第六章无源逆变.ppt

6 1 第6章无源逆变电路 6 2 本章内容 6 1无源逆变电路的基本原理6 3三相逆变器工作原理6 4PWM控制技术6 5逆变器输出的其它控制方法 6 3 概述 无源逆变直流 交流 向负载直接供电 无源逆变电路简称逆变电路通常由全控器件构成逆变器与变频器逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路分为交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成 后一部分就是逆变各种功率等级 6 4 无源逆变技术的应用 直流电源如蓄电池 干电池和太阳能电池 逆变电路 交流负载供电 直流电源给交流负载供电 6 5 交流电源 如列车照明 感应加热电源 电解电镀电源 不停电电源 UPS 高频焊机 高频电子镇流器和航空电源等 无源逆变技术的应用 交流调速系统 如铁道牵引 大型工矿机车 城市有轨交通 地铁和轻轨车 重型电传动汽车和矿井提升设备等 6 6 逆变器的基本类型 按电路结构分类桥式零式按输出相数分类单相多相按器件分类半控型全控型 按导通的角度分类180 120 按强迫换流的特点谐振型并联电容型等按调制方法分类PWMPAM方波 阶梯波 6 7 逆变器的基本类型 续 按直流侧电源的性质分类 常用此分类 电压型逆变器电流型逆变器 6 8 6 1无源逆变电路的基本原理 6 1 1单相半桥逆变电路工作原理T1 T2轮流导通T1导通 T2截止 uan UD 2T1截止 T2导通 uan UD 2波形分析 6 9 结论 T1 T2轮流导通 使直流交流 改变T1 T2切换频率 便可改变输出交流电的频率 变频 与输出电压同方向的电流流过T 反方向电流流过D 因此在电压型逆变器中D是必须的 它提供了反向电流通路 称为反馈二极管 同时D又起着使负载电流连续的作用 因此又称续流二极管 T1 T2不能同时导通 否则将出现直流电源短路 贯穿短路 因此电压型逆变器同一桥臂上 下管的控制必须遵循 先断后开 原则 6 10 6 1 1单相半桥逆变电路 续 基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R L负载电流基波分量 6 11 6 1 2单相全桥逆变电路 电路结构工作原理与半桥逆变电路相同T1 T4导通 T2 T3截止 Uan UDT1 T4截止 T2 T3导通 Uan UD波形分析 6 12 6 1 2单相全桥逆变电路 续 基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R L负载电流 6 13 两种单相逆变电路的比较 1 单相全桥逆变电路在单相逆变电路中 全桥逆变电路应用最多 2 单相半桥逆变电路结构简单 所用器件比全桥电路少一半 但输出交流电压幅值低 且直流侧需要两个电容串联 工作时需要控制两个电容器电压的均衡 应用场合 常用于几KW以下的小功率逆变电源 6 14 6 3三相逆变器工作原理 6 3 1三相电压型逆变器工作原理电路结构 根据各管导通时间分 180 导通型120 导通型负载连接方式 型连接Y型连接 6 15 1800导电型 控制规律 触发脉冲各管导通180 依次相差60 任何时刻有三个开关管同时导通导通顺序六个阶段 6 16 1800导电型工作原理分析 各阶段的等值电路及电压值 6 17 1800导电型工作原理分析 续 相电压波形 六阶梯波 线电压波形 矩形波 电压型逆变器 输出电压波形与负载性质 负载阻抗角 无关 6 18 1800导电型工作原理分析 续 电压表达式相电压表达式线电压表达式 方波控制时 输出电压中含有大量的谐波分量 特别是5 7 11 13次谐波 6 19 1800导电型工作原理分析 续 电压表达式 续 相电压有效值线电压有效值 方波控制时 交流输出电压与直流侧电压的关系固定 即方波输出电压型逆变器本身不能调节输出电压 若想调节输出电压 只有通过调节直流侧电压 即通过PAM控制方式实现 6 20 1800导电型工作原理分析 续 感性负载电流负载电流滞后角小于60 a A相电压波形Uan b A相电流波形ian c T1的电流波形iT1 d D4的电流波形iD4 e 直流输入电流id 6 21 1200导电型工作原理分析 电压波形相电压波形线电压波形 6 22 180 导通方式和120 导通方式的比较 120 方式上下两管间有60 的间隙 对换流有利 但是管子的利用率低 且若采用星形接法 则始终有一相断开 在换流时会引起较高的感应电势 而180 方式无论在三角形还是星形接法时 正常工作都不会产生过电压 故180 方式应用较为普遍 6 23 逆变器有功功率的反馈 电动机负载工作在发电机状态时 其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1 D6回馈到直流侧 使直流侧电压UD升高为限制UD 必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网 具体方案有 通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网 见再生方案1 通过脉冲整流器回馈到电网 见再生方案2 6 24 逆变器有功功率的反馈 续 再生方案1四象限运行功率因数低谐波电流大主电路复杂 6 25 逆变器有功功率的反馈 续 再生方案2四象限运行功率因数高 