第4章-逆變電路

第四章逆變電路主講教師：XXX1電力電子技術學習目標：了解DC-AC逆變電路的常見分類方法；(2)理解電壓源型逆變器的工作原理，掌握單相、三相逆變器的輸出特性；(3)掌握典型的脈沖寬度調(diào)制方法；(4)了解電流源型逆變器的工作原理和常見電路；(5)能舉例說明典型的多電平變換器電路及其優(yōu)缺點。2電力電子技術問題思考：太陽能光伏板等電源僅能發(fā)直流電，電網(wǎng)產(chǎn)生和傳輸交流電，如何實現(xiàn)直流到交流的電能變換呢？實現(xiàn)直流到交流的逆變器與常見的直流到直流的變換器有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？在生產(chǎn)生活中，逆變器有哪些應用呢？3本章PPT部分圖片源于網(wǎng)絡電力電子技術光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要可控裝置——光伏并網(wǎng)逆變器4電力電子技術光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要可控裝置——光伏并網(wǎng)逆變器5電力電子技術風力發(fā)電系統(tǒng)中的主要可控裝置——風機并網(wǎng)變流器6電力電子技術風力發(fā)電系統(tǒng)中的主要可控裝置——風機并網(wǎng)變流器7電力電子技術電動汽車三電系統(tǒng)的中樞——逆變器8電力電子技術移動電源的重要組成——逆變器9電力電子技術西電東送的大動脈——高壓直流輸電10電力電子技術逆變電路分類電壓型逆變電路：直流側電壓源特性電流型逆變電路：直流側電流源特性直流輸入側的特征逆變電路11單相逆變電路三相逆變電路輸出交流電相數(shù)方波逆變電路：移相調(diào)制正弦波逆變電路：PWM調(diào)制階梯波逆變電路：移相調(diào)制調(diào)制方式兩電平逆變電路多電平逆變電路電平數(shù)量有源逆變：交流測接電網(wǎng)無源逆變：交流測接負載交流接入電源電力電子技術目錄：4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.2輸出濾波器4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.4三相電壓源型逆變電路4.5電流源型逆變器4.6多電平逆變器4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器電力電子技術目錄：4.1電壓源型單相半橋逆變電路 4.1.1電路結構和工作原理

4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標 4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器電力電子技術單相電壓型逆變電路——半橋逆變半橋逆變電路包含兩個直流電容和兩個全控型功率半導體器件V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2t2時刻之前，V1導通，V2關斷。t2時刻，V1關斷，V2導通。但是感性負載，電流不能立即改變方向，VD2導通續(xù)流。14a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2v4.1.1電路結構和工作原理4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術t3時刻，電流降為零，VD2截止，V2導通，電流反方向增加V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋VD1、VD2稱為反饋二極管，它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管15a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD24.1.1電路結構和工作原理4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術優(yōu)點：電路簡單，使用器件少缺點：(1)輸出交流電壓幅值為Ud/2(2)直流側需兩電容器串聯(lián)(3)要控制電壓均衡（兩個電容的電壓均衡）應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源，單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合16a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD24.1.1電路結構和工作原理4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術174.1.1電路結構和工作原理4.1電壓源型單相半橋逆變電路注意：死區(qū)保護半橋電路工作時需注意的是S+和S-不可以同時導通，否則將引發(fā)直流電源和電容短路，產(chǎn)生過電流進而燒毀器件。所以，S+和S-的直通狀態(tài)在直流側為電壓源時應嚴格避免。電力電子技術184.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1電壓源型單相半橋逆變電路1、諧波因數(shù)(HarmonicFactor,HF)：其中，x為諧波次數(shù)，V1表示基波分量的大小（有效值），Vx表示第x次諧波分量的大小（有效值）。HF越接近零，波形質(zhì)量越好，即交流輸出波形約趨近于正弦波。電力電子技術194.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1電壓源型單相半橋逆變電路2、總諧波畸變(TotalHarmonicDistortion,THD)：其中，n為考慮在內(nèi)的最高諧波次數(shù)，Vo為輸出電壓有效值。通常用THD來衡量逆變器輸出電壓波形的畸變程度。THD越小，輸出波形質(zhì)量越高。若THD為零，則輸出波形為正弦波。電力電子技術204.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1電壓源型單相半橋逆變電路3、加權總諧波畸變(WeightedTotalHarmonicDistortion,WTHD)：通常用WTHD來衡量逆變器帶感性負載時，輸出電流波形的畸變程度。電力電子技術214.1.3方波調(diào)制輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路輸出電壓vo通過傅里葉級數(shù)展開可寫為：因如圖4.4的方波具有半波對稱特征，所以該方波不含有偶數(shù)次諧波；而且該方波是個奇函數(shù)，將不含有余弦分量，即an=0。所以，該方波的諧波成分固定，為奇次諧波，如圖4.5所示。圖4.4半橋逆變電路輸出波形示意圖4.5采用180°方波調(diào)制的頻譜示意圖電力電子技術4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術234.1.3方波調(diào)制輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路更進一步，bn可表示為：所以，輸出電壓vo的表達式為：電力電子技術244.1.3方波調(diào)制輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路基波電壓峰值和有效值分別為基波電壓峰值:基波電壓有效值:進而可得采用180°方波調(diào)制時的輸出總諧波畸變?yōu)椋?/p>

