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1、逆变电源技术,第二章多重叠加式与阶梯波逆变器,多重叠加法的基本原理是，把两个以上完全相同的方波，按一定的相位差叠加起来，使它们的低次谐波相位差180而相互抵消，以得到谐波含量较少的准正弦阶梯波。多重叠加法又分为等幅叠加和变幅叠加，从改善输出量波形的角度看，后者比前者效果好。,2.1 电压型逆变器的多重叠加,直流侧连接有电容器输出电压总是由直流侧电容钳位成方波可以脉幅调制PAM法和脉宽调制PWM法控制输出电压,直流侧连接有电抗器输出电流总是由直流侧电抗器稳流成方波可以脉幅调制PAM法和脉宽调制PWM法控制输出电流,2.1.1 电压型与电流型逆变器的输出量调制法和脉冲数,2.1.2 多重叠加的原理
2、,所谓多重叠加，就是对几个输出电压为方波的相同逆变器，使它们依次错开相同的相位角，然后把它们叠加起来形成接近于正弦波的阶梯波输出，从而消除某些低次谐波的一种幅值调制波形改善法，多重叠加是手段，消除某些低次谐波是目的。,假定把两个相同的输出电压脉宽为180 方波的逆变器输出电压u1和u2错开一定的相位角，然后通过输出变压器次级绕组进行串联叠加，就能合成出消除某种n次谐波的一阶阶梯波，通常要消除的是最低次谐波，即3，5，7次谐波。因为低次谐波的含量最多，危害也最大。,消除某种低次谐波的叠加法,这样，多重叠加法把N个输出电压为方波的逆变器，按照一定的相位差叠加起来，使它们所含的某些低次谐波互相抵消，
3、就可以得到更接近于正弦波的合成多阶阶梯波。多重叠加法所用的方波必须是频率相同，波形也相同的方波，也就是说，只有频率和波形都相同（幅值可以不同）的叠加才能叫“多重叠加”，否则就不能称为“多重叠加”。,将N个单相方波逆变器的输出变压器的次级，按照右图所示的方式串联起来，就组成了单相串联多重叠加式逆变器，如果N个单相方波逆变器用的都是桥式逆变电路，则此单相串联多重叠加式逆变器既能改善输出电压波形，也能调节输出电压。,2.1.2 单相串联多重叠加式逆变器,左图为单台桥式逆变器，桥左侧的T1，T2是一个简单的方波逆变器；桥的右侧的T3，T4是另一个简单的方波逆变器，这两个简单的方波逆变器的输出电压为ua
4、o和ubo，是脉宽不可调的方波，而两桥臂中点a和b之间的电压uab，则是两方波电压的叠加,两个单相桥式逆变器的串联叠加,左图是采用三个有脉宽调制的单相桥式逆变器叠加合成的单相多重叠加逆变器电路及波形图三个单相桥式逆变器的初始相位角依次移开45度，逆变桥1和3的输出电压幅值相等，而逆变桥2的输出电压幅值是逆变桥1和3的sqr（2）。,三个单相桥式逆变器的串联叠加,N个单相逆变桥依次移开/N相位角，通过输出变压器次级绕组既可以串联叠加出三相对称电压，又可以消除某些谐波，其原理就是按下面将介绍的多重叠加的谐波分组特性和余弦规律进行的.,2.1.4 三相串联不等幅多重叠加的分组特性和余弦规律,1 多重
5、叠加法的谐波分组特性,(a)使N个单相逆变桥之间依次滞后（或超前）/N相位角，即(b)以合成的相电压uA的向量为准，对称地配置N个单相逆变桥，即,由于多重叠加是通过变压器进行的，因此在想要消除2kN1，或2kN1及零序谐波以外的谐波求变压器变比Ai时是比较省事的。如果当N已知，按照谐波分组特性想要消除某组或某些组谐波时，只要按照法则上消除某组或某些组谐波中的任意一种谐波求变比Ai就行了。为了便于记忆，我们把此法称作“消除法”。无论用消除法消去哪些组谐波，在不能消除的2kN1组谐波中总是存在正序与逆序谐波，而且是按顺序相间出现的。,（1）方波电压个数为奇数的叠加,（2）方波电压个数为偶数的叠加,
6、用6个单相桥式逆变器实现5个方波电压的叠加用6个单相桥式逆变器实现4个方波电压的叠加用6个单相桥式逆变器实现3个方波电压的叠加用9个单相桥式逆变器实现5个方波电压的叠加,2.1.5 利用分组特性计算的应用实例,多重叠加阶梯波的n次谐波消除条件,多重分组特性的叠加法则,(a)使N个单相逆变桥之间依次滞后（或超前）/N相位角，即(b)以合成的相电压uA的向量为准，对称地配置N个单相逆变桥，即,N=6时叠加合成相电压的谐波组分布情况,用6个单相桥式逆变器实现5个方波电压的叠加,6个单相桥式逆变器实现5个方波电压的电压计算,用6个单相桥式逆变器实现4个方波电压的叠加,6个单相桥式逆变器实现4个方波电压
