电力电子系统建模：逆变电路动态模型第六章
电力电子建模课件 DC-DC变换器DCM的动态建模
End of Review
Averaged switch model: DCM buck-boost example
Original circuit
Averaged model
vg(t)Ts
i1(t) Ts fi ( v1 Ts , v2 Ts ) i2(t) Ts
v1(t) Ts -
Re (d1) + vL L
We need equivalent circuits that model both the steady-state and small signal ac models of converters operating in DCM.
Buck converter
CCM
Then DCM mode DCM
1
vL (t) Ts Ts
t Ts t
vLdt
1 Ts
tTs L di dt L [i
tdtTst Nhomakorabea Tsi(t)]
Solve for d2:
Average switch network port voltages
Average v1(t) waveform:
d1 d2 d3 1
where
Output port: Averaged equivalent circuit
Power balance in lossless two-port networks
In a lossless two-port network without internal energy storage: instantaneous input power is equal to instantaneous output power.
电力电子系统建模及控制 DC-DC变换器的动态模型共107页
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
电力电子系统建模及控制 DC-DC变换 器的动态模型
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。பைடு நூலகம்—歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢！
电力电子电路建模与分析考试题答案
1.推演单相全桥SPWM 逆变电路的动态模型E电路可看作两部分：线性部分→输出u 0，输入u i ；非线性部分(开关网络) →输出u i ，输入u r (调制波)。
分析：u i 有两种电平，当S 1、S 4导通时，u i =E ；当S 2、S 3导通时，u i =-E ；()12-=S E u i ⎩⎨⎧=导通时、导通时、S S S S S 324101（1） 由于开关函数S 的存在，使得u i 的幅值变化不连续，故对上式取开关周期平均值；()()t D S S E u i=-=，12（2）假设采用如图所示规则采样，则D (t )可推导如下(设载波频率为f W ，对应周期为T W )：w可得，()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=U u T t T t D tri r ww 12122∆（3） 将（3）代入（2）有：()()()U u Et D E S E u trir i =-=-=1212（4） 即：U E u u tri r i = 可得调制器逆变桥输出u i 的开关周期平均值与输入u r 之间的传递函数为：()()U E S U S U trir i = U i 与U o 之间是一个线性电路，不难得出其传递函数为：()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=++=R R s C R R L s LC Cs //R Ls R Cs//R s U s U L L L L i o 11211111 综上可得调制器输入u r 与逆变器输出u o 之间的传递函数为：()()()()()()U E R R s C R R L s LC s U s U s U s U s U s U tri L L r i i o r o •⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=•=11211 2.以DC/DC 变换器输出稳定直流电压为例，画出控制系统的一般组成框图，说明对电力电子变换电路进行建模、并且线性化的主要目的何在？Vin (t )DC/DC变换器反馈控制系统控制系统组成框图答：要满足系统的技术性能指标要求，取决于对控制器的良好设计(含补偿或校正环节)以及设计合适的反馈网络及其参数等，因此需要确切掌握控制器的控制对象的行为特征，即被控对象的数学模型 。
电力电子技术基础课件：逆变电路
V2
VD1 VD2 VD1 VD2
逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
t3-t4:t3时刻电流过零边负，V2导通，负载电 流反向增加，输出电压uo =-Ud/2；
