单相方波电压逆变
4.2 单相半桥逆变电路方波调制(1)
电力电子学—单相半桥逆变电路方波调制华中科技大学电气与电子工程学院第4章直流/交流变换器01逆变器的类型和性能指标目录02电压型单相方波逆变电路工作原理03单相逆变器的单脉波脉冲宽度调制(PWM)04正弦脉冲宽度调制技术(SPWM)05三相逆变电路工作原理单相半桥逆变电路方波调制01单相半桥逆变电路方波调制目录02小结与思考01单相半桥逆变电路方波调制C o2nC o1T 1T 2D 1D 2Rai aV D◆电容很大，近似认为电容电压恒定。
◆电容相等，电压均分。
◆T 1、T 2构成的串联支路称为一个桥臂。
◆T 1、T 2周期性交替通、断，产生交变的Van 。
◆注意：T 1和T 2两个开关管不能同时处于通态，否则将出现直流侧短路。
单相半桥逆变电路1. T 1驱动导通时，T 2关断。
2. T 2驱动导通时，T 1关断T 1 ONv an 0.5V D输出电压波形0.5V D /Ri a负载电流波形由于输出波形正、负各半个周期保持恒定，故称为180°方波调制。
C o2nC o1T 1T 2D 1D 2Rai aV DT 2 ONan 2DV v =an 2DV v =-π2π3πtωtωT 1 ONv an 0.5V D输出电压波形0.5V D /Ri a负载电流波形πC o2nC o1T 1T 2D 1D 2Rai aV D∑∞== ,5,3,1Dansin π2n t n n V v ωDD,145.0π2V V V rms ==a 2DV i R=a 2DV i R=-T 2 ON◆纯电阻负载时，电流i a 是与电压u an 同相的方波二极管的作用？2π3πtωtω◆输出电压的大小取决于直流电压，基波频率和相位取决于驱动脉冲的频率和相位1. T 1驱动导通，T 2关断，电流上升2. T 2驱动导通，T 1关断，电流下降a D d d 2ani V v L t ==D 1T 1D 2T 20.5V Dv ani aD 1先假定波形从90°起始T 1a D d d 2ani V v L t ==-C o2nC o1T 1T 2D 1D 2Lai aV D输出电压波形负载电流波形在π<wt <3π/2期间，T 1阻断，虽然T 2有驱动信号，但i a 为正值，正值i a 只能经过D 2回流到C 02π2π3π2π32πtωtωT 1 ON T 2 ON52π∑∞⋅⋅⋅=-=5,3,1n n nm1a )(sin φωt n nZ V i 22n )n (L R Z ω+=0.5V Dv anT oi aD 1T 1D 2T 2输出电压始终是180°方波。
逆变电路
基波的幅值Uo1m： U o1m
4U d 1.27U d
2 2U dLeabharlann 基波有效值Uo1： U o1
0.9U d
上述公式对半桥逆变电路同样适用，只是公式中的Ud要换成Ud/2
逆变电路的主要应用 处理各种直流电源：如把蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源变成交 流电源。 交流电机变频调速、不间断电源、感应加热电源等。
2
4.1 换流方式
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明：
P98
P98
S1~S4是桥式逆变电路的4个桥臂。 把直流电变成了交流电的原理： t1～t2期间：S1、S4闭合，S2、S3断开：负载电压uo为正(左正右负) t2～t3期间：S1、S4断开，S2、S3闭合：负载电压uo为负(左负右正) 改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 电阻负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，负载电流io相位滞后于负载电压uo的相位，两者波形也不同。
14
全桥逆变电路的移相调压方式
P102
前述对称交替驱动180°的全桥电路输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。下面用移相方式调节输 出电压。将V4、V3的驱动信号相对于V1、V2前移，驱动 脉冲宽度仍为180°。 工作过程 ①t1时刻前：V1和V4导通， uo=+Ud ②t1时刻：关断V4，驱动V3。但V3不能立刻导通。因负载电感 中的电流io不能突变，二极管VD3导通与V1构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-V1)，期间uo=0 ③t2时刻：使V1截止，驱动V2，但V2不能立刻导通。因负载电 流io尚未降到零，VD2导通续流， VD2与VD3构成通道续流 (续流回路：RL-VD3-电源-VD2)。期间uo=-Ud ④当负载电流io过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开 始导通，uo仍为-Ud ⑤t3时刻：关断V3，驱动 V4。但V4不能立刻导通，VD4导通续 流，uo再次为零。
第5章 DC-AC电路的仿真
对应a相，当usa>uc时， S1导通S4关断，当usa<uc 时，S1导通S4关断。 各相上下桥臂功率器件 导通互补。 载波比应为3的整数倍 且为奇数，这样每相波 形正负半周对称，且三 相波形也对称。 线电压基波幅值为
图5-31 三相SPWM逆变电路基本波形
第5章 DC-AC电路的仿真
第5章 DC-AC电路的仿真
第5章 DC-AC电路的仿真
单相方波逆变电路
三相方波逆变电路 单相双极SPWM逆变电路 三相PWM逆变电路
SPWM逆变电路
考虑死区时间的SPWM逆变电路
第5章 DC-AC电路的仿真
5.1 方波逆变电路
