电力电子DC-AC逆变讲解
第6章DC-AC变换技术
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。
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：
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6-12 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。
DC-AC逆变器,DC-AC逆变器的基本原理
DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理背景知识：DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。
DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT 和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。
由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。
但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。
而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
基本原理：常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。
具体如下：DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。
1，Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。
采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。
它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。
滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。
通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。
由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2所示即为逆变器的基本工作原理。
DC-AC逆变器
第三章逆变控制器的组成及工作原理DC-AC变换结构：DC-AC全桥变换的基本原理如上图所示，Ud为直流电压,V1,V2,V3,V4为可控开关。
当V1,V4导通V2,V3断开时，负载端电压Us为上正下负。
反之，当V2,V3导通V1,V4断开时，负载端电压Us为下正上负。
Spwm调制介绍随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变器出现了多种变压、变频控制方法。
目前采用较多的是正弦脉宽调制调制技术，即 SPWM 控制技术。
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术，是指调制信号正弦化的 PWM技术。
由于其具有开关频率固定、输出电压只含有固定频率的高次谐波分量、滤波器设计简单等一系列优点，SPWM 技术已成为目前应用最为广泛的逆变用 PWM 技术。
SPWM （正弦脉宽调制）应用于正弦波逆变器主要基于采样控制理论中的一个结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同。
图3-1是将正弦波的半个周期分成等宽(π/N)的 N个脉冲，(b)是N个宽度不等的矩形脉冲，但矩形中点与正弦等分脉冲中点重合，并且矩形脉冲的面积和相应正弦脉冲面积相等。
图3-1 数字PWM控制基本原理SPWM 技术按工作原理可以分为单极性调制和双极性调制。
单极性调制的原理如图 3-2(a),其特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减少了开关损耗。
但并不是固定其中以个桥臂始终工作在低频，而是每半个周期切换工作，即同一桥臂在前半个周期工作在低频，而后半个周期工作在高频。
这样可以使两个桥臂的工作状态均衡，器件使用寿命更均衡，有利于增加可靠性。
2) 双极性调制双极性调制的原理如3-2(b)，其特点是四个功率管都工作在较高的频率(载波频率)，虽然能够=得到较好的输出电压波形，但是其代价是产生了较大的开关损耗。
DCAC逆变电路及讲义原理总结
t
ON V1 V2 V1 V2
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
图5－6 单相半桥电压型逆变
电路及其工作波形
5-9
单相电压型逆变电路
优点：电路简单，使用器件少。
• 缺点：输出电压幅值为Ud/2，负载上的功率 为全桥的1/4，开关管承受的电压为Ud，且
直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均 衡。
直流侧是电压源
电压型逆变电路——又称为电压源
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-CSTI
5-8
单相电压型逆变电路
1）单相半桥逆变电路
工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两
(4)控制方式有PWM，双极性和移相控制方式。
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC
对于电阻：i＝P/Ud＝Ud/R 对于电阻电感：i＝P/Udcosφ＝Ud/Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
5-10
参数计算与器件选择
根据不同的负载类型计算负载等效阻抗： 电阻型：Z=R 电阻电感型：Z=R+jωL
Z=(R2+(ωL)2 ) ½ 对于RLC：Z=R+jωL-1/jωC 对于电阻：i＝2P/Ud＝Ud/2R 对于电阻电感：i＝2P/Udcosφ＝Ud/2Z 开关管上的电压：U=(2~3)Ud
dc ac逆变器电路图
dc ac逆变器电路图dcac逆变器电路图这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
电路图工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。
如图4所示。
MOS场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
图5MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
它一般有耗尽型和增强型两种。
本文使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图5。
它可分为NPN型PNP型。
NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。
第6讲 DC-AC
第五讲 逆变电路
22
三相桥整流电路的有源逆变状态
