第4章_直流交流变换器(逆变器).pptVIP

1,第四章 直流/交流变换器（逆变器）,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）,2,第四章 直流/交流变换器（逆变器）,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制(pwm) 4.4 正弦脉冲宽度调制(spwm)技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,3,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,4,逆变器的类型 逆变器输出波形性能指标,4.1 逆变器的类型和性能指标,5,逆变器的类型(按直流电源特性分类),电压型逆变器vsi,电流型逆变器csi,vsi 特点： 直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性; 桥臂不可直通，输出不可短路。,csi 特点： 直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性; 桥臂可直通，输出可短路。,vsi应用广泛，csi通常在大功率领域有所应用。原因是： 电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重; 多数全控器件不具备逆阻特性,使用时需串联二极管。,6,单相半桥,单相全桥,推挽逆变,三相桥式,也称h桥,逆变器的类型(按逆变器电路结构分类),7,按输出电压不同分为： 1. 恒压恒频型（cvcf，constant voltage constant frequency ） 2. 变压变频型（vvvf，variable voltage variable frequency ） 3. 脉冲电压（电流）型,按开关器件不同及换流关断方式不同分类： 1.自关断型 2.强迫关断型 3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流） 4.负载谐振换流型,逆变器的类型(其它分类方式),8,谐波系数 hf 总谐波系数 thd 畸变系数 df 最低次谐波 loh,逆变器输出波形性能指标,9,谐波系数 hf,谐波系数（harmonic factor）定义： 第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比。,定义公式： hfn = vn / v1,无效成份,有效成份,越小越好,意义： hf表征了某一次谐波含量相对于基波的大小。,10,总谐波系数 thd,thd （total harmonic distortion）定义： 所有非基波成份的有效值与基波分量有效值之比。,定义公式：,总无效成份,有效成份,越小越好 理想正弦为零,意义： thd表征了实际波形与理想基波正弦分量的差异程度。,公式变形：,11,畸变系数 df,畸变系数（distortion factor） ： 各次谐波分量经过加权以后的总有效值与基波有效值之比。,加权的含义： 滤波器对不同的频率分量衰减不同，故滤波后的各谐波分量不再是滤波前的值。应该将滤波器对谐波的衰减效应体现出来。 不同类型的滤波器对相同频率的谐波衰减也不同。,df的意义：评估非正弦的周期性波形经过滤波以后的畸变程度。,12,dfi：对应一阶滤波器,df 的定义式,dfii：对应二阶滤波器,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n2,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n,13,最低次谐波 loh,最低次谐波（lowest-order harmonic） ： 距离基波频率最近的谐波,关注loh的原因： 逆变器的滤波器一般具有低通特性，对高次谐波衰减强烈。因此滤波器设计时重点考虑滤波器对最低次谐波的衰减效果。,loh的决定因素： 1.开关频率 2.调制方式,14,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,15,电压型单相半桥逆变电路 电压型单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路,4.2电压型单相方波逆变电路工作原理,16,电压型单相半桥逆变电路（电阻负载）,电容很大，近似认为电容电压恒定。 电容相等，电压均分。 t1、t2周期性交替通、断，产生交变的van,t1驱动导通时，t2关断；,2. t2驱动导通时，t1关断。,驱动t1,驱动t2,t1 on,t2 on,17,电压型单相半桥逆变电路（纯电感负载）,t1驱动导通时，t2关断。,2. t2驱动导通时，t1关断,电流为什么没有直流分量？,驱动t1,驱动t2,d1,t1,d2,t2,18,电压型单相半桥逆变电路（阻感负载）,19,电压型单相全桥逆变电路（电阻负载）,t1、t4一组，t2、t3一组 两组器件周期性交替通、断产生交变的vab,t1、t4驱动导通，t2、t3关断,t2、t3驱动导通，t1、t4关断,驱动t1和t4,驱动t2和t3,20,电压型单相全桥逆变电路（电感负载）,t1、t4通，t2、t3断时。,t2、t3通，t1、t4断时。,iam=vd/4fl,驱动t1和t4,驱动t2和t3,d1 d4,t1 t4,d2 d3,t2 t3,21,电压型单相全桥逆变电路（阻感负载）,驱动t1和t4,驱动t2和t3,d1 d4,t1 t4,d2 d3,t2 t3,基波电流,基波电流在 直流侧的形态,22,变压器中心抽头推挽逆变电路,仅二个开关t1、t2轮流导电180； 开关管断态电压为2vd； 要输出变压器； 适用于低压小功率、需电气隔离的应用场合。,23,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,24,单相逆变器单脉波脉冲宽度控制,通过输入直流调压 逆变器本身调压,逆变器输出电压调节方式,25,通过输入直流调压,以上两种调压方式均需要可控的直流输入,26,逆变器本身调压,180不可调压,单脉冲调制调压,多脉冲调制调压,27,单脉冲调压方式,t1、t2桥臂按180方式开关,t3、t4桥臂按180方式开关,两桥臂驱动信号错开角,vab=van-vbn,输出电压大小：,改变移相角，也就调节了输出电压电压，故也称移相调压。