电力电子技术---第三章
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电力电子技术
第三章
直流—交流变换技术
主讲：李 善 寿 电话: 0551-351314 电邮:xlisq79@
3.1 概述
一、逆变概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变； 交流侧接负载，为无源逆变；
本章讲述无源逆变。
二、逆变器的分类
（1）按功率器件分：
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
二、两级调压逆变电路
电路结构
Udc Ud Uac
DC/DC变换
DC/AC变换
电路特点 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
单相方波逆变电路的电压控制
三、电流连续工作状态下移相调压控制
1、移相调压的工作原理 ug1、ug4互补输出，ug2、ug3互补输出，但两组信号的相位在0～ 之间可调，输出脉宽可以变化，从而调节输出电压基波和有效值。 （1）ωt＝0时刻开始，0～θ1时间段： 此时ug1,3>0、ug2,4=0，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VD3、VD1 导通， 负载电感储能向直流母线回馈，负载电流绝对值按照指数规律下 降，直到θ1时刻负载电流过零，负载电压Uo＝+Ud，直流母线的输 入电流与负载电流相同。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法
调节直流母线电压：可以通过相控整流或者整流后加DCDC变换器来实现；
移相调压控制：两套方波逆变器通过变压器进行串联移
相调压或通过移相调压全桥逆变电路实现。 方波PWM电压控制：在输出方波电压中加入脉宽调制波， 调节输出电压的平均值，从而调节输出电压
VD3“，负载电压Uo＝0，直流母线输入电流为0。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
2、方波移相调压逆变电路的输出电压分析
（1）输出电压波形特点
Uo
＋Ud
－Ud
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
4U d n 输出电压： u o sin cosnt , 2 n n n 1,3,5,
低电平，VT4恒定关断，ug2、ug3为互补脉冲输出，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，ug2恒定高电压，VT2恒开通，ug3恒定 为低电平VT3 恒定关断，ug1、ug4为互补脉冲输出，控制规律与正半波 相同，如图所示。
第二节
3.2
单相方波逆变电路
3.2
单相方波逆变电路
3、相关参数计算
（1）按傅立叶级数展开分析，输出电压：
uAB
n
4U d 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 0.9Ud
Ud
（3）基波电压有效值： U AB1
b、电流幅值计算
在时刻有：
I om
Ud Ud ( I om ) e 2 R R
T
I om
1 e 1 e
T 2 T 2
Ud R
3.2
单相方波逆变电路
4、方波逆变电路的特点
（1）方波逆变电路输出为交变方波，各占50%周期，与负载性质无 关，在电路和参数确定情况下，输出电压形状和幅值都不可调节；
3.1 概述
四、常用逆变电路结构
常用结构分为：推挽、半桥、全桥三种 （1）推挽逆变电路
3.1 概述
① VT2导通，变压器一次侧两个 绕组的同名端电压极性为正，
负载侧两端电压为上正下负，而同时由于VT2导通、VT1截止， 有：
u VT2 0
u VT1 2U i
② VT2和VT1均没有触发信号，都不导通，变压器二次绕组没有 感应电压，负载两端电压为0，且VT2和 VT1两端电压都为Ui。 ③ VT1有门极信号可以触发导通，因此变压器一次侧两个绕组 的同名端电压极性为负，负载侧两端电压为上负下正，而同 时由于VT1导通、VT2截止，有： uVT1 0
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（4）θ3时刻开始，θ3～θ4时间段：
此时ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在桥臂导通，由于电感的续 流作用，负载电流由VD2、VT1转换到VD2、VD4，负载电感储能向
直流母线回馈，负载电流按照指数规律下降，直到θ4时刻负载电流
过零，负载电压Uo＝-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。 （5）θ4时刻开始，θ4～θ5时间段：
（2）输出电压谐波含量丰富。方波输出除基波外还包含奇次谐波，
