逆变器工作原理和控制技术教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

当代电力电子及变流技术当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第1页第四章第四章 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 逆变电路基本原理逆变电路基本原理 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 4.3 单相逆变器控制技术单相逆变器控制技术 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 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 4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM第2页4.1 逆变电路基本原理逆变电路基本原理逆变概念逆变概念将直流电转换为交流电过程。无源逆变无源逆变把直流电逆变为某一频率交流电供给负载；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关键部分。第3页4.1 逆变电路基本原理逆变电路基本原理经典逆变电路经典逆变电路由S1S4组成桥式电路；S1、S2组成一个桥臂，S3、S4组成另一个桥臂，形成两桥臂结构；含有降压特征。第4页4.1 逆变电路基本原理逆变电路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为负为负第5页4.1 逆变电路基本原理逆变电路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；电电阻阻负负载载时，负载电流io和uo波形相同，相位也相同；阻阻感感负负载载时，io相位滞后于uo，波形也不一样。第6页4.1 逆变电路基本原理逆变电路基本原理逆变电路分类逆变电路分类 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第7页4.1 逆变电路基本原理逆变电路基本原理电压型逆变电路特点电压型逆变电路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一样而不一样；为了给交流侧向直流侧反馈无功效量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管；第8页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，要控制二者电压均衡。应用应用用于几kW以下小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路组合。第9页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，二者互补，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称为反反馈馈二二极极管管,它又起着使负载电流连续作用，又称续续流流二二极极管管。第10页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组成两个桥臂，可看成两个半桥电路组合；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第11页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基极信号与V1相差（0180）；V3、V4栅极信号分别比V2、V1前移180；输出电压是正负各为宽度脉冲；改变就可调整输出电压。第12页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；两个二极管作用也是提供无功效量反馈通道；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。与半桥和全桥电路比较：与半桥和全桥电路比较：比全桥电路少用二分之一开关器件；比半桥电路电压利用率高；器件承受电压为2Ud，比全桥电路高 一倍；第13页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为输出电压，为输出电流，为逆变桥输出电压谐波分量，主要由PWM调制过程产生。为逆变桥输出电压调制波分量，电力变换中控制技术作用？第14页回路电压方程回路电压方程 控制目标控制目标 逆变器调制波逆变器调制波 逆变电压逆变电压 其中为控制目标幅值，为幅值控制量，为相位控制量。逆变器输出电压逆变器输出电压 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只需控制好逆变器调制波电压幅值和相位就能使逆变电源输出电压与控制目标完全相等，注：注：第15页控制原理控制原理幅值调整幅值调整 逆变器输出电压幅值逆变器输出电压幅值幅值幅值PI调整调整 4.3 单相逆变器控制技术单相逆变器控制技术第16页控制原理控制原理相位调整相位调整 相位控制目标，取得逆变器输出电压相位是关键因为 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上因为 能够近似认为电压降造成，则非常小，第17页控制原理控制原理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 能否深入设计闭环控制以到达更加好性能？第18页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 负载线电压负载线电压 负载相电压负载相电压 负载中点电压负载中点电压负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0第19页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。依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第20页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第21页波形分析波形分析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、cdef4.4 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第22页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。负载相电压负载相电压 负载中点电压负载中点电压改进改进SPWM技术技术第23页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结论输出电压幅值最大采取这种调制模式能处理实际问题吗？第24页设计三次谐波注入法关键：关键：uUN、uVN、uWN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技术技术结论：结论：直流电压利用率提升 第25页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技术技术uucr1uOwturur1uOwtur3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。