接近于1 谐波电流小控制较复杂 6 26 6 3 2三相电流型逆变器工作原理 电路结构 逆变器的供电电源为电流源 6 27 另外一种电路形式 电流型逆变器 带感性负载时 输出侧必须接电容以吸收换流时负载电感中存置的能量 桥臂必须是 逆阻型 桥臂 6 28 6 3 2三相电流型逆变器工作原理 续 触发脉冲 1200导电方式 6 29 工作原理及主要波形 线电流波形负载 型连接时的相电流波形 输出电流波形与负载性质 负载阻抗角 无关 6 30 电流型逆变器的四象限运行 6 31 电流型逆变器的工作特点 由于有大电感抑流 短路的危险性也比电压型逆变器小得多 电路对功率器件关断时间 即功率器件快速性 的要求比电压型逆变器的要求低 电路相对电压型也比较简单 造价略低 不需要增设反并联的再生变流装置 电感重量 体积都很大 实际使用不如电压型逆变器广泛 6 32 小结 电压型逆变器与电流型逆变器特点比较 直流侧电路桥臂桥臂控制交流输出电路交流输出电压 电流与负载性质是否有关有功功率反馈 6 33 6 4PWM技术 方波型逆变器的问题本身不能调节输出电压幅值输出电压中含有大量的5 7 11次谐波解决方法采用PWM控制技术本节主要讨论电压型逆变器的PWM控制方法 6 34 PWM控制的思想源于通信技术 全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易 PWM技术的应用十分广泛 它使电力电子装置的性能大大提高 因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用 才确定了它在电力电子技术中的重要地位 现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术 6 35 6 4 0PWM控制技术的理论基础 冲量等效原理 面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统时 其效果基本相同 说明为什么PWM波能与正弦波等效 6 36 6 4 1正弦脉宽调制 SPWM 原理 目标函数 正弦输出电压使脉冲列的作用效果尽量接近于正弦波的作用效果基本原理 根据冲量等效原理 用一组幅值相等 宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波改变各脉冲的宽度和变化周期即可改变等效正弦波的幅值和频率 6 37 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 正弦脉宽调制 SPWM 原理 续 6 38 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波 若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 正弦脉宽调制 SPWM 原理 续 6 39 正弦脉宽调制 SPWM 原理 续 3 SPWM的控制方法 说明SPWM波实现方法问题 离线计算法 根据输出正弦波的频率 幅值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔 缺点 计算量大 繁琐 调制法 将目标涵数 波形 作为调制信号 通过对载波的调制得到PWM波形 一般用等腰三角形波作为载波 根据输出电压波形的极性可分为单极性 或不对称 调制和双极性 或对称 调制 6 40 6 4 1正弦脉宽调制 SPWM 原理 续 1 单极性调制正半周 T1导通 T4交替通断 T2 T3截止负半周 T2导通 T3交替通断 T1 T4截止 6 41 6 4 1正弦脉宽调制 SPWM 原理 续 2 双极性调制同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态ur uc时 T1 T4导通 uo UDur uc时 T2 T3导通 uo UD 6 42 三相逆变器一般采用双极性调制在双极性调制中 上下桥臂互补工作 为了防止桥臂直通短路 一个管子关断后 再延迟 t时间 才开通另一个管子 t称为死区时间 死区时间给输出的PWM波形带来影响 使其偏离正弦波 6 43 6 4 2SPWM的基波电压 数学分析结论一 输出基波电压幅值U1m与脉宽 i有关 调节参考信号的幅值可以改变各脉冲的宽度 实现对逆变器输出电压基波的平滑调节 前提条件 n不太少 sin 2n 2n sin i 2 i 2 结论二 脉冲宽度与该处正弦值近似成正比 输出的SPWM波是两侧窄 中间宽 脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形 结论三 SPWM逆变器输出的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波 6 44 在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负载有用的只是基波电压 谐波电压在负载上产生谐波电流 只会给负载带来负面影响 如产生谐波损耗 噪音 脉动转矩 因此基波电压越大越好 可以证明当n较大时 SPWM电压波形的基波电压与调制信号ur的幅值近视成正比 因此调节ur的幅值便可控制基波电压的幅值 调节ur的频率便可控制基波电压的频率 6 45 6 4 3对脉宽调制的制约条件 PWM控制中两个重要定义 载波比 调制比 调制深度 