电力电子技术_直流-交流变换技术

按输出波形分：方波逆变器、正弦波逆变器
按电路结构分：桥式和非桥式逆变电路、组合逆变电路 和多电平逆变电路 按开关器件工作状态分：硬开关和软开关逆变电路
3.2

单相桥式方波逆变
基本电路结构
3.2
单相桥式方波逆变
电路分析条件简化
1、功率器件忽略损耗、忽略开关延时；
2、输入直流电源电压稳定，无直流脉动； 3、直流侧并接电容无等效串并联电阻和电感； 4、忽略电路分布、寄生参数的影响，连接线为理想零阻抗； 5、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。
3.5 单相SPWM逆变
正弦脉宽调制（SPWM）技术的理论基础
采样控制理论中有一个重要结论：形状不同但面积相等的窄 脉冲加之于线性环节时，得到的输出效果基本相同。如图所示， 分别是矩形、三角形、正弦半波窄脉冲和理想单位脉冲函数为波 形的电压源 u(t) 施加于R、L负载上的情况，当负载时间常数远 大于激励脉冲持续时间时，响应 i(t) 基本一致，只在上升段有所 不同。由于响应持续时间较长的下降段体现了低频成份，持续时 间短的上升段体现了响应的高频分量，因此各个响应按傅里叶分 析在低频段基本一致，差别存在于高频段。当激励脉冲越窄（或 负载惯性常数与脉冲持续时间相差越大），则响应的高频段所占 比例愈小，整个响应愈相近。
规则采样法的原理
以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为整个载波周期内调制波的幅
值，这样调制波与与载波比较得到SPWM信号的方法称为规则采样法。
规则采样法的特点
（1）相当于以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为基准的阶梯波代替正 弦调制波来产生SPWM波； （2）在数字控制系统中，SPWM信号由计算机产生，各个脉冲起始与 终止时刻需要实时计算或查表，采用这种方法计算工作量大为 减小，因此，在数字控制系统中应用广泛。
规则采样法的等效示意图
3.5
单相SPWM逆变
几个概念
SPWM采用的调制波为正弦波，us (t ) U sm sint 载波uc是峰峰值为2Ucm，频率为fc的三角波
U sm 幅度调制比： ma U cm
频率调制比（载波比）：
fc mf f
f c为 载 波 频 率 ， f 为调制波频率
与单相方波逆变相同
矩形波调制桥式逆变控制模式
输出电压波形正半波时，VT1恒开通， VT4恒定关断，VT2、 VT3互补开关，其脉冲宽度恒定，脉冲频率可变，从而调节脉宽 的占空比，调节输出电压的基波值和平均值。 输出 电压波形负半波时，VT2恒开通，VT3 恒定关断，VT1、 VT4互补开关，控制规律与正半波相同。
θ3～θ4时间段
VT2、VT4所在桥臂导通，由于电感续流，实际VD2、VD4
导通，负载电感储能向直流母线回馈，负载电流θ4时刻过零， 负载电压UAB＝-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。
3.3
移相控制单相方波逆变
θ4～θ5时间段
VT2、VT4所在桥臂导通，负载电流由VD2、VD4切换到 VT2、VT4，负载电压UAB＝-Ud ，直流母线输入电流与负载电流 相反。
3.2
单相方波逆变电路
3.2
单相桥式方波逆变
相关参数分析
（1）按傅立叶级数展开分析，输出电压：
uAB 4U d sinnt , n n
2f , f 为开关频率 n 1,3,5, 其中
（2）基波电压幅值： U AB1m 1.27Ud
（3）基波电压有效值： U AB1rms 0.9Ud
电力电子技术
第三章 直流—交流变换技术
3.1 概述
逆变概念
逆变:直流电变成交流电（频率、电压幅度可调或固定）。 有源逆变：交流侧接电网 无源逆变：交流侧接负载 本章主要介绍讲述无源逆变。
3.1 概述
逆变电路的分类
按输出相数分：单相、三相、多相逆变电路
按功率器件分：半控器件和全控型器件逆变电路 按输出负载情况分：有源逆变、无源逆变
双极性SPWM控制逆变
桥式逆变电路结构与单相方波逆变相同 单极性SPWM控制桥式逆变控制方法
将调制波us与三角载波uc进行比较，输出一列SPWM波用 来控制桥式逆变器的两组开关 VT1、VT3 和VT2、VT4 分别成组并互补工作 典型控制方法
3.5
单相SPWM逆变
第三节
单相SPWM逆变电路
3.5
单相SPWM逆变
输出特性分析
输出基波电压幅值
U AB1m maU d
ma 1
（ m f 1 ）
直流电压利用率
AV U AB1rms 0.707ma Ud
输出谐波
分布于载波频率的偶数倍附近
3.5
单相SPWM逆变
优点：分级调压、调频，调节方便； 缺点：电路结构复杂，效率低。
3.3
移相控制单相方波逆变
电流连续工作状态下移相调压控制
移相调压的桥式电路结构
与单相方波逆变相同
移相调压的控制模式
uGS1、uGS4互补输出，uGS2、uGS3互补输出，但两组信号的
相位在0～之间可调。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
4U d n u AB si n cos nt , n 2 n
4U d n U ABnm sin n 2
输出电压
n 1,3,5,
输出谐波 各次谐波幅值
n 1,3,5,
U ABnm 1 n sin 各次谐波相对幅值 C n U AB1m n 2
（以 、n 1 时的 U AB 1m 为基准值）
3.2
单相桥式方波逆变
电路工作波形分析
（1）0～1时段，VT1、VT3开通，VT2、VT4关断，电流滞后电 压，VD1、VD3续流，电流方向A－VD1－Cd－VD3－B，
uAB Ud 。
（2）1~ 时段， VT1、VT3开通，VT2、VT4关断，电流过零为 正，电流方向：VT1－A－B－VT3，uAB Ud 。 （3） ~ 2时段，VT2、VT4 开通， VT1、VT3关断，VD2、VD4 续流，电流方向：B－VD2－Cd－VD4－A, uAB U d 。 （4）2~ 2时段， VT2、VT4 开通， VT1、VT3关断，电流过零 为负，电流方向：VT2－B－A－VT4， uAB U d 。
3.3
移相控制单相方波逆变
波形分析
0～θ1时间段
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VD1、VD3 导通，负载电感储能向
直流母线回馈，负载电流到θ1时刻过零，负载电压UAB＝+Ud。
θ1～θ2时间段
VT1、VT3所在桥臂导通，负载电流由VD1、VD3转换到VT1、
3.5
单相SPWM逆变
规则采样法示意
uc为三角载波，周期为Tc
us为正弦调制波，周期为Ts 以载波周期谷点时刻调制波瞬时值 为整个载波周期内调制波的幅值us(t0) 当 us> uc 时，输出＋Uo（或-Uo ） 当 us< uc 时，输出 -Uo （或+Uo ）
3.5
单相SPWM逆变
I om
1 e 1 e

