逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案課件

現(xiàn)代電力電子及變流技術(shù)第四章

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)-教案第四章逆變器工作原理和控制技術(shù)4.1逆變電路的基本原理

4.2單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

4.3單相逆變器控制技術(shù)

4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

4.5四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

4.6四橋臂逆變器3DSVPWM逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理逆變的概念將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程。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——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(jī)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。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理典型逆變電路由S1~S4構(gòu)成橋式電路；S1、S2構(gòu)成一個(gè)橋臂，S3、S4構(gòu)成另一個(gè)橋臂，形成兩橋臂結(jié)構(gòu)；具有降壓特性。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理直流電交流電負(fù)載電壓uo為正負(fù)載電壓uo為負(fù)逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理兩橋臂結(jié)構(gòu)逆變電路工作原理a)b)tuoiot1t2同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)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)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同；阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理逆變電路的分類電壓型逆變電路——又稱為電壓源型逆變電路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電壓源電流型逆變電路——又稱為電流源型逆變電路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流側(cè)是電流源逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.1逆變電路的基本原理電壓型逆變電路的特點(diǎn)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；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；逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.2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)電路簡單，使用器件少；輸出交流電壓幅值為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(gè)半橋逆變電路的組合。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.2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(bǔ)，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2

；V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋；VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.2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)四個(gè)開關(guān)管和四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成兩個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)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)用廣泛逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.2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tOtOtOtOtO

V1V2V3V4uoi0t1t2t3iou0同一橋臂兩個(gè)開關(guān)器件不能同時(shí)導(dǎo)通；V3的基極信號與V1相差

（0＜

＜180）；V3、V4的柵極信號分別比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。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.2單相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理推挽電路工作原理交替驅(qū)動兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓；兩個(gè)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(shí)，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：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；逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.3單相逆變器控制技術(shù)等效電路為輸出電壓，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？逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案回路電壓方程

控制目標(biāo)逆變器調(diào)制波

逆變電壓

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

LC濾波器濾除諧波4.3單相逆變器控制技術(shù)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電源輸出的電壓與控制目標(biāo)完全相等，注：逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案控制原理——幅值調(diào)節(jié)

逆變器輸出電壓幅值幅值PI調(diào)節(jié)4.3單相逆變器控制技術(shù)逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案控制原理——相位調(diào)節(jié)

相位控制目標(biāo)，獲得逆變器輸出電壓的相位是關(guān)鍵由于

4.3單相逆變器控制技術(shù)是由基波電流在電感L上由于可以近似認(rèn)為的電壓降造成的，則非常小，逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案控制原理4.3單相逆變器控制技術(shù)逆變器調(diào)制波

能否進(jìn)一步設(shè)計(jì)閉環(huán)控制以達(dá)到更好的性能？逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)

三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相橋式逆變電路4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

負(fù)載線電壓

負(fù)載相電壓

負(fù)載中點(diǎn)電壓負(fù)載三相對稱時(shí)有uUN+uVN+uWN=0逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系電壓基準(zhǔn)點(diǎn)：以電源中點(diǎn)N’為0電平基準(zhǔn)點(diǎn)。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相下開關(guān)管導(dǎo)通uWN’=-Ud/24.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案基本工作方式——180°導(dǎo)電每橋臂導(dǎo)電180°，即：在一個(gè)正弦周期中，每個(gè)橋臂上開關(guān)管開通半個(gè)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(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通；4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案波形分析tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3開關(guān)動作與輸出電壓關(guān)系開關(guān)動作模式a、b、cdef4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案直流電壓利用率4.4三相逆變電路結(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。

負(fù)載相電壓

負(fù)載中點(diǎn)電壓改進(jìn)SPWM的技術(shù)逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理SPWM結(jié)論輸出電壓的幅值最大采用這種調(diào)制模式能解決實(shí)際問題嗎？逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案設(shè)計(jì)三次諧波注入法關(guān)鍵：uUN’、uVN’、

uWN’的幅值小于Ud/24.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理改進(jìn)SPWM的技術(shù)結(jié)論：直流電壓利用率提高逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理改進(jìn)SPWM的技術(shù)uucr1uOwturur1uOwtur3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，輸出相電壓中也含3次諧波，合成線電壓時(shí)，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。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案SVPWM的情況4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

SVPWM是注入所有3倍次諧波的一種實(shí)現(xiàn)方式逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案三相逆變器控制技術(shù)4.4三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

典型應(yīng)用：交流電機(jī)控制技術(shù)逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.5四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理為什么研究四橋臂電路結(jié)構(gòu)？新能源的開發(fā)分布式供電系統(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？逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.5四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理最樸素的想法以直流電壓中點(diǎn)為零線三相四線制供電的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)問題：雖然利用電源中點(diǎn)提供了零線，但在三相負(fù)載不平衡時(shí)，流過零線的電流較大，對提供電源中點(diǎn)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。

逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.5四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)

增加一個(gè)橋臂用以直接控制零線電壓，并為負(fù)載不平衡時(shí)產(chǎn)生的零線電流提供通路。特點(diǎn)比三橋臂結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)可控維度（自用度），為實(shí)現(xiàn)三相電壓的獨(dú)立調(diào)解提供了基礎(chǔ)；具備了調(diào)解三相負(fù)載中點(diǎn)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。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.5四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理

四橋臂逆變器等效電路以O(shè)點(diǎn)為參考零電位，回路電壓方程為逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.5四橋臂逆變電路結(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控制策略控制負(fù)載中點(diǎn)G的電位uG為零，則各相完全獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)解耦。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM回憶三橋臂的SVPWM三維橋臂空間兩維輸出電壓空間投影關(guān)系通過開關(guān)狀態(tài)合成矢量三相的耦合會解耦，能實(shí)現(xiàn)調(diào)制逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM四橋臂逆變器逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM矢量空間三個(gè)獨(dú)立電源第四橋臂沒有從三相中獨(dú)立出來三維輸出電壓空間（abc）問題三相的耦合能調(diào)制

需要設(shè)計(jì)一個(gè)第四橋臂具有獨(dú)立維度的三維空間逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWMabc空間中的開關(guān)狀態(tài)逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM坐標(biāo)變換Clark變換解耦策略kf取1/3，負(fù)載電壓三相對稱逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWMαβγ空間中的開關(guān)狀態(tài)abc空間中的開關(guān)狀態(tài)坐標(biāo)變換逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWMαβγ空間逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM參考矢量控制技術(shù)Vaf-ref、Vbf-ref、

Vcf-refVαr、Vβr、

Vγr矢量如何通過開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)？逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM矢量分解機(jī)理開關(guān)矢量的選擇——棱柱體的選擇；——四面體的選擇。開關(guān)矢量工作時(shí)間的計(jì)算驅(qū)動波形生成注：

開關(guān)矢量的選擇是確定參考矢量由哪三個(gè)相鄰非零矢量和零矢量組合。逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案4.6四橋臂逆變器3DSVPWM棱柱體的選擇選取矢量的Vα、Vβ

在二維平面選擇扇區(qū)確定棱柱注：

每個(gè)棱柱有6個(gè)非零矢量，合成參考矢量只需3個(gè)非零矢量逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案四面體的選擇—棱柱Ⅰ的例子-0+Vcf-0+Vbf-0+Vaf<0=0>0

根據(jù)Vaf、Vbf、Vcf的值判斷四面體例：

Vaf≥0、Vbf≤0、Vcf≤0時(shí)，根據(jù)不矛盾原則，只能選擇四面體14.6四橋臂逆變器3DSVPW