第n次谐波的幅值与其频率成反比。谐波含量高的逆变器如果用于电机 驱动，会造成定子谐波电流铜损明显增加和较大幅度转矩脉动； U AB1 （3）直流电压利用率较高，基波电压增益 AV 的物理意义是 Ud 表示一定幅值的直流电压可以逆变产生的交流输出电压基波有效值， 又称作直流电压利用率。
此时ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在桥臂导通，负载电流由VD2、
VD4切换到VT2、VT4，负载电流按照指数规律反向增加，负载电压 Uo＝-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（6）θ5时刻开始，θ5～θ6时间段： 此时ug1,2=0、ug3,4>0，VT3、VT4 所在桥臂导通，由于电感的续流 作用，负载电流由VT2切换到VD3，VT4继续导通，此时负载被VT4、
3.1 概述
（3）全桥逆变电路
3.2
单相方波逆变电路
一、基本电路结构
3.2
单相方波逆变电路
二、理想条件假定
1、器件特性理想：功率器件无损耗、无延时，开关状态切换瞬 间完成；随着技术进步，实际器件与理想状况差别越来越小。 2、电源特性理想：逆变能量来源为理想直流电压源；实际电路 是低内阻大容量直流母线电容来逼近的。 3、电路特性理想：逆变电路忽略分布、寄生参数的影响，连接 线为理想零阻抗；实际电路采用材料和电路布局的改善来逼 近这种状态。 4、负载特性理想：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。 实际线性负载在一定范围内可以视为理想。
1 I 2
0
t U d Ud 1 ( I om1 ) e dt R 2 R
0
t Ud Ud ( I om2 ) e dt 0 R R
I om1 I om2
3.2
单相方波逆变电路
Ud Ud i ( I om1 ) e R R t
（4）基波电压增益： A U AB1 0.9 V
3.2
单相方波逆变电路
THD 1 U AB1m
2 U ABnm 2 2 C n 2
（5）谐波失真度：
其中： C n 1 为基波幅值的标么值
（6）输入电流分析
a、电流波形正负幅值相等 0～期间：
di dt R～L电路电流的三要素法公式： U d iR L
3、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，实质上是脉宽调制
输出谐波含量仍然很高
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
四、矩形波调制逆变电压控制
1、矩形波调制逆变电路工作原理 输出电压波形正半波时，ug1恒定高电压，VT1恒开通， ug4恒定为
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（2）θ1时刻开始，θ1～θ2时间段：
此时ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂导通，负载电流由VD3、 VD1转换到VT3、VT1，负载电流按照指数规律正向增大，负载电压Uo ＝+Ud，直流母线的输入电流与负载电流相同。 （3）θ2时刻开始，θ2～θ3时间段： 此时ug1,2>0、ug3,4=0，VT1、VT2所在桥臂导通，由于电感的续流作 用，负载电流由VT3切换到VD2，VT1继续导通，此时负载被VT1、VD2 “短路”，负载电感储能在负载电阻中消耗，io以较小的斜率指数下降， 负载电压Uo＝0，直流母线的输入电流为0。
3.2
单相方波逆变电路
（3）1~ 时段，ug1、3>0， 电流过零，VT1、VT3正常开通，电流方 向：VT1－A－B－VT3，形成负载电流正半波；ug2、4=0，VT2、 VT4关断。 （4） ~ 2时段，ug1、3= 0，VT1、VT3关断，ug2、4>0，VT2、VT4开 通，对于电感负载，电流滞后，此时VD2、VD4续流，电流方向： B－VD2－Cd－VD4－A, 由于二极管续流存在，VT2、VT4实际不 能导通。 （5）2~ 2时段， ug2、4>0，电流过零，VT2、VT4正常开通，电流方 向：VT2－B－A－VT4，形成负载电流负半波；ug1、3= 0，VT1、 VT3关断。
单相方波逆变电路
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
2、矩形波调制电压控制逆变电路的输出电压分析
（1）输出电压波形特点
n
i (t ) i () i (0 ) i () e
t
3.2
单相方波逆变电路
Ud Ud i ( I om1 ) e R R t
t
L R
～2期间：
Ud Ud i ( I om2 )e R R
由于输入电压的平均值为零（直流分量为零），输出电流的 直流分量亦为零。则：
半控器件逆变电路、全控器件逆变电路
（2）按输出波形分： 方波输出逆变器、正弦波输出逆变器、其他输出波形逆变器
3.1 概述
（3）按输入直流电源形式分： 电压源逆变器、电流源逆变器
三、逆变器的工业应用
