电力电子技术课件_第5章逆变.ppt

5.1概述,5.2电压型逆变电路,5.1.1逆变电路的分类5.1.2DC/AC变换的工作原理5.1.3逆变电路的换流方式,5.2.1单相电压型逆变电路5.2.2三相电压型逆变电路,第5章DC/AC变换技术,第5章DC/AC变换技术,5.3逆变电路的SPWM控制技术,5.3.1PWM控制的基本原理5.3.2SPWM调制技术5.3.3SPWM控制技术5.3.4PWM逆变电路的谐波分析5.3.5PWM逆变电路的多重化5.3.6PWM跟踪控制技术,DC/AC变换是把直流电变换成交流电，也称逆变。逆变电路分有源逆变和无源逆变两种。把直流电经过DC/AC变换，向交流电源反馈能量的逆变电路称之为有源逆变；把直流电经过DC/AC变换，直接向非电源负载供电的逆变电路称之为无源逆变。有源逆变在前面章节已经分析过了，本章主要介绍无源逆变技术。,5.1概述,5.1.1逆变电路的分类,逆变电路分类方法有以下几种⑴根据输入直流电源的性质电压型逆变电路（VSTI）在直流电源侧设置储能元件。采用大电容作为储能元件，保证电压的稳定；电流型逆变电路（CSTI）。采用大电感作为储能元件，是为了保证电流的稳定。⑵根据逆变电路结构半桥式全桥式推挽式逆变电路。,5.1.1逆变电路的分类,⑶根据所用的电力电子器件的换流自关断（如GTO、GTR、电力MOSFET、IGBT等）强迫换流交流电源电动势换流负载谐振换流⑷根据电压和频率控制方法不同可分为脉冲宽度调制（PWM）逆变电路脉冲幅值调制（PAM）逆变电路用阶梯波调幅或用数台逆变器通过变压器实现串并联的移相调压，这类逆变器称为方波或阶梯波逆变器。,5.1.2DC/AC变换的工作原理,⒈基本工作原理单相桥式无源逆变电路，开关S1、S2、S3、S4表示电力电子开关器件的4个桥臂，均为理想开关。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。直流电转换为交流电。,5.1.2DC/AC变换的工作原理,改变两组开关切换频率，即可改变输出交流电的频率。当负载为阻性负载时，负载电流io和电压uo的波形形状相同，相位也相同。当负载为感性负载时，io相位滞后于uo，两者波形的形状也不同。,5.1.2DC/AC变换的工作原理,⒉逆变电路的基本结构要构成一个完整的逆变器系统除了主电路之外还要有输入、输出、驱动与控制、保护等电路。,5.1.3逆变电路的换流方式,逆变电路工作时，电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常称为换相。从断态到通态时，只要门极给以适当的驱动控制信号，就可以使其开通。从通态到断态，对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取相应措施才能使其关断。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,5.1.3逆变电路的换流方式,换流方式可分为以下几种⒈器件换流利用全控型器件自身的关断能力进行换流称为器件换流，在采用IGBT、MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式均为器件换流。⒉电网换流由电网提供换流电压称为电网换流，也称为“自然换流”。整流电路，有源逆变，都属于电网换流。这种换流方式不要求器件具有门极关断能力，也不需要为换流附加任何器件，但不适用于无源逆变电路。,5.1.3逆变电路的换流方式,换流方式可分为以下几种⒊负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。⒋强迫换流通过附加的换流装置，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流方式称为强迫换流。强迫换流通常由电感、电容、小容量晶闸管等组成。器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要用于晶闸管。,5.2电压型逆变电路,常用的电压型逆变电路有5.2.1单相电压型逆变5.2.2三相电压型逆变主要介绍电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性。,5.2.1单相电压型逆变电路,⒈单相半桥逆变电路两个桥臂，每个桥臂由1个可控器件和1个反并联二极管组成。两只电容的容量足够大，电容电压保持为基本不变。,两个电容的连接点便成为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。V1、V2是全控型开关器件，它们交替地处于通、断状态。等效负载电压、电流分别用uo、io表示,5.2.1单相电压型逆变电路,工作原理在0≤t＜T0/2期间，给V1加栅极信号，即V1导通，V2截止，则输出电压uoUd/2；在T0/2≤t＜T0期间，给V2加栅极信号，即V2导通，V1截止，则输出电压uo-Ud/2；因此uo为矩形波，其幅值为Ud/2。,5.2.1单相电压型逆变电路,电流情况输出电流io波形随负载情况而异。当负载为阻性负载时，其电流波形与电压相同；当为纯感性负载时，其电流波形如图cR、L负载时电流波形图d,5.2.1单相电压型逆变电路,T0/2以前V1导通，V2关断。tT0/2时，给V1关断信号，给V2开通信号则V1关断，负载中的电流io不能改变方向，VD2导通续流。在t2时刻io降为零，VD2截止，V2开通，io开始反向。同样，在tT0时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断，VD1先导通续流，io0时V1才开通。,5.2.1单相电压型逆变电路,当V1导通或V2导通时，电压电流同向，直流侧向负载提供能量；当VD1或VD2导通时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈。暂存在C中，起着缓冲的作用。二极管VD1、VD2起着使负载电流连续的作用，也是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为续流二极管或反馈二极管。