T 2 T 2

Ud R
t U U ～2期间：i ( t ) d ( I d ) e o om R R

L R
3.2
单相桥式方波逆变
方波逆变电路的输出电压控制 电路结构
Udc
DC/DC变换
Ud
DC/AC变换
Uac
电路特点
U AB1rms 0.9 （4）基波电压增益： AV Ud
3.2
单相桥式方波逆变
THD
n
（5）谐波失真度：
1 U AB1m
2 U ABnm 2 2 C n 2
其0～期间：io ( t ) ( I om ) e R R t
θ5～θ6时间段
VT3、VT4 所在桥臂导通，由于电感续流，负载电流由VT2切
换到VD3，负载被VT4、VD3“短路”，负载电感储能在负载电阻 中消耗，负载电压UAB ＝0，直流母线输入电流为0。
3.3
移相控制单相方波逆变
方波移相调压逆变电路的输出电压分析
输出电压波形特点
3.3
移相控制单相方波逆变
3.5
单相SPWM逆变
线性系统周期性窄脉冲群的响应可以等效为各个窄脉冲相 应的叠加。 对于一个正弦波，可看成N个彼此相连的脉冲序列所组成， 利用等幅不等宽但面积相等的矩形脉冲代替这N等分正弦波，使 矩形脉冲中点与相应正弦波中点重合，即形成SPWM波。 开关功率变换器输出为脉冲函数，利用高频SPWM波施加于 负载，并配置低通滤波环节就能够产生需要的低频正弦响应— 即SPWM 逆变技术的基本原理与方法。
VT3，负载电流按照指数规律正向增大，负载电压UAB＝+Ud， 直流母线的输入电流与负载电流相同。
3.3
移相控制单相方波逆变
θ2～θ3时间段
VT1、VT2所在桥臂导通，由于电感续流，负载电流由VT3切 换到VD2，此时负载被VT1、VD2“短路”，负载电感储能在负载 电阻中消耗，负载电压UAB ＝0，直流母线的输入电流为0。
3.4 矩形波调制单相逆变
3.4 矩形波调制单相逆变
输出电压分析
uAB 2U d n n (cos n 2 j 1 cos n 2 j ) sin nt ; n 1,3,5.... j 1
i
谐波分析
假定斩波周期为TC（频率fC) ；电路工作周期为T（频率f ）； 则设定载波比为： fC T mf TC f