第三章 直流-交流变换技术

课堂思考*
单相方波逆变电路采用移相调压控制方式，输入直流
电压180V～360V，负载电阻10Ω，要求输出功率恒定
1kW,逆变器工作频率为50kHz，最大导通比
T
0.45 ，
计算电路的相关参数。
设计方法
参考电路结构可以得出，电路设计需要计算 一下参数：
电感：电感量、有效值电流、峰值电流 功率开关：额定电压与额定电流
设计方法
各次谐波幅值为：
U
ABnm
4U d
n
sin
n
2
n 1,3,5,
n次谐波产生的功率为：
Pon
2
U
2 ABnm
R
R2 (nL)2
有：
Po
2
U
2 AB1m
R
R2 (L)2
设计方法
当输入电压最低时，导通比达到最大，此时有：
U AB1mmin
4Udmin
sin 2
4 180 3.14
ILrmsmax
Po R
U AB1mmin
10A
2[R2 (L)2]
开关管最大有效值电流（各开关仅导通半个周期）：
I VTrmsmax
I Lrmsmax 2
7.1A
开关管承受的最大电压：360V
开关管选择：额定电压不低于600V，
额定电流不小于14A
3.5 单相SPWM逆变
正弦脉宽调制（SPWM）技术的理论基础
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。
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。
θ ～θ 时间段
（3）基波电压有效值： U AB1rms 0.9Ud
（4）基波电压增益： AV
U AB1rms Ud
0.9
3.2 单相桥式方波逆变
（5）谐波失真度：
THD 1 U AB1m
U2 ABnm
2
Cn2
2
其中：
Cn
1 为基波幅值的标么值
n
（6）输入电流分析
0～期间：io (t)
Ud R
(Iom
各桥臂由IGBT与反并二极管组成，当IGBT一旦开通，桥 臂可以正反向流动电流，此时桥臂相当于一个闭合开关；
3.2 单相桥式方波逆变
电路工作波形分析
（1）0～θ1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 。
角波施加于比较器的两个输入，其输出即为SPWM调制 波，因此这种方法在模拟控制方式中比较常用，但作为 数字控制时由于计算工作量大，一般不常用。
3.5 单相SPWM逆变
自然采样法示意
uc为三角载波，周期为Tc us为正弦调制波，周期为Ts 当 us> uc 时，输出+Uo（或-Uo）
当 us< uc 时，输出-Uo（或+Uo） 一般有：Ts>> Tc
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
n
2U d
n
i
(cos n 2 j1 cos n 2 j ) sin n t ; n 1,3,5....
j1
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：
mf
T TC
u AB
n
4U d sin n cos n t ,
n
2
输出谐波
n 1,3,5,
各次谐波幅值
U
ABnm
4U d
n
sin
n
2
n 1,3,5,
各次谐波相对幅值
C n
U ABnm U AB1m
1 sin n
n2
n 1,3,5,
（以 、n 1 时的UAB1m 为基准值）
方波移相调压谐波分布
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、 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。
5
6
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
输出电压
3.3 移相控制单相方波逆变
移相全桥逆变电路特点
单级电路，结构简单、效率高 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 输出谐波含量仍然很高
3.3 移相控制单相方波逆变
移相控制方波逆变主要参数关系
输出电压：U
ABnm
4U d nπ
sin
n
2
n 1,3,5,
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。
3.5 单相SPWM逆变
自然采样法——产生SPWM波的基本方法
三角波（或锯齿波）与正弦波比较，产生SPWM脉冲序 列的方法称为自然采样法。
正弦波称调制波，三角波（或锯齿波）称载波； 利用模拟电路可以方便的实现这个功能，将正弦波与三
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。
3.2 单相桥式方波逆变
逆变电路控制规律（180°导通型）
（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）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。
开关桥臂工作特点
优点：分级调压、调频，调节方便； 缺点：电路结构复杂，效率低。
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
（2）θ1 ~ 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） ~ θ 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 Ud 。
（4）θ 2~ 2时段， VT2、VT4 开通， VT1、VT3关断，电流过零
usm< ucm
3.5 单相SPWM逆变
规则采样法--数字控制系统常用的方法
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；
为负，电流方向：VT2－B－A－VT4，uAB Ud 。
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
n
4Ud sin nt, n
n 1,3,5, 其中 2f , f 为开关频率
（2）基波电压幅值：U AB1m 1.27Ud
电力电子技术
第三章 直流—交流变换技术
主讲： 任 国 海
2017.10.27
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 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
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。
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
（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。
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
Po
Pn
n 1, 3,5...
P1
U
2 AB1m
R
2[R2 (L)2 ]
T
电感电流： ILrms
Po R
U AB1m
2[R2 (L)2 ]
I Lpk
1
e 2
T
1 e 2
Ud 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
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。
θ3～θ4时间段
VT2、VT4所在桥臂导通，由于电感续流，实际VD2、VD4
sin
0.45 2
360
Biblioteka Baidu
226.4V
Po
U R 2 AB1mmin
2[R2 (L)2]
1000
L 39.8μH
当输入电压最低，输出接近方波，输出电流达到峰值
T
电感电流峰值近似为：Iommax
1
e 2 '
T
1 e 2 '
Udmin R
18A
'
L R
设计方法
电感电流有效值近似以基波有效值计算
n次谐波功率：
Pn
U
2 ABnm
R
2[R 2 (nL)2 ]
输出功率： Po
Pn
n 1, 3,5...
P1
U
2 AB1m
R
2[R2 (L)2 ]
电感电流： ILrms
Po R
U AB1m
2[R2 (L)2 ]
3.4 矩形波调制单相逆变*
矩形波调制逆变电压控制
矩形波调制桥式逆变电路结构
Ud R
t
)e
～2期间：io (t)
Ud R
( Iom
Ud R
t
)e
I om
1
e
T 2
T
1 e 2
Ud R
L
R
3.2 单相桥式方波逆变
单相方波逆变主要参数关系
输出电压：
U ABnm
4Ud nπ
n 1,3,5,
n次谐波功率：
Pn
U
2 ABnm
R
2[R 2 (nL)2 ]
输出功率：
fC f
各次谐波与载波比的关系如下图（ m f 20 ， m f 6 谐波分布图）
3.4 矩形波调制单相逆变*
矩形波调制电压控制逆变电路特点
单级电路，结构简单、效率高
当 m f 值较低的时候，电路谐波含量仍很高 当 m f 值较高的时候，谐波含量有所下降，但谐波次数
仍然很低（低次谐波含量大），且浅控时谐波含量增大。