t4-t5:t4时刻V2关断，给V1驱动信号，由于 阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD1续流， 电流逐渐减小，输出电压uo =Ud/2；
通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术
第四章 逆变电路
4.2 单相逆变电路工作原理
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 单相电流型逆变电路
逆变电路
电压型逆变电路的特点
1、直流侧为电压源或并联大电容，直流
侧电压基本无脉动。
+
2、由于直流电压源的钳位作用，输出电
压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不 Ud
单相电流型逆变电路
iT
i VT1,4
i VT2,3
Id 0
tγ
uo/io
t
0
t1
Id t2 t3 t4
t5
tφ
t6 t7
t
tδ tβ
电流型逆变电路波形图
逆变电路
单相电流型逆变电路
t2-t4阶段：t2时刻四个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个回路LT1、VT1 、VT3 、LT3 和 LT2、VT2 、VT4 、LT4 放电；t4时刻VT1、VT4的 电流减小到零关断，直流侧电流Id全部转移到 VT2和VT3支路，换流结束。 。
VD3 VD4
u G1
0
t
u G2
0
t
u G3
q
0
t
u G4
0
t
uo io
电力电子技术电子教案第六章 逆变电路ppt课件
a
)
b)
图6-9 单相桥式逆变电路工作原理图
当开关Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开时，负载电 阻R两端的电压u0为正；Q1、Q4断开，Q2、Q3闭合 时，u0为负。这样交替轮换工作，即可把直流电 变成交流电。改变两组开: 关切换频率，可改变输
二、逆变电路的换流方式
1．器件换流 利用全控型器件自身的关断能力进行换流称为 器件换流。 2．负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负载 电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实 现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实 现负载换流。 3．强迫换流 通过附加的换流装置，给欲关断的器件强迫施 加反向电压或反向电流:的换流方式称为强迫换
:
电压型逆变电路及波形
图6-13 电压型三相桥式逆变器的主电路 图6-14 三相桥式逆变器电压波形
:
电压型逆变电路工作原理
电路采用功率晶体管作为开关元件，由六个桥臂 组成。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是 180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同 一组上下两个臂交替导电，因为每次换相都是在同一 相上下两个桥臂之间进行的，因此称为纵向换相。6个 管子控制导通的顺序为V1～V6，控制间隔为60°，这 样，在任一瞬间，将有三个臂同时导通。可能是上面 一个臂和下面两个臂，也可能是上面两个臂和下面一 个臂同时导通。逆变器输出的电压波形如图6-14所示。 由波形可以看出，改变三相逆变桥功率晶体管的导通 频率和导通顺序，可以得到不同频率和不同相序的三 相交流电。
在有源逆变状态下，直流回路的电压平衡方程式为Ud=Uβ，即
1.35sE20=1.35U2lcosβ
电机转差率为
s U2l cos
E20
上式表明，改变逆变角β的大小即可改变电动机的转差率，实现调速。
电力电子系统建模及控制1_第1章DCDC变换器的动态建模
由式(1—6)得到
当Buck-Boost变换器电路达到稳态时，电感电流的瞬时值间隔一个周期 是相同的，即i(t+Ts)=i(t)，于是 上式表明，电感两端电压一个开关周期的平均值等于零，即所谓伏秒平 衡。这样可以得到
在阶段1，即[t，t+DTs]，电感两端的电压vL(t)=Vg；在阶段2，即[t+DTs，tБайду номын сангаасTs]， 电感两端的电压vL(t)=V。代人式(1-12)得到
1．1状态平均的概念 由于DC／DC变换器中包含功率开关器件或二极管等非线性元件，因此
是一个非线性系统。但是当：DC／DC变换器运行在某一稳态工作点附近， 电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性的特性。因此，尽管： DC／DC变换器为非线性电路，但在研究它在某一稳态工作点附近的动态特 性时，仍可以把它当作线性系统来近似，这就要用到状态空间平均的概念。 图1—2所示为：DC／DC变换器的反馈控制系统，由Buck DC／DC变换器、 PWM调制器、功率器件驱动器、补偿网络等单元构成。设DC／DC变换器的占 空比为d(t)，在某一稳态工作点的占空比为D；又设占空比d(t)在D附近有 一个小的扰动，即：
在阶段2，即[t+dTs，t+Ts]，开关在位置2时，电感两端电压为
