逆变器的工作原理和控制技术-全解

1、现代电力电子及变流技术现代电力电子及变流技术 第四章第四章 逆变器工作原理和控制技术逆变器工作原理和控制技术 4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理 逆变的概念逆变的概念 将直流电转换为交流电的过程。 无源逆变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逆变电路的基本原理 典型逆变电路典型逆变电路 由S1S4构成桥式电路； S1、S2构成一个桥

2、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逆变电路的基本原理 两桥臂结构逆变电路工作原理两桥臂结构逆变电路工作原理 直流电 交流电 负载电压负载电压uo为正为正 负载电压负载电压uo为负为负 4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理 两桥臂结构逆变电路工作原理两桥臂结构逆变电路工作原理 a) b) t uo i o t1t2 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； 阻感负载阻感负载时，io相位滞后于uo， 波形也不同。 4.1 逆

3、变电路的基本原理逆变电路的基本原理 逆变电路的分类逆变电路的分类 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 直流侧是电流源电流源 4.1 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理 电压型逆变电路的特点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

4、极管； 4.2 单相逆变电路结构和工作原理单相逆变电路结构和工作原理 半桥逆变电路结构半桥逆变电路结构 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单相逆变电路结构和工作原理 半桥逆变电路工作原理半桥逆变电路工作原理 ua) t t O O ON b) o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正 偏、半周反偏，两

5、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称为反馈二极管反馈二极管,它又起着 使负载电流连续的作用，又称续流二续流二 极管极管。 4.2 单相逆变电路结构和工作原理单相逆变电路结构和工作原理 全桥逆变电路结构全桥逆变电路结构 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单相逆

6、变电路结构和工作原理 全桥逆变电路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 uo i0 t1t2 t3 io u0 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单相逆变电路结构和工作原理 推挽电路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

7、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：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单相逆变器控制技术 等效电路等效电路 ( ) o u ti ( )e t ( )n t 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？ 回路电压方程回路电压方程 d ( )( )( ) d o i e tn tLu t t 控制目标控制目标 sin o uUt 逆变器调制波逆变

8、器调制波 ( )()sine tUUt+ 逆变电压逆变电压 ( )( )()sine tn tUUt+ +n t * U * U其中为控制目标幅值，为幅值控制量，为相位控制量。 逆变器的输出电压逆变器的输出电压 ( )sin o u tUt+ LC滤波器滤除谐波 4.3 单相逆变器控制技术单相逆变器控制技术 UUUU 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 0， 注：注： 控制原理控制原理幅值调节幅值调节 ( )d 4 t o t T Uu tt 逆变器输出电压幅值逆变器输出电压幅值 幅值幅值PI调节调节 11 0 d U t pUi e U e

9、=U -U U = k e +ket U =U +U 4.3 单相逆变器控制技术单相逆变器控制技术 控制原理控制原理相位调节相位调节 *0 sin o ut =Ut+相位控制目标，获得逆变器输出电压的相位是关键 2 sin2sinsind 2 t xy t-T = R =t+t -t T 由于 sin o ut =Ut+ ( )2 sinsind 2 t o t-T u t =t -t TU 4.3 单相逆变器控制技术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 sin 的电压降造成的，则非常小， 22 sin sind t pi 0 =()=k e +ket e-() 控制

10、原理控制原理 4.3 单相逆变器控制技术单相逆变器控制技术 逆变器调制波逆变器调制波 ( )()sine tUUt+ 11 0 d U t pUiU e =U -U U = k e +ket 22 sin sind t pi 0 e-() ()=k e +ket 2 cos1 sin sincossinsincos t - tt =- =- 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三相桥式逆变电路 4.4 三相逆变电路结构和工作原理三相逆变电路结构和工作原理 UNWNWU WNVNVW VNUNUV u

11、uu uuu uuu 负载线电压负载线电压 NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu 负载相电压负载相电压 UN VNWN NN 3 uuu u 负载中点电压负载中点电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0 开关动作与输出电压关系开关动作与输出电压关系 电压基准点：电压基准点： 以电源中点以电源中点N为为0电平基准点。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uUN=Ud/2 U相下开关管导通uUN=-Ud/2 V相上开关管导通uVN=Ud/2 V相下开关管导通uVN=-Ud/2 W相上开关管导通uWN=Ud/2 W相下开关管导通uWN

12、=-Ud/2 4.4 三相逆变电路结构和工作原理三相逆变电路结构和工作原理 基本工作方式基本工作方式180导电导电 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三相逆变电路结构和工作原理 波形分析波形分析 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

13、 2 U d 3 开关动作与输出电压关系开关动作与输出电压关系 开关动作模式开关动作模式 a、b、c UNWNWU WNVNVW VNUNUV uuu uuu uuu d UN VNWN NN 3 uuu u e NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu f 4.4 三相逆变电路结构和工作原理三相逆变电路结构和工作原理 直流电压利用率直流电压利用率 4.4 三相逆变电路结构和工作原理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。 NN WNWN NN VNVN NN UNUN uuu uuu uuu 负载相电压负载相电压 U

