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DC-AC逆变电路详细分析.pdf
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1、目录一、概述.31、逆变器的定义.32、逆变技术的发展趋势.4二、单相电压源逆变器.51、推挽式逆变电路.62、半桥式逆变电路.73、单相全桥逆变电路.83.1移相调压法.93.2脉宽调节法.104、单相方波逆变器的输出波形分析.115、单相全桥正弦波逆变技术.135.1单极性正弦波脉宽调制方式.135.2双极性正弦波脉宽调制方式.166、实用电路.25三、三相逆变器.261、三相电压型逆变器.26L1三相电压型方波逆变器.271.2 三相电压型SPWM逆变器基本原理.301.3 SPWM波形生成技术.311.4 双极性调制及逆变器输出电压.321.5 自然采样法.361.6 规则采样法.38
2、1.7 消除有限次谐波的PWM调制方法.391.8 过调制问题.412、三相电流型逆变器.42四、带高频环节逆变技术.451、概述.452.1.1 降压斩波电路.462.2.2 JI)lx 542.2 隔离型DC-DC变换器.632.2.1 基本电路的动作说明.642.3 后级DC-AC逆变器.712.3.1 概述.71232逆变器的设计规格.722.3.3 基于DSP逆变器的优势.722.3.4 DC-DC推挽变换部分.73五、逆变器的组合、并联、多重叠加和多电平技术.741、概述.741L1逆变器的组合.741.2 逆变器的并联.831.2.1 概述.831.2.2 并联技术的现状.841
3、.2.3 并联逆变的关键技术均流和同步.941.3 逆变器的多重叠加.961.3.1 单相串联多重叠加技术.961.3.2 三相逆变器的多重叠加技术.1071.4 逆变器的多电平变换技术.1141.5 二极管箝位型三电平变换.1141.6 二极管箝位型五电平变换.119六、并网型逆变技术.1231、光伏并网逆变技术.1231.2 小型光伏电路.1241.3 XE弓玄 1241.4 大型光伏并网发电技术.1272、风机并网发电技术.1282.1 概述.1282.2 变速风力发电机组中的逆变器.131附:参考文献2逆变器一、概述逆变器也称逆变电源,是将直流电能转变成交流电能的变流装置,是太阳能、风
4、力发电中一个 重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展,逆变技术也从通过直流电动机交流发 电机的旋转方式逆变技术,发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术,而二十一世纪的逆变 技术多数采用了 MOSFET、I GBT、GTO、I GCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件,控制电 路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器(DSP)控制。各种现代控制理论 如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆 变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔,从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压 直流输电换流站;从日常生活的变频空调、变
5、频冰箱到航空领域的机载设备;从使用常规化石能源 的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备,都少不了逆变电源。毋须怀疑,随 着计算机技术和各种新型功率器件的发展,逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优 越的方向发展。1、逆变器的定义逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用,把直流电能转变成交流电能的一 种变换装置,是整流变换的逆过程。逆变器及逆变技术按输出波型,主电路拓朴结构、输出相数等方式来分类,有多种 逆变器,具体如下:方波逆变器 正弦波逆变器(按输出电压波形分类)-阶梯波逆变器,单项逆变器三相逆变器(按输出交流电相数分类)-多项逆变器3电压源型逆变器-电流源型逆变
6、器(按输入直流电源性质分类)推挽逆变器 J半桥逆变器 全桥逆变器单向逆变器 双向逆变器有源逆变器 无源逆变器低频逆变器Y工频逆变器 Y中频逆变器、高频逆变器(按主电路拓朴结构分类)(按功率流动方向分类)(按负载是否有源分类)(按输出交流电的频率分类)低频环节逆变器 高频环节逆变器(按直流环节特性分类)2、逆变技术的发展趋势逆变技术的原理早在1931年就有人研究过,从1948年美国西屋电气公司研制出第 一台3KHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了,而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变 器的发展创造了条件,到了 20世纪70年代,可关断晶闸管(GT0)、电力晶体管(BJT)的问世使得逆变技术得到发
