第十七讲 逆变电路(三)及软开关概述
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第4章 直流/交流变换器（逆变器）
1 ica (ic ia ) 3
8
三相SPWM原理
P
Vd 2 0 Vd 2 T4 T1 D1 T3 ia a D3 T5 ib D6 b T2 D5 ic c
D4 T6
D2
VAom
Vrm 1 1 VD M V D Vcm 2 2
Q
1 V Aom_ max VD 2 线电压最大值 3 VD 0.866VD 2
P
Vd 2 0 Vd 2 T4 T1 D1 T3 ia a D3 T5 ib D6 b T2 D5 ic c
a
ib
Va
ia
V ca
.
1.5
.
a
ic
V an V ca 1 .
.
.
n
V ab
3
b c
c 星形负载
V cn .
.
n V bn
1.5
V bc
b
D4 T6
D2
Q
. .
星形负载时据右图可知负载输出波形为互差 120°的Van，Vbn，Vcn
图5-21 二重逆变电路的工作波形 图5-21
多重逆变电路
三相电压型二重逆 变电路
由两个三相桥式逆变 电路构成，输出通过 变压器串联合成 两个逆变电路均为 180°导通方式 逆变桥 II 的相位比逆 变桥I滞后30°
Ud Ⅰ U T1 A1 B1 C1 uUN T2 A21 B22 Ⅱ 图5-22 B21 C22 C 21 A22 uU2 V W uU1
桥臂之间基波电压峰值： H 桥 180°调制：1.27VD 三相180°调制：1.1VD H 桥SPWM： VD 三相SPWM ：0.866VD
1.0 vr3
注入3次谐波使得调制波电 压变成梯形平顶波以便增 大逆变电压转换效率
VAO1
Vi3
VAh VBh
A
ZA
vr
vc
O
VBO1 Vi3
B ZB ZC
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
13
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）
14
多重逆变电路和多电平逆变电路
电压型 —— 输出电压是矩形波，电流型 —— 输 出电流是矩形波，谐波多 多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正 弦 多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正 弦
星形负载时负载输出波形为互差 120°的 Van ， Vbn，Vcn，傅里叶级数为 2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5 t sin 7 t sin 11 t sin 13 t 5 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 7 11 13 4
Vcr ( t )
+
-
-1
uab uan' u vn' ubc ubn' ucn' uca ucn' uan'
第4章 直流/交流变换器（逆变器） 9
(b)
驱 动信 号
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
10
HISPWM（Harmonic Injection SPWM）
输出线电压有效值
U UV
基波幅值 基波有效值
U UV1
1 2
2
0
2 u UV d t 0.816U d
(5-9)
U UV1m
2ຫໍສະໝຸດ Baidu
3U d
1.1 Ud
(5-10)
U UV1m 2
6
U d 0.78U d
(5-11)
负载相电压有效值
U UN
U UN1
D3 T5 ib D5 ic
T2 2
T3
t
t i T4 Ⅱ Ⅲ 0 T c t a b 0 1 V g1 V g 5 T5 D D T T T 0 t V V t V g 2 0 g6 D T T2 2 2 6 00 t t V g3 v T Q V 3 （a）电路 ab T d 0 t→561 t 1. 每个半桥均180°导电方式， 导电顺序： V g 4 0 123→2342 →345 →456 T4 Ⅱ Ⅲ 0 t 所以Vao、Vbo、Vco是180° →612V→123 ，三角形负载时据图可知波形输 g 5 v bc T5 2 方波 0 V g 6 0 120 出为间隔 °的方波电压Vab， Vbc ，Vca t t T6 0v t ca 2 2. 半桥基波之间互差120° vab V 3 d t ia t 0 0 2 a 4 5
van
v bn v cn
0 0
3
2 3
2
t
t
2 Vd 3
4 3
1 Vd 3
5 3
2
M
t
0
t
t
12
• HFn = Vn / V1
THD
V
n 1
2 n
V12
V1
V V1 V 1 V1 V1
其中V可通过计算Van的有效值获得
4.6 大功率逆变电路 变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器
Vg 1 T1 T1
L
id
T1 T3 T5
0 Vg 2 0
T2
T3 T4 T5 T6
t
T2 T3 T4 T5
2
t t