三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角 时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形
u2 ua ub uc ua ub uc ua ub uc ua ub
O
wt =
3
=
4 u cb u ab u ac u bc u ba u ca
=
6 u cb u ab u ac u bc u ba u ca u cb u ab u ac u bc
u
d
a
u 10
u 20
u 10
U d> E M
ud
u
10
u 20
u 10
O
wt
O
wt
U d< E M
id
i =i
d
VT
+i
1
VT
2
i VT O
1
i VT
2
i VT
I
id
d
a
iVT
2
i =i
d
VT
+i
1 1
VT
2
1
i VT
i VT
I
d
wt
2
O
b)
wt
a)
单相全波电路的整流和逆变 a)整流 b）逆变
第五讲 逆变电路
整流电压 整流电流 变压器容量 短路电压比Uk% 220V 800A 240kV。A 5%
g
15~20
参照整流时g 的计算方法
cosa cos(a g ) Id X B 2U 2 sin
Id X B 2U 2 sin
m
电力电子DC-AC逆变
4.0.0 引言
逆变的概念
电力电子技术——DC-AC逆变
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。
逆变与变频
变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。
主要应用
各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
负载
a A * * O
1
* b B
P
Vd 2
0 Vd 2
VD
D1 T3 ia
a
T1
D
D2
T2
T1
D3 T5
ib
D5 ic
c
推挽式单相逆变电路
b
T4 D4
T6
D6
T2
D2
Q 电压型三相桥式逆变电路
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.2 逆变器输出波形性能指标
(1)谐 波 系 数 n Vn / V1 HF
T 2
t
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.3 其他指标
逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包 括：
逆变效率
单位重量（或单位体积）输出功率
可靠性指标
逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率 电磁干扰EMI及电磁兼容性EMC
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2 电压型单相方波逆电路工作原理
由换流电路内电容 直接提供换流电压 通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流 直接耦合式 强迫换流 电感耦合式 强迫换流
电力电子技术——DC-AC逆变
直接耦合式强迫换流
当晶闸管VT处于通态 时，预先给电容充电。当 S合上，就可使VT被施加 反压而关断。 也叫电压换流。 电感耦合式强迫换流
电力电子技术课件05直流-交流(DC-AC)变换
第五章直流-交流（DC-AC）变换一、概述DC-AC变换器（无源逆变器)V1、V4和V2、V3轮流切换导通，u o为交变电压（1）电网换流 利用电网电压换流，只适合可控整流、有源逆变电路、交—交变频器（2）负载谐振式换流 利用负载回路中形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载 电流超前于电压时间大于t q ，即能实现换流，分串，并联。
VT 2、VT 3通后，u 0经VT 2、VT 3反向加在VT 1、VT 4上1. 晶闸管逆变电路的换流方式换流概念：直流供电时，如何使已通元件关断VT 1导通，C 充电左（-）右（+），为换流做准备； VT 2导通，C 上电压反向加至VT 1，换流，C 反向充电。
（3）强迫换流附加换流环节，任何时刻都能换流直接耦合式强迫换流2. 逆变电路的类型（1）电压源型逆变器电流源型逆变器电流源型逆变器功率流向控制（3）两类逆变器的比较比较点电流型电压型直流回路滤波环节电抗器电容器输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦波矩形输出电流波形矩形近似正弦波，有较大谐波分量输出动态阻抗大小续流二极管不需要需要过流及短路保护容易困难线路结构较简单较复杂适用范围适用于单机拖动，频繁加减速下运行，需经常反向的场合适用于多机供电不可逆拖动，稳速工作，快速性不高的场合二、强迫换流式逆变电路1.串联二极管式电流源型逆变器结构VT1～VT6为晶闸管C1～C6为换流电容VD1～VD6为隔离二极管2.工作过程（换流机理）（1）换流前运行阶段（2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段（3）二极管换流阶段（4）换流后运行阶段diL dt引起三、逆变器的多重化技术及多电平化1. 多重化技术改善方波逆变的输出波形：中小容量：SPWM大容量：多重化技术思路：用阶梯波逼近正弦波（1）串联多重化特点：适合于电压源型逆变器二重化三相电压源逆变器单个三相逆变电路输出电压波形桥Ⅱ输出电压相位比桥Ⅰ滞后30º桥Ⅰ输出变压器△/Y,桥Ⅱ输出变压器△/Z变比为1变比为13二重化逆变电路输出电压比单个逆变电路输出电压台阶更多、更接近正弦。
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sin(t )
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2.3 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路
负载
a A * * O
1
* b B
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
VD
T1
D
D2
T2
变压器中心抽头推挽式单相逆变电路
适用于低压小功率、 须隔离的应用
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源
等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工 作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅 助电路组成。
uo
Ud S1 io 负载 S3 uo S 4 io t1 t2 t
S2 a)
b)
逆变电路及其波形举例
电力电子技术——DC-AC逆变
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
直流电
交流电
电力电子技术——DC-AC逆变
逆变电路最基本的工 作原理 —— 改变两 组开关切换频率，可 改变输出交流电频率。
电阻负载时，负载电流 io 和uo的波形相同，相位也 相同。
先使晶闸管电流减为零， 然后通过反并联二极管使其 加上反向电压。 也叫电流换流。
电感耦合式强迫 换流原理图
直接耦合式强迫换 流原理图
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0.3 PWM