7、展应用。到了 20世纪80年代,功率场效应管(MOSF ET)、绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变 器向大容量方向发展奠定了基础,因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化,大容量 化创造了条件。进入80年代后,逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高 速器件,提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小,逆变效率进一步提高,正 弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面,微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台,传统的逆变技术需 4要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成,随着逆变技术复杂程度的增加,所需 处理的信息量越来越大,而
8、微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求,从8位的 带有PWM 口的微处理器到16位单片机,发展到今天的32位DSP器件,使先进的控制技 术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较 好的应用。总之,逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而 发展,进入二十一世纪,逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的 方向发展。3、逆变器的主要技术指标逆变器有许多重要指标,介绍如下:1)额定容量2)额定功率3)输出功率因数4)逆变效率5)额定输入电压、电流6)额定输出电压、电流7)电压调整率8)负载调整率9)谐波因数10)总谐波畸变率
9、11)畸变因数12)峰值子数二、单相电压源逆变器电压源逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转变为交流电能,是逆变技术中最 为常见和简单的一种,下面从单相电压源逆变器入手,并由浅入深。要从一个直流电源中获取交流电能,有多种方式,但至少应使用两个功率开关元件,单相逆变器有推挽式、半桥式、全桥式三种电路拓朴结构,如果每半个工频周期内只输 5出一个脉冲,我们称其为方波逆变器,如果每半个周期内有多个脉宽组成,并且脉冲宽 度符合正弦波调制(SPWM)规律,则称其为正弦波脉宽调制输出。方波逆变技术实质上 是一个单脉冲调制技术,下面介绍其工作原理。1、推挽式逆变电路图2-1是单相推挽式逆变器的拓朴结构,该电路
10、由两只共负极的功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成,若交流负载为纯阻性负载,当3Wt Wt2时VTi功率管加上栅极驱动信号Ugl,V3导通,VTz截止,变压器输出端感应出正电 压;当ts WtWt,时,VTz功率管加上栅极驱动信号Ug2,VT2导通,VL截止,变压器输出 端感应出负电压,波形如图2-2所示,若负载为感性负载,则变压器内的电流波形连续,输出电压、电流波形如图2-2 推挽电路波形6图2-3推挽电路感性负载波形图2-3所示,推挽逆变器的输出只有两种状态+V0和-V0,实质上是双极性调制,通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压。推挽式方波逆变器的电路拓朴结构简单,两
11、个功率管可共地驱动,但功率管承受开 关电压为2倍的直流电压,因此适合应用于直流母线电压较低的场合。另外,变压器的 利用率较低,驱动感性负载困难。2、半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓朴结构如图2-4所示,两只串联电容的中点作为参考点,图2-4半桥电路拓朴结构7当开关元件V。导通时,电容G上的能量释放到负载RL上,而当VT2导通时,电容 C2上的能量释放到负载RL上,VTi和VT2轮流导通时在负载两端获得了交流电能,半桥 逆变电路在功率开关元件不导通时承受直流电源电压Ud,由于电容G和C2两端的电压 均为Ud/2(假设GX2),因此功率元件V1和VT2承受的电流为2 Id。实质上单相半桥电 路和前