5.1.1 单相方波逆变电路
对输出电压u0进行傅里叶展开：
输出电压的谐波集中分布在
处，其中
载波频率的整数倍处的高次谐波不再存在。
三相的SPWM波的谐波分布有明显的“集簇”性。 值得考虑的最低次谐波为p-2次。 例5-6 建立三相SPWM全桥逆变电路，并仿真分析电路的工 作情况。
第5章 DC-AC电路的仿真
5.3.2 死区时间的影响
输出电压u0的基波峰值为：
其有效值为：
图5-1 单相方波逆变电路及其基本波形
第5章 DC-AC电路的仿真
5.1.2 三相方波逆变电路
利用傅里叶分析得a相电压和a、b间线电压瞬时值为：
线电压基波幅值为：
第5章 DC-AC电路的仿真
例5-2 完成三相方波逆变电路的仿真， 开关管选IGBT，直流电源530V，阻感 负载，负载有功功率1kW，感性无功 功率0.1kvar。
死区时间内，某相桥臂的工作状 态取决于两个续流二极管和该相 电流的方向。
图5-35 死区时间对逆变器输出的影响
电力电子技术基础课件：逆变电路
V2
VD1 VD2 VD1 VD2
逆变电路
4.2.1 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
t3-t4:t3时刻电流过零边负，V2导通，负载电 流反向增加，输出电压uo =-Ud/2；
t4-t5:t4时刻V2关断，给V1驱动信号，由于 阻感负载电流不能突变，此时电流通过VD1续流， 电流逐渐减小，输出电压uo =Ud/2；
通而变为零，则称为熄灭。
电力电子技术
第四章 逆变电路
4.2 单相逆变电路工作原理
4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 单相电流型逆变电路
逆变电路
电压型逆变电路的特点
1、直流侧为电压源或并联大电容，直流
侧电压基本无脉动。
+
2、由于直流电压源的钳位作用，输出电
压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不 Ud
单相电流型逆变电路
iT
i VT1,4
i VT2,3
Id 0
tγ
uo/io
t
0
t1
Id t2 t3 t4
t5
tφ
t6 t7
t
tδ tβ
电流型逆变电路波形图
逆变电路
单相电流型逆变电路
t2-t4阶段：t2时刻四个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个回路LT1、VT1 、VT3 、LT3 和 LT2、VT2 、VT4 、LT4 放电；t4时刻VT1、VT4的 电流减小到零关断，直流侧电流Id全部转移到 VT2和VT3支路，换流结束。 。
VD3 VD4
u G1
0
t
u G2
0
t
u G3
q
0
t
u G4
0
t
uo io
chapter4习题
DC-AC变换器（无源逆变电路）一、学习目的：通过本章的学习，学者可以了解逆变器的电路结构、分类、特点及主要性能指标；对三种基本变换方式——方波变换、阶梯波变换、正弦波变换，有一定的认识；可以理解采用各种变换方式的逆变器的工作原理；了解空间矢量PWM控制的基本原理。
二、主要内容：1、基本概念DC-AC变换器是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压（或电流），并向无源负载（如电机、电炉、或其它用电器等）供电的电力电子装置，又称为无源逆变电路，常简称作逆变器（Inverter）。
完成直流电压变换的逆变器称为电压型逆变器，而完成直流电流变换的逆变器则称为电流型逆变器。
2、变换方式的分类（1）方波变换方式逆变器的交流输出有两种基本调制方式：脉冲幅值调制（PAM－Pluse Amplitude Modulation）和单脉冲调制（SPM－Single Pluse Modulation）。
所谓脉冲幅值调制（PAM）是指：逆变器的输出频率可由180°方波或120°方波（如图4-3b 所示）的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由输出方波的幅值即逆变器直流侧电压（或电流）的幅值来控制。
显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角恒定（180°方波或120°方波）。
所谓的单脉冲调制（SPM）是指：逆变器的输出频率仍由方波的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由逆变器输出方波的导通角进行控制，即可使导通角在0°～180°范围调节。
显然，采用SPM控制方式时，逆变器输出方波的幅值即逆变器直流侧电压（或电流）的幅值恒定。
（2）阶梯波变换方式（3）斩控调制方式：是指逆变器输出的调制脉冲幅值固定不变，而逆变器中的功率管以一定的控制规律进行调制。
斩控调制方式主要有以下二类即：①脉冲宽度调制（PWM）；②脉冲频率调制（PFM）3、逆变器的分类（1）按直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器（VSI－Voltage Source Inverter）和电流型逆变器（CSI－Current Source Inverter）。
《单相方波电压逆变》PPT课件
0
u 01
t
P id i i1
ud Cd
T1 A
D 1 i0 ,u 0 R 0 L0
i2
i0
0
T2 D 2
Bp
1 自然换流
强制换流
p AC
p0
P DC
t
T4 D 4
T3 D3 0
t
N 全桥式电路结构
T
13
D 13
精选PPT
24 24
4-14
输出电压分析
u0
n
4n U dsint
(n1,3 ,)5,
相同。
a) uo
io