t
Ud
Vg 3
2 2
2
a
T4
b
T6
c
T2 n R
ic
R
0 Vg 4 0 Vg 5 0 Vg 6 T6 0
t
t t
2 2
2
ia
ib
R
ia Id
d
t
bc
0 2 3 1 1 1 1 vAB (t ) VD sin t sin 5t sin 7t sin11t sin13t vca 5 7 11 13 0
2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5t sin 7t sin 11t sin 13t 5 7 11 13
vab
vbc
0 0
Vd
2
t
2
4 3
vca
0
t
t
van
v bn v cn
0 0
3
2 3
2 Vd 3
1 Vd 3
5 3
2
M
t
0
t
t
三角形负载时负载输出波形为互差 120°的 Vab，Vbc，Vca，傅里叶级数为
v AB (t ) 2 3 1 1 1 1 VD sin t sin 5t sin 7t sin 11 t sin 13t 5 7 11 13
T1 Ud u1 uo
j =60°
T2 u2
图5-20
图5-20 二重单相逆变电路
多重逆变电路
多重逆变电路有串联多 重和并联多重两种 串 联 多 重 —— 把 几 个 逆变电路的输出串联 起来，多用于电压型 并 联 多 重 —— 把 几 个 逆变电路的输出并联 起来，多用于电流型
u1 O u2 O uo 120° O t 180° 60° 三次谐波 t 三次谐波 t
UU1 (UA1) O UA21 O -UB22 O UU2 O UUN (1+ 1 Ed ) 3 2 E 3 d Ed 1 E 3 d t
N
图5-22 三相电压型二重逆变电路
UU1(UA1) UUN UA21 UU2 -UB22
图5-23 二次侧基波电压合成相量 图5-23 图
多重逆变电路
T1为Δ/ Y联结，线电压变比 1: 3 为 （一次和二次 绕组匝数相等） T2一次侧Δ联结，二次侧两 绕组曲折星形接法，其二 次电压相对于一次电压而 言，比 T1 的接法超前 30°， 以抵消逆变桥 II 比逆变桥 I 滞后的30°。这样，uU2和 uU1的基波相位就相同
4.5 三相逆变电路工作原理 电压型三相逆变工作原理 电流型三相逆变工作原理 三相逆变器SPWM调制 谐波注入SPWM
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
1
单脉冲方波控制方式下 的三相桥 式电压型逆变器
三个单相半桥逆变器构成：
P
Vd 2 T1 D1 T3
a
V g1
T1
0 0
Vg2 0
(a) 电路:星型负载
L很大，id恒定
120度导电模式，仅两个开关同时 导电 12→23 → 34 → 45 → 56 → 61 → 12
ib
0
0
2
t
ic
0
t
2
iab
0
t
2
0
120 (b) 波 形 （
导电类型）
7
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
三相电流型逆变器（三 角形负载）
0
t
2
0
t
iab ica ia 3iab (iab ica ibc ) ia ib ibc iab ib
iab
0
2
(b) 波形（120导电类型）
t
2
0 (b) 波形（120 导电类型）
1 iab (ia ib ) 3
1 ibc (ib ic ) 3
ic
ib
c
ibc
b
ica
i ab
ia Id
ia
a
ia Id
ib
0
t
2 2
0
ib
0
t
t t
ic
0
2 2
2
t
三角形负载
0
对于三角形用KVL则有 (iab Z ica Z ibc Z ) 0 (iab ica ibc ) 0
ic
0
iab
N
VCO1 Vi3
VCh
0
C
v i3
-1.0 0 π/2 π 3π/2 2π
谐波注入后的线电压峰值可达：VD
2 谐波注入后的调制比可达： 3 1.15
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
11
• 例题4-1 三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，Ud=200V 。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，输出线电 压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1，谐波系数 HF，总谐波系数 THD，最低次谐波 LOH及其有效值 vab V 0 解：波形如右图所示，傅里叶分解如下 v 2
Vg4
d 4 4 6 2 2 6
3
Vg3
T3
t
a
iab
ica ibc
ic ibc
ica iab ia
v bc
y
3
3
3
2
b c
ib ic
0
c
ib
vca
0
三角形负载
第4章
4 y 3 3 直流/交流变换器（逆变器）
2 3
o （b） 180 导电波形
2
t
t
2
5 3
2
180
o
负载电压分析
3 . 1 . . V an (V ab V ca ) . 1 . V cn (V ca V bc ) 3 3 3 第4章 直流/交流变换器（逆变器）
.