諧波含量大！有何危害？電力電子技術a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1/4V2/31VD2/3VD1/4方波控制有什么問題？諧波成分多！諧波頻率與基波頻率間沒有明顯的邊界！濾波困難?。?.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路25電力電子技術前面學buck的時候，電壓也是方波，為什么能夠輸出合格的電能？通態(tài)電感電壓：(vi

?

vo)斷態(tài)電感電壓：(?vo)buck的目的為了輸出直流（頻率為0），與最近諧波間的間隔為開關頻率4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路26電力電子技術前面學DC-DC的時候，占空比D是恒定值，如果是變占空比，輸出波形會什么樣？占空比變化0.10.40.60.80.60.40.1?如果是按照特定波形變化呢？占空比D（0≤D≤1）4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路27電力電子技術問題思考：我們已經(jīng)學習了常見電力電子變換器的拓撲和基本原理，如何產(chǎn)生控制變換器功率半導體開關的信號呢？這些控制調(diào)制方法各有什么特點呢？他們對變換器開關頻率的設計有什么影響呢？4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路28電力電子技術PWM控制技術定義29PWM（PulseWidthModulation）控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，通過調(diào)節(jié)高電平脈沖寬度改變輸出電壓逆變電路中的PWM控制技術應用最為廣泛交交變流電路涉及到PWM控制技術的地方有兩處，一處是斬控式交流調(diào)壓電路，另一處是矩陣式變頻電路4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術面積等效原理30形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖各種響應波形面積等效原理是PWM控制技術的重要理論基礎原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同沖量即指窄脈沖的面積；效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同，低頻段非常接近。4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術SPWM波原理31用PWM波代替正弦波將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為π/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術32脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波基于等效面積原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等分割的脈沖數(shù)量越多，等效的效果越好SPWM波原理4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路電力電子技術4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路因半橋電路兩個開關的工作狀態(tài)是互補的，因此只需產(chǎn)生S+的調(diào)制信號即可，S-的調(diào)制信號可通過互補運算得到。33電力電子技術4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路輸出電壓基波分量可表示為：對輸出電壓用傅里葉級數(shù)展開可得：第一部分代表基波(fo)分量；第二部分代表載波頻率(fc)及其倍頻處(kfc)的諧波分量；第三部分代表邊帶諧波(kfc+nfo)分量：由于輸出電壓波形為半波對稱波形，所以，第二部分中不含k為偶數(shù)的分量，即k為偶數(shù)時，sin(kπ/2)=0；第三部分中，k為偶數(shù)時，只有奇數(shù)次(n為奇數(shù))邊帶諧波，而k為奇數(shù)時，只有偶數(shù)次(n為偶數(shù))邊帶諧波，即k+n為奇數(shù)時第三項的幅值不為零，否則第三項中sin([k+n]π/2)=0。34電力電子技術4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路第一部分代表基波(fo)分量；第二部分代表載波頻率(fc)及其倍頻處(kfc)的諧波分量；第三部分代表邊帶諧波(kfc+nfo)分量。