SPWM谐波特性：n 会产生基波边带谐波，但很小，可忽略。n 不对称规则采样载波频率两侧既有奇次边带谐波也有偶次边带谐波。n 对称规则采样单极倍频SPWM不能完全消除奇次倍频的边带谐波。异步调制：n 同步调制：载波比是整数。n 异步调制：载波比不是整数n 次谐波：异步调制时谐波频率不再是基波的整数倍，称为次谐波。n 低载波比时，对次谐波的考虑。第4章 直流/交流变换器（逆变器） 574.4 正弦脉冲宽度调制技术n SPWM基本原理n 双极性SPWM调制n 单极性SPWM调制n 规则采样SPWMn SPWM的谐波特性n 指定谐波消除调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 58SHE（Selected Harmonic Elimination）脉宽调制 017cos7cos7cos24015cos5cos5cos241coscoscos24321732153211DmDmDDmVVVVVMVV采用SHE的原因：载波比小，谐波频率太低 求各次傅里叶级数： 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 59第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 604.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 614.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 62三相逆变器构成2dV2dVABCFED1T1D3D3T5T5D2D2T6T6D4D4T5D5T 3T 3D1D1T 4T 4D6T 6D2D2T （b）电路图单相逆变器合成三相单相逆变器合成三相电路实现电路实现1.三个单相逆变器组合；三个单相逆变器组合；2.每个逆变器基波互差每个逆变器基波互差120；3.输出用三相变压器耦合输出用三相变压器耦合形成三相电压。形成三相电压。A相相：T1、T4、T1、T4B相相：T3、T6、T3、T6 C相相：T5、T2、T5、T2每相一个每相一个H桥，适合大功率应用桥，适合大功率应用第4章 直流/交流变换器（逆变器） 63三相桥式逆变器2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0（a）电路三个单相半桥逆变器构成：三个单相半桥逆变器构成：1.每个半桥均每个半桥均180导电方式，导电方式，所以所以Vao、Vbo、Vco是是180方波方波2.半桥基波之间互差半桥基波之间互差120导电顺序：导电顺序：123234 345 456 561 612 123Vab、Vbc、Vca：120方波方波第4章 直流/交流变换器（逆变器） 64负载电压分析2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形负载三角形负载abcaVaincibiccaV.abV.bcV.anV.abbnV.cnV.n1.51.531caV. 星形负载星形负载)(31)(31.bccacnabbcbnVVVVVVcaabcnbnanancaancnabbnanVVVVVVVVVVVV.)(300cnbnancnbnanVVVZVZVZV)(31.caabanVVV第4章 直流/交流变换器（逆变器） 65负载电压波形tttttVtvDAB13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(tttttVtvDAN13sin13111sin1117sin715sin51sin2)(第4章 直流/交流变换器（逆变器） 664.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 67三相电流型逆变器（星形负载）(a) 电电路路:星星型型负负载载R RU Ud dL LdiT T1 1T T3 3T T5 5T T2 2T T6 6T T4 4a ab bc cR RR Rn naibici2222222222T T1 1ttttttttttV Vg g1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5T T6 6T T6 6V Vg g2 2V Vg g3 3V Vg g4 4V Vg g5 5V Vg g6 6000000aibici0000abidIT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 50120( (b b) ) 波波形形（ 导导电电类类型型）L很大很大，id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1223 1223 34 34 45 45 56 56 61 61 1212第4章 直流/交流变换器（逆变器） 68三相电流型逆变器（三角形负载）2222tttaibici0000abidI0120(b) 波波形形（ 导导电电类类型型）c ca ab bbiabiaicicaibci三角形负载三角形负载babccaabbabbcacaab)(3iiiiiiiiiiiiab0)(0)(bccaabbccaabiiiZiZiZi)(31baabiii22ttttaibici0000abidI0120第4章 直流/交流变换器（逆变器） 694.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 70三相SPWM原理2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0( (c c) )电电压压波波形形图图tttt00000Cv0Bv0AvcrvbrvarvcvDDAom_DVVVVVMVVVV866. 023212121DmaxDcmrmAom线电压最大值1.三相调制波正弦对称。三相调制波正弦对称。2.三相共用载波。三相共用载波。3.改变调制比改变调制比M，可改变，可改变输出电压。输出电压。4.改变载波比改变载波比N可改变可改变LOH。