V bn
(V bc V ab )
.
负载电压波形
负载星形连接时： V an V bn V cn
. . . . 1 . (V ab V ca ) 3 . 1 . (V bc V ab ) 3 . 1 . (V ca V bc ) 3
. .
V an V bn V cn V an
. . . . . V ab 3V an (V an V bn V cn ) V ab V ca . V ca
. .
据基尔霍夫电流定律星形负载中流入 Van Vbn Vcn 0 V V V 0 an bn cn Z Z 负载中点n的电流总和为0，有右式 Z . 成立 1 .
多重逆变电路
电压型、电流型都可多重化，以电压型为例 单相电压型二重逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来 输出波形：两个单相的输出u1和u2是180°矩形波 3次谐波
u1和u2相位错开j =60°， 其中3次谐波就错开了 3X60°=180° 变压器串联合成后， 3 次 谐波互相抵消，总输出电 压中不含3次谐波 uo 波 形 是 120° 矩 形 波 ， 含 6k±1 次 谐 波 ， 3k 次 谐 波都被抵消
基波幅值
1 2
2
0
2 u UN d t 0.471U d
(5-13) (5-14)
U UN1m 2
0.45U d
基波有效值
U UN1m
2U d
防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通” 的方法
0.637U d
(5-15)
单脉冲方波控制方式下 的三相电流型 逆变器（星形负载）
1. 2. 3.
4.
三相调制波正弦对称。 三相共用载波。 改变调制比M，可改变 输出电压。 改变载波比N可改变 LOH。
fr
Vc f c
+
+
+
Vrm
VR
Vo
Vo
参 V (t ) ar 考 波 形 成 Vbr ( t )
+
-1
Vg1 Vg4
T 1 T 4
+
+
-1
Vg3 T3 Vg6 T 6 Vg5 Vg2 T 5 T 2
1 ica (ic ia ) 3
8
三相SPWM原理
P
Vd 2 0 Vd 2 T4 T1 D1 T3 ia a D3 T5 ib D6 b T2 D5 ic c
D4 T6
D2
VAom
Vrm 1 1 VD M V D Vcm 2 2
Q
1 V Aom_ max VD 2 线电压最大值 3 VD 0.866VD 2
P
Vd 2 0 Vd 2 T4 T1 D1 T3 ia a D3 T5 ib D6 b T2 D5 ic c
a
ib
Va
ia
V ca
.
1.5
.
a
ic
V an V ca 1 .
.
.
n
V ab
3
b c
c 星形负载
V cn .
.
n V bn
1.5
V bc
b
D4 T6
D2
Q
. .
星形负载时据右图可知负载输出波形为互差 120°的Van，Vbn，Vcn
图5-21 二重逆变电路的工作波形 图5-21
多重逆变电路
三相电压型二重逆 变电路
由两个三相桥式逆变 电路构成，输出通过 变压器串联合成 两个逆变电路均为 180°导通方式 逆变桥 II 的相位比逆 变桥I滞后30°
Ud Ⅰ U T1 A1 B1 C1 uUN T2 A21 B22 Ⅱ 图5-22 B21 C22 C 21 A22 uU2 V W uU1
桥臂之间基波电压峰值： H 桥 180°调制：1.27VD 三相180°调制：1.1VD H 桥SPWM： VD 三相SPWM ：0.866VD
1.0 vr3
注入3次谐波使得调制波电 压变成梯形平顶波以便增 大逆变电压转换效率
VAO1
Vi3
VAh VBh
A
ZA
vr
vc
O
VBO1 Vi3
B ZB ZC
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
13
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）
14
多重逆变电路和多电平逆变电路
电压型 —— 输出电压是矩形波，电流型 —— 输 出电流是矩形波，谐波多 多重逆变电路把几个矩形波组合起来，接近正 弦 多电平逆变电路输出较多电平，使输出接近正 弦
星形负载时负载输出波形为互差 120°的 Van ， Vbn，Vcn，傅里叶级数为 2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5 t sin 7 t sin 11 t sin 13 t 5 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 7 11 13 4
Vcr ( t )
+
-
-1
