逆变器的工作原理和控制技术-全解

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S1 S4构成桥式电路 S1 S2构成一个桥臂 S3 S4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 负载电压uo为正 负载电压uo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 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io和uo的波形相同 相位也相同 阻感负载时 io相位滞后于uo 波形也不同 4 1逆变电路的基本原理 逆变电路的分类 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Ud 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 V1和V2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uo为矩形波 幅值为Um Ud 2 V1或V2通时 io和uo同方向 直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时 io和uo反向 电感中贮能向直流侧反馈 VD1 VD2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 同一桥臂两个开关器件不能同时导通 V3的基极信号与V1相差 0 180 V3 V4的栅极信号分别比V2 V1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 uo和io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2Ud 比全桥电路高一倍 4 3单相逆变器控制技术 等效电路 电力变换中控制技术的作用 4 3单相逆变器控制技术 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 4 3单相逆变器控制技术 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uUN uVN uWN 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 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 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U1m和直流电压Ud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 uUN uVN uWN 的幅值小于Ud 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 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 4 5四桥臂逆变电路结构和工作原理 最朴素的想法 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 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ua ub uc使输出电压uAG uBG uCG三相对称且幅值为额定值 4 6四桥臂逆变器3DSVPWM 回忆三桥臂的SVPWM 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 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 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 Vaf ref Vbf ref Vcf 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 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 例 Vaf 0 Vbf 0 Vcf 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V1 pnnn V2 pnnp V3 ppnp V0 p