单相-三相逆变器工作原理及控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,CHENLI,*,现代电力电子及变流技术,第五章,逆变器工作原理和控制技术,1,第五章 逆变器工作原理和控制技术,5.1 逆变电路的基本原理,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,5.3 单相逆变器控制技术,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,2,5.1 逆变电路的基本原理,逆变的概念,将直流电转换为交流电的过程。,无源逆变,把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载；,有源逆变,把直流电逆变为交流电反送到电网,(,或交流源,),。,主要应用,各种直流电源的能源使用，如蓄电池、干电池、太阳能电池等；,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分。,3,5.1 逆变电路的基本原理,典型逆变电路,由,S,1,S,4,构成桥式电路；,S,1,、,S,2,构成一个桥臂，,S,3,、,S,4,构成另一个桥臂，形成两桥臂结构；,具有降压特性。,4,5.1 逆变电路的基本原理,两桥臂结构逆变电路工作原理,直流电,交流电,负载电压,u,o,为正,负载电压,u,o,为负,5,5.1 逆变电路的基本原理,两桥臂结构逆变电路工作原理,a),b),t,u,o,i,o,t,1,t,2,同一桥臂的两个开关管不能同时导通；,改变开关切换周期，可改变输出交流电频率；,电阻负载,时，负载电流,i,o,和,u,o,的波形相同，相位也相同；,阻感负载,时，,i,o,相位滞后于,u,o,，波形也不同。,6,5.1 逆变电路的基本原理,逆变电路的分类,电压型逆变电路,又称为电压源型逆变电路,Voltage Source Type Inverter-,VSTI,直流侧是,电压源,电流型逆变电路,又称为电流源型逆变电路,Current Source Type Inverter-,VSTI,直流侧是,电流源,7,5.1 逆变电路的基本原理,电压型逆变电路的特点,直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本,无脉动,；,输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；,为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管,；,8,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,半桥逆变电路结构,电路简单，使用器件少,；,输出交流电压幅值为,U,d,/2,，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。,应用,用于几,kW,以下的小功率逆变电源。,单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。,9,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,半桥逆变电路工作原理,u,a),t,t,O,O,ON,b),o,U,m,-,U,m,i,o,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,V,1,V,2,V,1,V,2,VD,1,VD,2,VD,1,VD,2,V,1,和,V,2,栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压,u,o,为矩形波，幅值为,U,m=,U,d/2,；,V,1,或,V,2,通时，,i,o,和,u,o,同方向，直流侧向负载提供能量；,VD,1,或,VD,2,通时，,i,o,和,u,o,反向，电感中贮能向直流侧反馈；,VD,1,、,VD,2,称为,反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称,续流二极管,。,10,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,全桥逆变电路结构,四个开关管和四个续流二极管构成两个桥臂，可看成两个半桥电路的组合；,输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍；,应用：单相逆变中应用广泛,11,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,全桥逆变电路工作原理,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,V1,V2,V3,V4,u,o,i,0,t,1,t,2,t,3,i,o,u,0,同一桥臂两个开关器件不能同时导通；,V,3,的基极信号与,V,1,相差,（,0,180,）；,V,3,、,V,4,的栅极信号分别比,V,2,、,V,1,的前移,180,；,输出电压是正负各为,宽度,的脉冲；,改变,就可调节输出电压。,12,5.2 单相逆变电路结构和工作原理,推挽电路工作原理,交替驱动两个,IGBT,，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压,；,两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道,；,变压器匝比为,1:1,时，,u,o,和,i,o,波形及幅值与全桥逆变电路完全相同,。,与半桥和全桥电路的比较：,比全桥电路少用一半开关器件,；,比,半桥电路电压利用率高；,器件承受的电压为,2,U,d,，比全桥电路高 一倍,；,13,14,5.3 单相逆变器控制技术,等效电路,为输出电压，,为输出电流，,为逆变桥输出电压的谐波分量，,主要由,PWM,调制过程产生。,为逆变桥输出电压的调制波分量，,电力变换中控制技术的作用？,15,回路电压方程,控制目标,逆变器调制波,逆变电压,其中,为控制目标幅值，,为幅值控制量，,为相位控制量。,逆变器的输出电压,LC,滤波器滤除谐波,5.3 单相逆变器控制技术,只需控制好逆变器的调制波电压的幅值,和相位,就能使逆变电源输出的电压与控制目标完全相等,，,注：,16,控制原理幅值调节,逆变器输出电压幅值,幅值PI调节,5.3 单相逆变器控制技术,17,控制原理相位调节,相位,控制目标,，,获得逆变器输出电压,的相位,是关键,由于,5.3 单相逆变器控制技术,是由基波电流在电感,L,上,由于,可以近似认为,的电压降造成的，则,非常小，,18,控制原理,5.3 单相逆变器控制技术,逆变器调制波,能否进一步设计闭环控制以达到更好的性能？