逆變器工作原理和控制技術(shù)-教案.ppt

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),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,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。,4.1 逆變電路的基本原理,典型逆變電路,由S1S4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。,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,負(fù)載電壓uo為正,負(fù)載電壓uo為負(fù),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,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。,4.1 逆變電路的基本原理,逆變電路的分類,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(dòng)； 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；,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。,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,V1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。,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,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,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（0180 ） ； 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。,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(dòng)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；,4.3 單相逆變器控制技術(shù),等效電路,電力變換中控制技術(shù)的作用？,4.3 單相逆變器控制技術(shù),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),控制原理相位調(diào)節(jié),4.3 單相逆變器控制技術(shù),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？,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,開關(guān)動(dòng)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)。,4.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理,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,波形分析,4.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理,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),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？,設(shè)計(jì),三次諧波注入法,關(guān)鍵： uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/2,4.4 三相逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理,改進(jìn)SPWM的技術(shù),結(jié)論： 直流電壓利用率提高,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),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,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,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),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)？,4.5 四橋臂逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理,最樸素的想法,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。,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),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,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,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,回憶三橋臂的SVPWM,三相的耦合會解耦，能實(shí)現(xiàn)調(diào)制,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,四橋臂逆變器,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,矢量空間,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,abc空間中的開關(guān)狀態(tài),4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,坐標(biāo)變換,Clark變換,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,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,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,空間,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,參考矢量,控制技術(shù),Vaf-ref、 Vbf-ref、 Vcf-ref,Vr、 Vr、 Vr,矢量如何通過開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)？,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(dòng)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。,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,棱柱體的選擇,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,四面體的選擇 棱柱的例子,例： Vaf0、Vbf0、Vcf 0時(shí)，根據(jù)不矛盾原則，只能選擇四面體1,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,開關(guān)矢量工作時(shí)間的計(jì)算棱柱四面體為例,取V1=pnnn， V2=pnnp， V3=ppnp，