逆變器的工作原理和控制技術(shù)-全解.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 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(jiǎn)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(hào)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(hào)與V1相差 0 180 V3 V4的柵極信號(hào)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(duì)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(hào) 也可疊加直流分量 都不會(huì)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(duì)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(duì)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(huì)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 V r V r V r 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 Vaf 0 Vbf 0 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 V0 p