变频变压电源VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速；
恒频恒压电源 CVCF ，典型代表是 UPS ，以及其它的各种电源； 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。
（2）输出电压分析
（3）谐波分析 各次谐波幅值
U onm
n
4U d n sin n 2
n 1,3,5,
各次谐波相对幅值
（以
U onm 1 n Cn sin 4U d / n 2
、n
n 1,3,5,
1
时的 U o1m 为基准值）
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
uVT2 2U i
3.1 概述
（2）半桥逆变电路
3.1 概述
（1）VT1 和VT2在一个周期内交替导通，各自导通半个周期。 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 （2）此电路所带负载为感性负载，所以电流输出波形滞后电压
一定角度。
如图所示，在t2时刻前，VT1导通、VT2关断，t2时刻VT2开 通、VT1关断，但是由于所带负载是感性负载，所以电流不能立 刻反向，先通过VD2续流一直到电流达到零为止，此时VD2截止、 VT2正式开通，电流反向。其余工作过程类似。
3.2
单相方波逆变电路
2、电路工作波形分析
（1）各桥臂由MOSFET与反并二极管组成，当MOSFET一旦开通， 桥臂可以正反向流动电流，此时桥臂可以视为短路；在0～ 期间，VT1、VT3开通，uAB U d ；～2期间，VT2、VT4开 uAB U d；一个周期内电压平均值为零（直流分量为零）， 通， 因此负载上电流波形的直流分量也为零，稳态时电流瞬时值必 然有正有负，各半周期的电流起始值与电流终值必然方向相反。 （2）0～1时段，ug1、3>0， VT1、VT3开通，对于电感负载，电流 滞后，此时VD1、VD3续流，电流方向：A－VD1－Cd－VD3－ B，由于二极管续流存在，VT1、VT3实际不能导通；ug2、4= 0， VT2、VT4关断。
3.2
单相方波逆变电路
三、电路分析的目的
1、理解逆变的工作原理
2、了解器件工作中的状态（电压、电流波形） 3、分析相关电流、电压的数值关系
四、电路工作分析
1、波形控制规律 （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）假定输出交流电周期为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。
第三章
直流—交流变换技术
主讲：李 善 寿 电话: 0551-351314 电邮:xlisq79@
3.1 概述
一、逆变概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变； 交流侧接负载，为无源逆变；
本章讲述无源逆变。
二、逆变器的分类
（1）按功率器件分：
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
二、两级调压逆变电路
电路结构
Udc Ud Uac
DC/DC变换
DC/AC变换
电路特点 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
单相方波逆变电路的电压控制
三、电流连续工作状态下移相调压控制
1、移相调压的工作原理 ug1、ug4互补输出，ug2、ug3互补输出，但两组信号的相位在0～ 之间可调，输出脉宽可以变化，从而调节输出电压基波和有效值。 （1）ωt＝0时刻开始，0～θ1时间段： 此时ug1,3>0、ug2,4=0，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VD3、VD1 导通， 负载电感储能向直流母线回馈，负载电流绝对值按照指数规律下 降，直到θ1时刻负载电流过零，负载电压Uo＝+Ud，直流母线的输 入电流与负载电流相同。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法
调节直流母线电压：可以通过相控整流或者整流后加DCDC变换器来实现；
移相调压控制：两套方波逆变器通过变压器进行串联移
相调压或通过移相调压全桥逆变电路实现。 方波PWM电压控制：在输出方波电压中加入脉宽调制波， 调节输出电压的平均值，从而调节输出电压
VD3“，负载电压Uo＝0，直流母线输入电流为0。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
2、方波移相调压逆变电路的输出电压分析
（1）输出电压波形特点
Uo
＋Ud
－Ud
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
4U d n 输出电压： u o sin cosnt , 2 n n n 1,3,5,