35電力電子技術4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.1電壓源型單相半橋逆變電路圖4.8過調(diào)制示意圖圖4.9調(diào)制系數(shù)與輸出有效值之間的關系示意圖36電力電子技術目錄：4.2輸出濾波器 4.2.1L型濾波器 4.2.2高階無源濾波器 4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制 4.2.4無源濾波器的選擇原則4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器37電力電子技術減小輸出諧波十分必要。我們可以通過在逆變器輸出端口加裝無源濾波器的方式濾除諧波。無源濾波器由電感和電容組成，有時也包含起阻尼作用的電阻。電力電子裝置中無源濾波器的目的主要是濾除高頻諧波及紋波，如功率開關動作產(chǎn)生的開關諧波，以保證輸入輸出電壓和電流波形質(zhì)量滿足要求。該種濾波器屬于低通濾波器，常用的濾波器結構包括:一階的L型濾波器、二階的LC型濾波器和三階的LCL型濾波器。4.2.1L型濾波器4.2輸出濾波器38電力電子技術4.2.1L型濾波器4.2輸出濾波器單電感濾波器單電容濾波器39電力電子技術4.2.1L型濾波器4.2輸出濾波器單電感濾波器40電力電子技術4.2.1L型濾波器4.2輸出濾波器41電力電子技術二階無源濾波器優(yōu)點：高抑制能力（?40dB/dec）、低成本、小體積二階無源濾波器缺點：兩個元件、諧振問題一階濾波器波特圖二階濾波器波特圖4.2.2高階無源濾波器4.2輸出濾波器42電力電子技術三階無源濾波器：常見的工況是輸入輸出電源均為電壓源LCL（T型）濾波器CLC（π型）濾波器諧振頻率4.2.2高階無源濾波器4.2輸出濾波器43電力電子技術三階無源濾波器優(yōu)點：高抑制能力（?60dB/dec）、低成本、小體積三階無源濾波器缺點：三個元件、諧振問題一階濾波器波特圖三階濾波器波特圖4.2.2高階無源濾波器4.2輸出濾波器44電力電子技術改進的LCL濾波器：引入附加的LC諧振元件，可進一步減小濾波器體積、重量和成本，增強高頻衰減能力LLCL濾波器LCCL濾波器L-TC-L濾波器SPRLCL濾波器L-C-TL濾波器LT-C-L濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2輸出濾波器45電力電子技術高階無源濾波器缺點：存在諧振峰，諧振頻率附近的噪聲經(jīng)過諧振放大將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性三階濾波器波特圖二階濾波器波特圖4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2輸出濾波器46電力電子技術阻尼諧振手段：無源阻尼和有源阻尼串聯(lián)電阻阻尼并串聯(lián)RC阻尼帶RC阻尼的LCL濾波器輸入電壓到輸出電流傳遞函數(shù)波特圖無源阻尼：有源阻尼：×增加損耗簡單可靠×分析復雜無附加硬件4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2輸出濾波器47電力電子技術目錄：4.3電壓源型單相全橋逆變電路 4.3.1電路結構和工作原理 4.3.2方波調(diào)制輸出特性分析 4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器48電力電子技術全橋逆變電路可看成兩個半橋電路組合而成1、4或2、3兩對開關交替導通180°t2時刻之前，V1和V4導通，V2和V3關斷。t2時刻，V1和V4關斷，V2和V3導通。但是感性負載，電流不能立即改變方向，VD2和VD3導通續(xù)流t3時刻，電流降為零，VD2和VD3截止，V2和V3導通，電流反方向增加49a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1/4V2/31VD2/3VD1/4v4.3.1電路結構和工作原理4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術分析諧波時，展開成傅里葉級數(shù)，求出基波的幅值和有效值基波有效值：Uo1=0.9Ud？？對半橋也適用，只是將Ud換成Ud/2以上都是uo正負電壓各180度情況，要改變交流電壓有效值只能改變直流電壓Ud50a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1/4V2/31VD2/3VD1/4v4.3.1電路結構和工作原理4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術阻感負載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓——移相調(diào)壓各柵極信號仍為180正偏，180反偏V1V2互補，V3V4互補V3和V2，V1和V4不再同相位V3的基極信號比V1落后q