,28,单脉冲调压的电压调节特性,基波幅值：,谐波幅值：,输出基波电压大小平滑可调； 输出基波频率可调； 低次谐波幅值大，滤除困难。,29,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,30,spwm基本原理 双极性spwm调制 单极性spwm调制 规则采样spwm spwm的谐波特性 指定谐波消除调制,正弦脉冲宽度调制技术,31,spwm基本原理,大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。,正弦形 电压,正弦电流,正弦等效 窄脉冲 序列,基本上 是正弦电流,冲量等效原理,按t分成片段,32,spwm基本原理,dk 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化,m：调制比,输出电压基波与m成正比：,vd,ts,tk,基于冲量等效原理的直接spwm,33,双极性spwm调制（脉冲生成）,vd,vab,34,双极性spwm调制（等效面积）,35,双极性spwm调制（特性）,基波特性：,基波大小与调制比m成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。 loh在开关频率附近，载波比n越大，loh越高，有利于滤波。 谐波幅值可以与基波相比较，甚至更大。,如果m大于1，输出电压会怎样？,这时的thd会如何？,36,spwm的优点,由于spwm的谐波频率高，滤波器对高次谐波有强烈的衰减作用,37,单极性spwm调制（脉冲生成）,38,单极性spwm调制（脉冲面积）,一个载波周期，输出两个脉冲,39,单极性spwm调制（特点）,基波特性：,基波大小与调制比m成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。 谐波幅值仍然可以与基波相比较，甚至更大。 loh在两倍开关频率附近，比双极性spwm优越。,最低次谐波频率（loh）提高一倍，相当于双极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频spwm。,n=7时，基波与谐波相对值,40,规则采样spwm,，,，,不对称规则采样：,对称规则采样：,差异： 不对称规则采样的脉宽计算量、采样频率是对称规则采样的2倍 不对称调制的采样频率是开关频率的2倍。 不对称规则采样的谐波比对称规则采样小。,规则采样适合微处理器计算,41,spwm的谐波特性（双极性）,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为mvd。 输出波形不含载波偶次倍频谐波。 谐波间隔为两倍基波频率，奇次载频两侧为偶次边带谐波，偶次载频两侧为奇次边带谐波。,42,spwm谐波特性（单极性）,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为mvd。 输出电压无载波奇次倍频及两侧的边带谐波。 输出电压中不含载波频率偶次倍频谐波。 3. 载波偶次倍频两侧也仅含奇次边带谐波簇。,43,规则采样spwm谐波特性： 会产生基波边带谐波，但很小，可忽略。 不对称规则采样载波频率两侧既有奇次边带谐波也有偶次边带谐波。 对称规则采样单极倍频spwm不能完全消除奇次倍频的边带谐波。,异步调制： 同步调制：载波比是整数。 异步调制：载波比不是整数 次谐波：异步调制时谐波频率不再是基波的整数倍，称为次谐波。 低载波比时，对次谐波的考虑。,规则采样和异步调制的谐波特性,44,指定谐波消除调制,she（ selected harmonic elimination ）： 大功率器件的开关频率低，即使采用spwm，由于载波比小，仍然含有低次谐波。,求各次分量的傅里叶级数：,（%）,45,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,46,电压型三相逆变工作原理 电流型三相逆变工作原理 三相逆变器spwm调制 谐波注入spwm调制 三相逆变器电压空间矢量调制,三相逆变电路工作原理,47,电压型三相逆变工作原理（电路）,单相逆变器合成三相,对应的变换器电路,三个单相逆变器组合； 每个逆变器基波互差120 ； 输出用三相变压器耦合形成三相电压。,a相：t1、t4、t1、t4 b相： t3、t6、t3、t6 c相： t5、t2、t5、t2,每相由一个h桥构成，适合大功率应用,48,电压型三相逆变工作原理（三相桥式电路）,三个单相半桥逆变器构成：,每个半桥均180导电方式，所以vao、vbo、vco是180方波 半桥基波之间互差120,导电顺序：123234 345 456 561 612 123,vab、vbc、vca：120方波,49,电压型三相逆变工作原理（负载电压）,50,电压型三相逆变工作原理（负载电压）,vd/3,2vd/3,51,电流型三相逆变工作原理,l很大，id恒定 120导电模式，仅两个开关同时导电 1223 34 45 56 61 12,52,电流型三相逆变工作原理,53,三相逆变器spwm调制,三相调制波正弦对称; 三相共用载波; 改变调制比m，可改变输出电压; 改变载波比n可改变loh。,54,谐波注入spwm,注入谐波(harmonic injection) spwm原理,桥臂之间基波电压峰值： h 桥 180调制：1.27vd 三相180调制：1.1vd h 桥spwm： vd 三相spwm ：0.866vd,谐波注入后的线电压峰值可达：vd 谐波注入后的调制比可达：,55,空间矢量调制,空间矢量定义：,矢量合成原则：伏秒平衡,vr (cos+jsin ) tsv1sv1+tsv2sv2+tsv0/7sv0,sa、b、c= 1， 桥臂上管通，下管断； sa、b、c= -1，桥臂上管断，下管通。,最大调制范围：,56,空间矢量调制等效调制波,空间矢量调制具有和谐波注入同样的直流电压利用率。,等效调制波（k = 0.5）,57,第四章 直流/交流变换器,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 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制 4.4 正弦脉冲宽度调制技术 4.5 三相逆变电路工作原理 4.6 大功率逆变电路,58,大功率应用的需求,耐压更高 电流更大,器件直接并联提高电流等级 器件直接串联提高耐压等级,多重化技术,变压器耦合多重化,多电平,大功率逆变电路,59,变压器耦合多重化逆变器 多电平逆