14、N VNWN NN 3 uuu u 负载中点电压负载中点电压 UNUNUNVNWN VNVNUNVNWN WNWNUNVNWN 1 3 uuuuu uuuuu uuuuu 改进改进SPWM的技术的技术 UNUNUNVNWN VNVNUNVNWN WNWNUNVNWN 1 3 uuuuu uuuuu uuuuu 4.4 三相逆变电路结构和工作原理三相逆变电路结构和工作原理 SPWM UN 0 VN d 0 WN sin sin120 sin2 2 40 U t u ut u t 结论 输出电压的幅值最大 2 DC U UN 0 VN 0 W d N sin sin 2 120 sin240 t

15、u ut u t U 采用这种调制模式能 解决实际问题吗？ UN 0 d VN 0 WN sin sin120 2 sin240 t u k U ut u t UN 0 dd VN 0 WN sin sin120 22 sin240 kt u UU ukt u kt 设计 三次谐波注入法 UN d VN WN 1.15sin0.19sin3 2 1.15sin0.19sin3 23 4 1.15sin0.19sin3 3 tt u U utt u tt AN 0 BN 0 C d N sin sin120 sin24 1. 0 15 2 t u ut u t U UNUNUNVNWN VNVN

16、UNVNWN WNWNUNVNWN 1 3 uuuuu uuuuu uuuuu 关键：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三相逆变电路结构和工作原理 改进改进SPWM的技术的技术 结论：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三相逆变电路结构和工作原理 改进改进SPWM的技术的技术 u uc r1 u O t urur1 u O t ur3 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。

17、 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的情况的情况 d 1.15 2 U 4.4 三相逆变电路结构和工作原理三相逆变电路结构和工作原理 SVPWMSVPWM是注入所是注入所 有有3 3倍次谐波的倍次谐波的 一种实现方式一种实现方式 三相逆变器控制技术三相逆变器控制技术 4.4 三相逆变电路结构和工作原理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四桥臂逆变电路结构和工作原理 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

18、何提供零线电压？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四桥臂逆变电路结构和工作原理 最朴素的想法最朴素的想法 以直流电压中点为零线以直流电压中点为零线 三相四线制供电的三个半桥结构三相四线制供电的三个半桥结构 问题：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和工作原理 四桥臂逆变电路结构四桥臂逆变电路结构 增加一个桥臂用以直接控制零增加一个桥臂用以

19、直接控制零 线电压，并为负载不平衡时产生线电压，并为负载不平衡时产生 的零线电流提供通路。的零线电流提供通路。 特点特点 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；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。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电路结构和工作原理 四桥臂逆变四桥臂逆变 器等效电路器等效电路 以O点为参考零电位， 回路电压方程为 a a

20、AG b bBG c cCG abc f f f f f f f di di uLuLu dtdt di di uLuLu dtdt di di uLuLu dtdt iiii 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和工作原理 四桥臂逆变器控制原理四桥臂逆变器控制原理 控制目标为：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 aaAG bbBG ccCG () () () () p p p ffh ukuu ukuu ukuu ukuu abch uuuu AGBGCG uuuu 控制策略控制策略 控制负载中点G的电

21、位uG为零， 则各相完全独立，实现解耦。 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 回忆三桥臂的回忆三桥臂的SVPWM 三维桥臂空间三维桥臂空间 两维输出电压空间两维输出电压空间 投影关系投影关系 通过开关状态合成矢量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 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 四桥臂逆变器四桥臂逆变器 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 矢量空间矢量空间 三个独立电源三个独立电源 第四桥臂没有从三相中独立出来第四桥臂没有从三相中独立出来 三维输出电压空间（三维输出电压空间（abc） 问题问题 三相的耦合能调制三相的耦合能调制 需要设计

22、一个第四桥臂具需要设计一个第四桥臂具 有独立维度的三维空间有独立维度的三维空间 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM abc空间中的开关状态空间中的开关状态 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 坐标变换坐标变换 a11 22 b 33 22 c 1 2 3 0 V V V V V Clark变换变换 abcAGBGCG () ff ukuuuuuu解耦策略解耦策略 kf取取1/3，负载电压三相对称，负载电压三相对称 abc 1 () 3 f uuuu a 31 b22 31 c 22 101 1 1 VV VV VV 11 22 a 33 b22 111 c222 1 2

23、 0 3 VV VV VV 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 空间中的开关状态空间中的开关状态 abc空间中的开关状态空间中的开关状态 坐标变换坐标变换 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 空间空间 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 参考矢量参考矢量 控制技术控制技术 Vaf-ref、 Vbf-ref、 Vcf-ref 11 22 a 33 b22 111 c222 1 2 0 3 VV VV VV Vr、 Vr、 Vr 矢量如何通 过开关状态 实现？ 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 矢量分解机理矢量分解机理 开关矢量的选择开关矢量的选择

24、 棱柱体的选择；棱柱体的选择； 四面体的选择。四面体的选择。 开关矢量工作时间的计算开关矢量工作时间的计算 驱动波形生成驱动波形生成 注：注： 开关矢量的选择是确定参考矢量由哪三个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。相邻非零矢量和零矢量组合。 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM 棱柱体的选择棱柱体的选择 选取矢量的选取矢量的V、V 在二维平面选择在二维平面选择 扇区扇区 确定棱柱确定棱柱 注：注： 每个棱柱有每个棱柱有6个非零矢量，个非零矢量， 合成参考矢量只需合成参考矢量只需3个非零个非零 矢量矢量 四面体的选择四面体的选择 棱柱棱柱的例子的例子 -0+Vcf -0+Vbf -0+Vaf 0 根据根据Vaf、Vbf、Vcf的的