北京交通大学电力电子技术第六章无源逆变.ppt

2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-1,第6章无源逆变电路,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-2,概述,无源逆变直流交流（向负载直接供电）无源逆变电路简称逆变电路逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路交交变频和交直交变频两种交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-3,无源逆变技术的应用,直流电源如蓄电池、干电池和太阳能电池,,逆变电路,交流负载供电,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-4,交流电源如列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等。,无源逆变技术的应用,交流调速系统如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-5,逆变器的基本类型,按电路结构分类桥式零式按输出相数分类单相多相按器件分类半控型全控型,按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波按导通的角度分类180120按强迫换流的特点谐振型并联电容型等,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-6,逆变器的基本类型（续）,按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器,电流型逆变器,直流侧电源为准恒压源,直流侧电源为准恒流源,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-7,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-8,6.1无源逆变电路的原理,一、单相半桥逆变电路1、电路结构2、工作原理/波形分析T1导通、T2截止UanUd/2T1截止、T2导通Uan-Ud/2,,T1、T2轮流导通，使直流,交流,改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流电的频率。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-9,一、单相半桥逆变电路（续）,3、基本关系输出电压有效值输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流基波分量,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-10,二、单相全桥逆变电路,1、电路结构2、工作原理/波形分析与全桥逆变电路相同T1、T4导通、T2、T3截止UanUdT1、T4截止、T2、T3导通Uan-Ud,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-11,二、单相全桥逆变电路（续）,3、基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流其中,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-12,三、单相推挽式逆变电路,1、电路结构2、工作原理T1导通、T2截止Uo-Ud/KT1截止、T2导通UoUd/K3、基本关系与桥式电路相同,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-13,四、三种单相逆变电路比较,1、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多。2、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。应用场合常用于几KW以下的小功率逆变电源。3、单相推挽式逆变电路所用器件比全桥电路少一半，但器件承受的电压比全桥电路高出一倍，而且必须有变压器，低频使用受限制。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-14,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-15,6.3三相逆变器工作原理,一、三相电压型逆变器工作原理电路结构,根据各管导通时间分180导通型120导通型负载连接方式Δ型连接Y型连接,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-16,（一）1800导电型工作原理分析,1、电压波形相电压波形线电压波形,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-17,（一）1800导电型工作原理分析（续）,2、各阶段的等值电路及电压值,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-18,（一）1800导电型工作原理分析（续）,3、电压表达式相电压表达式线电压表达式,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-19,（一）1800导电型工作原理分析（续）,3、电压表达式（续）相电压有效值线电压有效值,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-20,（一）1800导电型工作原理分析（续）,4、感性负载电流负载电流滞后角小于60（a）A相电压波形Uan（b）A相电流波形ia（c）T1的电流波形iT1（d）D4的电流波形iD4（e）直流输入电流id,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-21,（一）1800导电型工作原理分析（续）,4、感性负载情况（续）负载电流滞后角大于60,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-22,（一）1800导电型工作原理分析（续）,感性负载下逆变器中可能有三种电流功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-23,（二）1200导电型工作原理分析,1、电压波形相电压波形线电压波形,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-24,（三）电压型逆变器有功功率的反馈,电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1D6回馈到直流侧，使直流侧电压Ud升高为限制Ud，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-25,（三）逆变器有功功率的反馈（续）,再生方案1功率因数低谐波电流大,通过有源逆变器将再生能量反馈给电网,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-26,（三）逆变器有功功率的反馈（续）,再生方案2功率因数高（接近于1）谐波电流小,通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-27,二、三相电流型逆变器工作原理,1、电路结构逆变器的供电电源为电流源,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-28,二、三相电流型逆变器工作原理（续）,2、工作原理及主要波形1200导电方式线电流波形a负载Δ型连接时的相电流波形b,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-29,二、三相电流型逆变器工作原理（续）,3、线电流表达式,基波电流的幅值为基波电流有效值为线电流的有效值为,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-30,二、三相电流型逆变器工作原理（续）,负载Δ型连接时的相电流表达式,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-31,4、电流型逆变器有功功率的反馈再生方案1将交流电源端的相控整流器控制角后移到90，使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-32,再生方案2通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-33,二、三相电流型逆变器工作原理（续）,5、特点由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。不需要增设反并联的再生变流装置。电感重量、体积都很大，实际使用不如电压型逆变器广泛。