12、一节讨论的单相推挽电路在电路结构上是对偶的,读者可自行分析半桥电路的工 作过程。半桥型逆变电路结构简单,由于两只串联电容的作用,不会产生磁偏或直流分量,非常适合后级带动变压器负载,当该电路工作在工频(50或者60乩)时,电容必须选取 较大的容量,使电路的成本上升,因此该电路主要用于高频逆变场合。3、单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路也称“H桥”电路,其电路拓朴结构如图2-5所示,由两个半 桥图2-5单相全桥电路拓朴结构电路组成,以180方波为例说明单相全桥电路的工作原理,功率开关元件孰与Q 4互补,Q 2与Q,互补,当Q i与Q 3同时导通时,负载电压U=+Ud;当Q 2与Q 4同时悼通时,负载
13、两 端U广-Ud,Q 1Q 3和Q 2 Q 4轮流导通,负载两端就得到交流电能。8图2-6全桥输出电压、电流波形假设负载具有一定电感,即负载电流落后与电压8角度,在Q 1Q 3功率管栅极加上驱动信号时,由于电流的带后,此时DI D3仍处于导通续流阶段,当经过y电角度时,电流过零,电源向负载输送有功功率,同样当Q 2 Q 4加上栅极驱动信号时D2 D4仍处于 续流状态,此时能量从负载馈送回直流侧,再经过y电角度后,Q 2 Q 4才真正流过电流。单相全桥电路上述工作状况下Q1Q3和Q2Q4分别工作半个周期,其输出电压波形为180度的 方波,事实上这种控制方式并不实用,因为在实际的逆变电源中输出电压
14、是需要可以控制和调节的,下面介绍输出电压的调节方法移相调压法和脉宽调压法。3.1移相调压法图2-7为移相控制原理,Q I Q 4互锁,Q 2 Q 3互锁,且均为180C方波信号,但Q 1Q 4桥臂所加的方波与Q 2 Q 3桥臂所加的方波相位错开夕角度,9QA5D3 QaQQTfblac*fwTfbl ac*fw-K-图2-7移相控制原理假设负载功率因数在(01)之间,且电流滞后于电压某一角度,则移相电路可分 为6个不同的工作时间段:第一时段:有功输出模式,输出电压电流均为正-Q i Q 3导通第二时段:续流模式,电压为零但电流为正Q|Q 2导通 第三时段:回馈模式,电压为负但电流为正一一D2
15、D4导通 第四时段:有功输出模式,电压为负电流为负Q 2 Q 4导通 第五时段:续流模式,电压为零但电流为负Q 4D3导通 第六时段:回馈模式,电压为正但电流为负DD导通采用移相控制方式调节输出电压只需调节相移角y即可,由于四个功率开关元件和 四个续流二极管轮流对称工作,因此每个器件所承受的应力对称相等,对延长器件寿命 有利。3.2脉宽调节法脉宽调节的控制波形如图2-8所示,用一个幅值为Ur的直流参考电平与幅值为Uc10图2-8脉宽调节的控制波形的三角波载波信号进行比较,得到Q 33和Q 2 Q 4的基极驱动信号,其中5和Q 4互补。当 Uc在01范围内变化时,脉冲宽度可在0180范围内变化,
16、从而改变输出电压Uo。图 2-8所示的控制方式中“H桥”斜对角的功率开关同时导通和关断,四个功率开关在1T 0 7t 020,-区间,2 2区间2兀一3区间均不导通在这种情况下若负载功率因数在(oi)之间,续流二极管将完成部分能量从负载回馈至直流侧的作用,这种工作方式中输出只有+1、T两种状态,我们称之为双极性调制;与之相反的单极性 调制法是保证输出具有+1、0、-1三种状态,该方法将在后续章节中讨论。4、单相方波逆变器的输出波形分析推挽式、半桥式、全桥式逆变器输出的方波或矩形波,如图2-9所示。图2-9矩形波形a)脉宽为180 b)脉宽为(180-y)11图2-9a所示方波的傅里叶级数展开式
17、为8 AH N N 2 Q)=X -s in(not)(2-1)=1,3,5.式中q推挽式方波逆变器一次测单个绕组上的电压;M推挽式方波逆变器一次测两个相同的绕组匝数;n2 推挽式方波逆变器一次测绕组匝数 方波中含有幅值为45岫1(Ne)的基波分量外,还含有较大的低次谐波(3,5,7,9 次)分量。该方波输出电压的有效值为。2=1位(GM/M)Z=GM/N(2-2)其基波分量的有效值为4U N/N?A/?U2l=一-=-UiN2/Ni=0.9(/(W2/?/1(2-3)J2乃 乃方波输出电压的畸变率THD为)。四/2)2(0.9SM/N炉 0.9UiN2/Ni=48%(2-4)脉宽为6=180
18、-2夕的矩形波,如图2-9b所示,输出电压的傅里叶级数展开式为 4U.N2/N,、./、u2t)=乙-Lcos(w(p)s m(w fo?)“=1,3,5.(2-5):4aM/N 1,*、=!-Lx(-1)2 xs in s in(&)怎7 I 2 J该矩形波同样只含有各奇次谐波,并且基波及谐波的幅值随脉宽变化,当脉宽等于120时,3次及3倍数次谐波等于零。由图2-9b可知,脉宽。与调制度m有关,即0=mn(2-6)式中e脉宽m一调制度输出电压的有效值为12I 1 I(乃+0)/2 2 fg2=J-I(N2/N,)d(次)=一。也/乂V 71 冗t)i2 N 7T(2-7)由式(2-4)、(2
