第5章_逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案

1、現(xiàn)代電力電子及變流技術(shù)現(xiàn)代電力電子及變流技術(shù)第五章第五章 逆變器工作原理和控制技術(shù)逆變器工作原理和控制技術(shù)5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理逆變的概念逆變的概念將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程。無源逆變無源逆變把直流電逆變?yōu)槟骋活l率的交流電供給負(fù)載；有源逆變有源逆變把直流電逆變?yōu)榻涣麟姺此偷诫娋W(wǎng)(或交流源)。主要應(yīng)用主要應(yīng)用各種直流電源的能源使用，如蓄電池、干電池、太陽能電池等；交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分。5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理典型逆變電路典型逆變電路由S1S4構(gòu)成橋式電路；S1、S2構(gòu)成一個橋臂， S3、S4構(gòu)成另一個橋臂

2、，形成兩橋臂結(jié)構(gòu)；具有降壓特性。5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理直流電交流電負(fù)載電壓負(fù)載電壓uo為正為正負(fù)載電壓負(fù)載電壓uo為負(fù)為負(fù)5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理a)b)tuoiot1t2同一橋臂的兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通；改變開關(guān)切換周期，可改變輸出交流電頻率；電阻負(fù)載電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同；阻感負(fù)載阻感負(fù)載時，io相位滯后于uo，波形也不同。5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理逆變電路的分類逆變電路的分類 電壓型逆變電路又稱為

3、電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-VSTI直流側(cè)是電流源電流源5.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理電壓型逆變電路的特點電壓型逆變電路的特點直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動無脈動；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管；5.2 單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理半橋逆變電路結(jié)構(gòu)半橋逆變電路結(jié)構(gòu)電路簡單，使用器件少；輸出

4、交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用應(yīng)用用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。5.2 單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路工作原理ua)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2 ；V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋；VD1、VD

5、2稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二續(xù)流二極管極管。5.2 單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理全橋逆變電路結(jié)構(gòu)全橋逆變電路結(jié)構(gòu)四個開關(guān)管和四個續(xù)流二極管構(gòu)成兩個橋臂，可看成兩個半橋電路的組合；輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍；應(yīng)用：單相逆變中應(yīng)用廣泛應(yīng)用：單相逆變中應(yīng)用廣泛5.2 單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理全橋逆變電路工作原理全橋逆變電路工作原理tOtOtOtOtO V1V2V3V4uoi0t1t2t3iou0同一橋臂兩個開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通；V3的基極信號與V1相差（0180 ） ；V3、V4的柵極

6、信號分別比V2、V1的前移180 ；輸出電壓是正負(fù)各為寬度的脈沖；改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。5.2 單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理推挽電路工作原理推挽電路工作原理交替驅(qū)動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓；兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道；變壓器匝比為1:1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與半橋和全橋電路的比較：與半橋和全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件；比半橋電路電壓利用率高；器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍；5.3 單相逆變器控制技術(shù)單相逆變器控制技術(shù)等效電路等效電路( )ou ti( )e t( )n t為輸出

7、電壓， 為輸出電流，為逆變橋輸出電壓的諧波分量，主要由PWM調(diào)制過程產(chǎn)生。 為逆變橋輸出電壓的調(diào)制波分量，電力變換中控制技術(shù)的作用？回路電壓方程回路電壓方程 d( )( )( )doie tn tLu tt控制目標(biāo)控制目標(biāo) sinouUt逆變器調(diào)制波逆變器調(diào)制波 ( )()sine tUUt+逆變電壓逆變電壓 ( )( )()sine tn tUUt+ +n t*U*U其中為控制目標(biāo)幅值，為幅值控制量，為相位控制量。逆變器的輸出電壓逆變器的輸出電壓 ( )sinou tUt+LC濾波器濾除諧波5.3 單相逆變器控制技術(shù)單相逆變器控制技術(shù)UUUU只需控制好逆變器的調(diào)制波電壓的幅值和相位就能使逆變

8、電源輸出的電壓與控制目標(biāo)完全相等0，注：注：控制原理控制原理幅值調(diào)節(jié)幅值調(diào)節(jié) ( )d4tot TUu tt逆變器輸出電壓幅值逆變器輸出電壓幅值幅值幅值PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 110dUtpUieUe =U -UU = k e +ketU =U +U5.3 單相逆變器控制技術(shù)單相逆變器控制技術(shù)控制原理控制原理相位調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié) *0 sinout =Ut+相位控制目標(biāo)，獲得逆變器輸出電壓的相位是關(guān)鍵 2sin2sinsind2txyt-T = R =t+t -tT由于 sinout =Ut+ ( )2sinsind2tot-Tu t =t -tTU5.3 單相逆變器控制技術(shù)單相逆變器控制技術(shù)是由基波電流在

9、電感L上由于 可以近似認(rèn)為sin的電壓降造成的，則非常小，22sinsindtpi0=()=k e +kete-()控制原理控制原理5.3 單相逆變器控制技術(shù)單相逆變器控制技術(shù)逆變器調(diào)制波逆變器調(diào)制波 ( )()sine tUUt+110dUtpUiUe =U -UU = k e +ket22sinsindtpi0e-()()=k e +ket2cos1 sinsincossinsincost - tt=-=-能否進(jìn)一步設(shè)計閉環(huán)控制以達(dá)到更好的性能？三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu) 三個單相逆變電路可組合成一個三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電