通过电容的电流为
图1-5为电感两端电压和通过电感的电流波形，电感电压在一个开关周 期的平均值为
如果输入电压vg(t)连续，而且在一个开关周期中变化很小，于是vg(t)在 [t，t+dTs]区间的值可以近似用开关周期的平均值<vg(t)>Ts表示，这样
下面我们将电感电流波形作直线近似，推导关于电感电流的方程。如图 1—6所示．当开关在位置1时
电力电子系统建模及控制7 第七章 逆变器的建模与控制
(7 4)
这里(vi)TS表示vi的开关周期平均值。而S的开关周 期平均值
S Dt Ts
式中，D(t)为占空比。
(7 5)
由图7-3得到 (规则采样法)
D
1 2
1
vm Vtri
(7 6)
式中，vm为参考正弦波信号； Vtri为三角载波峰值。
把式(7-6)代人式(7-4)有 ：
vi
Ts
1C 1 s
1
s2
n2 2n s
n2
(7 11)
RC LC
式中，n
1 LC
为无阻尼自然振荡角频率，
n
1
，
LC ； 1 L 为阻尼比。
2R C
这是一个典型的二阶振荡系统，频率特性为
G
j
n2
n2
2
j
2n
1
n
1 2
j2 n
A e j
(7 12)
式中
式中，R=15Ω，L=660μH，C=22μF, Kpwm=E=380 (在设计时把三角载波的幅值当成1)。
由 式 (7-28) 可 以 解 得 内 环 PI 控 制 器 的 参 数 ： Kip=2.63×10-4，Kii=2.18。设计的内环PI控制器如下：
H1
s
2.63104 s
s
2.18
7 29
考察一个滤波器性能的优劣：
➢ 对谐波的抑制能力，可以由THD值体现； ➢ 尽量减小滤波器对逆变器的附加电流应力。
电流应力增大，除使器件损耗及线路损耗加大外，另一 方面也使对功率元件的容量的要求增大。
附
T
加
H
电
D 矛盾 流
值
《电力电子系统建模与仿真》题集
《电力电子系统建模与仿真》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.在电力电子系统建模过程中，哪一种软件工具常被用于进行系统级仿真分析？（ ）A. Microsoft OfficeB. AutoCADC. MATLAB/SimulinkD. Photoshop2.PWM （脉宽调制）技术中，通过调节什么参数来控制开关管的导通时间？（ ）A. 电压幅值B. 电流频率C. 脉冲宽度D. 电容容量3.在Simulink环境中，哪个模块库提供了丰富的电力电子元件模型用于系统仿真？（ ）A. Simulink Control DesignB. SimPowerSystemsC. Communications System ToolboxD. Robotics System Toolbox4.电力电子系统建模的主要目的是什么？（ ）A. 提高系统美观性B. 分析和优化系统性能C. 增加系统复杂性D. 降低系统成本5.在进行电力电子系统仿真时，哪个因素对于仿真结果的准确性至关重要？（ ）A. 计算机的显示器尺寸B. 元器件模型的精度C. 仿真软件的安装位置D. 操作系统的版本6.SPWM （正弦脉宽调制）技术主要应用于哪种电力电子变换器？（ ）A. DC-DC变换器B. AC-DC整流器C. DC-AC逆变器D. AC-AC变频器7.PID控制器在电力电子系统中主要起什么作用？（ ）A. 增加系统噪声B. 提高系统稳定性C. 降低系统效率D. 增加系统功耗8.在电力电子系统仿真中，设置合适的仿真步长对结果有何影响？（ ）A. 不影响仿真结果B. 提高仿真速度但降低精度C. 平衡仿真速度和精度D. 只影响仿真过程中的动画效果9.电力电子系统中的核心元件是什么？（ ）A. 电阻和电容B. 电感和变压器C. 电力电子开关器件D. 传感器和执行器10.在进行DC-DC变换器仿真时，需要关注哪些性能指标？（ ）A. 变换效率和输出电压纹波B. 变换器的重量和体积C. 变换器的颜色和材质D. 变换器的生产厂家和品牌二、填空题（每题2分，共20分）1.电力电子系统建模中，常用的两种仿真方法是________________和________________。
电力电子系统建模
绪论
4. 主要建模方法
实验测试建模法→以具体试验和测试数据为依据进行电力电子建模。 实验测试建模法→以具体试验和测试数据为依据进行电力电子建模。 首先基于 应用原模型法得出开关器件的稳态和瞬态模型， 应用原模型法得出开关器件的稳态和瞬态模型，并利用实测的外特性参数对所建 一般适用于电力电子开关器件和无源元件的建模 立的模型进行校验→一般适用于电力电子开关器件和无源元件的建模。 立的模型进行校验 一般适用于电力电子开关器件和无源元件的建模。 数理推导建模法→将数理方法、动力学等学理论应用于电力电子领域，通过对电 数理推导建模法 将数理方法、动力学等学理论应用于电力电子领域， 将数理方法 力电子装置运行机理、响应过程的数学关系推导， 力电子装置运行机理、响应过程的数学关系推导，建立描述其运行特征的数学模 为电力电子装置最佳设计提供理论指导→多用于电力电子装置或系统建模 多用于电力电子装置或系统建模。 型，为电力电子装置最佳设计提供理论指导 多用于电力电子装置或系统建模。 电力电子系统：典型非线性、且越来越复杂。 电力电子系统：典型非线性、且越来越复杂。尤其处理大规模复杂电力电子系 统时，即使应用现有著名的电路仿真软件， 统时，即使应用现有著名的电路仿真软件，也会遇到收敛性和仿真速度过慢等问 为了提高对系统中各部件相互作用的认识、缩短研发时间、 题。为了提高对系统中各部件相互作用的认识、缩短研发时间、降低研发成本和 提高系统可靠性→需要对电力电子系统进行精确建模和仿真 需要对电力电子系统进行精确建模和仿真。 提高系统可靠性 需要对电力电子系统进行精确建模和仿真。