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-34,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-35,6.4PWM技术,方波控制逆变器的问题本身不能调节输出量幅值输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波解决方法采用PWM控制技术本课程主要讨论电压型PWM逆变器的控制方法,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-36,,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-37,PWM控制的理论基础,,,冲量指窄脉冲的面积,,指环节的输出响应波形基本相同,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-38,PWM控制的基本原理,实例,,以上实例说明了“面积等效原理”,电路输入et,电路输出it,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-39,一、正弦脉宽调制（SPWM）原理,1、目标涵数正弦电压使脉冲列的作用效果尽量接近正弦波的作用效果2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）,根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波。按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-40,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-41,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,,,,SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-42,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方法问题）离线计算法根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔。缺点计算量大，繁琐。调制法将目标涵数（波形）作为调制信号，通过对载波的调制得到PWM波形。一般用等腰三角形波作为载波；根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）调制和双极性（或对称）调制。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-43,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,单极性调制参照单相逆变器说明正半周T1导通，T4交替通断，T2、T3截止负半周T2导通，T3交替通断，T1、T4截止,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-44,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-45,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,双极性调制同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态uruc时T1、T4导通，T2、T3截止，uoVDuruc时，上桥臂T1导通，下桥臂T4关断，uaoUd/2；当urauc时，T4导，T1关断，uao-Ud/2。B相和C相的控制方式和A相相同。三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-48,二、SPWM波的基波电压,在电压型逆变器输出的SPWM电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。因此基波电压越大越好。可以证明当n较大时，SPWM电压波形的基波电压与调制信号ur的幅值近视成正比，因此调节ur的幅值便可控制基波电压的幅值。调节ur的频率便可控制基波电压的频率。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-49,三、对脉宽调制的制约条件,1、定义载波频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比M。,2、对脉宽调制的制约条件（1）器件开关频率对N的限制为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N，但N必须满足下列条件,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-50,三、对脉宽调制的制约条件（续）,（2）器件的导通时间ton、关断时间toff对M的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff。因此对M有限制，M在01之间，实际上小于1。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-51,四、同步调制与异步调制,根据调频过程载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和、同步调制和分段同步调制。,1、异步调制,载波信号和调制信号不同步的调制方式，通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。,特点在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称波形对称性差；当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小低频特性相对较好；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响变大高频特性相对较差。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-52,2、同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。,同步调制三相PWM波形,讨论,三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称,为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数,fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除,fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受,同步调制与异步调制（续）,,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-53,分段同步调制方式举例,3、分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用,,讨论,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同,在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法,,结论,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现,可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近,同步调制与异步调制（续）,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-54,五、SPWM波形生成方式,（一）模拟控制生成方式特点实时性好，但控制电路复杂，可靠性差,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-55,（二）SPWM的数字控制生成方式,数字控制生成方式（包括用微机实时计算生成或用专用芯片生成）目前最常用的生成方式。特点控制电路简单、可靠。用微机实时计算生成SPWM控制信号时，关键问题是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这主要取决于脉冲宽度计算方法。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-56,脉冲宽度经典计算方法介绍,1、基本概念自然采样法按照正弦调制波与三角载波的自然交点，采集脉冲前、后沿时刻，生成SPWM波形，叫做自然采样法。（NaturalSampling）,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-57,脉冲宽度经典计算方法介绍（续）,规则采样法按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻，生成SPWM波形，叫做规则采样法（RegularSampling）。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-58,脉冲宽度经典计算方法介绍（续）,2、自然采样法脉宽计算,超越方程，求解困难虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适于微机实时控制。