10、路結(jié)構(gòu)和工作原理 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 負(fù)載線電壓負(fù)載線電壓 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu 負(fù)載相電壓負(fù)載相電壓UN VNWN NN 3 uuuu 負(fù)載中點電壓負(fù)載中點電壓負(fù)載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系電壓基準(zhǔn)點：電壓基準(zhǔn)點：以電源中點以電源中點N為為0電平基準(zhǔn)點。電平基準(zhǔn)點。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)開關(guān)模式輸出電壓U相上開關(guān)管導(dǎo)通uUN=Ud/2U相下開關(guān)管導(dǎo)通uUN=-Ud/2V相上開關(guān)管導(dǎo)通uVN=Ud/2V相下開關(guān)管導(dǎo)通uVN=-Ud/2W相上開關(guān)管導(dǎo)通uWN=Ud/2W相

11、下開關(guān)管導(dǎo)通uWN=-Ud/25.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理基本工作方式基本工作方式180導(dǎo)電導(dǎo)電每橋臂導(dǎo)電180，即：在一個正弦周期中，每個橋臂上開關(guān)管開通半個周期；各橋臂上下開關(guān)管交替導(dǎo)通；各橋臂開始導(dǎo)電的角度差120 ；任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通；5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理波形分析波形分析tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系開關(guān)動作模式開關(guān)動作模式a、b、c UNWNWUWNVN

12、VWVNUNUVuuuuuuuuudUN VNWN NN 3 uuuue NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuf5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理直流電壓利用率直流電壓利用率5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu 負(fù)載相電壓負(fù)載相電壓UN VNWN NN 3 uuuu 負(fù)載中點電壓負(fù)載中點電壓UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu改進(jìn)改進(jìn)SP

13、WM的技術(shù)的技術(shù)UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理SPWMUN0VNd0WNsinsin120sin2240Utuutut結(jié)論輸出電壓的幅值最大2DCUUN0VN0WdNsinsin2120sin240tuututU采用這種調(diào)制模式能解決實際問題嗎？ UN0dVN0WNsinsin1202sin240tuk UututUN0ddVN0WNsinsin12022sin240ktuUUuktukt 設(shè)計三次諧波注入法UNdVNWN1.15sin0.19sin321.15sin0.

14、19sin32341.15sin0.19sin33ttuUuttuttAN0BN0CdNsinsin120sin241.0152tuututUUNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu關(guān)鍵：關(guān)鍵：uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/25.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理改進(jìn)改進(jìn)SPWM的技術(shù)的技術(shù)結(jié)論：結(jié)論：直流電壓利用率提高 5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理改進(jìn)改進(jìn)SPWM的技術(shù)的技術(shù)uucr1uOturur1uOtur3疊加三次諧波 在相電壓調(diào)制信號中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，

15、輸出相電壓中也含3次諧波，合成線電壓時，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。SVPWM的情況的情況d1.152U5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理 SVPWMSVPWM是注入所是注入所有有3 3倍次諧波的倍次諧波的一種實現(xiàn)方式一種實現(xiàn)方式三相逆變器控制技術(shù)三相逆變器控制技術(shù)5.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理 典型應(yīng)用：交流電機控制技術(shù)典型應(yīng)用：交流電機控制技術(shù)5.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理新能源的開發(fā)分布式供

16、電系統(tǒng)研究高精度三相四線制供電結(jié)構(gòu)在三橋臂逆變電路的基礎(chǔ)上，如何提供零線電壓？在三橋臂逆變電路的基礎(chǔ)上，如何提供零線電壓？5.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理最樸素的想法最樸素的想法以直流電壓中點為零線以直流電壓中點為零線三相四線制供電的三個半橋結(jié)構(gòu)三相四線制供電的三個半橋結(jié)構(gòu)問題：問題：雖然利用電源中點提供了零線，但在三相負(fù)載不平衡時，流過零線的電流較大，對提供電源中點的電容產(chǎn)生較大壓力，嚴(yán)重限制了這一電路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，因此這一電路結(jié)構(gòu)并沒有很好解決三相四線制供電。 5.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)

17、 增加一個橋臂用以直接控制零增加一個橋臂用以直接控制零線電壓，并為負(fù)載不平衡時產(chǎn)生線電壓，并為負(fù)載不平衡時產(chǎn)生的零線電流提供通路。的零線電流提供通路。特點特點比三橋臂結(jié)構(gòu)增加了一個可控維度（自用度），為實現(xiàn)三相電壓比三橋臂結(jié)構(gòu)增加了一個可控維度（自用度），為實現(xiàn)三相電壓的獨立調(diào)解提供了基礎(chǔ)；的獨立調(diào)解提供了基礎(chǔ)；具備了調(diào)解三相負(fù)載中點電壓的能力。為三相負(fù)載不平衡所產(chǎn)生具備了調(diào)解三相負(fù)載中點電壓的能力。為三相負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的零序分量提供釋放通道。的零序分量提供釋放通道。5.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理 四橋臂逆變四橋臂逆變器等效電路器等效電路以O(shè)點為參考零電位，

18、回路電壓方程為 aaAGbbBGccCGabcfffffffdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtiiii5.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變器控制原理四橋臂逆變器控制原理控制目標(biāo)為：控制目標(biāo)為：通過控制壓控電壓源ua、ub、uc使輸出電壓uAG、uBG、uCG三相對稱且幅值為額定值aaAGbbBGccCG()()()()pppffhukuuukuuukuuukuuabchuuuuAGBGCGuuuu控制策略控制策略控制負(fù)載中點G的電位uG為零，則各相完全獨立，實現(xiàn)解耦。 5.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM回憶三橋臂的回憶三橋臂的SVPWM三維橋臂空間三維橋臂空間兩維輸出電壓空間兩維輸出電壓空間投影關(guān)系投影關(guān)系通過開關(guān)狀態(tài)合成矢量通過開關(guān)狀態(tài)合成矢量三相的耦合會解