6. 解析法建模
主要有：离散解析法、连续解析法。 主要有：离散解析法、连续解析法。 精确度高， 离散解析法→精确度高 但结果表达式复杂，难以处理非理想元件， 离散解析法 精确度高，但结果表达式复杂，难以处理非理想元件，用于指导 设计也不方便。 设计也不方便。 连续解析法→又称平均法 是最为重要的建模方法。其中最具代表性的是状态 又称平均法， 连续解析法 又称平均法，是最为重要的建模方法。其中最具代表性的是状态 空间平均法、电路平均法→本课程重点讨论 本课程重点讨论。 空间平均法、电路平均法 本课程重点讨论。 尚有一些适用于较高信号频率的方法， 采样数据法、离散平均法、 尚有一些适用于较高信号频率的方法，如采样数据法、离散平均法、渐近法 (KBM)或改进平均法、广义平均法及等效小参量法等(可弥补状态空间平均法难以 或改进平均法、 或改进平均法 广义平均法及等效小参量法等 可弥补状态空间平均法难以 分析纹波和谐振类变换器、稳定性分析不准确等不足) 不一而足→是平均法等基础 分析纹波和谐振类变换器、稳定性分析不准确等不足 不一而足 是平均法等基础 方法的发展与改进，本课程不作祥细讨论。 方法的发展与改进，本课程不作祥细讨论。 (1) 电路平均法 从变换器的电路出发，对电路中的非线性开关元件进行平均和线 电路平均法→从变换器的电路出发 从变换器的电路出发， 性化处理。主要有：三端开关器件模型法、时间平均等效电路法、能量守恒法。 性化处理。主要有：三端开关器件模型法、时间平均等效电路法、能量守恒法。 三端开关器件模型法(1987年提出)→技术思路：将功率开关管和二极管整体看成 技术思路： 技术思路 一个三端开关器件, 用其端口平均电压、平均电流的关系表征其模型， 一个三端开关器件 用其端口平均电压、平均电流的关系表征其模型，再将其适当 嵌入到要讨论的电力电子变换器中，转化为变换器的平均值等效电路。 电力电子变换器中 变换器的平均值等效电路 嵌入到要讨论的电力电子变换器中，转化为变换器的平均值等效电路。
电力电子系统建模及控制0绪论
器件和电路的日趋成熟，使得人们自然地将注意力转向电 力电子装置的整体性能的优化问题，电力电子系统的问题 比以往更加受到重视。
7
绪论
电力电子系统的问题：
控制系统设计 并联冗余设计 功率集成 热设计 电磁兼容
电力电子系统：典型非线性、且越来越复杂。尤其处理大规 模复杂电力电子系统时，即使应用现有著名的电路仿真软件， 也会遇到收敛性和仿真速度过慢等问题。为了提高对系统中各 部件相互作用的认识、缩短研发时间、降低研发成本和提高系 统可靠性→需要对电力电子系统进行精确建模和仿真。
绪论
数理推导建模
经历了由数值法到解析法过程。 ➢数值法→根据一定算法进行计算机运算处理，获得数值解。
绪论
总体而言，电路平均法的最大优点是等效电路与原电路拓扑一致。最大不足是 电路元件增多，要得出平均后的拓扑结构需要很大运算量。
(2) 状态空间平均法→目前仍被广泛使用的状态空间平均基本方法由Middlebrook 1976 年提出，技术思路：按照功率开关器件的‘ON’和‘OFF’两种状态，将原始 电力电子电路网络的状态变量用一个周期内的平均状态变量表示，从而将开关电 路转化为一个等效的线性、时不变的连续电路，可对开关变换器进行大信号稳态 分析，并可决定其小信号传递函数，建立状态空间平均模型进行小信号瞬态分析。
最大优点：计算速度快。 数值法所得结果，物理概念不明确；
主要不足： 难以提供电路工作机理的信息； 计算量大。
绪论
➢解析法→通过工作机理分析，用解析表达式来描述变换器特性的建模方法。
最大优点：能反映电路工作机理，物理概念比较明确。
主要不足：建模较为繁琐、复杂，仿真较为费时。
电力电子变流技术课后答案第6章
第六章无源逆变电路习题与思考题解6-1.无源逆变电路和有源逆变电路的区别有哪些解：无源逆变电路就是将直流电能转换为某一固定频率或可变频率的交流电能，并且直接供给负载使用的逆变电路。
有源逆变电路就是将直流电能转换为交流电能后，又馈送回交流电网的逆变电路。
这里的“源”即指交流电网，或称交流电源。
6-2.什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路各有什么特点解：根据逆变器直流侧电源性质的不同可分为两种，直流侧是电压源的称为电压型逆变器，直流侧是电流源的称为电流型逆变器。
电压型逆变器，其中间直流环节以电容贮能，具有稳定直流侧电压的作用。
直流侧电压无脉动、交流侧电压为矩形波，多台逆变器可以共享一套直流电源并联运行。
由于PWM（脉宽调制）技术的出现和发展，使得电压和频率的调节均可在逆变过程中由同一逆变电路完成，应用更为普遍。
