自换流逆变电路—逆变器课件

GPES,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,*,1,4.1 逆变器的类型和性能指标,4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理,4.3 电压型单相逆变器电压和波形控制,4.4 三相逆变电路工作原理,4.5 电压型三相逆变器电压和波形的SPW控制,2,4. 直流-交流变换器（逆变器）,2,4.1 逆变器的类型和性能指标,4.1.1 逆变器的类型,4.1.2 逆变器输出波形性能指标,4.1.3 其他指标,3,4.1.1 逆变器的类型,依据直流电源的类型：,依据输出交流电压的性质：CVCF（恒频恒压）、VVVF（变频变压）、高频脉冲型,依据逆变器电路结构：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器,依据开关器件不同及换流关断方式：,自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。,电压型逆变器VSI,电流型逆变器CSI,4,4.1.1 逆变器的类型(续1),电压型逆变电路:,特点： C存在。,C的作用：滤波和吸收无功功率,适合于感性负载,电流型逆变电路：,特点： L存在。,L的作用：滤波和吸收无功功率,适合于容性负载,电压型逆变器VSI,电流型逆变器CSI,5,4.1.1 逆变器的类型(续2),单相半桥,单相全桥,6,4.1.1 逆变器的类型(续3),7,4.1.1 逆变器的类型(续4),电压型三相桥式逆变电路,8,总THD系数表征了实际波形同其基波分量差异的程度。输出为理想方波时，THD为零。,4.1.2 逆变器输出波形性能指标,9,逆变电路输出的n次谐波有效值V,n,经LC滤波后在负载上的n次谐波电压V,Ln,为:,4.1.2 逆变器输出波形性能指标（续1）,(3)畸变系数DF,n次谐波衰减了n,2,倍,第n次谐波的畸变系数：,总的畸变系数：,10,逆变器的性能指标除输出波形性能指标外，还应包括：,逆变效率,单位重量（或单位体积）输出功率,可靠性指标,逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率,电磁干扰,EMI,及电磁兼容性,EMC,4.1.3 其他指标,11,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路,4.2.2 电压型单相半桥逆变电路,4.2.3 变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电路,4.2 电压型单相方波逆电路工作原理,12,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路,T1,、,T4,一组和,T2,、,T3,另一组交替通、断。,13,臂内换流：同一个导通臂内的元件之间换流，而且换流是在,ia,=0,时进行的称,自然换流,。,臂间换流：指电流由一个导通臂转移到另一个导通臂，换流是在,ia,0,时进行的，属于强迫换流。,当负载为感性时,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续1),14,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续2),逆变状态：,T14 ,T23,导通时，直流电源向负载传输能量。,整流状态：,D14 D23,导通时,负载向直流电源仅传能量,.,因此，D14、D23为无功电流传输提供通路，C是用来吸收无功功率。,当负载为感性时能量传递方向：,15,瞬态基波功率分析（感性负载）,基波瞬态功率：,用积化和差公式：,基波电压:,基波电流:,基波电压幅值：,基波电压有效值：,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续3),16,上式说明：基波的瞬态功率含有交流分量和直流分量。,直流功率讨论：,基波的直流功率,基波的交流功率,基波的平均功率:,平均功率等于直流功率,(1)当 ,感性负载,有功功率最大,无功功率为零,(2)当 ,纯感性负载,无功功率最大,(3)当 ,既有无功功率又有有功功率,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续4),无功功率,17,特性分析-1,由于入端电压为恒定，桥中各臂元件轮番导通时，输出端电,压交替地被钳到入端电压Ud，故为交变方波。其频率取决,于门极信号的重复频率，因而实现逆变目的。,将U,AB,用傅里叶级数展开：,式中：U,AB1m,为基波电压幅值：,基波电压有效值：,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续5),18,由于负载为感性，阻抗角,负载基波电流iO1将滞后于基波电压角度,。,当T1，4和T2，3导通时，负载由电源获得电能。,当D1，4和D2，3导通时，负载中电能反馈到C中，保证负载,电流连续。反并二极管和电容C为此无功电流提供了通路。,4.2.1 电压型单相全桥逆变电路(续6),特性分析-2,19,4.2.2 电压型单相半桥逆变电路,电容分压，半桥电路,T1,、,T2,交替通、断,二级管,D,的作用，感性负载续流,R,、,L,负载时，,T,、,D,交替导电,20,当U,g1,=1,T,1,导通或D,1,导通，S与P相接,当控制信号以频率 f 变换， 在 与 之间变化，使输出,为交流方波电压。,4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续1）,工作原理:,当U,g2,=1,T,2,导通或D,2,导通，S与Q相接,21,t,0,D,V,2,1,an,v,(b)电压波形,2,T,驱,动,驱,动,2,0,T,0,T,2,3,0,T,1,T,4.2.2 电压型单相半桥逆变电路（续2）,22,4.2.3 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路,开关,T1,、,T2,轮流导电,180,度,开关管承受的断态电压为,2V,D,适用于低压小功率、而且直流电源和负载须隔离,输出电压为,180,度宽的交流方波,当,T1,导通时，输出电压,v,ab,=V,D,，,当,T2,导通时，输出电压,V,ab,=-V,D,，,23,4.3.0 概述,4.3.1 单脉冲宽度调制PWM逆变器,4.3.2 正脉冲宽度调制SPWM基本原理,4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器,4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器,4.3 电压型单相逆变器输出电压和波形控制,24,控制方案1:,控制方案2:,控制方案3:,控制输出电压基波,V1,的大小仅有输入电压,V,D,唯一确定。,控制输出电压波形，要求谐波成分小且最低阶次谐波阶次高，谐波频率高。,4.3.0,概述,可控整流方案,直流/直流变换器调压方案,逆变器自身控制方案,25,4.3.0,概述（续1）,26,逆变器自身控制方案,通过开关器件的脉冲宽度调制（PWM），调整输出基波电压的大小、增大输出电压中的最低次谐波的阶次并减小其谐波数值，达到调控其输出基波电压同时又改善输出电压波形的目的。