現代電力電子及變流技術,第四章 逆變器工作原理和控制技術,第四章 逆變器工作原理和控制技術,4.1 逆變電路的基本原理 4.2 單相逆變電路結構和工作原理 4.3 單相逆變器控制技術 4.4 三相逆變電路結構和工作原理 4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理 4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,4.1 逆變電路的基本原理,逆變的概念,將直流電轉換為交流電的過程。 無源逆變把直流電逆變為某一頻率的交流電供給負載； 有源逆變把直流電逆變為交流電反送到電網(或交流源)。,主要應用 各種直流電源的能源使用，如蓄電池、干電池、太陽能電池等； 交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分。,4.1 逆變電路的基本原理,典型逆變電路,由S1S4構成橋式電路； S1、S2構成一個橋臂， S3、S4構成另一個橋臂，形成兩橋臂結構； 具有降壓特性。,4.1 逆變電路的基本原理,兩橋臂結構逆變電路工作原理,負載電壓uo為正,負載電壓uo為負,4.1 逆變電路的基本原理,兩橋臂結構逆變電路工作原理,同一橋臂的兩個開關管不能同時導通； 改變開關切換周期，可改變輸出交流電頻率； 電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同； 阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同。,4.1 逆變電路的基本原理,逆變電路的分類,4.1 逆變電路的基本原理,電壓型逆變電路的特點,直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動； 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同； 為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管；,4.2 單相逆變電路結構和工作原理,半橋逆變電路結構,電路簡單，使用器件少； 輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡。,應用 用于幾kW以下的小功率逆變電源。 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。,4.2 單相逆變電路結構和工作原理,半橋逆變電路工作原理,V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2 ； V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量； VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋； VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續的作用，又稱續流二極管。,4.2 單相逆變電路結構和工作原理,全橋逆變電路結構,四個開關管和四個續流二極管構成兩個橋臂，可看成兩個半橋電路的組合； 輸出電壓合電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍；,應用：單相逆變中應用廣泛,4.2 單相逆變電路結構和工作原理,全橋逆變電路工作原理,同一橋臂兩個開關器件不能同時導通； V3的基極信號與V1相差（0180 ） ； V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180 ； 輸出電壓是正負各為寬度的脈沖； 改變就可調節輸出電壓。,4.2 單相逆變電路結構和工作原理,推挽電路工作原理,交替驅動兩個IGBT，經變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓； 兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道； 變壓器匝比為1:1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。,與半橋和全橋電路的比較： 比全橋電路少用一半開關器件； 比半橋電路電壓利用率高； 器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高 一倍；,4.3 單相逆變器控制技術,等效電路,電力變換中控制技術的作用？,4.3 單相逆變器控制技術,控制原理幅值調節,逆變器輸出電壓幅值,幅值PI調節,4.3 單相逆變器控制技術,控制原理相位調節,4.3 單相逆變器控制技術,控制原理,4.3 單相逆變器控制技術,逆變器調制波,能否進一步設計閉環控制以達到更好的性能？,三相橋式逆變電路結構,三個單相逆變電路可組合成一個三相橋式逆變電路,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,負載線電壓,負載相電壓,負載中點電壓,負載三相對稱時有uUN+uVN+uWN=0,開關動作與輸出電壓關系,電壓基準點： 以電源中點N為0電平基準點。,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,基本工作方式180導電,每橋臂導電180，即：在一個正弦周期中，每個橋臂上開關管開通半個周期； 各橋臂上下開關管交替導通； 各橋臂開始導電的角度差120 ； 任一瞬間有三個橋臂同時導通；,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,波形分析,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,直流電壓利用率,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。,負載相電壓,負載中點電壓,改進SPWM的技術,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,SPWM,結論,輸出電壓的幅值最大,采用這種調制模式能解決實際問題嗎？,設計,三次諧波注入法,關鍵： uUN、 uVN、 uWN的幅值小于Ud/2,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,改進SPWM的技術,結論： 直流電壓利用率提高,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,改進SPWM的技術,鞍形波的基波分量幅值大。 除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。,SVPWM的情況,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,SVPWM是注入所有3倍次諧波的一種實現方式,三相逆變器控制技術,4.4 三相逆變電路結構和工作原理,典型應用：交流電機控制技術,4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理,為什么研究四橋臂電路結構？,4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理,最樸素的想法,問題： 雖然利用電源中點提供了零線，但在三相負載不平衡時，流過零線的電流較大，對提供電源中點的電容產生較大壓力，嚴重限制了這一電路結構的應用，因此這一電路結構并沒有很好解決三相四線制供電。,4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理,四橋臂逆變電路結構,4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理,四橋臂逆變器等效電路,以O點為參考零電位，回路電壓方程為,4.5 四橋臂逆變電路結構和工作原理,四橋臂逆變器控制原理,控制目標為： 通過控制壓控電壓源ua、ub、uc使輸出電壓uAG、uBG、uCG三相對稱且幅值為額定值,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,回憶三橋臂的SVPWM,三相的耦合會解耦，能實現調制,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,四橋臂逆變器,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,矢量空間,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,abc空間中的開關狀態,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,坐標變換,Clark變換,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,空間中的開關狀態,abc空間中的開關狀態,坐標變換,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,空間,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,參考矢量,控制技術,Vaf-ref、 Vbf-ref、 Vcf-ref,Vr、 Vr、 Vr,矢量如何通過開關狀態實現？,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,矢量分解機理,開關矢量的選擇 棱柱體的選擇； 四面體的選擇。 開關矢量工作時間的計算 驅動波形生成,注： 開關矢量的選擇是確定參考矢量由哪三個相鄰非零矢量和零矢量組合。,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,棱柱體的選擇,注： 每個棱柱有6個非零矢量，合成參考矢量只需3個非零矢量,四面體的選擇 棱柱的例子,例： Vaf0、Vbf0、Vcf 0時，根據不矛盾原則，只能選擇四面體1,4.6 四橋臂逆變器3DSVPWM,開關矢量工作時間的計算棱柱四面體為例,取V1=pnnn， V2=pnnp， V3=ppnp，