电流型逆变器，中间直流环节以电感贮能，具有稳定直流侧电流的作用。
它具有直流侧电流无脉动、交流侧电流为矩形波和便于能量回馈等特点。
一般用于较大功率的调速系统中，如大功率风机、水泵等。
6-3.试说明电压型逆变电路中续流二极管的作用。
解：对于电感性负载，由于电感的储能作用，当逆变电路中的开关管关断时，负载电流不能立即改变方向，电流将保持原来的流向，必须通过与开关管反向并联的大功率二极管进行续流，来释放电感中储存的能量，这就是电压型逆变电路中续流二极管的作用。
若电路中无续流二极管，开关管关断时，由于电感中的电流将产生很大电流变化率，从而在电路中引起很高的过电压，对电路的器件或绝缘产生危害。
6-4试述180O导电型电压型逆变电路的换流顺序及每60O区间导通管号。
解：参阅教材P101中的图6-4（g）。
180 O导电型电压型逆变电路，每个开关管在每个周期中导通180 O，关断时间也是180 O，换流（换相）是在同一个桥臂的上、下两个开关管之间进行，亦称纵向换相。
换流顺序为每一次在同一桥臂上的V11和V14，V13和V16，V15和V12，每对管各自间隔180 O换相一次。
电力电子系统建模及控制 第六章上
6．1．4电压空间矢量合成原理 ． ． 电压空间矢量合成原理 如前所述，三相逆变器仅有八个电压空问矢量。 如前所述，三相逆变器仅有八个电压空问矢量。 而实现12边形 边形、 边形 边形、 边形 边形、 边形的电压空 而实现 边形、18边形、24边形、6n边形的电压空 间矢量轨迹仅有八个电压空间矢量是不够的， 间矢量轨迹仅有八个电压空间矢量是不够的，需更多 的电压空间矢量。办法是通过三相逆变器八个基本电 的电压空间矢量。办法是通过三相逆变器八个基本电 压空间矢量的线性组合，产生新的电压空间矢量。 压空间矢量的线性组合，产生新的电压空间矢量。希 望得到一组等幅而相位均匀间隔的电压空间矢量组， 望得到一组等幅而相位均匀间隔的电压空间矢量组， 连接相邻电压空间矢量顶点，构成一个正多边形。 连接相邻电压空间矢量顶点，构成一个正多边形。图 6—7表示由 个电压空间矢量构成的正 边形。正多 表示由24个电压空间矢量构成的正 边形。 表示由 个电压空间矢量构成的正24边形 边形边数愈多，愈逼近于圆。 边形边数愈多，愈逼近于圆。
根据空间矢量的定义式(6—1)计算矢量U1 如下：
U1的方向与实轴相同，矢量的长度为E。 类似可以求出U2 ， U3…等矢量。
各开关组合所对应的交流侧a 、 b、c相的 输出电压以及空间矢量的值如表6—2所示。
电力电子建模控制方式及系统建模
第2步. 根据S域状态方程求取传递函数 ①输入到输出的传递函数
电力电子建模控制方式及系统建模
②控制到 输出的传 递函数
③控制到 电感电流 的传递函 数
④开环输 入阻抗
电力电子建模控制方式及系统建模
4. 小信号电路模型 ①电感回路的小信号电路模型
电力电子建模控制方式及系统建模
②电容回路的小信号电路模型
公式中的Uo指的是输出电压的开关周期平均值。 开关频率纹波分量是与生俱来的，无法彻底消除。 判断系统是否稳定依据的是输出电压平均值波形。
电力电子建模控制方式及系统建模
假设占空比在静态工作点D附近存在一个低频、小扰动， 即：
扰动量
PWM脉冲序列的宽度 被低频正弦信号所调 制。
输出电压也被低频调 制，即输出电压含有 三个分量：直流分量、 低频调制小信号分量 和开关频率分量。
等式两边的直流项相等，交流项也相等。因此： 静态工 作点：
交流小信号状态方程为：
电力电子建模控制方式及系统建模
第3步. 线性化
小信号乘积项
小信号乘积项为非线性项，属于二阶微小量，将其从 等式中去除，引起的误差极小，且能将方程线性化。
小信号解 析模型
电力电子建模控制方式及系统建模
总结
建立DC/DC变换器的小信号模型的三步走： 1、状态平均；2、分离扰动；3、线性化。
电力电子建模控制方式及系统建模
第2、3步. 分离扰动、线性化 令：
二阶 微小量
电力电子建模控制方式及系统建模
直流等效电路
交流小 信号等 效电路
电力电子建模控制方式及系统建模
用开关元件平均模型法得到的CCM时Boost变换器的 小信号等效电路，求取传递函数。
①输入到输出 的传递函数
逆变电路(电力电子技术课件)
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
断的换流也叫电压换流（前图）
先使晶闸管电流减为零，然后通
过反并联二极管使其加 反压的
换流叫电流换流（左图）
换流方式小结
器件换流——适用于全控型器件
其余三种方式——针对晶闸管
断的换流也叫电压换流（前图）
先使晶闸管电流减为零，然后通
过反并联二极管使其加 反压的
换流叫电流换流（左图）
换流方式小结
器件换流——适用于全控型器件
其余三种方式——针对晶闸管
器件换流和强迫换流——属于自换流
因为器件或变流器自身的原因而实现换流
电网换流和负载换流——外部换流
借助于外部手段（电网电压或负载电压）
电感耦合式强迫换流
图a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断
图b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断