19、-5)、(2-6)可知,n次谐波的含量Ik/(也岫/N D、总的谐波畸变 度THD与调制度m的关系,如图2-10所示。矩形波的THD随脉宽变化,即使脉宽为120 时,THD仍有30%。图2-10矩形波的n次谐波含量、总谐波畸变度与调制度的关系5、单相全桥正弦波逆变技术前面所述的方波逆变电路虽然结构简单,但输出的电能质量较差,谐波分量大,随 着功率器件的发展,正弦波脉宽调制(SPWM)技术得到了广泛的应用,SPWM控制是在逆 变器输出交流电能的一个周期内,将直流电能斩成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的 脉冲序列,该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲,经过滤波后得到正弦波 交流电能。正弦波
20、脉宽调制分为单极性调制和双极性调制两种方式,下面分别介绍其工作原理。5.1单极性正弦波脉宽调制方式用幅值为U,的参考正弦波与幅值为U,、频率为力的三角波以比较,产生功率开 关驱动信号。单极性正弦脉宽调制原理波形如图2-11所示,图2-lla是用两个极性相 反的参考正弦波与双向三角形载波相交产生功率开关驱动信号;图2-llb是用单相正弦 波全波整流电压信号与单向三角形载波交截、再通过倒相得到功率开关驱动信号,或直 接用参考正弦波与单向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。13图2-11单极性正弦脉宽调制SPWM原理波形 a)双向三角形载波Jnnnn口口wnnn,Hnnnnnn.”,I图2-11单极
21、性正弦脉宽调制SPWM原理波形(续)b)单向三角形载波参考波频率力决定了输出频率/。,每半周期的脉冲数决定于载波频率力。14通过改变参考正弦波幅值改变调制度,输出电压峰值由。变到SN z/M。如果第/个脉冲宽度为距则由式u”图小高函卡u,*可以得到输出电压有效值为(2-8)式中p每半周期的脉冲数;%第/个脉冲宽度由式A=2也警式纥=包M/”诂 j=2可计算输出电压的傅里叶级数的系数为A 苣 2 SM/M幺 n兀s in n(a j+%)-s in nai八 2U.N,/N,r,八 jBn=-4cos q-cos n(a j+0:)j=i 兀,(2-9)(2-10)式中CLj第j个脉冲的起始角;
22、%第/个脉冲宽度以半个周期内有5个调制脉冲为例,单极性正弦脉宽调制谐波含量、THD与调制度 的关系,如图2-12所示范,其THD明显比多脉宽调制低。这类调制方法消除了所有低于或等于2p-1次谐波,p=5时最低次谐波为9次。15图2-12单极性正弦脉宽调制谐波含量、THD与调制度的关系5.2双极性正弦波脉宽调制方式双极性正弦脉宽调制原理如图2-13所示。输出电压.。)波形在。2几区间中心对 称、在0区间轴对称,其傅里叶级数展开式为80。)=Bn s in ncot(2-11)九二1,3,5式(2-11)中久=2Wo)s in(女)。输出电压0。)是幅值为U,N z/N、频率为&的 TC方波与幅值
23、2。,加2/N、频率为人的负脉冲序列(起点和终点分别为、2、a2p-a2 p)的叠加。因此=Ui-s in ncotd(cot)-2Ui-s in ncotd(cot)-s in ncotd(cot)纥2Ui 丁 s in ncotd(cot)-cos n(z2 j.)16(2-12)输出电压为Pl-(cos Ma2 y_1-cos m j=ia2j)s in ncot(2-13)输出电压基波分量“01为P1-(cos h a 2-cos n a2 y)s in cot j=i(2-14)Tnnmnrmim皿 Inn n Hnnnmnnn.,-吗快。Nk3F图2-13双极性正弦脉宽调制波形输出
24、电压谐波含量与调制度的关系如图2-14所示。17图2-14输出电压谐波含量与调制度的关系5.3 SPWM逆变器调压性能分析SPWM逆变器的调压性能是指采用PWM控制时逆变器输出基波电压的调节范围、线 性度和电压利用率。由上述分析可知:(1)输出电压的基波幅值加随调制度m的变化 连续可调,载波比k较高时,U0bM与m间有线性关系,且与k值无关;(2)当k值较低 时,调压线性度变差。上述现象可从图2-15所示的电压频谱图得到解释,整个频谱包含三种谐波幅值:(1)基波幅值丽在k值较高时由m值决定,其频率=27tfo取决于调制信号k的重复 频率;(2)与载波频率g成整数倍的各点二c5=l、2、3)形成
25、中心频率,与此频率 相对应的谐波幅值较大,其大小随m值增大而增大;(3)以仁为中心组成各个边频谐 波幅值衰减的频带,边频带中相邻两次谐波的频差为/,如k=9时输出电压所包含的 谐波为7、9、11、17、19(偶次谐波为零)。18图2-15正弦脉宽调制输出电压频谱频率是最低的一个频带,其中心频率为g,中心频率与基频相距为(4-1)。由 于边频谐波幅值自中心频率向两侧衰减,因此k值较高时相当于g远离,边频谐波 幅值在接近g以前衰减为零,无混叠现象产生,基波幅值完全由m值控制并呈良好线 性关系。相反的,k值较低时,叫接近与。,这时将产生混叠现象,尤其是m值较高 时边频谐波较高,下边频谐波在。位置尚未
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