电力电子学陈坚第四章课件.ppt

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1、第4章 直流/交流变换器（逆变器）,1,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈 坚 编著华中科技大学,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,2,第四章 直流/交流变换器（逆变器）,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,3,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6

2、 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,4,逆变器的类型逆变器输出波形性能指标,4.1 逆变器的类型和性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,5,逆变器的类型逆变器输出波形性能指标,4.1 逆变器的类型和性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,6,依据直流电源的特性不同可分为：,电压型逆变器VSI,电流型逆变器CSI,VSI 特点：直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性。桥臂不可直通，输出不可短路。,CSI 特点：直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性。桥臂可直通，输出可短路。,CSI应用不广泛的原因：电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重。多

3、数全控器件不具备逆阻特性。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,7,按逆变器电路结构不同分为：,单相半桥,单相全桥,推挽逆变,三相桥式,也称H桥,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,8,其它分类方式,按输出电压不同分为：1.恒压恒频型（CVCF：Constant Voltage Constant Frequency）2.变压变频型（VVVF：Variable Voltage Variable Frequency）3.脉冲电压（电流）型,按开关器件不同及换流关断方式不同分类：1.自关断型2.强迫关断型3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）4.负载谐振换流型,第4章 直流/交流变换器（逆变器

4、）,9,逆变器的类型逆变器输出波形性能指标,4.1 逆变器的类型和性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,10,谐波系数 HF（Harmonic Factor）总谐波系数 THD（Total Harmonic Distortion）畸变系数 DF（Distortion Factor）最低次谐波 LOH（Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,11,谐波系数 HF（Harmonic Factor）总谐波系数 THD（Total Harmonic Distortion）畸变系数 DF（Distortion Factor）最低次

5、谐波 LOH（Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,12,谐波系数 HF,谐波系数定义：第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比。,定义公式：HFn=Vn/V1,无效成份,有效成份,越小越好,意义：HF表征了某一次谐波含量相对大小。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,13,谐波系数 HF（Harmonic Factor）总谐波系数 THD（Total Harmonic Distortion）畸变系数 DF（Distortion Factor）最低次谐波 LOH（Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形

6、性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,14,总谐波系数 THD,THD定义：所有非基波分量的有效值与基波分量有效值之比。,定义公式：,总无效成份,有效成份,越小越好理想正弦为零,意义：THD表征了实际波形与理想基波正弦分量的差异程度。,公式变形：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,15,谐波系数 HF（Harmonic Factor）总谐波系数 THD（Total Harmonic Distortion）畸变系数 DF（Distortion Factor）最低次谐波 LOH（Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,16

7、,畸变系数 DF,畸变系数：各次谐波分量经过加权以后的总有效值与基波有效值之比。,加权的含义：滤波器对不同的频率分量衰减不同，故滤波后的各谐波分量不再是滤波前的值。应该将滤波器对谐波的衰减效应体现出来。不同类型的滤波器对相同频率的谐波衰减也不同。,DF的意义：评估非正弦周期波形经过滤波以后的畸变 程度。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,17,DFI：对应一阶滤波器,DF 的定义式,DFII：对应一阶滤波器,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n2,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,18,谐波系数 HF（Harmonic Factor）总谐波

8、系数 THD（Total Harmonic Distortion）畸变系数 DF（Distortion Factor）最低次谐波 LOH（Lowest-Order Harmonic）,逆变器输出波形性能指标,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,19,最低次谐波 LOH,最低次谐波：距离基波频率最近的谐波,关注LOH的原因：逆变器的滤波器一般具有低通特性，对高次谐波衰减强烈。因此滤波器设计时重点考虑滤波器对最低次谐波的衰减效果。,LOH的决定因素：1.调制方式 2.开关频率,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,20,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆

9、变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,21,4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,22,4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,23,单相半桥逆变原理（电阻负载）,电容很大，近似认为电容电压不变。电容相等，电压均分。T1、T2周期性交替通、断，产生交变的Van,T1驱动

10、导通时，T2关断。,2.T2驱动导通时，T1关断,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,24,单相半桥逆变原理（纯电感负载）,T1驱动导通时，T2关断。,2.T2驱动导通时，T1关断,电流为什么没有直流分量？,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,25,单相半桥逆变原理（阻感负载）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,26,4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,27,单相全桥逆变原理（电阻负载）,T1、T4一组，T2、T3一组两组器件周期性交替通、断产生交变的Vab,T1、T4驱动导通，T2、T3

11、关断,T2、T3驱动导通，T1、T4关断,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,28,单相全桥逆变原理（电感负载）,T1、T4通，T2、T3断时。,T2、T3通，T1、T4断时。,iam=VD/4fL,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,29,单相全桥逆变原理（阻感负载）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,30,4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 单相半桥逆变电路 单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽逆变电路,单相全桥逆变原理（阻感负载）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,31,推挽逆变电路,仅二个开关T1、T2轮流导电180度 开关管断态电压高一倍 2VD 要输出变压器 适用于低压小功

12、率、须隔离的应用,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,32,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,33,通过输入直流调压：,以上两种调压方式均需要可控的直流输入,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,34,逆变器本身调压：,180不可调压,单脉冲调制调压,多脉冲调制调压,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,35,单脉冲调压方式,T1、T2桥臂按180方式开关,T3、T4桥臂按180方式开关,