在图（a）中，接通开关S后，LC振荡
电流将反向流过晶闸管VT，与VT 的负
载电流相减，直到VT 的合成正向电流
减至零后，再流过二极管VD。
换流方式
电感耦合式强迫换流
4) 强迫换流
给晶闸管加上反向电压而使其关
其中交一直一交变频电路由交一直变换电路和直一交变换电路两
部分组成，
前一部分属于整流电路，后一部分就是逆变电路。
逆变器的工作原理
单相桥式逆变电路
当将开关Q1、Q4闭合，Q2、
Q3断开时，电阻上得到左
正右负的电压；
（a）逆变电路图
（b）输出电压波形
图5-1 逆变器的工作原理
电力电子变流技术课后答案第6章
第六章无源逆变电路习题与思考题解6-1. 无源逆变电路和有源逆变电路的区别有哪些解：无源逆变电路就是将直流电能转换为某一固定频率或可变频率的交流电能，并且直接供给负载使用的逆变电路。
有源逆变电路就是将直流电能转换为交流电能后，又馈送回交流电网的逆变电路。
这里的“源”即指交流电网，或称交流电源。
6-2. 什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路各有什么特点解：根据逆变器直流侧电源性质的不同可分为两种，直流侧是电压源的称为电压型逆变器，直流侧是电流源的称为电流型逆变器。
电压型逆变器，其中间直流环节以电容贮能，具有稳定直流侧电压的作用。
直流侧电压无脉动、交流侧电压为矩形波，多台逆变器可以共享一套直流电源并联运行。
由于PW(脉宽调制) 技术的出现和发展，使得电压和频率的调节均可在逆变过程中由同一逆变电路完成，应用更为普遍。
电流型逆变器，中间直流环节以电感贮能，具有稳定直流侧电流的作用。
它具有直流侧电流无脉动、交流侧电流为矩形波和便于能量回馈等特点。
一般用于较大功率的调速系统中，如大功率风机、水泵等。
6-3. 试说明电压型逆变电路中续流二极管的作用。
解：对于电感性负载，由于电感的储能作用，当逆变电路中的开关管关断时，负载电流不能立即改变方向，电流将保持原来的流向，必须通过与开关管反向并联的大功率二极管进行续流，来释放电感中储存的能量，这就是电压型逆变电路中续流二极管的作用。
若电路中无续流二极管，开关管关断时，由于电感中的电流将产生很大电流变化率，从而在电路中引起很高的过电压，对电路的器件或绝缘产生危害。
6-4试述180°导电型电压型逆变电路的换流顺序及每60°区间导通管号。
解：参阅教材P101中的图6-4 (g)。
180 °导电型电压型逆变电路，每个开关管在每个周期中导通180 °,关断时间也是180。
，换流（换相）是在同一个桥臂的上、下两个开关管之间进行，亦称纵向换相。
电力电子逆变器课程设计
电力电子逆变器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解电力电子逆变器的基本概念，掌握其工作原理及电路构成。
2. 学生能够掌握电力电子器件的类型及在逆变器中的应用，了解不同器件的性能特点。
3. 学生能够了解逆变器在不同应用场景中的功能，如太阳能发电、电动汽车等。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的电力电子逆变器电路。
2. 学生能够运用相关软件（如PSPICE、MATLAB等）进行逆变器电路仿真，分析电路性能。
3. 学生能够通过实验操作，验证逆变器电路的正确性，并学会调试和优化电路。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对电力电子技术的兴趣，提高对新能源技术的认识，增强环保意识。
2. 学生通过课程学习，培养团队协作精神，提高沟通与交流能力。
3. 学生能够认识到电力电子技术在现代社会中的重要性，激发对相关领域的学习和研究热情。
课程性质分析：本课程为电子技术专业课程，旨在让学生掌握电力电子逆变器的基础知识，培养其实际应用能力。
学生特点分析：学生具备一定的电子技术基础知识，对电力电子器件和应用场景有一定了解，但可能对逆变器具体设计和实践操作较为陌生。
教学要求：1. 结合课本知识，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
2. 注重启发式教学，引导学生主动探索，培养学生的创新思维。
3. 强调团队合作，提高学生的沟通能力和协作精神。
二、教学内容1. 电力电子逆变器基本原理- 逆变器电路拓扑结构- 逆变器工作原理及转换过程- 逆变器在不同应用场景的功能2. 电力电子器件及应用- 常用电力电子器件的类型及特性- 不同器件在逆变器电路中的应用- 器件选型原则及电路设计注意事项3. 逆变器电路设计- 逆变器电路参数计算- 电路仿真软件的使用（如PSPICE、MATLAB等）- 逆变器电路设计实例分析4. 逆变器实验操作与调试- 实验室设备及实验原理- 实验步骤及操作方法- 逆变器电路调试与优化5. 逆变器应用案例分析- 太阳能发电系统逆变器应用- 电动汽车逆变器应用- 其他新能源领域逆变器应用案例教学内容安排与进度：第一周：电力电子逆变器基本原理第二周：电力电子器件及应用第三周：逆变器电路设计第四周：逆变器实验操作与调试第五周：逆变器应用案例分析教材章节及内容关联：《电力电子技术》第四章：电力电子逆变器《电力电子器件与应用》第三章：常用电力电子器件及其应用《电力电子电路设计与实践》第六章：逆变器电路设计及实验操作三、教学方法1. 讲授法：- 对于电力电子逆变器的基本原理、器件特性及电路设计等理论知识，采用讲授法进行教学，使学生在短时间内掌握课程核心内容。