（0°＜q

＜180°）。輸出電壓是正負各為q的脈沖。改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓51tOtOtOtOtO

b)G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouou4.3.1電路結構和工作原理4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術t1時刻前V1和V4導通，uo=Udt1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流，uo=0t2時刻V1截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V2不能立刻導通，VD2和VD3一起導通續(xù)流，uo=?Ud到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導通，uo仍為?Ud52tOtOtOtOtO

b)G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouou4.3.1電路結構和工作原理4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術t3時刻V3截止，V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，uo

再次為0V1和V4（或VD1和VD4）通，輸出UdV1和VD3（或V3和VD1）通，輸出0V2和VD4（或V4和VD2）通，輸出0V2和V3（或VD2和VD3）通，輸出?Ud電阻負載時，電壓波形相同，無續(xù)流53tOtOtOtOtO

b)G1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouou4.3.1電路結構和工作原理4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術544.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路基波分量的幅值為：電力電子技術計算法和調(diào)制法55調(diào)制法把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應用最多計算法根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準確計算出來，按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計算法相比而言，計算法較繁瑣，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術調(diào)制法——單相橋式PWM逆變電路56工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補，比如在uo正半周，V1導通，V2關斷，V3和V4交替通斷負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負在負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo=UdV4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0單相橋式PWM逆變電路帶阻感負載4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術調(diào)制法——單相橋式PWM逆變電路57在負載電流為負的區(qū)間，仍為V1和V4導通時，因io為負，故io實際上從VD1和VD4流過，仍有uo=UdV4關斷，V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0uo總可以得到Ud和0兩種電平在uo的負半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持斷態(tài)，V3和V4交替通斷，負載電壓uo可以得到?Ud和0兩種電平單相橋式PWM逆變電路帶阻感負載4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術調(diào)制法——單極性PWM控制58調(diào)制信號ur為正弦波載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)當ur>uc時使V4導通，V3關斷，uo=Ud當ur<uc時使V3導通，V4關斷，uo=0urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術59調(diào)制信號ur為正弦波載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波在ur的負半周，V1保持斷態(tài)，V2保持通態(tài)當ur<uc時使V3導通，V4關斷，uo=?Ud當ur>uc時使V4導通，V3關斷，uo=0urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud調(diào)制法——單極性PWM控制4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術60調(diào)制信號ur為正弦波載波uc為正負對稱的三角波在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關器件的通斷在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的PWM波也是有正有負輸出的PWM波只有±Ud兩種電平urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud調(diào)制法——雙極性PWM控制4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術61在ur的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波當ur>uc時，V1和V4導通，V2和V3關斷，這時如io>0，則V1和V4通，如io<0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是uo=Ud當ur<uc時，V2和V3導通，V1和V4關斷，這時如io<0，則V2和V3通，如io>0，則VD1和VD4通，不管哪種情況都是uo=?UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud調(diào)制法——雙極性PWM控制4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析4.3電壓源型單相全橋逆變電路電力電子技術單相電壓型逆變電路——帶中心抽頭變壓器的逆變電路62圖4-8帶中心抽頭變壓器的逆變電路Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。雖然比全橋電路少了一半開關器件，但是承受電壓卻為2Ud，且有一個變壓器交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。電力電子技術目錄：4.4三相電壓源型逆變電路 4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài) 4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法 4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析 4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法