低电平，VT4恒定关断，ug2、ug3为互补脉冲输出，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，ug2恒定高电压，VT2恒开通，ug3恒定 为低电平VT3 恒定关断，ug1、ug4为互补脉冲输出，控制规律与正半波 相同，如图所示。
第二节
3.2
单相方波逆变电路
3.2
单相方波逆变电路
3、相关参数计算
（1）按傅立叶级数展开分析，输出电压：
uAB
n
4U d 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 0.9Ud
Ud
（3）基波电压有效值： U AB1
b、电流幅值计算
在时刻有：
I om
Ud Ud ( I om ) e 2 R R
T
I om
1 e 1 e
T 2 T 2
Ud R
3.2
单相方波逆变电路
4、方波逆变电路的特点
（1）方波逆变电路输出为交变方波，各占50%周期，与负载性质无 关，在电路和参数确定情况下，输出电压形状和幅值都不可调节；
3.1 概述
四、常用逆变电路结构
常用结构分为：推挽、半桥、全桥三种 （1）推挽逆变电路
3.1 概述
① VT2导通，变压器一次侧两个 绕组的同名端电压极性为正，
负载侧两端电压为上正下负，而同时由于VT2导通、VT1截止， 有：
u VT2 0
u VT1 2U i
② VT2和VT1均没有触发信号，都不导通，变压器二次绕组没有 感应电压，负载两端电压为0，且VT2和 VT1两端电压都为Ui。 ③ VT1有门极信号可以触发导通，因此变压器一次侧两个绕组 的同名端电压极性为负，负载侧两端电压为上负下正，而同 时由于VT1导通、VT2截止，有： uVT1 0
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（4）θ3时刻开始，θ3～θ4时间段：
此时ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在桥臂导通，由于电感的续 流作用，负载电流由VD2、VT1转换到VD2、VD4，负载电感储能向
直流母线回馈，负载电流按照指数规律下降，直到θ4时刻负载电流
过零，负载电压Uo＝-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。 （5）θ4时刻开始，θ4～θ5时间段：
（2）输出电压谐波含量丰富。方波输出除基波外还包含奇次谐波，
第n次谐波的幅值与其频率成反比。谐波含量高的逆变器如果用于电机 驱动，会造成定子谐波电流铜损明显增加和较大幅度转矩脉动； U AB1 （3）直流电压利用率较高，基波电压增益 AV 的物理意义是 Ud 表示一定幅值的直流电压可以逆变产生的交流输出电压基波有效值， 又称作直流电压利用率。
此时ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在桥臂导通，负载电流由VD2、
VD4切换到VT2、VT4，负载电流按照指数规律反向增加，负载电压 Uo＝-Ud，直流母线输入电流与负载电流相反。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（6）θ5时刻开始，θ5～θ6时间段： 此时ug1,2=0、ug3,4>0，VT3、VT4 所在桥臂导通，由于电感的续流 作用，负载电流由VT2切换到VD3，VT4继续导通，此时负载被VT4、
3.1 概述
（3）全桥逆变电路
3.2
单相方波逆变电路
一、基本电路结构
3.2
单相方波逆变电路
二、理想条件假定
1、器件特性理想：功率器件无损耗、无延时，开关状态切换瞬 间完成；随着技术进步，实际器件与理想状况差别越来越小。 2、电源特性理想：逆变能量来源为理想直流电压源；实际电路 是低内阻大容量直流母线电容来逼近的。 3、电路特性理想：逆变电路忽略分布、寄生参数的影响，连接 线为理想零阻抗；实际电路采用材料和电路布局的改善来逼 近这种状态。 4、负载特性理想：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。 实际线性负载在一定范围内可以视为理想。
1 I 2
0
t U d Ud 1 ( I om1 ) e dt R 2 R
0
t Ud Ud ( I om2 ) e dt 0 R R
I om1 I om2
3.2
单相方波逆变电路
Ud Ud i ( I om1 ) e R R t
（4）基波电压增益： A U AB1 0.9 V
3.2
单相方波逆变电路
THD 1 U AB1m
2 U ABnm 2 2 C n 2
（5）谐波失真度：
其中： C n 1 为基波幅值的标么值
（6）输入电流分析
a、电流波形正负幅值相等 0～期间：
di dt R～L电路电流的三要素法公式： U d iR L
3、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，实质上是脉宽调制
输出谐波含量仍然很高
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