所谓PWM就是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等 幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，以达到控制频率、 电压、电流和抑制谐波的目的。
4.1.1 逆变器的类型
4.1.2 逆变器输出波形性能指标
4.1.3 其他指标
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.1 逆变器的类型
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
按输出电压不同分为CVCF、VVVF、脉冲型 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
4.0.0 引言
逆变的概念
电力电子技术——DC-AC逆变
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。
逆变与变频
变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组 成，后一部分就是逆变。
主要应用
各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路 4.2.2 电压型单相半桥逆变电路
4.2.3 变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电 路
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路 V
ab
驱动
T1
T4
驱动 驱动
T2 T3
T1
T4
iD VD
T1
a
0
t
ia
(b)负载电压 t
ia
D1 T3
电力电子技术——DC-AC逆变
4.3 三相逆变电路工作原理
4.3.1 电压型三相逆变工作原理 4.3.2 电流型三相逆变工作原理
电力电子技术——DC-AC逆变
4.3.1 电压型三相逆变工作原理
三个相差120度的单相逆变器组成一个三相逆变器
+
逆变器 1 逆变器 2 逆变器 3
A
VAD D
B
Va n
uo io O i
uo a)
iVT iVT
1
io
?t
4
O i
O uVT O
iVT
2
iVT
3
?t ?t
t1
uVT
uVT
1
4
?t
b)
负载换流电路 及其工作波形
电力电子技术——DC-AC逆变
4)强迫换流（Forced Commutation）
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫 施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因 此也称为电容换流。 分类
T1
VD
n
Co2
Z
ia
D1
van
1 VD 2
a
D2
T2
ia
0
驱 动 T1
T0 2
驱 T0 动 T2
3 T0 4
(b)电压波形
3T0 2
t
(a)电路
0
ia
T 1 ON 1 T0 4
T2 ON T 0
(c)电阻负载电流波形
t
电容分压，半桥电路 T1、T2交替通、断
1V d iam 8 f0L
Z b
D3
D4
0
R负载
T2
D2
T4
ia
0
(c)电阻负载电流波形
T0 4 T0 2 3T0 4 T0 D
2
t L负载
(a)电路
D 1 D4
T1 T4
D3
T
2
T3
ia
(d)电感负载电流波形
T
1
T1、T4与T2、T3 交替通、断
0
D1 D4
T4
2
D2 D3 T
2
T3
RL负载
t
iD
Tห้องสมุดไป่ตู้
1
(e)R-L负载电流波形
T
4
T
2
T3
0 (f)输入电流波形
t
电力电子技术——DC-AC逆变
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路（续）
iD VD
T1
a
ia
D1 T3
Z b
D3
D4
0
vab
驱动
T1 T4
T2
D2
驱动 T1 驱动
T2 T3
T4
T4
t
(a)电路
(b)负载电压
电阻负载 负载 阻感负载
电感
图4.3
4V D v ab t sin(nt ) n n 1, 3, 5 ,
第4章
直流/交流变换器
1
电力电子技术——DC-AC逆变
4
直流/交流逆变器
4.0 换流方式 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 三相逆变电路工作原理
电力电子技术——DC-AC逆变
4.0 换流方式
引言 逆变电路的基本工作原理 换流方式分类 PWM
4.0.0 4.0.1 4.0.2 4.0.3
( a ) 基 本逆 变电 路
n2 0 n次 谐 波 衰 减 了 n 2倍 ，
Vn
2
(
Vn n
0
)2
vo
v1
VD
0 D
C
vo
t
X-Axis
第n次 谐 波 的 畸 变 系 数 : Vn HF DFn 2 2n n V1 n
Vn 2 1 总畸变系数 : DF ( 2) V1 n 2, 3,4 n 1 2
电力电子技术——DC-AC逆变
换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流和强迫换流——属于自换流。
电网换流和负载换流——属于外部换流。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而 是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1 逆变器的类型和性能指标
负载
a A * * O
1
* b B
P
Vd 2
0 Vd 2
VD
D1 T3 ia
a
T1
D
D2
T2
T1
D3 T5
ib
D5 ic
c
推挽式单相逆变电路
b
T4 D4
T6
D6
T2
D2
Q 电压型三相桥式逆变电路
电力电子技术——DC-AC逆变
4.1.2 逆变器输出波形性能指标
(1)谐 波 系 数 HFn Vn / V1
1 2 ( 2)总 谐 波 系 数 THD Vn V1 n 2, 3,4
12
1 2 2 THD （Vn V1 ) V1 n 1, 2
12
V V 1 1
2
V 2 V1 2 V2 2 V3 2
由换流电路内电容 直接提供换流电压 通过换流电路内的 电容和电感的耦合 来提供换流电压或 换流电流 直接耦合式 强迫换流 电感耦合式 强迫换流
电力电子技术——DC-AC逆变
直接耦合式强迫换流
当晶闸管VT处于通态 时，预先给电容充电。当 S合上，就可使VT被施加 反压而关断。 也叫电压换流。 电感耦合式强迫换流
本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在 本章集中讲述。
电力电子技术——DC-AC逆变
1) 器件换流（Device Commutation）
利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等 全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。
电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可 使其关断。不需要器件具有门极可关断能力， 但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
2VD van sinnt n1, 3 , 5 , n
基 波v a 1 2VD sint