电力电子系统建模与控制6
6.3 DCM模式小信号传递函数的确定
35
6.3 DCM模式小信号传递函数的确定
36
小结
v DCM模式下，开关网络中的晶体管平均电压与平均电流 成比例且遵循欧姆定律。在其平均等效模型中，我们可以 将晶体管等效为一个电子Re(d)。二极管平均电压、电流可 等效为一个电源，其输出功率等于Re上消耗的等效功率， 因此在平均模型中我们将二极管等效为一个独立电源；
31
6.3 DCM模式小信号传递函数的确定
Buck、Boost、Buck-Boost变换器可简化为：
控制-输出： 输入-输出：
其中：
32
6.3 DCM模式小信号.3 DCM模式小信号传递函数的确定
例：Boost变换器中，L=5µH，C=470µF，R=12Ω，开关频率 fs=100kHz，输入电压Vg=24V，输出电压V=36V，试确定该变 换器在此工作点上的控制-输出传递函数Gvd(s)。
6.3 DCM模式小信号传递函数的确定
当小信号传递函数表示为R、L、C和M（不是D）的形式时， DCM和CCM的传递函数相同。
DCM模式下的Boost和Buck-Boost变换器传递函数中同样包含 两个极点和一个RHP零点。 但是，由于DCM模式中L的值往往很小，因此RHP零点通常出 现于高频段，而且通常高于开关频率；对于极点而言，其值也 与电感值有关，通常处于开关频率附近。 因此，DCM模式下的Buck、Boost、Buck-Boost变换器通常可 以描述为一个单极点环节。
v 既然运行于DCM模式下的变换器的滤波电感值L非常小， 因此电感对系统的动态影响很小，往往处于高频段，高于 或位于开关频率附近。因此，在它们的小信号交流模型中， 电感L通常看做为0，简化模型仅包含一个低频极点描述系 统的低频响应，分析简单；
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6. 逆变电路动态模型
写成向量形式： 写成向量形式：
三相PWM逆变器可类似列写。 逆变器可类似列写。 三相 逆变器可类似列写
6. 逆变电路动态模型
6. 逆变电路动态模型
T1 D1 T3 D3 T5 C0 E
D5
A
T4 D4
0 B
T6 D6 T2
C
D2
三相电压源型
开关函数
ui
E2
S2
D2
电感内阻
C
RL
u0
1 ui = E(2S −1) ⇐ S = 0
S1(D1)导通 导通 S2(D2)导通 导通
非线性部分 非线性部分 (开关网络 开关网络) 开关网络
线性部分
由于开关函数S的存在，使得 幅值变化不连续，故对上式取开关周期平均值： 由于开关函数 的存在，使得ui幅值变化不连续，故对上式取开关周期平均值： 的存在
－
PI
Urm
×Leabharlann U0sinωtuc PI ur －
＋ －
驱动
u0
电压平均值
电压瞬时值反馈: 改善波形畸变 电压瞬时值反馈 依此不难设计控制器。 依此不难设计控制器。 电压平均值反馈: 电压平均值反馈: 保证静差
6. 逆变电路动态模型
6. 2 三相变流器动态建模
三相PWM变流器主要由三相 三相 变流器主要由三相PWM变流器功率回路、PWM调制器、电流控制 变流器功率回路、 调制器、 变流器主要由三相 变流器功率回路 调制器 电压控制器构成。为进行电流控制环和电压控制环控制器的设计， 器、电压控制器构成。为进行电流控制环和电压控制环控制器的设计，主要需解 变流器功率回路 回路、 调制器部分的建模问题。 决变流器功率回路、PWM调制器部分的建模问题。 调制器部分的建模问题 三相PWM变流器建模的步骤如下： 变流器建模的步骤如下： 三相 变流器建模的步骤如下 (1) 建立开关模型。开关模型关于时间轴是不连续的，为时变系统。 建立开关模型。开关模型关于时间轴是不连续的，为时变系统。 (2) 建立静止坐标系平均模型。静止坐标系平均模型是对在静止坐标系下原开关模 建立静止坐标系平均模型。 型经开关周期平均而得到。它关于时间轴是连续的，但仍为时变系统。 型经开关周期平均而得到。它关于时间轴是连续的，但仍为时变系统。 (3) d-q旋转坐标系平均模型。将静止坐标系平均模型经 坐标变换，得到 旋 旋转坐标系平均模型。 坐标变换， 旋转坐标系平均模型 将静止坐标系平均模型经d-q坐标变换 得到d-q旋 转坐标系平均模型。它一般仍是非线性系统。 转坐标系平均模型。它一般仍是非线性系统。 (4) 求线性化小信号交流模型。 求线性化小信号交流模型。 三相PWM变流器可分为三相 变流器可分为三相PWM整流器、三相 整流器、 逆变器， 三相 变流器可分为三相 整流器 三相PWM逆变器，如图。 逆变器 如图。
Sip + Sin = 1 i ∈(a, b, c) 定义相开关函数: 定义相开关函数 Si = Sip = 1 − Sin i ∈(a, b, c)