阻感负载时，io相位滞后 于uo，波形也不同。
t1 t2
t
b)
逆变电路及其波形举例
精选PPT 4-5
4.1.2 换流方式分类【阅读】
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断：
全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能 关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
精选PPT 4-16
例：单相桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V，负 载电阻10W，求
输出电压基波有效值； 输出功率； 功率管每管电流平均值； 总谐波失真度THD
U 01rm s4 U 2d0.9 U d0.9200180 V
U 0 U d2 0 0 V ,P 0 U 0 2/R 2 1 0 0 0 24 0 0 0 W
精选PPT
uG1
O
u G2 O
u G3 ? O
u G4 O
电力电子技术第4章-习题答案
第4章直流-交流变换器习题及答案第1部分:填空题1.把直流电变成交流电的电路称为_逆变电路_,当交流侧有电源时称为_有源逆变__,当交流侧无电源时称为_无源逆变__。
2.电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流,从大的方面,换流可以分为两类,即外部换流和_内部换流__,进一步划分,前者又包括_电网换流__和_负载换流___两种换流方式,后者包括_器件换流_和_强迫换流_两种换流方式。
适用于全控型器件的换流方式是_器件换流_。
3.逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类,当直流侧是电压源时,称此电路为_电压型逆变电路_,当直流侧为电流源时,称此电路为_电流型逆变电路_。
4.半桥逆变电路输出交流电压的幅值Um为__1/2___Ud ,全桥逆变电路输出交流电压的幅值Um为___1.0___Ud 。
5.单相全桥方波型逆变电路,180度导电角的控制方式下,改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d来实现,改变开关切换频率可改变输出交流电频率。
为防止同一桥臂的上下两个开关器件同时导通而引起直流侧电源短路,在开关控制上应采取先断后通的措施。
6.三相电压型逆变电路中,180度导电角的控制方式下,每个桥臂的导电角度为__180O______,各相开始导电的角度依次相差_120O__,在任一时刻,有___3___个桥臂导通。
7.电压型逆变电路一般采用_全控型_器件,换流方式为_器件换流____;电流型逆变电路中,较多采用__半控型__器件,换流方式有的采用 _强迫换流_,有的采用_负载换流__。
8.三相电流型逆变电路的基本工作方式是120度导电方式,按VT1到VT6的顺序每隔__60O_______依次导通,各桥臂之间换流采用 __横向_____换流方式,在任一时刻,有___3_____个桥臂导通。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 4.3 电压型逆变电路
0 2
2
(4.3.1)
输出电压瞬时值为:
uo
n 1, 3 , 5 ,
2U d n
s in nt
(4.3.2)
其中， 2f s 为输出电压角频率。
当 n=1时其基波分量的有效
值为:
U O1
2U d
2
0.45U d
(4.3.3)
图4.3.1 电压型半桥逆变电路及 其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
图4.3.1 电压型半桥逆变电路 及其电压电流波形
4.3.1 电压型单相半桥逆变电路
2、工作原理：
在一个周期内，电力晶体 管 周正T1和偏T，2的半基周极反信偏号，各且有互半补。
若负载为纯电阻，在[0,π] 期 T2通π2截间 ，]期止，T间1，T截1，则有止T驱，u20有动则=U驱信ud0动。号=-信在导Ud号[通π。导，, 动 信信 号若号 ，负截 由载止于为，感纯尽性电管负感载T，1有中T驱的2无动电驱 流i。不能立即改变方向，于 是 D1导通续流，u0=－Ud /2 。
3、特点： 优点： 简单，使用器件少；
缺点：
1）交流电压幅值仅为Ud/2； 2）直流侧需分压电容器； 3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC 滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次 谐波。 4、应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
电路工作原理：
(4.3.7)
图4.3.2 电压型单相全桥逆变 电路和电压、电流波形图
4.3.2 电压型单相全桥逆变电路
3）阻感负载RL
0≤ ωt ≤ θ期间，T1和T4有驱动信号， 由于电流i0为负值，T1和T4不导通，D1、
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0.45Ud，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电 压均衡。
应用：
用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电 路的组合。
4-11
单相电压型方波全桥逆变电路
2) 全桥逆变电路
共四个桥臂，可看成两个半桥 电路组合而成。
总谐波失真度THD
U 01rms
2U d
2