uab uan' u vn' ubc ubn' ucn' uca ucn' uan'
第4章 直流/交流变换器（逆变器） 9
(b)
驱 动信 号
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
10
HISPWM（Harmonic Injection SPWM）
输出线电压有效值
U UV
基波幅值 基波有效值
U UV1
1 2
2
0
2 u UV d t 0.816U d
(5-9)
U UV1m
2ຫໍສະໝຸດ Baidu
3U d
1.1 Ud
(5-10)
U UV1m 2
6
U d 0.78U d
(5-11)
负载相电压有效值
U UN
U UN1
D3 T5 ib D5 ic
T2 2
T3
t
t i T4 Ⅱ Ⅲ 0 T c t a b 0 1 V g1 V g 5 T5 D D T T T 0 t V V t V g 2 0 g6 D T T2 2 2 6 00 t t V g3 v T Q V 3 （a）电路 ab T d 0 t→561 t 1. 每个半桥均180°导电方式， 导电顺序： V g 4 0 123→2342 →345 →456 T4 Ⅱ Ⅲ 0 t 所以Vao、Vbo、Vco是180° →612V→123 ，三角形负载时据图可知波形输 g 5 v bc T5 2 方波 0 V g 6 0 120 出为间隔 °的方波电压Vab， Vbc ，Vca t t T6 0v t ca 2 2. 半桥基波之间互差120° vab V 3 d t ia t 0 0 2 a 4 5
van
v bn v cn
0 0
3
2 3
2
t
t
2 Vd 3
4 3
1 Vd 3
5 3
2
M
t
0
t
t
12
• HFn = Vn / V1
THD
V
n 1
2 n
V12
V1
V V1 V 1 V1 V1
其中V可通过计算Van的有效值获得
4.6 大功率逆变电路 变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器
Vg 1 T1 T1
L
id
T1 T3 T5
0 Vg 2 0
T2
T3 T4 T5 T6
t
T2 T3 T4 T5
2
t t
t
Ud
Vg 3
2 2
2
a
T4
b
T6
c
T2 n R
ic
R
0 Vg 4 0 Vg 5 0 Vg 6 T6 0
t
t t
2 2
2
ia
ib
R
ia Id
d
t
bc
0 2 3 1 1 1 1 vAB (t ) VD sin t sin 5t sin 7t sin11t sin13t vca 5 7 11 13 0
2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5t sin 7t sin 11t sin 13t 5 7 11 13
vab
vbc
0 0
Vd
2
t
2
4 3
vca
0
t
t
van
v bn v cn
0 0
3
2 3
2 Vd 3
1 Vd 3
5 3
2
M
t
0
t
t
三角形负载时负载输出波形为互差 120°的 Vab，Vbc，Vca，傅里叶级数为
v AB (t ) 2 3 1 1 1 1 VD sin t sin 5t sin 7t sin 11 t sin 13t 5 7 11 13
T1 Ud u1 uo
j =60°
T2 u2
图5-20
图5-20 二重单相逆变电路
多重逆变电路
多重逆变电路有串联多 重和并联多重两种 串 联 多 重 —— 把 几 个 逆变电路的输出串联 起来，多用于电压型 并 联 多 重 —— 把 几 个 逆变电路的输出并联 起来，多用于电流型
u1 O u2 O uo 120° O t 180° 60° 三次谐波 t 三次谐波 t
UU1 (UA1) O UA21 O -UB22 O UU2 O UUN (1+ 1 Ed ) 3 2 E 3 d Ed 1 E 3 d t
N
图5-22 三相电压型二重逆变电路
UU1(UA1) UUN UA21 UU2 -UB22
图5-23 二次侧基波电压合成相量 图5-23 图
多重逆变电路
T1为Δ/ Y联结，线电压变比 1: 3 为 （一次和二次 绕组匝数相等） T2一次侧Δ联结，二次侧两 绕组曲折星形接法，其二 次电压相对于一次电压而 言，比 T1 的接法超前 30°， 以抵消逆变桥 II 比逆变桥 I 滞后的30°。这样，uU2和 uU1的基波相位就相同
4.5 三相逆变电路工作原理 电压型三相逆变工作原理 电流型三相逆变工作原理 三相逆变器SPWM调制 谐波注入SPWM
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
1
单脉冲方波控制方式下 的三相桥 式电压型逆变器