13、两桥臂驱动信号错开角,Vab=Van-Vbn,输出电压大小：,改变移相角，也就调节了输出电压电压。故也称移相调压,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,36,单脉冲调压的电压调节特性,基波幅值：,谐波幅值：,输出电压大小平滑可调输出基波频率可调低次谐波幅值大，滤除困难。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,37,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,38,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPW

14、M基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,39,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,40,冲量等效原理,大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。,正弦形 电压,正弦电流,正弦等效窄脉冲 序列,正弦

15、电流,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,41,基于冲量等效原理的直接SPWM,DK 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化,M：调制比,输出电压基波与M成正比：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,42,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,43,双极性SPWM脉冲生成,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,44,双极性SPWM的脉冲面积,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,45,双极性SPWM的特性,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：

16、,消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了。LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。谐波幅值可以与基波相比较甚至更大。（THD会如何？）,如果M大于1会怎样？,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,46,SPWM的优点,由于SPWM的谐波频率高，滤波器对其有强烈的衰减作用,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,47,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,48,单极性SPWM脉冲生成,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,49,单极性SPW

17、M脉冲面积,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,50,单极性SPWM特点,N=7时，基波与谐波相对值,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3,5,7.等次谐波没有了。谐波幅值仍然可以与基波相比较甚至更大。LOH在两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。,最低次谐波频率提高一倍，相当于单极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频SPWM。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,51,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,52

18、,规则采样SPWM,，,，,不对称规则采样：,对称规则采样：,差异：不对称规则采样的脉宽计算量、采样频率是对称规则采样的2倍不对称调制的采样频率是开关频率的2倍。不对称规则采样的谐波比对称规则采样小。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,53,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,54,双极性SPWM谐波特性,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。输出波形不含载波偶次倍频谐波。谐波间隔为两倍基波频率，奇次载频两侧为偶此边带谐波，偶次载

19、频两侧为奇次边带谐波。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,55,单极性SPWM谐波特性,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。输出电压中不含载波频率偶次倍频及其边带谐波。载波偶次倍频两侧也仅含奇次边带谐波簇。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,56,规则采样SPWM谐波特性：会产生基波边带谐波，但很小，可忽略。不对称规则采样载波频率两侧既有奇次边带谐波也有偶次边带谐波。对称规则采样单极倍频SPWM不能完全消除奇次倍频的边带谐波。,异步调制：同步调制：载波比是整数。异步调制：载波比不是整数次谐波：异步调制时谐波频率不再是基波的整数倍，称为次谐波。低载波比时，对次谐波的考虑

20、。,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,57,4.4 正弦脉冲宽度调制技术 SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性 指定谐波消除调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,58,SHE（Selected Harmonic Elimination）脉宽调制,采用SHE的原因：载波比小，谐波频率太低,求各次傅里叶级数：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,59,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理

21、4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,60,4.5 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 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,61,4.5 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 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,62,三相逆变器构成,单相逆变器合成三相,电路实现,三个单相逆变器组合；每个逆变器基波互差120；输出用三相变压器耦合形成三相电压。,A相：T1、T4、T1、T4B相：T3、T6、T3、T

22、6 C相：T5、T2、T5、T2,每相一个H桥，适合大功率应用,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,63,三相桥式逆变器,三个单相半桥逆变器构成：,每个半桥均180导电方式，所以Vao、Vbo、Vco是180方波半桥基波之间互差120,导电顺序：123234 345 456 561 612 123,Vab、Vbc、Vca：120方波,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,64,负载电压分析,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,65,负载电压波形,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,66,4.5 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

23、SPWM 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,67,三相电流型逆变器（星形负载）,L很大，id恒定120度导电模式，仅两个开关同时导电1223 34 45 56 61 12,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,68,三相电流型逆变器（三角形负载）,三角形负载,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,69,4.5 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 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,70,三相SPWM原理,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。

24、,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,71,4.5 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 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,72,HISPWM（Harmonic Injection SPWM）,注入谐波的基本思想,桥臂之间基波电压峰值：H 桥 180调制：1.27VD三相180调制：1.1VDH 桥SPWM：VD三相SPWM：0.866VD,谐波注入后的线电压峰值可达：VD谐波注入后的调制比可达：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,73,4.5 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

25、变工作原理 三相逆变器SPWM调制 谐波注入SPWM 空间矢量调制,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,74,空间矢量调制原理,空间矢量定义：,矢量合成原则：伏秒平衡,Vr(cos+jsin)Tsv1SV1+Tsv2SV2+Tsv0/7SV0,Sa、b、c=1，桥臂上管通，下管断；Sa、b、c=-1，桥臂上管断，下管通。,最大调制范围：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,75,空间矢量调制等效调制波,空间矢量调制具有和谐波注入同样的直流电压利用率。,等效调制波（k=0.5）,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,76,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方

26、波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,77,4.6 大功率逆变电路 变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,78,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）,79,4.6 大功率逆变电路 变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,80,十二阶梯波逆变器,每个三相桥按180导电控制II桥

27、驱动脉冲依次滞后I桥30,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,81,十二阶梯波逆变器,Va2滞后Va1 30,-Vb2超前Va1 30,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,82,十二阶梯波逆变器调压,移相调压：,三倍频PWM调压：,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,83,4.6 大功率逆变电路 变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,84,二极管钳位型多电平逆变器,三相二极管钳位型三电平逆变器,VD,A,O,单相二极管钳位型五电平逆变器,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,85,飞跨电容多电平逆变器,飞跨电容型五电平型逆变器,第4章 直流/交流变换器（逆变器）,86,级联多电平逆变器,级联五电平逆变器,