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构成一个桥臂， S3、S4构成另一个桥臂

2、，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)tuoiot1t2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

3、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

4、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)ttOOONb)oUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2V1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、VD

5、2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tOtOtOtOtO V1V2V3V4uoi0t1t2t3iou0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（0180 ） ；V3、V4的栅极

6、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( )ou ti( )e t( )n t为输出

7、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( )( )( )doie tn tLu tt控制目标控制目标 sinouUt逆变器调制波逆变器调制波 ( )()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 ( )sinou 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

8、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 ( )d4tot TUu 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 110dUtpUieUe =U -UU = k e +ketU =U +U4.3 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 sinout =Ut+相位控制目标，获得逆变器输出电压的相位是关键 2sin2sinsind2txyt-T = R =t+t -tT由于 sinout =Ut+ ( )2sinsind2tot-Tu t =t -tTU4.3 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

9、电感L上由于 可以近似认为sin的电压降造成的，则非常小，22sinsindtpi0=()=k e +kete-()控制原理控制原理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+110dUtpUiUe =U -UU = k e +ket22sinsindtpi0e-()()=k e +ket2cos1 sinsincossinsincost - 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

10、路结构和工作原理 UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 负载线电压负载线电压 NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu 负载相电压负载相电压UN VNWN NN 3 uuuu 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/2U相下开关管导通uUN=-Ud/2V相上开关管导通uVN=Ud/2V相下开关管导通uVN=-Ud/2W相上开关管导通uWN=Ud/2W相

11、下开关管导通uWN=-Ud/24.4 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tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3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 UNWNWUWNVN

12、VWVNUNUVuuuuuuuuudUN VNWN NN 3 uuuue NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuuf4.4 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 UNUNuuuuuuuuu 负载相电压负载相电压UN VNWN NN 3 uuuu 负载中点电压负载中点电压UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu改进改进SP

13、WM的技术的技术UNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu4.4 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SPWMUN0VNd0WNsinsin120sin2240Utuutut结论输出电压的幅值最大2DCUUN0VN0WdNsinsin2120sin240tuututU采用这种调制模式能解决实际问题吗？ UN0dVN0WNsinsin1202sin240tuk UututUN0ddVN0WNsinsin12022sin240ktuUUuktukt 设计三次谐波注入法UNdVNWN1.15sin0.19sin321.15sin0.

14、19sin32341.15sin0.19sin33ttuUuttuttAN0BN0CdNsinsin120sin241.0152tuututUUNUNUNVNWNVNVNUNVNWNWNWNUNVNWN13uuuuuuuuuuuuuuu关键：关键：uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/24.4 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uucr1uOturur1uOtur3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，

15、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。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d1.152U4.4 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

16、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

17、 增加一个桥臂用以直接控制零增加一个桥臂用以直接控制零线电压，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，

18、回路电压方程为 aaAGbbBGccCGabcfffffffdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtdidiuLuLudtdtiiii4.5 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aaAGbbBGccCG()()()()pppffhukuuukuuukuuukuuabchuuuuAGBGCGuuuu控制策略控制策略控制负载中点G的电位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3DSVPW

19、M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3DSVP

20、WMabc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a1122b3322c123 0VVVVVClark变换变换abcAGBGCG()ffukuuuuuu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abc1()3fuuuua31b2231c2210111VVVVVV 1122a33b22111c2221203VVVVVV4.6 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

21、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-ref1122a33b22111c2221203VVVVVVVr、 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+Vaf0 根据根据Vaf、Vbf、Vcf的的值判断四面体值判断四面体例：例： Vaf0、Vbf0