逆变器的工作原理和控制技术-全解

*,*,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,*,现代电力电子及变流技术,第四章,逆变器工作原理和控制技术,第四章 逆变器工作原理和控制技术,4.1 逆变电路的基本原理,4.2 单相逆变电路结构和工作原理,4.3 单相逆变器控制技术,4.4 三相逆变电路结构和工作原理,4.5 四桥臂逆变电路结构和工作原理,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,4.1 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。,4.1 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。,4.1 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,4.1 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。,4.1 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,4.1 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,；,4.2 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。,4.2 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,。,4.2 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,4.2 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。,4.2 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,；,4.3 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？,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,4.3 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：,控制原理幅值调节,逆变器输出电压幅值,幅值PI调节,4.3 单相逆变器控制技术,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,4.3 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，,控制原理,4.3 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？,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,4.4 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,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,/2,4.4 三相逆变电路结构和工作原理,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；,4.4 三相逆变电路结构和工作原理,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,4.4 三相逆变电路结构和工作原理,直流电压利用率,4.4 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,4.4 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？,设计,三次谐波注入法,关键：,u,UN,、,u,VN,、,u,WN,的幅值小于,U,d,/2,4.4 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,4.4 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,t,u,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。,SVPWM的情况,4.4 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,三相逆变器控制技术,4.4 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,4.5 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？,4.5 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。,4.5 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。,4.5 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,4.5 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。,4.6 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,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,四桥臂逆变器,4.6 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,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,abc空间中的开关状态,4.6 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,4.6 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,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,空间,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,参考矢量,控制技术,V,af-ref,、,V,bf-ref,、,V,cf-ref,V,r,、,V,r,、,V,r,矢量如何通过开关状态实现？,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,矢量分解机理,开关矢量的选择,棱柱体的选择；,四面体的选择。,开关矢量工作时间的计算,驱动波形生成,注：,开关矢量的选择是确定参考矢量由哪三个相邻非零矢量和零矢量组合。,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,棱柱体的选择,选取矢量的,V,、,V,在二维平面选择扇区,确定棱柱,注：,每个棱柱有6个非零矢量，合成参考矢量只需3个非零矢量,四面体的选择,棱柱的例子,-,0,+,V,cf,-,0,+,V,bf,-,0,+,V,af,0,根据,V,af,、,V,bf,、,V,cf,的值判断四面体,例：,V,af,0、,V,bf,0、,V,cf,0时，根据不矛盾原则，只能选择四面体1,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,开关矢量工作时间的计算棱柱四面体为例,取,V,1,=,pnnn,，,V,2,=,pnnp,，,V,3,=,ppnp,，,V,0,=(,pppp,，,nnnn,),4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,直流母线电压,其他棱柱和四面体1,4.6 四桥臂逆变器3DSVPWM,棱柱四面体1,棱柱四面体2,棱柱四面体3,棱柱四面体4,棱柱,四面体1,棱柱,四面体2,棱柱,四面体3,棱柱,四面体4,棱柱,四面体1,棱柱,四面体3,棱柱,四面体2,棱柱,四面体4,其他棱柱和四面体2,4.6 四桥臂逆变器3DSVP