自换流逆变电路—逆变器ppt课件

1、4.1 逆变器的类型和性能目的逆变器的类型和性能目的4.2 电压型单相方波逆变电路任务原理电压型单相方波逆变电路任务原理4.3 电压型单相逆变器电压和波形控制电压型单相逆变器电压和波形控制4.4 三相逆变电路任务原理三相逆变电路任务原理4.5 电压型三相逆变器电压和波形的电压型三相逆变器电压和波形的SPW控制控制24.1.1 逆变器的类型逆变器的类型4.1.2 逆变器输出波形性能目的逆变器输出波形性能目的4.1.3 其他目的其他目的 根据直流电源的类型：根据直流电源的类型：根据输出交流电压的性质：根据输出交流电压的性质：CVCFCVCF恒频恒压、恒频恒压、VVVFVVVF变频变频变压、高频脉冲

2、型变压、高频脉冲型根据逆变器电路构造：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥根据逆变器电路构造：单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器式逆变器根据开关器件不同及换流关断方式：根据开关器件不同及换流关断方式：自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载自关断、强迫关断、有源逆变、负载反电动势、负载谐振换流逆变器。谐振换流逆变器。电压型逆变器电压型逆变器VSI电流型逆变器电流型逆变器CSI电压型逆变电路电压型逆变电路: :特点：特点： C C存在。存在。C C的作用：滤波和吸收无功功率的作用：滤波和吸收无功功率适宜于感性负载适宜于感性负载电流型逆变电路：电流型逆变电路：特点：特点： L L存在。

3、存在。L L的作用：滤波和吸收无功功率的作用：滤波和吸收无功功率适宜于容性负载适宜于容性负载电压型逆变器电压型逆变器VSI电流型逆变器电流型逆变器CSI单相半桥单相半桥单相全桥单相全桥电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路1/)1(VVHFnn 谐波系数谐波系数 232221221212 , 12121214 , 3 , 2211VV)11)2(VVVVVVVTHDVVTHDnnnn（总谐波系数总谐波系数DV180 方方波VVVVVD 33.0/133 VVHF2 .05 HF48.021212 VVVTHDDX-Axis0tt 方波方波2To180DV)(1t

4、v总总THD系数表征了实践系数表征了实践波形同其基波分量差别波形同其基波分量差别的程度。输出为理想方的程度。输出为理想方波时，波时，THD为零。为零。逆变电路输出的逆变电路输出的n n次谐波有效值次谐波有效值VnVn经经LCLC滤波后在负载上的滤波后在负载上的n n次谐次谐波电压波电压VLnVLn为为: : 11122 LCnVcncnLnVVnnLn 2020222)( nVnVLCnVVnnnLn 1 2222,3,411()nnVDFVn(3)(3)畸变系数畸变系数DFDFn n次谐波衰减了次谐波衰减了n2n2倍倍第第n n次谐波的畸变系数：次谐波的畸变系数：n221nnVHFDFnVn

5、总的畸变系数：总的畸变系数：逆变器的性能目的除输出波形性能目的外，还应包括：逆变器的性能目的除输出波形性能目的外，还应包括：逆变效率逆变效率单位分量或单位体积输出功率单位分量或单位体积输出功率可靠性目的可靠性目的逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率电磁干扰电磁干扰EMIEMI及电磁兼容性及电磁兼容性EMCEMC4.2.1 电压型单相全桥逆变电路电压型单相全桥逆变电路4.2.2 电压型单相半桥逆变电路电压型单相半桥逆变电路4.2.3 变压器中心抽头推挽式变压器中心抽头推挽式(Push-Pull)单相逆变电路单相逆变电路T1T1、T4T4一组和一

6、组和T2T2、T3T3另一组交替通、断。另一组交替通、断。臂内换流：同一个导通臂内的元件之间换流，而且换流是臂内换流：同一个导通臂内的元件之间换流，而且换流是在在ia=0 ia=0 时进展的称自然换流。时进展的称自然换流。 臂间换流：指电流由一个导通臂转移到另一个导通臂，换臂间换流：指电流由一个导通臂转移到另一个导通臂，换流是在流是在ia0 ia0 时进展的，属于强迫换流。时进展的，属于强迫换流。当负载为感性时当负载为感性时逆变形状：逆变形状：T14 ,T23 T14 ,T23 导通时，导通时，直流电源向负载传输能量。直流电源向负载传输能量。整流形状：整流形状：D14 D23 D14 D23

