逆變器工作原理和控制技術-全解

1、現代電力電子及變流技術現代電力電子及變流技術第四章第四章 逆變器工作原理和控制技術逆變器工作原理和控制技術4.1 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(或交流源)。主要應用主要應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；交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分。4.1 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構成橋式電路；S1、S2構成一個橋臂， S3、S4構成另一個橋臂

2、，形成兩橋臂結構；具有降壓特性。4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理兩橋臂結構逆變電路工作原理兩橋臂結構逆變電路工作原理直流電交流電負載電壓負載電壓uo為正為正負載電壓負載電壓uo為負為負4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理兩橋臂結構逆變電路工作原理兩橋臂結構逆變電路工作原理a)b)tuoiot1t2同一橋臂的兩個開關管不能同時導通；改變開關切換周期，可改變輸出交流電頻率；電阻負載電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同；阻感負載阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。4.1 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直流側是電流源電流源4.1 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為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動無脈動；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管；4.2 單相逆變電路結構和工作原理單相逆變電路結構和工作原理半橋逆變電路結構半橋逆變電路結構電路簡單，使用器件少；輸出

4、交流電壓幅值為Ud/2，且直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡。應用應用用于幾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。4.2 單相逆變電路結構和工作原理單相逆變電路結構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，直流側向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋；VD1、VD

5、2稱為反饋二極管反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二續(xù)流二極管極管。4.2 單相逆變電路結構和工作原理單相逆變電路結構和工作原理全橋逆變電路結構全橋逆變電路結構四個開關管和四個續(xù)流二極管構成兩個橋臂，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；應用：單相逆變中應用廣泛應用：單相逆變中應用廣泛4.2 單相逆變電路結構和工作原理單相逆變電路結構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同一橋臂兩個開關器件不能同時導通；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 ；輸出電壓是正負各為寬度的脈沖；改變就可調節(jié)輸出電壓。4.2 單相逆變電路結構和工作原理單相逆變電路結構和工作原理推挽電路工作原理推挽電路工作原理交替驅動兩個IGBT，經變壓器耦合給負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；4.3 單相逆變器控制技術單相逆變器控制技術等效電路等效電路( )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調制過程產生。 為逆變橋輸出電壓的調制波分量，電力變換中控制技術的作用？回路電壓方程回路電壓方程 d( )( )( )doie tn tLu tt控制目標控制目標 sinouUt逆變器調制波逆變器調制波 ( )()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4.3 單相逆變器控制技術單相逆變器控制技術UUUU只需控制好逆變器的調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完全相等0，注：注：控制原理控制原理幅值調節(jié)幅值調節(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調節(jié)調節(jié) 110dUtpUieUe =U -UU = k e +ketU =U +U4.3 單相逆變器控制技術單相逆變器控制技術控制原理控制原理相位調節(jié)相位調節(jié) *0 sinout =Ut+相位控制目標，獲得逆變器輸出電壓的相位是關鍵 2sin2sinsind2txyt-T = R =t+t -tT由于 sinout =Ut+ ( )2sinsind2tot-Tu t =t -tTU4.3 單相逆變器控制技術單相逆變器控制技術是由基波電流在

9、電感L上由于 可以近似認為sin的電壓降造成的，則非常小，22sinsindtpi0=()=k e +kete-()控制原理控制原理4.3 單相逆變器控制技術單相逆變器控制技術逆變器調制波逆變器調制波 ( )()sine tUUt+110dUtpUiUe =U -UU = k e +ket22sinsindtpi0e-()()=k e +ket2cos1 sinsincossinsincost - tt=-=-能否進一步設計閉環(huán)控制以達到更好的性能？三相橋式逆變電路結構三相橋式逆變電路結構 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4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電

10、路結構和工作原理 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 負載線電壓負載線電壓 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu 負載相電壓負載相電壓UN VNWN NN 3 uuuu 負載中點電壓負載中點電壓負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0開關動作與輸出電壓關系開關動作與輸出電壓關系電壓基準點：電壓基準點：以電源中點以電源中點N為為0電平基準點。電平基準點。根據電路結構開關模式輸出電壓U相上開關管導通uUN=Ud/2U相下開關管導通uUN=-Ud/2V相上開關管導通uVN=Ud/2V相下開關管導通uVN=-Ud/2W相上開關管導通uWN=Ud/2W相

11、下開關管導通uWN=-Ud/24.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理基本工作方式基本工作方式180導電導電每橋臂導電180，即：在一個正弦周期中，每個橋臂上開關管開通半個周期；各橋臂上下開關管交替導通；各橋臂開始導電的角度差120 ；任一瞬間有三個橋臂同時導通；4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理波形分析波形分析tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3開關動作與輸出電壓關系開關動作與輸出電壓關系開關動作模式開關動作模式a、b、c UNWNWUWNVN

12、VWVNUNUVuuuuuuuuudUN VNWN NN 3 uuuue NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuf4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理直流電壓利用率直流電壓利用率4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構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 負載相電壓負載相電壓UN VNWN NN 3 uuuu 負載中點電壓負載中點電壓UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu改進改進SP

13、WM的技術的技術UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理SPWMUN0VNd0WNsinsin120sin2240Utuutut結論輸出電壓的幅值最大2DCUUN0VN0WdNsinsin2120sin240tuututU采用這種調制模式能解決實際問題嗎？ UN0dVN0WNsinsin1202sin240tuk UututUN0ddVN0WNsinsin12022sin240ktuUUuktukt 設計三次諧波注入法UNdVNWN1.15sin0.19sin321.15sin0.