三个单相半桥逆变器构成：
P
Vd 2 T1 D1 T3
a
V g1
T1
0 0
Vg2 0
(a) 电路:星型负载
L很大，id恒定
120度导电模式，仅两个开关同时 导电 12→23 → 34 → 45 → 56 → 61 → 12
ib
0
0
2
t
ic
0
t
2
iab
0
t
2
0
120 (b) 波 形 （
导电类型）
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第4章 直流/交流变换器（逆变器）
三相电流型逆变器（三 角形负载）
0
t
2
0
t
iab ica ia 3iab (iab ica ibc ) ia ib ibc iab ib
iab
0
2
(b) 波形（120导电类型）
t
2
0 (b) 波形（120 导电类型）
1 iab (ia ib ) 3
1 ibc (ib ic ) 3
ic
ib
c
ibc
b
ica
i ab
ia Id
ia
a
ia Id
ib
0
t
2 2
0
ib
0
t
t t
ic
0
2 2
2
t
三角形负载
0
对于三角形用KVL则有 (iab Z ica Z ibc Z ) 0 (iab ica ibc ) 0
ic
0
iab
N
VCO1 Vi3
VCh
0
C
v i3
-1.0 0 π/2 π 3π/2 2π
谐波注入后的线电压峰值可达：VD
2 谐波注入后的调制比可达： 3 1.15
第4章 直流/交流变换器（逆变器）
11
• 例题4-1 三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，Ud=200V 。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，输出线电 压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1，谐波系数 HF，总谐波系数 THD，最低次谐波 LOH及其有效值 vab V 0 解：波形如右图所示，傅里叶分解如下 v 2
Vg4
d 4 4 6 2 2 6
3
Vg3
T3
t
a
iab
ica ibc
ic ibc
ica iab ia
v bc
y
3
3
3
2
b c
ib ic
0
c
ib
vca
0
三角形负载
第4章
4 y 3 3 直流/交流变换器（逆变器）
2 3
o （b） 180 导电波形
2
t
t
2
5 3
2
180
o
负载电压分析
3 . 1 . . V an (V ab V ca ) . 1 . V cn (V ca V bc ) 3 3 3 第4章 直流/交流变换器（逆变器）
.
V bn
(V bc V ab )
.
负载电压波形
负载星形连接时： V an V bn V cn
. . . . 1 . (V ab V ca ) 3 . 1 . (V bc V ab ) 3 . 1 . (V ca V bc ) 3
. .
V an V bn V cn V an
. . . . . V ab 3V an (V an V bn V cn ) V ab V ca . V ca
. .
据基尔霍夫电流定律星形负载中流入 Van Vbn Vcn 0 V V V 0 an bn cn Z Z 负载中点n的电流总和为0，有右式 Z . 成立 1 .
多重逆变电路
电压型、电流型都可多重化，以电压型为例 单相电压型二重逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器T1和T2串联起来 输出波形：两个单相的输出u1和u2是180°矩形波 3次谐波
u1和u2相位错开j =60°， 其中3次谐波就错开了 3X60°=180° 变压器串联合成后， 3 次 谐波互相抵消，总输出电 压中不含3次谐波 uo 波 形 是 120° 矩 形 波 ， 含 6k±1 次 谐 波 ， 3k 次 谐 波都被抵消
基波幅值
1 2
2
0
2 u UN d t 0.471U d
(5-13) (5-14)
U UN1m 2
0.45U d
基波有效值
U UN1m
2U d
防止同一相上下两桥臂开关器件直通采取“先断后通” 的方法
0.637U d
(5-15)
单脉冲方波控制方式下 的三相电流型 逆变器（星形负载）
1. 2. 3.
4.
三相调制波正弦对称。 三相共用载波。 改变调制比M，可改变 输出电压。 改变载波比N可改变 LOH。
fr
Vc f c
+
+
+
Vrm
VR
Vo
Vo
参 V (t ) ar 考 波 形 成 Vbr ( t )
+
-1
Vg1 Vg4
T 1 T 4
+
+
-1
Vg3 T3 Vg6 T 6 Vg5 Vg2 T 5 T 2