四、矩形波调制逆变电压控制
1、矩形波调制逆变电路工作原理 输出电压波形正半波时，ug1恒定高电压，VT1恒开通， ug4恒定为
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
（2）θ1时刻开始，θ1～θ2时间段：
此时ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂导通，负载电流由VD3、 VD1转换到VT3、VT1，负载电流按照指数规律正向增大，负载电压Uo ＝+Ud，直流母线的输入电流与负载电流相同。 （3）θ2时刻开始，θ2～θ3时间段： 此时ug1,2>0、ug3,4=0，VT1、VT2所在桥臂导通，由于电感的续流作 用，负载电流由VT3切换到VD2，VT1继续导通，此时负载被VT1、VD2 “短路”，负载电感储能在负载电阻中消耗，io以较小的斜率指数下降， 负载电压Uo＝0，直流母线的输入电流为0。
3.2
单相方波逆变电路
（3）1~ 时段，ug1、3>0， 电流过零，VT1、VT3正常开通，电流方 向：VT1－A－B－VT3，形成负载电流正半波；ug2、4=0，VT2、 VT4关断。 （4） ~ 2时段，ug1、3= 0，VT1、VT3关断，ug2、4>0，VT2、VT4开 通，对于电感负载，电流滞后，此时VD2、VD4续流，电流方向： B－VD2－Cd－VD4－A, 由于二极管续流存在，VT2、VT4实际不 能导通。 （5）2~ 2时段， ug2、4>0，电流过零，VT2、VT4正常开通，电流方 向：VT2－B－A－VT4，形成负载电流负半波；ug1、3= 0，VT1、 VT3关断。
单相方波逆变电路
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
2、矩形波调制电压控制逆变电路的输出电压分析
（1）输出电压波形特点
n
i (t ) i () i (0 ) i () e
t
3.2
单相方波逆变电路
Ud Ud i ( I om1 ) e R R t
t
L R
～2期间：
Ud Ud i ( I om2 )e R R
由于输入电压的平均值为零（直流分量为零），输出电流的 直流分量亦为零。则：
半控器件逆变电路、全控器件逆变电路
（2）按输出波形分： 方波输出逆变器、正弦波输出逆变器、其他输出波形逆变器
3.1 概述
（3）按输入直流电源形式分： 电压源逆变器、电流源逆变器
三、逆变器的工业应用
变频变压电源VVVF，即变频器。通常用于交流电动机调速；
恒频恒压电源 CVCF ，典型代表是 UPS ，以及其它的各种电源； 感应加热用交流电源，要求频率可以在一定范围内变化。
（2）输出电压分析
（3）谐波分析 各次谐波幅值
U onm
n
4U d n sin n 2
n 1,3,5,
各次谐波相对幅值
（以
U onm 1 n Cn sin 4U d / n 2
、n
n 1,3,5,
1
时的 U o1m 为基准值）
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
uVT2 2U i
3.1 概述
（2）半桥逆变电路
3.1 概述
（1）VT1 和VT2在一个周期内交替导通，各自导通半个周期。 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 （2）此电路所带负载为感性负载，所以电流输出波形滞后电压
一定角度。
如图所示，在t2时刻前，VT1导通、VT2关断，t2时刻VT2开 通、VT1关断，但是由于所带负载是感性负载，所以电流不能立 刻反向，先通过VD2续流一直到电流达到零为止，此时VD2截止、 VT2正式开通，电流反向。其余工作过程类似。
3.2
单相方波逆变电路
2、电路工作波形分析
（1）各桥臂由MOSFET与反并二极管组成，当MOSFET一旦开通， 桥臂可以正反向流动电流，此时桥臂可以视为短路；在0～ 期间，VT1、VT3开通，uAB U d ；～2期间，VT2、VT4开 uAB U d；一个周期内电压平均值为零（直流分量为零）， 通， 因此负载上电流波形的直流分量也为零，稳态时电流瞬时值必 然有正有负，各半周期的电流起始值与电流终值必然方向相反。 （2）0～1时段，ug1、3>0， VT1、VT3开通，对于电感负载，电流 滞后，此时VD1、VD3续流，电流方向：A－VD1－Cd－VD3－ B，由于二极管续流存在，VT1、VT3实际不能导通；ug2、4= 0， VT2、VT4关断。
3.2
单相方波逆变电路
三、电路分析的目的
1、理解逆变的工作原理
2、了解器件工作中的状态（电压、电流波形） 3、分析相关电流、电压的数值关系
四、电路工作分析
1、波形控制规律 （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）假定输出交流电周期为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。