现代电力电子技术基础李宏现代电力电子技术基础2章节

1、第6章 DC-AC变换技术,6.1 逆变器分类、功率流向和波形指标 6.2 方波逆变器 6.3脉冲宽度调制（PWM）,返回,把直流电变成交流电称为逆变，相应的功率变换装置被称为逆变器。 如果把逆变器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成同频率的交流电送到电网去，叫有源逆变； 如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则叫无源逆变。 DC-AC方框图如图6-1所示。,图6-1 DC-AC方框图,6.1 逆变器分类、功率流方向和指标,1、分类 逆变器分为单相和三相两大类。单相逆变器适用于小、中功率；三相逆变器适用于中、大功率。这两大类按不同的特点又可分为： 1）按输入电源特点 输入电压为恒压源称为电压源逆变器（Voltage Source Inverter 缩写VSI）或电压型逆变器，如图6-2所示,电压源逆变器的输入特点是其输入具有理想电压源性质；输入为恒流源称为电流源逆变器（Current Source Inverter 缩写CSI），或电流型逆变器，如图6-3所示，电流源逆变器输入为理想电流源，在实际应用中使用较少。,图6-2 电压源

2、逆变器,图6-3 电流源逆变器,电压源逆变器又可分为： a、具有可变直流电压环节（Variable DC link）的电压源逆变器，如图6-4所示。由DC-DC变换器或可控整流获得可变的直流电压，输出电压幅度取决于输入可变直流电压，输出电压频率由逆变器决定。一般情况下，该变换器输出电压为方波。 b、具有恒定直流电压环节（Fixed DC link）的电压源逆变器，方块图如图6-5所示。其直流电压恒定，输出电压幅度和频率利用PWM技术同步调整。,图6-4 具有可变直流电压环节的电压源逆变器图 6-5 具有恒定直流电压环节的电压源逆变器,2）按电路结构特点可分为半桥式、全桥式，推挽式和单管式逆变器。 3）按器件的换流特点可分为强迫换流式和自然换流式逆变器。 4）按负载特点可分为谐振式和非谐振式逆变器。 5）按输出波形可分为正弦式和非正弦式逆变器。 工业用的特殊交流电源有变频变压电压源VVVF(variable voltage variable frequency)和恒频恒压电压源CVCF(constant voltage constant frequency)。,2 、逆变器功率流方向 无

3、论逆变器输出是方波还是正弦，在负载为感性或容性负载时，其输出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻（除阻性负载）其输出功率的瞬时值有正有负。正的输出功率表明逆变器输出功率，即能量从逆变器输入向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态，从负载向逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才能适应各种不同的负载情况。 设逆变器输出电压为正弦，输出电流滞后于输出电压弧度，在此负载情况下，其输出功率情况可以从图从图6-6和6-7中可知 ，在第一象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出能量；在第三象限，逆变器输出电压和电流均为负，逆变器输出能量；即在1、4象限，逆变器工作在逆变状态。在第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正，逆变器从负载向逆变器反馈能量；在第三象限，逆变器输出电压为正，电流为负，逆变器从负载向逆变器反馈能量。即在2、3象限，逆变器工作在整流状态。 为了使逆变其能够在四个象限工作，功率开关管反并联一个二极管即可实现，连接如图6-8所示。,图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线,图6-7 四象限工作情况,图6-8 反并联二极管,3 、逆变器波形指标 实际逆变器的输出波形总

4、是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标： 1）谐波因子（Harmonic Factor） 第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）总谐波（畸变）因子THD (Total harmonic distortion factor) 该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。 3）畸变因子（Distortion factor） 总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义： 对于第次谐波的畸变因子定义如下：,返回,6.2 方波逆变器,1、单相半桥式逆变电路 半桥式逆变电路如图6-9（a）所示，在直流侧有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联结点为直流电压的中点。两个电容构成一个桥臂，开关管和及其反并二极管和构成另一个桥臂，两桥臂的中点为输出端，可以通过变压器输出，也可由这两端直接输出。因电容C容量较大，每个电容两端电压，B点电位基本上不变，A点的电位则取决于器件的工作情况。,图6-9 半桥逆变器的主电路及主要波形,若Q1导

5、通，则 。 若Q2导通，则 。所以输出电压为1800电角度的方波交流电，宽度等于Ton（Q1或Q2的导通时间）。频率等于开关频率 是开关周期。 在纯电阻负载R情况下，D1或D2都不参与导通，Q1和Q2互相轮流导通，输出波形为方波，其幅值为 ，为保证电路正常工作， Q1和Q2不能同时导通，否则将出现直流侧短路现象。改变Q1和Q2的激励信号的频率，输出电压的频率也随之改变。,其输出电压有效值为： 其瞬时值表达式为： 当n=1时，其基波分量的有效值为：,当负载为纯电感负载时，若Q1管在TS/2关断，由于电感中的电流不能突然改变方向，此时即使Q2管加上驱动信号，iL也必须通过D2流动，直到iL为零Q2才能导通。iL为零后电流开始反向，Q2管才流过电流。 在 作用下，iL线性增长，Q1截止后，iL维持原方向流动，电流D2经续流，于是 变负，在此电压作用下iL下降，下降速度与增长速度相同。由此可见，感性负载时Q1和Q2、D1和D2是轮流导通的。 由于D1或D2续流，电压形成一个负(正)的面积。如果Q1或Q2导通时间超过TS/4，波形为1800方波，电感电流成为正负面积对称的三角波，不再受或导通时间