+-1-1+ +- -+-1-1+ +- -V Vg1 Tg1 T1 1V Vg4 Tg4 T4 4V Vg6 Tg6 T6 6V Vg3 g3 T T3 3cV+-1-1+ +- -V Vg2 Tg2 T2 2V Vg5 Tg5 T5 5参参考考波波形形成成VRVR+ +rfcf oVoVrmV)(tVar)(tVbr)(tVcr(b) 驱动信号(b) 驱动信号- -第4章 直流/交流变换器（逆变器） 714.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 72HISPWM（Harmonic Injection SPWM）0 /2-1.001.03/22vr3vrvi3vc注入谐波的基本思想桥臂之间基波电压峰值：H 桥 180调制：1.27VD三相180调制：1.1VDH 桥SPWM： VD三相SPWM ：0.866VDttttttMvvvvvvvvvrrrrrrrrrrCrBrACrBrAr3sin3sin3sin61)120sin()120sin(sin333333VAO1Vi3VAhAVBO1Vi3VBhBVCO1Vi3VChCONZAZBZC15. 132谐波注入后的线电压峰值可达：VD谐波注入后的调制比可达：第4章 直流/交流变换器（逆变器） 734.5 三相逆变电路工作原理n 电压型三相逆变工作原理n 电流型三相逆变工作原理n 三相逆变器SPWM调制n 谐波注入SPWMn 空间矢量调制第4章 直流/交流变换器（逆变器） 74空间矢量调制原理2dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2TaibiciabcPQ0222323234323432dccjdcbjdcacojbojaoVSeVSeVSvevev A 轴 B 轴 22SVTsv C 轴 SV1 SV2 SV3 SV4 SV5 SV6 SV0 (-1-1-1) SV7 (1 1 1) (1-1-1) (11-1) (-11-1) (-111) (1-11) (-1-11) 11SVTsv Vr DV32 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。23sin3sin1smrsvTVVT23sinsin2smrsvTVVT217/02svsvssvTTTT最大调制范围：DrVV31第4章 直流/交流变换器（逆变器） 75空间矢量调制等效调制波10 ) 12()1 ( kkvkkvvvvvvvvvvvminmaxzzcrczbrbzara)32cos( ),32cos(, costMvtMvtMvrcrbra空间矢量调制具有和谐波注入同样的直流电压利用率。0 /3-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81vrava vz 2/324/35/3等效调制波（k = 0.5）第4章 直流/交流变换器（逆变器） 76第四章第四章 直流直流/ /交流变换器交流变换器4.1 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4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路第4章 直流/交流变换器（逆变器） 774.6 大功率逆变电路n 变压器耦合多重化逆变器n 多电平逆变器第4章 直流/交流变换器（逆变器） 78大功率应用的需求耐压更高电流更大 器件直接并联提高电流等级器件直接串联提高耐压等级 多重化技术 变压器耦合多重化 多电平第4章 直流/交流变换器（逆变器） 794.6 大功率逆变电路n 变压器耦合多重化逆变器n 多电平逆变器第4章 直流/交流变换器（逆变器） 80十二阶梯波逆变器1A1B1CPN2A2B2CPN1a1b1c2c2c2b2a2b2a(a)电路dVSN3SN221baaAVVVV221cbbBVVVV221accCVVVV1aV2aV2bV2cV2bV1bV2aV2cV1 cV(b）输出电压合成AVBVCV1.每个三相桥按180导电控制2.II桥驱动脉冲依次滞后I桥30 1cVAVBVCV2cV2aV2cV2bV1aV2aV1bV2bV(c)矢量图302bV第4章 直流/交流变换器（逆变器） 81十二阶梯波逆变器b2a2a1Avvvv (d)电压波形合成电压波形合成2bv 1av2avpsdNNV psdNNV 31psdNNV 31)321( psdNNV )311( psdNNV 31psdNNV AvtttttttNNVvpsDa19cos19117cos17113cos13111cos1117cos715cos51cos3213011cos1112107cos711505cos5130cos22ttttNNVvpsDa 3011cos1112107cos711505cos5130cos22ttttNNVvpsDbVa2滞后Va1 30-Vb2超前Va1 3025cos25123cos23113cos13111cos111cos34tttttNNVvpsDA第4章 直流/交流变换器（逆变器） 82十二阶梯波逆变器调压移相调压：21VVV1112221cos2VVVVVV2V1V三倍频PWM调压：20VD/2tV-VD/2l1lV1lV13l0.75l0.5l0.25l0l/2l/63l/3l2/33l5/63llV11lV25lV23l不同不同角下各频率分量的相对幅值角下各频率分量的相对幅值第4章 直流/交流变换器（逆变器） 834.6 大功率逆变电路n 变压器耦合多重化逆变器n 多电平逆变器第4章 直流/交流变换器（逆变器） 84二极管钳位型多电平逆变器VDC1C2Ta1Ta2Ta3Ta4ODa1Da2Tb1Tb2Tb3Tb4Db1Db2Tc1Tc2Tc3Tc4Dc1Dc2ABC三相二极管钳位型三电平逆变器VDAO 单相二极管钳位型五电平逆变器第4章 直流/交流变换器（逆变器） 85飞跨电容多电平逆变器飞跨电容型五电平型逆变器VDAOBC第4章 直流/交流变换器（逆变器） 86级联多电平逆变器级联五电平逆变器VD1VD2VD1VD2VD1VD2ABC