4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器63電力電子技術4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4三相電壓源型逆變電路64電力電子技術4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4三相電壓源型逆變電路65電力電子技術三相橋逆變電路：由三個半橋逆變電路組成直流側只有一個電容即可，但是為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個電容，并標出假想中點N’66電壓型三相橋逆變電路4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術基本工作方式——180°導電方式每個全控開關導電180°同一相上下兩開關交替導電各相開始導電的角度差120°任一瞬間有三個開關同時導通可能是上面一個，下面2個；也可能是上面2個下面1個。每次換流都是在同一相上下兩開關之間進行，也稱為縱向換流674.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術負載各相到電源中點N'的電壓：U相，1通，uUN’=Ud/2，4通，uUN’=?Ud/2uUN’，uVN’，uWN’均為幅值Ud/2的矩形波負載線電壓負載相電壓68tOtOtOtOuUN'uUVuVN'uWN'UdUd24.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術負載中點和電源中點間電壓負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0幅值為Ud/6，頻率為3倍負載已知時，可由uUN波形求出iU波形69tOtOtOtOtOa)b)c)d)e)uUN'uuUVuVN'uWN'uNN'UdUd2Ud6tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud34.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術70tOtOtOtOtOa)b)c)d)e)uUN'uuUVuVN'uWN'uNN'UdUd2Ud6tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud34.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術V1從通態(tài)—斷態(tài)，因負載電感中的電流不能突變，V4中的VD4導通續(xù)流待負載電流降為0，反向，V4導通iV，iW的波形和iU相似，相位依次相差120度把橋臂1/3/5電流相加，得到直流側id波形。1/3/5的電流是哪部分呢？id每隔60度脈動，直流電壓幾乎無脈動71tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud34.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術把輸出電壓uUV展成傅里葉級數(shù)線電壓有效值：UUV=0.816Ud線電壓基波有效值：UUV1=0.78Ud負載相電壓有效值：UUN=0.471Ud負載相電壓基波有效值：UUN1=0.45Ud72tOtOtOtOtOa)b)c)d)e)uUN'uuUVuVN'uWN'uNN'UdUd2Ud6tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud3能否控制輸出交流電壓的大??？4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術上述180度導電方式逆變器中，防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源短路，應采取“先斷后通”先給應關斷的器件加信號，關斷后留一定的時間裕量然后再給應導通的器件發(fā)開通信號，兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間為什么要預留死區(qū)（deadtime）時間？死區(qū)時間有什么影響呢？電壓型逆變電路必須采取這一方法73tOtOtOtOtOa)b)c)d)e)uUN'uuUVuVN'uWN'uNN'UdUd2Ud6tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud34.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術744.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路三相逆變器SPWM實現(xiàn)示意圖電力電子技術75采用雙極性控制方式U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°三相橋式PWM逆變電路帶阻感負載4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術76電路工作過程（U相為例）當urU>uc時，上橋臂V1導通，下橋臂V4關斷，則U相相對于直流電源假想中點N’的輸出電壓uUN’=Ud/2當urU<uc時，V4導通，V1關斷，則uUN’=?Ud/24.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術77V1和V4的驅(qū)動信號始終是互補的當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導通，這要由中電流的方向來決定uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有±Ud/2兩種電平4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術78輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間輸出電壓、電流可調(diào)嗎？4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術79tOtOtOtOtOa)b)c)d)e)uUN'uuUVuVN'uWN'uNN'UdUd2Ud6tOtOtOf)g)h)UNiUidUd32Ud3基波有效值？諧波分布在哪？諧波含量？為何輸出電流差別大？4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術80UVW-ABC4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術81相電壓：uAN

uBN

uCN4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術82線電壓：uAB4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術834.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路通過上一節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，采用脈寬調(diào)制時，對三相三線系統(tǒng)只需保持線電壓的波形質(zhì)量而無需兼顧相電壓的波形質(zhì)量。因此，我們可以在維持線電壓波形質(zhì)量的同時改進脈寬調(diào)制方法以使輸出幅值、效率等方面得到提升。具體實現(xiàn)方法是對三相調(diào)制參考波注入一個公共的補償分量，該補償分量通常為三次諧波序列

(triplenharmonic)。電力電子技術844.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.4三相電壓源型逆變電路相對應的改進思路是減小一個工頻周期內(nèi)的總開關次數(shù)。該種改進措施可以在不減小載波頻率的情況下通過構造多種voffset來實現(xiàn)。其效果是使得每相半橋電路在一個工頻周期內(nèi)僅有2/3的時間工作在PWM高速開關模式下，其余1/3時間沒有開關動作。該種調(diào)制方式稱為不連續(xù)調(diào)制。電力電子技術85是計算法中一種較有代表性的方法如果在輸出電壓半個周期內(nèi)開關器件開通和關斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，共有k個開關時刻可以控制除去用一個自由度來控制基波幅值外，可以消去k?1個頻率的特定諧波以三相橋式PWM型逆變電路中的uUN’波形為例單相PWM逆變電路特定諧波消去法4.4.5計算法——特定諧波消去法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術86是計算法中一種較有代表性的方法如果在輸出電壓半個周期內(nèi)開關器件開通和關斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，共有k個開關時刻可以控制除去用一個自由度來控制基波幅值外，可以消去k?1個頻率的特定諧波以輸出電壓的半個周期內(nèi)，器件開通和關斷各3次（不包括0和π時刻）為例單相PWM逆變電路特定諧波消去法4.4.5計算法——特定諧波消去法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術87為了消除偶次諧波，應使波形正負兩半周期鏡對稱為了消除諧波中的余弦項，簡化計算過程，應使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以