7、导通时导通时, ,负负载向直流电源仅传能量载向直流电源仅传能量. .因此，因此，D14D14、D23D23为无功电流传输提供通路，为无功电流传输提供通路，C C是用来吸收无功功率。是用来吸收无功功率。当负载为感性时能量传送方向：当负载为感性时能量传送方向：瞬态基波功率分析感性负载瞬态基波功率分析感性负载tUuoosin21100122RLtgTf，基波瞬态功率：基波瞬态功率：用积化和差公式：用积化和差公式：）（tIioosin211基波电压基波电压:基波电流基波电流:）（）（）（ttt2coscos21)sin(sincoscos21sinsin0141.27dmdUUU基波电压幅值：基波电压

8、幅值：基波电压有效值：基波电压有效值：110.92o modUUU111oooiup）（ttIUoosinsin211上式阐明：基波的瞬态功率含有交流分量和直流分量。上式阐明：基波的瞬态功率含有交流分量和直流分量。cos111011ooDCTowoIUpdtpTp直流功率讨论：直流功率讨论：sincos01111IUQIUPoooDC，有功功率，）（tIUIUpooooo2sincos11111基波的直流功率基波的直流功率基波的交流功率基波的交流功率基波的平均功率基波的平均功率:平均功率等于直流功率平均功率等于直流功率(1)当当 ,感性负载感性负载,有功功率最大有功功率最大,无功功率为零无功功

9、率为零0(2)当当 ,纯感性负载纯感性负载,无功功率最大无功功率最大(3)当当 ,既有无功功率又有有功功率既有无功功率又有有功功率2)2, 0(无功功率无功功率特性分析特性分析-1由于入端电压为恒定，桥中各臂元件轮番导通时，输出端电由于入端电压为恒定，桥中各臂元件轮番导通时，输出端电压交替地被钳到入端电压压交替地被钳到入端电压Ud，故为交变方波。其频率取决，故为交变方波。其频率取决于门极信号的反复频率，因此实现逆变目的。于门极信号的反复频率，因此实现逆变目的。将将UAB用傅里叶级数展开：用傅里叶级数展开：式中：式中：UAB1m为基波电压幅值：为基波电压幅值：基波电压有效值：基波电压有效值：AB

10、d4111( )U (sinsin3sin5sin)35utttn tnAB1mAB3mAB5mABnmUsinUsin3Usin5UsinttttAB1mdd4UU1.27UAB1mAB1ddU2 2U=U =0.9U2由于负载为感性，阻抗角由于负载为感性，阻抗角负载基波电流负载基波电流iO1将滞后于基波电压角度将滞后于基波电压角度。当当T1，4和和T2，3导通时，负载由电源获得电能。导通时，负载由电源获得电能。当当D1，4和和D2，3导通时，负载中电能反响到导通时，负载中电能反响到C中，保证负载中，保证负载电流延续。反并二极管和电容电流延续。反并二极管和电容C为此无功电流提供了通路。为此无

11、功电流提供了通路。1tg(rad)LR特性分析特性分析-2 电容分压，半桥电路电容分压，半桥电路 T1、T2交替通、断交替通、断 二级管二级管D的作用，感性负载续流的作用，感性负载续流 R、L负载时，负载时，T、D交替导电交替导电0R2dU0LSPQ1dU 当当Ug1=1,T1 导通或导通或D1导通，导通，S与与P相接相接210dduuu当控制信号以频率当控制信号以频率 f 变换，变换， 在在 与与 之间变化，使输出之间变化，使输出为交流方波电压。为交流方波电压。0u1du2du210dduuu任务原理任务原理: 当当Ug2=1,T2 导通或导通或D2导通，导通，S与与Q相接相接t t0DV2