在三相电压型PWM整流器或逆变器中．交流侧线电压与直流电压之间存在一 整流器或逆变器中． 在三相电压型 整流器或逆变器中 定关系。由此，可写出交流侧三相线电压与直流电压的关系: 定关系。由此，可写出交流侧三相线电压与直流电压的关系
6. 逆变电路动态模型
6. 1 逆变电路动态模型
逆变电路含有多个开关元件, 不同于DC/DC变换器建模：1）同样存在由于开关 变换器建模： ） 逆变电路含有多个开关元件 不同于 变换器建模 的通、断造成的不同时段的电路拓扑切换问题， 的通、断造成的不同时段的电路拓扑切换问题，为了将不同时段的电路拓扑统一 起来，基本方法仍是开关周期平均方法。 ）逆变电路虽由多个开关元件组成 多个开关元件组成， 起来，基本方法仍是开关周期平均方法。2）逆变电路虽由多个开关元件组成， 但却是作为一个整体完成逆变工作的 因而需将这些开关元件作为一个整体 是作为一个整体完成逆变工作的， 这些开关元件作为一个整体(“元 但却是作为一个整体完成逆变工作的，因而需将这些开关元件作为一个整体 元 件”)来看。 来看。 来看 D1 S1 以半桥逆变电路为例， 以半桥逆变电路为例，说明逆变电 E1 路动态模型建立方法与思路。 路动态模型建立方法与思路。 L R1 电路可看作两部分：线性部分 输出 电路可看作两部分：线性部分→输出 u0，输入 i；非线性部分 开关网络 ， 输入u 非线性部分(开关网络 开关网络)， 输出u 输入E(设 输出 i ，输入 设E1=E2=E)。 。 ui只有两种电平 S1(D1)导通 ui = E; 只有两种电平: 导通, 导通 S2(D2)导通 ui = －E。即可表示为： 导通, 导通 。即可表示为：
将虚拟线电流代入， 将虚拟线电流代入，有： 由图可写出直流侧方程： 由图可写出直流侧方程：
合并前两式可得： 合并前两式可得：
定义向量： 定义向量：
6. 逆变电路动态模型
由此状态方程可写为： 由此状态方程可写为： 采用向量的交、直流电量可写为： 采用向量的交、直流电量可写为：
求开关 周期平 均值
得三相电压型PWM整流器平均模型： 整流器平均模型： 得三相电压型 整流器平均模型
6. 逆变电路动态模型
ui = E(2S −1), S = D(t ) ⇐ D(t )为占空比。 为占空比。
若为SPWM逆变，如图所示。 若为 逆变，如图所示。 逆变 假设采用如图所示规则采样， 假设采用如图所示规则采样，则D(t)可表示 可表示 为：
Utri
ur = Urm sinωt
载波
1 u D(t ) = （ + r ） 1 2 Utri
Ui与U0之间是一个线性电路， 之间是一个线性电路， 不难得出其传递函数为： 不难得出其传递函数为：
U0(s) = Ui (s)
1 LCs2 + ( R L + R1C)s + (1 + 1 ) RL RL
6. 逆变电路动态模型
综上可得调制器输入u 与逆变器输出u 之间的传递函数为： 综上可得调制器输入 r与逆变器输出 0之间的传递函数为：
6. 逆变电路动态模型
其中 SabSbcSca称 线开关状态
定义虚拟线电流并满足： 定义虚拟线电流并满足：
可以写出交流侧电流与直流电流关系： 可以写出交流侧电流与直流电流关系：
可以求得虚拟线电流： 可以求得虚拟线电流：
联合整理以上诸式可得： 联合整理以上诸式可得：
6. 逆变电路动态模型
对图示三相电压型PWM整流器，可列 整流器， 对图示三相电压型 整流器 写出交流侧的状态方程： 写出交流侧的状态方程：
6. 逆变电路动态模型
6. 2 .1 三相 三相PWM整流器动态建模 整流器动态建模
三相电压型PWM整流器或逆变器 整流器或逆变器 三相电压型 中有6个开关器件 如图所示。 个开关器件， 中有 个开关器件，如图所示。 假定s 假定 ap、Sbp、Scp表示上半桥中分 别连接a、 、 的开关器件状态 的开关器件状态， 别连接 、b、c的开关器件状态，San、 Sbn、Scn表示下半桥中分别连接 、b、 表示下半桥中分别连接a、 、 C相的开关器件状态。开关动作不应 相的开关器件状态。 相的开关器件状态 造成电压源或电容的短路，或者电 造成电压源或电容的短路，或者电 流源或电感的开路。 流源或电感的开路。 在三相电压型PWM整流器或逆变器中，任一瞬间每相中只有一个开关器件导 整流器或逆变器中， 在三相电压型 整流器或逆变器中 因此每相的上、下开关之间满足如下约束条件: 通，因此每相的上、下开关之间满足如下约束条件
ui = E
既有： 既有：
ur Utri ui E = ur Utri
Utri
可得调制器输入u 与逆变桥输出u 之间的传递函数为： 可得调制器输入 r与逆变桥输出 i之间的传递函数为：
Ui (s) E = Ur ( s ) Utri
可见在SPWM中，载波频率远大于逆变输出频 中 可见在 率时，逆变桥部分可近似看做一个比例环节。 率时，逆变桥部分可近似看做一个比例环节。
U0(s) U0(s) Ui (s) = ⋅ = Ur (s) Ui (s) Ur (s)
1 LCs2 + ( R L + R1C)s + (1 + 1 ) RL RL
⋅
E Utri
假定逆变器是采用电压瞬时值反馈控制方案，控制系统如图： 假定逆变器是采用电压瞬时值反馈控制方案，控制系统如图：
∗ U0