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-59,脉冲宽度经典计算方法介绍（续）,3、规则采样法II脉宽计算,规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时控制。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-60,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-61,6.5其它PWM控制方法,一、电流跟踪控制PWM目标涵数正弦电流使实际输出电流尽量接近正弦参考电流电流跟踪控制的方法很多，最基本的方法是电流滞环跟踪控制，其它方法都是对滞环跟踪控制的改进,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-62,电流跟踪控制PWM（续）,电流滞环跟踪控制的原理设定参考电流i*环及环宽2h将实际电流i与参考电流i*比较根据比较结果控制上、下桥臂,滞环环宽,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-63,电流跟踪控制PWM（续）,电流滞环跟踪控制的特点属于闭环控制（跟踪型PWM控制的共同特点）控制电路简单电流响应快不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关环宽大谐波电流分量大，但开关频率低；环宽小谐波电流分量小，但开关频率高。开关频率不固定,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-64,电流跟踪控制PWM（续）,影响开关频率的因素,开关频率fc与环宽2h成反比;负载电感L越大，fc越小；直流侧电压VD值越大，fc越大;参考电流i*的变化率越大，fc越小；负载反电势Ea越大，fc越小。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-65,电流跟踪控制PWM（续）,最大的开关频率发生在Ea0（电机堵转）且参考电流i*的变化率为零的时刻，此时,为了在功率器件的允许开关频率范围内得到较好的电流波形，派生出了很多种电流跟踪控制方法，这些控制方法的实质是使任何时刻实际开关频率尽可能达到最大设计值。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-66,电流跟踪控制PWM（续）,改进方法1变环宽电流滞环跟踪控制,根据参考电流变化率实时调整滞环宽度，使开关频率恒定,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-67,电流跟踪控制PWM（续）,改进方法2带开关频率闭环的电流滞环跟踪控制,将实际开关频率与参考开关频率进行比较，据此结果实时调整滞环宽度，使开关频率恒定,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-68,二、谐波消除PWM,目标涵数消除特定次谐波,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-69,谐波消除PWM（续）,用脉宽调制消除指定的谐波分量式中为了消除3次和5次谐波，可令U3M0和U5M0可求得特定的1和2,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-70,三、电压空间矢量PWM控制（磁链跟踪控制）,目标涵数圆型磁通轨迹SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，至于电流波形，则还会受负载电路参数的影响。电流跟踪控制则直接着眼地输出电流是否按正弦变化，这比只考察输出电压波形要进了一步。异步电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。电压空间矢量PWM控制就是以圆形旋转磁场为目标来控制输出电压。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-71,电压空间矢量PWM控制（磁链跟踪控制）（续）,三相电压型逆变器共有8种工作状态,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-72,电压空间矢量PWM控制（磁链跟踪控制）（续）,磁链的运动方向与电压空间矢量的方向一致,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-73,PWM控制技术总结,PWM控制技术在电力电子领域有着广泛的应用，它推动了电力电子技术的发展谐波消除PWM技术在晶闸管逆变器上用得较多，它较好地解决了在开关频率不高的情况下消除危害最严重的谐波的问题电流跟踪控制PWM技术要求功率开关器件具有较高的开关频率，通常只用在IGBT逆变器上。SPWM技术和电压空间矢量PWM技术是目前最通用的PWM技术，相比而言，电压空间矢量PWM技术更有发展前途。重点掌握SPWM技术,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-74,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-75,6.6多重化技术,多重化的目的消除或减少低次谐波，改善逆变器的输出波形；增大装置容量。多重连接方法电流型逆变单元多重连接N个逆变单元的输出并联（直接并联或经过变压器耦合后并联），各逆变单元的运行相位彼此错开60o/N。电压型逆变单元多重连接N个逆变单元的输出经过变压器耦合后串联，各逆变单元的运行相位彼此错开60o/N。,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-76,一、电流型逆变器的多重化,1、无输出变压器的电流型逆变器多重连接,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-77,电流型逆变器的多重化（续）,基本关系总输出电流基波有效值总输出电流谐波分量有效值逆变单元的输出相位彼此错开θ30时，直流侧输入电压ED11.35E1COSφ-150ED21.35E1COSφ150两个逆变单元不能共用整流器,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-78,电流型逆变器的多重化（续）,2、输出变压器耦合型电流型逆变器多重化连接,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-79,电流型逆变器的多重化（续）,基本关系总输出电流基波有效值总输出电流谐波分量有效值,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-80,二、电压型逆变器的多重化,,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-81,二、电压型逆变器的多重化,二重PWM型逆变电路,利用电抗器联接的二重PWM逆变电路,两个单元的载波信号错开180,,,输出端相对于直流电源中点N’的电压uUN’uU1N’uU2N’/2,已变为单极性PWM波,,,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-82,输出线电压共有0、1/2Ud、Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwckwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍,二重PWM型逆变电路输出波形,,,PWM逆变电路的多重化,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-83,本章内容,6.1无源逆变电路的原理6.3三相逆变器工作原理6.4PWM技术6.5其它PWM控制方法6.6多重化技术6.7三电平逆变器的原理,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-84,6.7三电平逆变器的原理,前面所介绍的三相逆变电路其输出电压只有两种电平,本节介绍能输出三种电平的三相逆变电路,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-85,一、三电平逆变电路原理,Holtz电路T1导通UAoUd/2T4导通UAo-Ud/2T7或T8导通UAo0,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-86,三电平逆变电路原理（续）,Nabae电路T11、T12导通UAoUd/2T41、T42导通UAo-Ud/2D7、T12或D8、T41导通UAo0,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-87,二、三点式逆变器的输出电压波形,逆变器的相电压波形α控制角a方波输出bPWM方式输出,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-88,三点式逆变器的输出电压波形（续）,不同控制角时负载相电压波形,2021/3/2,北京交通大学电气工程学院,6-89,不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形,