14、19sin32341.15sin0.19sin33ttuUuttuttAN0BN0CdNsinsin120sin241.0152tuututUUNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu關鍵：關鍵：uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/24.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理改進改進SPWM的技術的技術結論：結論：直流電壓利用率提高 4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理改進改進SPWM的技術的技術uucr1uOturur1uOtur3疊加三次諧波 在相電壓調制信號中疊加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d1.152U4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理 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方式一種實現方式三相逆變器控制技術三相逆變器控制技術4.4 三相逆變電路結構和工作原理三相逆變電路結構和工作原理 典型應用：交流電機控制技術典型應用：交流電機控制技術4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構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構在三橋臂逆變電路的基礎上，如何提供零線電壓？在三橋臂逆變電路的基礎上，如何提供零線電壓？4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構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構三相四線制供電的三個半橋結構問題：問題：雖然利用電源中點提供了零線，但在三相負載不平衡時，流過零線的電流較大，對提供電源中點的電容產生較大壓力，嚴重限制了這一電路結構的應用，因此這一電路結構并沒有很好解決三相四線制供電。 4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構四橋臂逆變電路結構

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，并為負載不平衡時產生線電壓，并為負載不平衡時產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構增加了一個可控維度（自用度），為實現三相電壓比三橋臂結構增加了一個可控維度（自用度），為實現三相電壓的獨立調解提供了基礎；的獨立調解提供了基礎；具備了調解三相負載中點電壓的能力。為三相負載不平衡所產生具備了調解三相負載中點電壓的能力。為三相負載不平衡所產生的零序分量提供釋放通道。的零序分量提供釋放通道。4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構和工作原理 四橋臂逆變四橋臂逆變器等效電路器等效電路以O點為參考零電位，

18、回路電壓方程為 aaAGbbBGccCGabcfffffffdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtiiii4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理四橋臂逆變電路結構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為：控制目標為：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載中點G的電位uG為零，則各相完全獨立，實現解耦。 4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPW

19、M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系投影關系通過開關狀態(tài)合成矢量通過開關狀態(tài)合成矢量三相的耦合會解耦，能實現調制4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM四橋臂逆變器四橋臂逆變器4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM矢量空間矢量空間三個獨立電源三個獨立電源第四橋臂沒有從三相中獨立出來第四橋臂沒有從三相中獨立出來三維輸出電壓空間（三維輸出電壓空間（abc）問題問題三相的耦合能調制三相的耦合能調制 需要設計一個第四橋臂具需要設計一個第四橋臂具有獨立維度的三維空間有獨立維度的三維空間4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVP

20、WMabc空間中的開關狀態(tài)空間中的開關狀態(tài)4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM坐標變換坐標變換a1122b3322c123 0VVVVVClark變換變換abcAGBGCG()ffukuuuuuu解耦策略解耦策略kf取取1/3，負載電壓三相對稱，負載電壓三相對稱abc1()3fuuuua31b2231c2210111VVVVVV 1122a33b22111c2221203VVVVVV4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM空間中的開關狀態(tài)空間中的開關狀態(tài)abc空間中的開關狀態(tài)空間中的開關狀態(tài)坐標變換坐標變換4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM空間空間4.6 四橋臂逆變

21、器四橋臂逆變器3DSVPWM參考矢量參考矢量控制技術控制技術Vaf-ref、 Vbf-ref、 Vcf-ref1122a33b22111c2221203VVVVVVVr、 Vr、 Vr矢量如何通過開關狀態(tài)實現？4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM矢量分解機理矢量分解機理開關矢量的選擇開關矢量的選擇棱柱體的選擇；棱柱體的選擇；四面體的選擇。四面體的選擇。開關矢量工作時間的計算開關矢量工作時間的計算驅動波形生成驅動波形生成注：注： 開關矢量的選擇是確定參考矢量由哪三個開關矢量的選擇是確定參考矢量由哪三個相鄰非零矢量和零矢量組合。相鄰非零矢量和零矢量組合。4.6 四橋臂逆變器四橋臂逆變器3DSVPWM棱柱體的選擇棱柱體的選擇選取矢量的選取矢量的V、V 在二維平面選擇在二維平面選擇扇區(qū)扇區(qū)確定棱柱確定棱柱注：注： 每個棱柱有每個棱柱有6個非零矢量，個非零矢量，合成參考矢量只需合成參考矢量只需3個非零個非零矢量矢量四面體的選擇四面體的選擇棱柱棱柱的例子的例子-0+Vcf-0+Vbf-0+Vaf0 根據根據Vaf、Vbf、Vcf的的值判斷四面體值判斷四面體例：例： Vaf0、Vbf