鞍形波基波分量幅值大。除叠加3次谐波外，还可叠加其它3倍频信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。第26页SVPWM情况情况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是是注注入入全全部部3 3倍倍次次谐谐波波一一个实现方式个实现方式第27页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 经典应用：交流电机控制技术经典应用：交流电机控制技术第28页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为何研究四桥臂电路结构？为何研究四桥臂电路结构？为何研究四桥臂电路结构？为何研究四桥臂电路结构？新能源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基础上，怎样提供零线电压？在三桥臂逆变电路基础上，怎样提供零线电压？第29页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想法最朴素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三个半桥结构三相四线制供电三个半桥结构问题：问题：即使利用电源中点提供了零线，但在三相负载不平衡时，流过零线电流较大，对提供电源中点电容产生较大压力，严重限制了这一电路结构应用，所以这一电路结构并没有很好处理三相四线制供电。第30页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 增增加加一一个个桥桥臂臂用用以以直直接接控控制制零零线线电电压压，并并为为负负载载不不平平衡衡时时产产生生零线电流提供通路。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），为实现三相电压独立调解提供了基础；独立调解提供了基础；具备了调解三相负载中点电压能力。为三相负载不平衡所产生零具备了调解三相负载中点电压能力。为三相负载不平衡所产生零序分量提供释放通道。序分量提供释放通道。第31页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 第32页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控制目标为标为：经过控制压控电压源ua、ub、uc使输出电压uAG、uBG、uCG三相对称且幅值为额定值控制策略控制策略控制负载中点G电位uG为零，则各相完全独立，实现解耦。第33页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM回想三桥臂回想三桥臂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经过开关状态合成矢量经过开关状态合成矢量三相耦合会解耦，能实现调制第34页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第35页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）问题问题三相耦合能调制三相耦合能调制 需要设计一个第四桥臂含需要设计一个第四桥臂含有独立维度三维空间有独立维度三维空间第36页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWMabc空间中开关状态空间中开关状态第37页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM坐标变换坐标变换Clark变换变换解耦策略解耦策略kf取取1/3，负载电压三相对称，负载电压三相对称第38页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM空间中开关状态空间中开关状态abc空间中开关状态空间中开关状态坐标变换坐标变换第39页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM空间空间第40页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-refVr、Vr、Vr矢量怎样经过开关状态实现？第41页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选择开关矢量选择棱柱体选择；棱柱体选择；四面体选择。四面体选择。开关矢量工作时间计算开关矢量工作时间计算驱动波形生成驱动波形生成注：注：开关矢量选择是确定参考矢量由哪三个相开关矢量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。邻非零矢量和零矢量组合。第42页4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM棱柱体选择棱柱体选择选取矢量选取矢量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第43页四面体选择四面体选择棱柱棱柱例子例子-0+Vcf-0+Vbf-0+Vaf0 依据依据Vaf、Vbf、Vcf值值判断四面体判断四面体例：例：Vaf0、Vbf0、Vcf 0时，依时，依据不矛盾标准，只能选择四据不矛盾标准，只能选择四面体面体14.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM第44页开关矢量工作时间计算开关矢量工作时间计算棱柱棱柱四面体四面体为例为例取取V1=pnnn，V2=pnnp，V3=ppnp，V0=(pppp，nnnn)4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM直流母线电压直流母线电压第45页其它棱柱和四面体其它棱柱和四面体14.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM棱柱棱柱四面体四面体1棱柱棱柱四面体四面体2棱柱棱柱四面体四面体3棱柱棱柱四面体四面体4棱柱棱柱四面体四面体1 棱柱棱柱四面体四面体2棱柱棱柱四面体四面体3 棱柱棱柱四面体四面体4棱柱棱柱四面体四面体1棱柱棱柱四面体四面体3棱柱棱柱四面体四面体2棱柱棱柱四面体四面体4第46页其它棱柱和四面体其它棱柱和四面体24.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWM棱柱棱柱四面体四面体1 棱柱棱柱四面体四面体2 棱柱棱柱四面体四面体3 棱柱棱柱四面体四面体4 棱柱棱柱四面体四面体1 棱柱棱柱四面体四面体2棱柱棱柱四面体四面体3 棱柱棱柱四面体四面体4棱柱棱柱四面体四面体3棱柱棱柱四面体四面体1 棱柱棱柱四面体四面体2棱柱棱柱四面体四面体4第47页驱动波形生成驱动波形生成棱柱棱柱四面体四面体为例为例4.6 四桥臂逆变器四桥臂逆变器3DSVPWMa相比较存放器相比较存放器b相比较存放器相比较存放器c相比较存放器相比较存放器第四桥臂比较存放器第四桥臂比较存放器第48页