,4.3.0,概述（续2）,27,正半周中，T,1,、T,4,导通,角,负半周中，T,2,、T,3,导通,角,开关频率决定输出频率,脉宽,决定输出电压大小,4.3.1 单脉冲宽度调制PWM逆变器,28,4.3.1 单脉冲宽度调制PWM逆变器（续1）,29,4.3.2 正脉冲宽度调制SPWM基本原理,理论基础,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同,冲量指窄脉冲的面积,效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同,低频段非常接近，仅在高频段略有差异,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,30,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,实例,电路输入：,u,(,t,)，窄脉冲，如图a、b、c、d所示,电路输出：,i,(,t,)，,面积等效原理,冲量相同的各种窄脉冲的响应波形基本相同,4.3.2 正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续1）,31,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,正弦半波,N,等分，可看成,N,个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等,用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等,宽度按正弦规律变化,用PWM波代替正弦半波,SPWM,波形,脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的,PWM,波形,要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可,4.3.2 正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续2）,32,PWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求,脉波数量P很多,。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。,4.3.2 正脉冲宽度调制SPWM基本原理（续3）,33,4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器,一、单极正弦波PWM调制方式,u,g2,=0,T2断,控制电压的分布：,电路中，T1、T2为频控臂：,当,u,r,0,u,g,1,=1,T1通,当,u,r,u,c,u,g4,=1,u,g3,=0,T,3,关断，T,4,导通,u,r,0,u,o,=,V,d,0,u,c,u,c,T,1,、T,4,导通,u,o,=U,d,u,r,u,c,T,2,、T,3,u,o,=-U,d,T,1,、T,4,和T,2,、T,3,两组相互导通,4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器,37,4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器（续1）,38,相同的开关频率时,单极性SPWM：,开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于单相逆变。,双极性SPWM：,谐波情况差些，用于三相逆变。,载波比：载波频率f,c,与调制信号频率f,r,之比，N= f,c,/ f,r,调制比：正弦波幅值与三角波幅值比值称为调制比:M=V,rm,/V,cm,4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器（续2）,39,4.4.1 电压型三相逆变工作原理,4.4.2 电流型三相逆变工作原理,4.4三相逆变电路工作原理,40,基本假设：,负载星形连接，平衡对称，,纯阻性、负载中点o点位作,为参考点，即,u,o,=0,控制脉冲的宽度=,直流电容C,d,值足够大；,输入为DC直流源,电路已达到稳态,4.4.1 电压型三相逆变工作原理,控制电压信号的形成,载波电压：用一个对称的三角波，幅值为U,om,，频率为,f,c,；,控制信号：采用三相正弦波。,41,g,g,sm,sc,g,g,sm,sb,g,g,sm,sa,u,u,C,t,U,u,u,u,B,t,U,u,u,u,A,t,U,u,+,-,=,-,-,=,-,=,),3,2,6,sin(,),3,2,6,sin(,),6,sin(,5,2,6,3,4,1,相的控制信号,用来形成,相的控制信号,用来形成,相的控制信号,用来形成,p,p,w,p,p,w,p,w,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续1),42,电路：,cm,sm,U,U,m,=,:,调制比,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续2),A相控制信号的形成（U,g1,U,g4,）,43,1）,=,g,u,5,g,u,2,=,g,u,6,g,u,3,g,g,u,u,=,4,1,2）任何时刻均有三个控制,信号为,高电平。,各相上下臂控制信号反相。,控制信号的特点：,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续3),44,由坐标零点开始。,T,T,T,g,g,g,AB,T,T,T,g,g,g,AB,T,T,T,g,g,g,AB,T,T,T,g,g,g,ab,V,V,V,u,u,u,U,V,V,V,u,u,u,U,V,V,V,u,u,u,U,V,V,V,u,u,u,U,=,=,=,=0,=,=,=,=,=,=,=,=,=,=,=,-,U,AB,=,0,1,1,1,:,4,1,1,1,:,3,U,d,1,1,1,:,2,U,d,1,1,1,:,1,15,4,3,4,3,2,4,3,2,3,2,1,3,2,1,2,1,6,2,1,6,1,6,5,1,6,5,时区,时区,时区,时区,时区编号,，只讲,结合图,阻负载）,、输出电压的形成（纯,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续4),45,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续5),46,4.4.1 电压型三相逆变工作原理(续6),47,4.4.2 电流型三相逆变工作原理,48,4.4.2 电流型三相逆变工作原理（续1）,49,4.5 电压型三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制,50,4.5 电压型三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制（续1）,51,4.5 电压型三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制（续2）,固定f,c,、V,cm,，f,1,=f,r,52,（1）驱动信号可由硬件电路实现，亦可由软件Micro-Processor,或DSP实现。,（2）提高电压利用率，可改变vr或采用空间矢量控制。,4.5 电压型三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制（续2）,53,课件播放完毕,54,