6、变化的影响，如图6-9（c）所示。,2、单相全桥逆变电路 单相全桥逆变电路如图6-10所示，有四个功率管、四个反并联二极管组成，其控制方式有双极性控制、有限双极性控制和移相控制三种。,6-10全桥逆变器主电路和双极性控制工作波形,1)双极性控制方式 图6-10（b）和（c）给出了双极性控制方式下的工作波形。在PWM调制方式下，开关周期为Ts，在前半个开关周期，Q1和Q4导通时间为ton；后半周期Q2和Q3导通时间也为ton 。假定功率管为理想器件则在Q1和Q4导通期间vAB=Vin；在Q2和Q3导通期间vAB=-Vin ；四个功率均截止时，VAB=0。 若负载Z为纯电阻负载，则流过负载的电流的波形与电压波形相同。调节功率管的开通时间，从而调节VAB的有效值大小。纯电阻负载时与功率管反并联的二极管没有电流流通，也就是说反并联的二极管不参与工作。,若负载Z为纯电感负载L，在Q1和Q4导通时， vAB=Vin ，流过负载L的电流从零增加，电流变化率为 ，该电流在t=ton时达到最大值，即在Q1和Q4将关断时达到最大值， Q1和Q4关断后，由于电感电流不能突变，电感电流仍将按原来方向流动，因此

7、D3和D2导通续流，于是vAB=-Vin 。在这个电压作用下，电感电流减小，减小速度与和导通时的增长速度相同。iL=0时，Q2和Q3导通，负载电流开始反向流过，负载L的电流从零反向增加，该电流在t=ton时达到最大值，即在Q2和Q3将关断时达到最大值，Q2和Q3关断后，由于电感电流不能突变，电感电流仍将按原来方向流动，因此D1和D4导通续流，于是vAB=Vin 。,由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通时间超过Ts/4，波形为1800方波，电感电流成为正负面积对称的三角波，不再受或导通时间变化的影响。由此可见，全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。 vAB的有效值和瞬时值为： 为输出电压角频率。 当n=1时，其基波分量的有效值为： 显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的4倍。,2)受限双极性控制方式 受限双极性控制方式的工作原理是让一个桥臂的两个管子(例如Q1 和Q3)以PWM方式工作，另一个桥臂的两个管子Q2、Q4各轮流导通半个周期。 在纯电阻负载或空载时波形与双极性控制方式工作时相同

8、，如图6-11（a）；在负载为纯电感情况下，波形与双极性控制方式工作时不同，其波形如图6-11(b)所示。 在负载为纯电感情况下，Q1和Q4导通， ，流过负载L的电流从零增加，Q1关断，由于电感电流不能突变，电感电流仍将按原来方向流动，形成由D3、负载L和Q4构成的续流回路， ， 由于该电路中没有外电源，若不计电路损耗，则电感电流保持不变，直到Q4 关断，Q2和Q3导通，电感电流才开始下降。在此工作方式下，仅与开关器件的状态有关，与负载性质和大小无关。,图6-11全桥电路受限双极性控制方式工作波形,3)移相控制方式 移相控制方式的工作过程是Q1和Q3轮流导通，各导通1800电角；Q2和Q4也是这样，但Q1和Q4不是同时导通。Q1先导通，Q4后导通，两者导通差a电角度，如图6-12（a）所示。其中Q1和Q3分别先于Q2和Q4导通，故称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。 移相控制时，电阻负载或空载时电压波形与上述两种方式的工作波形相同，纯电感负载时的工作波形与受限双极式工作波形相同，波形的宽度仅与移相角有关，即在此工作方式下，仅与开关器件的状态有关，也与负载性

9、质和大小无关。,图6-12 全桥电路移相控制方式的工作过程,3傅立叶级数、方波逆变器输出谐波 1)傅立叶级数 傅立叶级数是研究和分析波形形状的工具。为了分析方便，把傅立叶级数的基本定义、概念叙述如下。 在实际问题中，除了正弦函数外，还会遇到许多非正弦的周期函数，为了研究非正弦的周期函数，将周期函数展开成由三角函数组成的级数，即将周期为 的周期函数用一系列三角函数 之和来表示： 其中 都是常数。,用上述方法将周期函数展开，它的物理意义是很明确的，即把一个比较复杂的周期运动看成是许多不同频率的简谐振动叠加。这种展开称为谐波分析，常数项A0称为的直流分量； 称为一次谐波（又叫做基波）； ， ，依次称为二次谐波，三次谐波，等等。 为了方便，将正弦函数 展开：,把 从 逐项积分，根据三角函数的正交性，得到傅立叶系数为： 当周期为 的 为奇函数时，它的傅立叶系数为： 当周期为 的 为偶函数时，它的傅立叶系数为：,方波逆变器输出波形傅立叶分解 由于方波逆变器输出方波为奇函数，所以有： 当n为偶数(even)时， , bn=0； 当n为奇数（odd）时， ，所以： 方波输出的傅立叶表达式可写成,图6-13 方波逆变器输出频谱,因此，我们得出方波逆变器输出的频谱图，如图6-13所示，并有以下结论： （1）方波逆变器输出的方波谐波幅度随着n的增加而减小，其减小系数为1/n； (2)偶次谐波不存在； (3)最低次谐波为3次谐波； (4)由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。 图6-14为方波的各次谐波时域图。,图6-14 方波的各次谐波,图6-15为一个准方波波形，显然它是一个奇函数，因此有 如果n是偶数，则,图6-15 准方波波形,准方波的基波幅度为： 由式6-22可以知道，基波的幅度可以通过改变而被控制。 同理，准方波的三次谐波幅度为 当 时， 即准方波的三次谐波为零。 一般地，当 时，n次谐波将为零。,4负载为感性负载的方波逆变器特性 前面讨论的方波逆变器负载为两种情况，纯电阻负载和纯电感负载，一般说来，负载总是电感

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