/2為軸線對稱同時滿足上兩式稱為四分之一周期對稱波形，可用傅里葉級數(shù)表示為單相PWM逆變電路特定諧波消去法4.4.5計算法——特定諧波消去法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術88四分之一周期對稱波形，一個周期內(nèi)能夠獨立控制的只有

1、

2和

3共3個時刻，該波形的an為單相PWM逆變電路特定諧波消去法三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消4.4.5計算法——特定諧波消去法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術89通?？梢钥紤]消去5次和7次諧波，根據(jù)需要確定基波分量a1的值，再令a5和a7等于0，就可以建立三個方程，聯(lián)立可求得

1、

2和

3單相PWM逆變電路特定諧波消去法這樣可以消去兩種特定頻率的諧波，對于給定的基波幅值a1，求解上述方程可得一組

1、

2和

34.4.5計算法——特定諧波消去法4.4三相電壓源型逆變電路電力電子技術目錄：4.5電流源型逆變器 4.5.1電路結構和工作原理 4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法

4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器90電力電子技術4.5.1電路結構和工作原理4.5電流源型逆變器依據(jù)電路設計的對偶性(duality)特點，對應于電壓源型逆變器(voltagesourceinverter,VSI)，也存在一類電流源型逆變器(currentsourceinverter,CSI)。前面所討論的電壓源型逆變器的直流輸入端為電壓源，而電流源型逆變器的直流輸入端為電流源。電壓源逆變器電流源逆變器91電力電子技術4.5.1電路結構和工作原理4.5電流源型逆變器電流源逆變器其由三個半橋電路組成，每個半橋電路包含兩個開關，每個開關串聯(lián)一個二極管。由于全控型功率器件反向阻斷能力弱，該串聯(lián)二極管起到反向阻斷的作用，提高了反向電壓耐受能力。92電力電子技術4.5.1電路結構和工作原理4.5電流源型逆變器圖4.44重疊保護示意圖考慮到電流源不能開路運行，所以在開關狀態(tài)切換時需加入保護措施防止開路，該保護措施是開關動作的重疊保護(overlapprotection)。具體實現(xiàn)方式是在每一個開關由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關斷狀態(tài)時，使其關斷狀態(tài)延遲觸發(fā)一個重疊時間τdc，如圖4.44所示。關斷狀態(tài)的延遲觸發(fā)可以在這一開關關斷前保證另一開關完全導通，從而避免出現(xiàn)開路狀態(tài)。93電力電子技術4.5.1電路結構和工作原理4.5電流源型逆變器電流源逆變器開關狀態(tài)表94電力電子技術目錄：4.6多電平逆變器 4.6.1二極管鉗位型逆變器 4.6.2飛跨電容型多電平逆變器 4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器 4.6.4模塊化多電平變換器