7、的电压计算,用6个单相桥式逆变器实现3个方波电压的叠加,6个单相桥式逆变器实现3个方波电压的电压计算,N=9时叠加合成相电压的谐波组分布情况,用9个单相桥式逆变器实现5个方波电压的叠加,9个单相桥式逆变器实现5个方波电压的电压计算,N=6的6个方波电压的叠加N=8的8个方波电压的叠加,2.1.6 利用余弦规律设计和计算的应用实例,方波电压个数为奇数的叠加,方波电压个数为偶数的叠加,多重叠加的余弦规律法,N=6的6个方波电压的叠加,N=8的8个方波电压的叠加,利用多重叠加法的分组特性和余弦规律，对N等于任意数的多重叠加法都可以进行计算。但是应用的最多的是N=6和N=9的叠加。N=6与N=9的方案
8、相比较，N=6比N=9的方案节省材料费16%，增加可靠性24%，同时分配损耗率也低，因此应用较多。,2.1.7 N=6和N=9的各种叠加方式,N=6即6个单相桥式逆变器叠加方式,N=9即9个单相桥式逆变器叠加方式,对称三相电压合成的条件,利用N个单相桥式逆变器进行多重叠加的目的有两个：一是消除某些谐波使输出电压波形正弦化；二是要得到三相对称电压输出。所谓三相对称电压指的是：三相电压彼此之间的相位差在任何瞬间都等于120；三相电压的瞬时值（或向量）之和在任何瞬间都等于零。,三相逆变器的多重叠加相当于N等于3的整倍数的单相逆变器进行多重叠加，可以叠加合成出绝对对称的三相对称电压，能够保证三相输出电
9、压的瞬时值（或向量）之和在任何瞬时都等于零。可以很方便地采用传统的三相变压器进行多重叠加，使输出变压器的体积重量大大减小，成本也显著降低。可以利用三相变压器的/Y接线方式消除零序谐波。,2.1.8 采用三相逆变器的多重叠加,N取不同值时的谐波含量、全电流有效值、力矩脉动和换向浪涌电压的值,1.N=2的普通三相方波逆变器的叠加应用实例,2.N=3的普通三相方波逆变器的叠加应用实例,3.4个三相SCR逆变器用多重叠加法构成的UPS电源,4.常用的多重叠加方式,2.1.9 多重叠加法的控制电路,2.1.10 并联三相多重叠加式逆变器,并联三相多重叠加逆变器,1.中心抽头电抗器式,2.并联多重变压器式
10、单相多重叠加,3.并联多重变压器式三相多重叠加逆变器,2.1.11 采用一个并联多重变压器的三相多重叠加式逆变器,2.1.12 电压型三相逆变器的串联多重和并联多重联接方式,1.串联多重联接方式,2.并联多重联接方式,2.2 电流型逆变器的多重叠加,单相直接并联多重叠加两个三相电流型逆变器的多重叠加直接并联输出N多重叠加输出电流通用基波与n次谐波的幅值表达式三个电流型逆变器的直接并联N=3的多重叠加四个电流型逆变器的直接并联N=4的多重叠加,2.2.1 直接并联多重叠加,1.单相直接并联多重叠加,2.两个三相电流型逆变器的多重叠加,3.直接并联输出N多重叠加输出电流通用基波与n次谐波的幅值表达
11、式,4.三个电流型逆变器的直接并联N=3的多重叠加,5.四个电流型逆变器的直接并联N=4的多重叠加,2.2.2 通过输出变压器的多重叠加,1.两个三相电流型逆变器的多重叠加,2.三个三相电流型逆变器通过变压器进行N=3的多重叠加,2.2.3 由电流型逆变器直接并联叠加与通过变压器叠加的比较及其特性,直接并联叠加的优点是电路简单，造价低，其缺点是：（1）各个逆变器的输出功率因数不同，对于同一电流，各整流器必须设置各自的电流控制回路，相位控制回路和脉冲放大器。（2）由于在输出侧各逆变器之间不绝缘，所以必须将输入变压器的次级绕组分开隔离，以防止产生环流。（3）不能利用幅值的变化改善波形，只能利用相位变化改善波形，所以改善波形的效果差。,采用变压器叠加方式的优点是：（1）可以利用幅值的变化和相位的变化来改善波形的效果好。（2）前面介绍的串联多重叠加的原理可以通用。（3）各个逆变器的输出功率因数相同。（4）输出侧各逆变器之间相互绝缘。其缺点是电路复杂，造价高。,
