逆变电路1

第四讲DC-AC逆变电路现代功率变换技术一、DC-AC基本概念•逆变的概念逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交-直-交变频两种。交-直-交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。一、DC-AC基本概念•主要应用:–各种直流电源，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都是逆变电路。电路构成整流器滤波器逆变器交流输入负载ACDCACAC-DC-AC逆变频率可以达到几百赫~几兆赫无源逆变器一、DC-AC基本概念ACS1、S4S2、S3ui•逆变器中的电子开关要求：•既能控制开也能控制关、快速、耗能低如：GTR、GTO、MOSFET、IGBT•若使用晶闸管则需要强迫换流环节负载滤波装置S2S3S4S1DCt通过控制S1、S4和S2、S3的切换频率，可以使负载上获得交变的电压和电流AC一、DC-AC基本概念S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。直流电交流电一、DC-AC基本概念逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形形状相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。一、DC-AC基本概念•逆变器基本类型电压型电流型•储能元件：电压型—电容器，（低阻抗电压源）；电流型—电抗器（高阻抗电流源）•输出波形的特点：电压型电压波形为矩形波；电流型变频器则为电流波形为矩形波。•回路构成特点，电压型有反馈二极管，电流型无反馈二极管直流，电动机四象限运转容易。一、DC-AC基本概念电压型逆变电路的特点电压型全桥逆变电路(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。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。一、DC-AC基本概念1.三相电压型逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路二、方波逆变电路二、方波逆变电路电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3相位彼此相差120度，直流变成三相交流。101100110010011001101100）（通上桥臂关断，下桥臂导断上桥臂导通，下桥臂关cbaksk,,01定义单极性二值逻辑开关函数为ks二、方波逆变电路16)sin)1(1(sin32)13sin13111sin1117sin715sin51(sin32kntnntUtttttUuknddUV输出线电压谐波分析：dmUVUVddmUVdUVUUUUUUUtduUUV78.021.132816.021111202三相电压型逆变电路输出线电压有效值：二、方波逆变电路16)sin1(sin2)13sin13111sin1117sin715sin51(sin2kntnntUtttttUunddUN输出相电压谐波分析ddUNddmUNdUNUUUUUUUtduUUN45.022637.02471.02111202方波逆变电路特点：输出电压不可调；输出电压谐波含量高；直流电压利用率高。重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)三、SPWM逆变概念OuωtOuωtSPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωt三、SPWM逆变概念OtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形三、SPWM逆变概念目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。三、SPWM逆变概念单极性PWM控制方式ur正半周，V4保持通，V3保持断。当uruc时使V1通，V2断，uo=Ud。当uruc时使V1断，VvD2通，uo=0。单极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。四、SPWM逆变控制原理全桥逆变电路四、SPWM逆变控制原理单极性PWM控制方式Ur负半周，V3保持通，V4保持断。当uruc时使V2通，V1断，uo=Ud。当uruc时使V2断，VvD1通，uo=0。全桥逆变电路四、SPWM逆变控制原理单极性PWM控制方式1muumcmrmtmUtuuUUdrmcmdsinsin0在一个载波周期的平均值t1000D(t)UduTUdTccm)(crcu(t)uTtD(t)双极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。双极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。四、SPWM逆变控制原理双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，与单极性调制相比是产生了较大的开关损耗，但控制简单。双极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。四、SPWM逆变控制原理双极性PWM控制方式（三相桥逆变）三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°四、SPWM逆变控制原理ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud四、SPWM逆变控制原理000001101111101000101111100000100111mABddnnABUUBnnnnnUBtnBnu13211321)coscos(cos41)coscos(cos4sin在K1，m1的条件下，三相SPWM逆变电路输出电压ddABdmAdmmddcmtmdmUUmUUmUKmmUUtUtmUtmUtUUUu866.02321,1,,sinsinsinsin10101010四、SPWM逆变控制原理电压利用率与方波比低谐波角频率为:rckn式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…输出线电压中的谐波角频率为rckn式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，。,2,116,1,016mmmmk单相SPWM逆变电路谐波三相SPWM逆变电路谐波五、SPWM控制谐波分析三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率c整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是c±2r和2c±r。SPWM波中谐波主要是角频率为c、2c及其附近的谐波，很容易滤除。谐波分析小结五、SPWM控制谐波分析提高直流电压利用率和减少开关次数在调制度为最大值1时，输出相电压的基波幅值为/2，输出线电压的基波幅值为(/2)，即直流电压利用率仅为0.866。比较低的。dU3dU五、SPWM控制谐波分析提高直流电压利用率和减少开关次数五、SPWM控制谐波分析用正弦信号波对三角波载波进行调制时，只要载波比足够高，所得到的PWM波中不含低次谐波，只含和载波频率有关的高次谐波。提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力，减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。提高直流电压利用率和减少开关次数1）不用正弦波，而采用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压利用率五、SPWM控制谐波分析的三角形的高梯形所形成为梯形高，三角化率00ttttUUUU左右时谐波含量最少，但直流电压利用率也较低。当时，谐波含量也较少，约为3.6%，而直流电压利用率为1.03，是正弦波调制时的1.19倍。8.04.0五、SPWM控制谐波分析用梯形波调制时，输出波形中含有5次、7次等低次谐波。实际使用时，可以考虑当输出电压较低时用正弦波作为调制信号，使输出电压不含低次谐波；当正弦波调制不能满足输出电压的要求时，改用梯形波调制，以提高直流电压利用率。五、SPWM控制谐波分析五、SPWM控制谐波分析2）线电压控制方式目标是线电压变形中不含低次谐波线电压控制方式的目标是使输出的线电压波形中不含低次谐波，同时尽可能提高直流电压利用率，也应尽量减少功率器件的开关次数。线电压控制方式的直接控制手段仍是对相电压进行控制，但其控制目标却是线电压。正正调制叠加三次谐波法如果在相电压正弦波调制信号中叠加适当大小的3次谐波，使之成为鞍形波，则经过PWM调制后逆变电路输出的相电压中也必然包含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同。在合成线电压时，各相电压的3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。五、SPWM控制谐波分析除可以在正弦调制信号中叠加3次谐波外，还可以叠加其他3倍频于正弦波的信号，也可以再叠加直流分量，这些都不会影响线电压。五、SPWM控制谐波分析1,,min111rWrVrUpuuuu111rUrUprVrVprWrWpuuuuuuuuu可以看出，在这1／3周期中，并不对调制信号值为-1的一相进行控制，而只对其他两相进行PWM控制，因此，这种控制方式也称为两相控制方式。3）叠加直流分量法五、SPWM控制谐波分析1)在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可使功率器件的开关损耗减少1/3。2)最大输出线电压基波幅值为，和相电压控制方法相比，直流电压利用率提高了15%。3)输出线电压中不含低次谐波，这是因为相电压中相应于的谐波分量相互抵消的缘故。dU两相控制方式特点：•跟踪控制方法这种方法不是用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断．使实际的输出跟踪指令信号变化。因此，这种控制方法称为跟踪控制法。跟踪控制法中常用的有滞环比较方式和固定开关频率方式。六、PWM跟踪控制技术六、PWM跟踪控制技术滞环比较方式六、PWM跟踪控制技术滞环比较方式特点：1)硬件电路简单；2)属于实时控制方式，电流响应快；3)不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；4)和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；5)属于闭环控制，这是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。七、空间矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念abc0Iaibiciii空间矢量的概念)3/2sin()3/2sin()sin(tIitIitIimcmbma矢量两相静止坐标系七、空间矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念空间矢量的概念0diqii