4.1電壓源型單相半橋逆變電路4.1.1電路結構和工作原理 4.1.2輸出波形質(zhì)量評價指標4.1.3方波調(diào)制輸出特性分析 4.1.4脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.2輸出濾波器4.2.1L型濾波器4.2.2高階無源濾波器4.2.3高階無源濾波器諧振及其抑制4.2.4無源濾波器的選擇原則4.3電壓源型單相全橋逆變電路4.3.1電路結構和工作原理 1164.3.2方波調(diào)制輸出特性分析4.3.3脈沖寬度調(diào)制方法與輸出特性分析 4.4三相電壓源型逆變電路4.4.1三相逆變電路拓撲結構及運行狀態(tài)4.4.2三相逆變器的方波調(diào)制方法4.4.3正弦脈沖寬度調(diào)制方法與特性分析4.4.4改進型脈沖寬度調(diào)制方法4.5電流源型逆變器4.5.1電路結構和工作原理4.5.2正弦脈沖寬度調(diào)制方法4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器4.6.4模塊化多電平變換器95電力電子技術4.6多電平逆變器原因1：通過對比單相半橋和單相全橋逆變器可以發(fā)現(xiàn)，三電平逆變器相比于兩電平逆變器輸出諧波小。輸出電平數(shù)越多，輸出波形可以越接近于正弦波形，諧波含量越少。原因2：逆變器的調(diào)制深度相同且輸出相同的基波電壓時，半橋逆變器的輸出電壓產(chǎn)生的dv/dt是全橋逆變器的兩倍，即半橋逆變器產(chǎn)生的電磁干擾更為嚴重。使用多電平技術可以減小電磁干擾。原因3：半導體功率器件的耐壓水平不高，無法使用前述的逆變器結構直接實現(xiàn)中高壓輸出，若使用變壓器升壓方式連接中高壓負載或電網(wǎng)將產(chǎn)生較大損耗。多電平逆變技術原理示意圖96電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器二極管鉗位型多電平逆變器是一類常用的多電平逆變器，其三電平結構也稱為中點鉗位型(NeutralPointClamped,NPC)多電平逆變器。逆變器直流側包含兩個分壓電容Cdc1、Cdc2，每一相由4個開關器件SX1、SX2、S’X1、S’X2(X=A、B或C)和兩個鉗位二極管DX1、DX2組成。其中，(SX1和S’X1)互補工作，(SX2和S’X2)互補工作，互補工作的一對開關需要配備死區(qū)保護。97電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器當SX1和SX2同為導通狀態(tài)時：輸出電壓為Vdc/2；當S’X1和S’X2同為導通狀態(tài)時：輸出電壓為?Vdc/2；當SX2和S’X1同為導通狀態(tài)時：輸出電壓為0V，由上述工作狀態(tài)可得每個橋臂能夠輸出Vdc/2、0V、?Vdc/2三個電平。98電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器二極管鉗位方式可以構造更多電平的逆變器。右圖給出了四電平和五電平二極管鉗位型逆變器拓撲結構。開關數(shù)量=6×(n?1)二極管數(shù)量=3×(n?2)×(n?1)圖4.53四電平二極管鉗位型逆變器99電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器四電平和五電平二極管鉗位型逆變器100電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器以NPC逆變器為例，其每一相有兩組開關，需要兩路PWM信號來驅(qū)動這兩組開關，因此可以使用兩個三角載波與正弦參考波比較的方式來生成兩路PWM信號。101電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器同相載波層疊反相載波層疊載波移相102電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器相電壓103電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.1二極管鉗位型逆變器線電壓相電壓104電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器為解決二極管鉗位型逆變器隨電平數(shù)增加導致鉗位二極管數(shù)量劇增且直流側電容電壓難平衡的問題，飛跨電容型(flyingcapacitor,FC)多電平逆變器被提出。其基本原理是：引入可充、放電的懸浮電容，通過加、減懸浮電容電壓得到多個輸出電平。105電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.2飛跨電容型多電平逆變器飛跨電容型三電平逆變器的單相電路圖如圖所示，與中點鉗位型三電平逆變器相比，上、下橋臂的中點僅通過一個電容連接在一起，不需要使用鉗位二極管。將懸浮電容C跨接在S1、S2和S’1、S’2之間，并維持電容電壓為Vdc/2，其中S1與S’2互補導通，S2與S’1互補導通。當S1、S2導通且S’1、S’2關斷時，逆變器輸出Vdc/2；當S’1、S’2導通且S1、S2關斷時，輸出?Vdc/2；當S2、S’2導通且S1、S’1關斷，或S1、S’1導通且S2、S’2關斷時，輸出零電平。FC型逆變器也可擴展到更高電平，如圖4.57(b)~(c)所示。106電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器鉗位型多電平結構存在著電壓均衡難題，導致其難以向更多電平擴展。級聯(lián)型多電平結構克服了鉗位型結構的缺陷，在輸出電壓等級、電平數(shù)等方面相比鉗位型結構優(yōu)勢明顯。NPC級聯(lián)H橋107電力電子技術4.6多電平逆變器4.6.3級聯(lián)H橋型多電平逆變器同相的H橋模塊使用相同的正弦參考波，每個H橋模塊的2個半橋電路所采用的正弦參考波相位差180o。同相不同H橋模塊所采用的三角載波間存在相位差，該相位差為180o/N，N代表每