,19,三相桥式逆变电路结构,三个单相逆变电路可组合成一个,三相桥式逆变电路,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,负载线电压,负载相电压,负载中点电压,负载三相对称时有,u,UN,+,u,VN,+,u,WN,=0,20,开关动作与输出电压关系,电压基准点：,以电源中点N为0电平基准点。,根据电路结构,开关模式,输出电压,U相上开关管导通,u,UN,=,U,d,/2,U相下开关管导通,u,UN,=,-,U,d,/2,V相上开关管导通,u,VN,=,U,d,/2,V相下开关管导通,u,VN,=,-,U,d,/2,W相上开关管导通,u,WN,=,U,d,/2,W相下开关管导通,u,WN,=,-,U,d,/2,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,21,基本工作方式180,导电,每桥臂导电,180,，即：在一个正弦周期中，每个桥臂上开关管开通半个周期；,各桥臂上下开关管交替导通；,各桥臂开始导电的角度差,120,；,任一瞬间有三个桥臂同时导通；,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,22,波形分析,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,t,O,a),b),c),d),e),f),g),h),u,UN,u,UN,u,UV,i,U,i,d,u,VN,u,WN,u,NN,U,d,U,d,2,U,d,3,U,d,6,2,U,d,3,开关动作与输出电压关系,开关动作模式,a、b、c,d,e,f,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,23,24,直流电压利用率,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,逆变电路输出交流电压基波最大幅值,U,1m,和直流电压,U,d,之比。,负载相电压,负载中点电压,改进SPWM的技术,25,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,SPWM,结论,输出电压的幅值最大,采用这种调制模式能解决实际问题吗？,26,设计,三次谐波注入法,关键：,u,UN,、,u,VN,、,u,WN,的幅值小于,U,d,/2,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,改进SPWM的技术,结论：,直流电压利用率提高,27,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,改进SPWM的技术,u,u,c,r1,u,O,w,tu,r,u,r1,u,O,w,t,u,r3,叠加三次谐波,在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。,鞍形波的基波分量幅值大。,除叠加,3,次谐波外，还可叠加其他,3,倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。,28,SVPWM的情况,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,SVPWM是注入所有3倍次谐波的一种实现方式,29,三相逆变器控制技术,5.4 三相逆变电路结构和工作原理,典型应用：交流电机控制技术,30,31,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,为什么研究四桥臂电路结构？,新能源的开发,分布式供电系统研究,高精度三相四线制供电结构,在三桥臂逆变电路的基础上，如何提供零线电压？,32,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,最朴素的想法,以直流电压中点为零线,三相四线制供电的三个半桥结构,问题：,虽然利用电源中点提供了零线，但在三相负载不平衡时，流过零线的电流较大，对提供电源中点的电容产生较大压力，严重限制了这一电路结构的应用，因此这一电路结构并没有很好解决三相四线制供电。,33,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,四桥臂逆变电路结构,增加一个桥臂用以直接控制零线电压，并为负载不平衡时产生的零线电流提供通路。,特点,比三桥臂结构增加了一个可控维度（自用度），为实现三相电压的独立调解提供了基础；,具备了调解三相负载中点电压的能力。为三相负载不平衡所产生的零序分量提供释放通道。,34,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,四桥臂逆变器等效电路,以O点为参考零电位，回路电压方程为,35,5.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,四桥臂逆变器控制原理,控制目标为：,通过控制压控电压源,u,a,、,u,b,、,u,c,使输出电压,u,AG,、,u,BG,、,u,CG,三相对称且幅值为额定值,控制策略,控制负载中点,G,的电位,u,G,为零，则各相完全独立，实现解耦。,36,37,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,回忆三桥臂的SVPWM,三维桥臂空间,两维输出电压空间,投影关系,通过开关状态合成矢量,三相的耦合会解耦，能实现调制,38,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,四桥臂逆变器,39,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,矢量空间,三个独立电源,第四桥臂没有从三相中独立出来,三维输出电压空间（abc）,问题,三相的耦合能调制,需要设计一个第四桥臂具有独立维度的三维空间,40,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,坐标变换,Clark变换,解耦策略,k,f,取1/3，负载电压三相对称,41,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,abc空间中的开关状态,42,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,空间中的开关状态,abc空间中的开关状态,坐标变换,43,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,空间,44,5.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,空间中的开关状态,45,谢谢观赏！,