载波比N受开关器件开关频率和损耗的限制 调制比M受最小脉宽与最小间歇的限制 6 46 6 4 4同步调制与异步调制 1 同步调制 在变频输出过程中 载波比N不变 载波信号与调制波信号保持同步的调制方式 即开关频率与输出频率同比例变化 优点 波形对称性好 当N为奇数时 输出波形正 负半周对称 当N为3的倍数时 三相输出波形对称 相互之间保持120 相位移 缺点 低频时谐波大 当输出频率很低时 开关频率也随之降低 谐波显著增加 使负载电机产生较大的脉动转矩和噪声 6 47 6 48 6 4 4同步调制与异步调制 续 2 异步调制 在变频输出过程中 载波频率fc不变 载波比N随输出频率的降低而增大 优点 低频特性好 减少负载电机的转距脉动与噪声 改善低频工作性能 缺点 波形对称性差 N连续变化 当N不等于整数及三的倍数时 输出正负不对称 三相不对称 会产生次谐波 要求开关频率较高 6 49 6 4 4同步调制与异步调制 续 3 分段同步调制 把变频范围划分成若干频段 每个频段内都维持载波比N恒定 不同频段取不同的N值 分段同步要注意的问题 各段载波比均取3的奇数倍 各频率切换点采用滞后切换的方法 尽量减小在频率切换点处因载波比的变化而造成的输出电压冲击 6 50 6 4 5SPWM波形实现方式 SPWM波形具体生成方式有 模拟控制生成方式特点 实时性好 但控制电路复杂 可靠性差数字控制 微机 生成方式 包括专用芯片实现 特点 控制电路简单 可靠目前最常用的生成方式 6 51 6 4 5 2SPWM的数字控制 自然采样法 按照正弦调制波与三角载波的自然交点 采集脉冲前 后沿时刻 生成SPWM波形 叫做自然采样法 NaturalSampling 6 52 6 4 5 2SPWM的数字控制 续 自然采样法脉宽计算 超越方程 求解困难 虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法 却不适于微机实时控制 6 53 6 4 5 2SPWM的数字控制 续 规则采样法 按照某种规则采集脉冲前 后沿时刻 生成SPWM波形 叫做规则采样法 RegularSampling 6 54 6 4 5 2SPWM的数字控制 续 规则采样法II脉宽计算 规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波 从而简化了算法 适合微机实时控制 6 55 6 5其它PWM控制方法 6 5 1电流跟踪控制PWM目标函数 正弦电流使实际输出电流尽量接近正弦参考电流电流跟踪控制的方法很多 最基本的方法是电流滞环跟踪控制 其它方法都是对滞环跟踪控制的改进 6 56 6 5 1电流跟踪控制PWM 续 电流滞环跟踪控制的原理设定参考电流i 环及环宽2h将实际电流i与参考电流i 比较根据比较结果控制上 下桥臂 6 57 6 5 1电流跟踪控制PWM 续 电流滞环跟踪控制的特点属于闭环控制 跟踪型PWM控制的共同特点控制电路简单电流响应快不用载波 输出电压波形中不含特定频率的谐波电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关环宽大 谐波电流分量大 但开关频率低 环宽小 谐波电流分量小 但开关频率高 开关频率不固定 6 58 6 5 1电流跟踪控制PWM 续 影响开关频率的因素 开关频率fc与环宽2h成反比 负载电感L越大 fc越小 直流侧电压VD值越大 fc越大 参考电流i 的变化率越大 fc越小 负载反电势Ea越大 fc越小 6 59 PWM控制技术总结 PWM控制技术在电力电子领域有着广泛的应用 它推动了电力电子技术的发展谐波消除PWM技术在晶闸管逆变器上用得较多 它较好地解决了在开关频率不高的情况下消除危害最严重的谐波的问题电流跟踪控制PWM技术要求功率开关器件具有较高的开关频率 通常只用在IGBT逆变器上 SPWM技术和电压空间矢量PWM技术是目前最通用的PWM技术 相比而言 电压空间矢量PWM技术更有发展前途 重点掌握SPWM技术 6 60 习题 6 1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同 6 2电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么 6 3三相电压型逆变电路 180 导通方式 Ud 500V 求输出相电压的有效值Uan和基波有效值Uan1 输出线电压的有效值Uab 基波有效值Uab1和5次谐波有效值Uab5 6 4在逆变器中为什么要采用PWM技术 6 61 6 5IGBT三相电压型无源逆变电路 工作在180 导通方式下 带电阻电感负载 画出完整的主电路图 以及在负载阻抗角 60 情况下的输出电压uan uab 输出电流ia 开关电流iT1 iD4 直流侧电流id的波形 6 6单极性和双极性PWM调制有什么区别 单相逆变器和三相逆变器分别可采用什么调制方法 6 7载波比和调制比如何定义 是不是越大越好 分别受什么因素限制 它们与输出电压和输出频率有何关系 6 8什么是同步调制 什么是异步调制 二者各有何特点 分段同步调制有什么优点 6 62 6 9三相电压型逆变器 当采用PWM控制时 分频比N为什么要取 的倍数 为什么要取奇数 6 10什么是自然采样法 什么是规则采样法 与自然采样法相比 规则采样法有什么优缺点 6 11下图为交 直 交系统电路图 试回答下列问题 简要