0.45Ud
0.45 200 90V
U0
Ud 2
100V , P0
U
2 0
/
R
1002 10
1000W
I0
U0 R
100 10
10A
IV
I0 2
5A
THD
U
2 0
U
2 01
0.52 0.452 48.4%
U 01
0.45
4-10
4.2.1 单相电压型方波逆变电路
量；VD1或VD2通时，io和 uo反向，电感中贮能向直
流侧反馈。VD1、VD2称 为反馈二极管,它又起着使
负载电流连续的作用，又
称续流二极管。
u
a)
o
Um
O
t
-Um
io
O
t3 t1 t2
t4
t5 t6
t
ON V1 V2 V1 V2
VD1 VD2 VD1 VD2 b)
单相半桥电压型逆变电路及其
工作波形
4-8
输出电压有效值
U0rms
2 T0
T0 2
0
Ud 2
2
dt
Ud 2
u0
a0 2
[an
n1
cos nt
bn
sin nt ]
a0 0, an 0
bn
1
0
U d 2
sin nt d
t
0
Ud 2
sin nt d
t
2U d
n
,n
1,3,5,K
输出电压u0
n1,3,5,L
2U d
n
sin nt
基波有效值
U 01rms
2U d
2
0.45Ud
输出电流
i0 n n1,3,5,K
2U d
R2 L
2
sin
nωt n
,
n
tg 1
n L
R
4-9
例：单相半桥逆变器电阻负载，输入直流电压200V， 负载电阻10W，求
输出电压基波有效值； 输出功率； 功率管每管电流平均值；
直流电 交流电
4-3
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
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。
电和u阻o的负波载形时相，同负，载相电位流也io
相同。
阻于u感o负，载波时形，也i不o相同位。滞后
a) uo
io
t1 t2
t
b)
逆变电路及其波形举例
4-4
4.1.2 换流方式分类【阅读】
4.2 电压型逆变电路
2）电压型逆变电路的特点
(3)阻感负载时 需提供无功功 率。为了给交 流侧向直流侧 反馈的无功能 量提供通道， 逆变桥各臂并 联反馈二极管。
(1)直流侧为电压源或 并联大电容，直流侧电 压基本无脉动。
(2)输出电压为交流方波，输出 电流因负载阻抗不同而不同。
电压型全桥逆变电路
Introduction
DC-to-ac converters are knows as inverters. The function of an inverter is to change a dc input voltage to a symmetric ac output voltage of desired magnitude and frequency. The output voltage could be fixed or variable frequency. A variable output voltage can be obtained by varying the input dc voltage and maintaining the gain of the inverter constant. On the other hand, if the dc input voltage is fixed and it is not controllable, a variable output voltage can be obtained by varying the gain of the inverter, which is normally accomplished by pulsewidth-modulation (PWM) control within the inverter.
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断：
全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能 关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
4-5
4.2 电压型逆变电路
4-1
4.1.1 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
S 1
io
负载SLeabharlann 3UdS2uo S4
io
t1 t2
t
a)
b)
逆变电路及其波形举例
4-2
4.1.1 逆变电路的基本工作原理
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。
两对桥臂交替导通180°。
输出电压合电流波形与半 桥电路形状相同，幅值高 出一倍。
改变输出交流电压的有效 值只能通过改变直流电压 Ud来实现。 重复频率和脉宽由控制极信 号决定，幅值由直流电源电 压决定。
4-12
单相方波逆变电路工作特点 臂内换流：电流在同一
导电桥臂内器件间转移。
4-7
4.2.1 单相电压型方波逆变电路
1）半桥逆变电路
期偏工V内，1作和两各原V半者2理栅周互极正补止信不偏，电实号能、输源际在瞬半出经因时一周电功功完周反压率率成管管，短关为路断防，
uo为矩形波，上幅下值管为交替导通间须
Um=Ud/2。 插入死区保证先关后
V1或V2通时，io和uo同开方
向，直流侧向负载提供能
1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质的不同
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
4-6