12、1anv(b)(b)电压波形电压波形2T驱动驱动20T0T230TtnnVvDnan sin2,5,3, 1 DD1D145. 022sin2VVVtVva 基波基波)sin()(2)(221tLRVtia1T 开关开关T1、T2轮番导电轮番导电180度度 开关管接受的断态电压为开关管接受的断态电压为 2VD 适用于低压小功率、而且直流电源和负载须隔离适用于低压小功率、而且直流电源和负载须隔离 输出电压为输出电压为180度宽的交流方波度宽的交流方波 当当T1导通时，输出电压导通时，输出电压vab=VD，当，当T2导通时，输出电压导通时，输出电压Vab=-VD，4.3.0 概述概述 4.3.1

13、单脉冲宽度调制单脉冲宽度调制PWM逆变器逆变器4.3.2 正脉冲宽度调制正脉冲宽度调制SPWM根本原理根本原理4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器单极性倍频正弦脉冲宽度调制逆变器4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制双极性正弦脉冲宽度调制BSPWM逆变器逆变器控制方案控制方案1:1:控制方案控制方案2:2:控制方案控制方案3:3:q 控制输出电压基波控制输出电压基波V1V1的大小仅有输入电压的大小仅有输入电压VDVD独一确定。独一确定。q 控制输出电压波形，要求谐波成分小且最低阶次谐波阶次控制输出电压波形，要求谐波成分小且最低阶次谐波阶次高，谐波频率高。高，谐波频率高。可控整流方案可控整流

14、方案直流直流/直流变换器调压方案直流变换器调压方案逆变器本身控制方案逆变器本身控制方案可控整流方案可控整流方案 可控可控直流直流电源电源逆逆变变器器负负载载+-交流交流电源电源直流直流环节环节滤波器滤波器斩斩波波调调压压方方案案DC/DC斩斩波波器器逆逆变变器器负负载载二二极极管管整整流流器器滤滤波波器器ABCDRLS1S2S3S4C基基本本逆逆变变电电路路0v1vDV逆变器本身控制方案逆变器本身控制方案经过开关器件的脉冲经过开关器件的脉冲宽度调制宽度调制PWM，调整输出基波电压的调整输出基波电压的大小、增大输出电压大小、增大输出电压中的最低次谐波的阶中的最低次谐波的阶次并减小其谐波数值，次并

15、减小其谐波数值，到达调控其输出基波到达调控其输出基波电压同时又改善输出电压同时又改善输出电压波形的目的。电压波形的目的。正半周中，正半周中，T1T1、T4T4导通导通qq角角负半周中，负半周中，T2T2、T3T3导通导通qq角角开关频率决议输出频率开关频率决议输出频率脉宽脉宽qq决议输出电压大小决议输出电压大小次次谐谐波波电电压压相相对对值值、基基波波、的的矩矩形形波波的的脉脉宽宽为为753 tnnnVvVtdVVnnDtabDDabsin) 1(2sin4)(2221, 7 , 5 , 3 , 1)(21222ddmVVVV 22411 时时，14sin24sin2mDDnmVVVnVn 实

16、际根底实际根底冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本一样其效果根本一样冲量指窄脉冲的面积冲量指窄脉冲的面积效果根本一样，是指环节的输出呼应波形根本一样效果根本一样，是指环节的输出呼应波形根本一样低频段非常接近，仅在高频段略有差别低频段非常接近，仅在高频段略有差别f (t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)外形不同而冲量一外形不同而冲量一样的各种窄脉冲样的各种窄脉冲f (t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)外形不同而冲量一外形不同而冲量一样

17、的各种窄脉冲样的各种窄脉冲 实例实例电路输入：电路输入：u(t)，窄脉冲，如图，窄脉冲，如图a、b、c、d所示所示电路输出：电路输出：i(t)，面积等效原理面积等效原理a)Ob)图6-2tbdcai(t)i(t)e(t)冲量一样的各种窄脉冲量一样的各种窄脉冲的呼应波形根本一冲的呼应波形根本一样样 用一系列等幅不等宽的脉冲来替代一个用一系列等幅不等宽的脉冲来替代一个正弦半波正弦半波正弦半波正弦半波N等分，可看成等分，可看成N个彼此相连的个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲替代，等幅，不等宽，中点重用矩形脉冲替代，等幅，不等宽，中点重合，面积冲量相等合