,5.2.1单相电压型逆变电路,逆变器输出电压uo为180的方波，幅度为Ud/2。输出电压的有效值为傅里叶分解得输出电压uo基波分量的有效值为输出电流io基波分量为,5.2.1单相电压型逆变电路,优点电路简单，使用器件少。缺点输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用用于几kW以下的小功率逆变电源。半桥逆变电路是分析单相全桥、三相桥式电路分析的基础。,5.2.1单相电压型逆变电路,2.单相全桥逆变电路4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替各导通180。,图5.4电压型全桥逆变电路,其输出电压uo的波形也是矩形波，UomUd。输出电流波形与半桥电路形状相同，幅值增加一倍。电阻性负载电感性负载,定量分析把幅值为Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得其中基波的幅值Uo1m为基波有效值Uo1为基波电流io1为式中,5.2.1单相电压型逆变电路,5.2.2三相电压型逆变电路,电路的直流侧实际只有1个电容为了分析方便，画作串联的2个电容器并标出了假想中点N′，在应用中并不需要该中性点。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式有两种，即180和120导电方式。,图5.5三相电压型桥式逆变电路,5.2.2三相电压型逆变电路,180导电方式每个桥臂的导电180，同一相上下2个桥臂交替导电，各相开始导电角度相差120。任一瞬间，3个桥臂同时导通，可能是上1下2个臂，也可能是上2个下1个臂同时导通。每次换流（隔60）都是在同一相上下2个桥臂之间进行的，被称为纵向换流。,在0uc时，使V4导通，V3关断，负载电压uoUd；当uruc时，给V1和V4开通信号，给V2、V3关断信号，输出电压uoUd。当uruc时，给V1通信号，给V4断信号，uUN′Ud/2。当urUuc时，给V4通信号，给V1断信号，uUN’-Ud/2。,5.3.1PWM控制的基本原理,3.三相桥式PWM逆变电路以U相为例分析控制规律当给V1V4加导通信号时，可能是V1V4导通，也可能是VD1VD4导通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有Ud/2两种电平。,5.3.1PWM控制的基本原理,3.三相桥式PWM逆变电路以U相为例分析控制规律线电压uUV的波形可由uUN′-uVN′得到。当1和6通时，uUVUd，当3和4通时，uUV-Ud，当1和3或4和6通时，uUV0。,5.3.1PWM控制的基本原理,3.三相桥式PWM逆变电路以U相为例分析控制规律输出线电压PWM波有Ud和0三种电平构成。负载相电压PWM波由2/3Ud、1/3Ud和0共5种电平组成。,5.3.1PWM控制的基本原理,3.三相桥式PWM逆变电路以U相为例分析控制规律输出线电压PWM波有Ud和0三种电平构成。负载相电压PWM波由2/3Ud、1/3Ud和0共5种电平组成。,防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。,5.3.2SPWM调制技术,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的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。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脉冲不对称的影响就变大,5.3.2SPWM调制技术,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。,基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。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。,5.3.2SPWM调制技术,分段同步调制,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。,分段同步调制时，在不同的频率段内，载波频率的变化范围应该保持一致。,5.3.3SPWM控制技术,⒈自然采样法按照SPWM控制的基本原理、在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。,当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化，要准确生成SPWM波形．就应准确地算出正弦波和三角波的交点。,设三角波峰值为标幺值1，则正弦调制波为,三角波一个Tc分为下降段和上升段的方程为，,正弦调制信号波,自然采样法计算公式,三角波峰值。令,5.3.3SPWM控制技术,对应的脉冲宽度为δtA-tB,自然采样法计算公式,5.3.3SPWM控制技术,正弦调制波和三角波的交点时刻tA和tB可按下式计算,求解这两个超越方程是非常困难的。这种方法在工程上直接应用不多，主要是费时且难于实现控制中在线计算。,⒉规则采样法应用较广的工程实用方法，它的效果接近于自然采样法。,5.3.3SPWM控制技术,采用锯齿波作为载波的规则采样法。垂直的一边，和正弦调制波交点时刻是确定的。只需计算锯齿波斜边和正弦调制波的交点时刻tA计算量明显减少。,在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点如图所示确定A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。,采用三角波作为载波的规则采样法。,⒉规则采样法,5.3.3SPWM控制技术,采用三角波作为载波的规则采样法。,⒉规则采样法,自然采样法中，脉冲中点不和三角波负峰点重合。规则采样法使两者重合，使计算大为简化。脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,5.3.3SPWM控制技术,⒉规则采样法,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,M称为调制系数，0≤M1；,,从图得,,5.3.3SPWM控制技术,⒉规则采样法,三相桥逆变电路的情况,5.3.3SPWM控制技术,用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。主要分析双极性SPWM波形分析方法不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析。以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式分析过程相当复杂，结论却简单而直观。,5.3.4PWM逆变电路的谐波分析,,谐波振幅,图中，不同M时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。,1）单相的分析结果,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。,5.3.4PWM逆变电路的谐波分析,2）三相的分析结果,5.3.4PWM逆变电路的谐波分析,2）三相的分析结果,三相和单相电路时的情况相比较。共同点是都不含低次谐波较显著的区别是无载波角频率整数倍的谐波。,5.3.4PWM逆变电路的谐波分析,谐波中幅值较高的是ωc2ωr和2ωcωr。,在实际电路中，采样时刻的误差以及设置的死区的影响，谐波的分布情况将更为复杂。谐波含量比理想条件下要多一些。SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。,谐波分析小结,5.3.4PWM逆变电路的谐波分析,5.3.5PWM逆变电路的多重化,PWM多重化逆变电路，一般目的提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量PWM逆变电路多重化连接方式有变压器方式和电抗器方式,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,,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。,5.3.5PWM逆变电路的多重化,5.3.6PWM跟踪控制技术,PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。,1电流跟踪控制跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。,图5.18滞环比较方式电流跟踪控制举例,基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状跟踪指令电流i*。,,5.3.6PWM跟踪控制技术,1滞环比较方式,图5.18滞环比较方式电流跟踪控制举例,,参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。,5.3.6PWM跟踪控制技术,1电流跟踪控制跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。,1滞环比较方式,2三相的情况,图5.21三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,图5-20三相电流跟踪型PWM逆变电路,在线电压的正半周和负半周内，都有极性相反的脉冲输出，这将使输出电压中的谐波分量增大，也使负载的谐波损耗增加。,5.3.6PWM跟踪控制技术,3采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。,（1）硬件电路简单。（2）实时控制，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。（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多。（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,5.3.6PWM跟踪控制技术,4采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。,图5.22电压跟踪控制电路举例,,,,,5.3.6PWM跟踪控制技术,和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。u*0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制。,5.3.6PWM跟踪控制技术,,,,A,,,A,,,A,1基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。,2特点开关管频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。,图5.23三角波比较方式电流跟踪型逆变电路,2三角波比较方式,5.3.6PWM跟踪控制技术,,除上述两种比较方式外，还有定时比较方式。不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，如ii*，V1断，V2通，使i减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。,5.3.6PWM跟踪控制技术,小结,⒈逆变电路的分类可以用换流方式来分类，如负载换流、电网换流、强迫换流和器件换流等。按直流侧电源性质分类，把逆变电路分为电压型和电流型两类。⒉电压型逆变电路有单相桥式逆变电路、三相桥式逆变电路。掌握逆变电路的结构和基本工作原理。⒊脉冲宽度调制（PWM）控制技术用于逆变电路，就构成PWM逆变电路。PWM电路控制可有单极性和双极性两种方式。⒋SPWM控制技术有自然采样法、规则采样法二种方法，而其跟踪控制技术有滞环比较方式和三角波比较方式二种。,作业第五章187页5.1，5.2，5.5，5.9，5.10第四章165页4.1，4.2，4.4,