18、，面积冲量相等宽度按正弦规律变化宽度按正弦规律变化tOua)b)图6-3Out用用PWM波替代正波替代正弦半波弦半波SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的等效的PWM波形波形要改动等效输出正弦波幅值，按同一比例改动各脉冲要改动等效输出正弦波幅值，按同一比例改动各脉冲宽度即可宽度即可PWM电压波在每一时间电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的积相等外，每个时间段的电压脉冲还必需很窄，这电压脉冲还必需很窄，这就要求脉波数量就要求脉波数量P很多。很多。脉波数越多，不

19、延续的按脉波数越多，不延续的按正弦规律改动宽度的多脉正弦规律改动宽度的多脉波电压就越等效于正弦电波电压就越等效于正弦电压。压。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud一、单极正弦波一、单极正弦波PWM调制方式调制方式ug2=0 T2断断控制电压的分控制电压的分布：布：电路中，电路中，T1、T2为频控臂：为频控臂：当当ur0ug1=1 T1通通当当uruc,ug4=1,ug3=0,T3关断，关断，T4导导通通ur0 uo=Vd0ucuc,T1、T4导通导通uo=Udur,uc,T2、T3uo=-UdT1、T4和和T2、T3两组相互导通两组相互导通图6-6urucuOtOtuouofuo

20、Ud-Ud一样的开关频率时一样的开关频率时单极性单极性SPWMSPWM：开关动作次数相对少些，谐波情况好些，：开关动作次数相对少些，谐波情况好些，多用于单相逆变。多用于单相逆变。双极性双极性SPWMSPWM：谐波情况差些，用于三相逆变。：谐波情况差些，用于三相逆变。载波比：载波频率载波比：载波频率fcfc与调制信号频率与调制信号频率frfr之比，之比，N= fc / frN= fc / fr调制比：正弦波幅值与三角波幅值比值称为调制调制比：正弦波幅值与三角波幅值比值称为调制比比:M=Vrm/Vcm:M=Vrm/Vcm4.4.1 电压型三相逆变任务原理电压型三相逆变任务原理4.4.2 电流型三相

21、逆变任务原理电流型三相逆变任务原理根本假设：根本假设： 负载星形衔接，平衡对称，负载星形衔接，平衡对称， 纯阻性、负载中点纯阻性、负载中点o o点位作点位作 为参考点，即为参考点，即uo=0uo=0 控制脉冲的宽度控制脉冲的宽度= = 直流电容直流电容CdCd值足够大；值足够大； 输入为输入为DCDC直流源直流源 电路已到达稳态电路已到达稳态控制电压信号的构成控制电压信号的构成载波电压：用一个对称的三角波，幅值为载波电压：用一个对称的三角波，幅值为UomUom，频率为，频率为fcfc；控制信号：采用三相正弦波。控制信号：采用三相正弦波。ggsmscggsmsbggsmsauuCtUuuuBtU

22、uuuAtUu )326sin(,)326sin(,),6sin(5,26341相的控制信号相的控制信号用来构成用来构成相的控制信号相的控制信号用来构成用来构成相的控制信号相的控制信号用来构成用来构成 电路：电路：cusu4gu1gucmu1gucutatuscmsmUUm :调制比调制比A A相控制信号的构成相控制信号的构成Ug1,Ug4Ug1,Ug4,1gu5gu2gu6gu3gguu412 2任何时辰均有三个控制信号为任何时辰均有三个控制信号为 高电平。高电平。各相上下臂控制信号反相。各相上下臂控制信号反相。控制信号的特点：控制信号的特点：由坐标零点开场。由坐标零点开场。TTTgggAB

23、TTTgggABTTTgggABTTTgggabVVVuuuUVVVuuuUVVVuuuUVVVuuuU 00 UAB 0, 1, 1, 1:4, 1, 1, 1:3Ud, 1, 1, 1:2Ud, 1, 1, 1:11543432432321321216216165165时区时区时区时区时区时区时区时区时区编号时区编号，只讲，只讲结合图结合图阻负载阻负载、输出电压的构成纯、输出电压的构成纯3dAoUu32dAoUu3dAoUu3dAoUu21111(sinsin5sin7sin11sin)57112 31111sin()sin5()sin7()sin11()sin ()656761166dAOdABUuttttn tnUuttttntn010101101101222