浙江大学电力电子技术课件第4章第1部分(DC-AC)

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谐波分布随脉冲宽度
τ
变化如右图所示。
全桥移相式调压逆变电路的特点: 全桥移相式调压逆变电路的特点:
在不改变电路结构的情况下通过改变控制信号相 位变化来实现输出电压的调节,实际上是通过改变 Uo 输出脉冲宽度来调节输出电压。 α 输出谐波含量仍然很高,输出电压谐波含量随移 相相位的变动而变化,输出电压的THD在移相相位 约120度附近达到最小,但仍高达20%以上,且主 要为低次谐波,相对于方波逆变,并没有对THD性 能做出本质改善。 电路存在内部环流的工作状态,在此状态下电源 与负载间没有能量交换而器件仍然载流,变换效率 相对偏低。 相对于方波逆变电路,移相逆变输出电压和功率 只能向低方向调节。
uo (t ) = −uo (−t ) uo (t ) = −uo (t + 0.5T )
对其进行傅立叶展开:
利用电压平均值模型计算输出基波电压值
PWM控制技术的理论基础 控制技术的理论基础 控制
采样控制理论中的面积等效原理:将形状不同但面 采样控制理论中的面积等效原理 积相等的窄脉冲 窄脉冲作用于线性惯性环节 线性惯性环节时,所得到的 窄脉冲 线性惯性环节 输出效果基本相同。
Dp Sp
E1
Uo
Ro
Dn Sn
S1 +a u ab(s) _ b iL(s)
L C Z
uo(s) Uo
E2
S2
输出方波的半桥逆变电路 输出方波的半桥逆变电路 方波
id
S1 D1 D2 S2
输出正弦波的半桥逆变电路 输出正弦波的半桥逆变电路 正弦波
S1
Ud
S4 D4
Lo uo io
Ro
D3 S3
Ud S2
DC第4章 DC-AC
直流- 第四章 直流-交流变换 ( DC/AC) DC/AC=逆变 逆变 (Inverter)
DC-AC 概述
直流-交流变换技术的研究内容及意义 直流 交流变换技术的研究内容及意义
逆变器:直流变交流的电力电子变换器 逆变器:直流变交流的电力电子变换器 输出:方波和正弦波 两大类, 两大类, 输出:方波和 应用: 不间断电源(UPS) 、航空电源、舰船 不间断电源( 航空电源、 电源系统、交流电机调速、日光灯照明 日光灯照明等, 电源系统、交流电机调速 日光灯照明 风能、太阳能等绿色可再生能源发电 风能、太阳能等绿色可再生能源发电 及并网的关键技术 关键技术。 及并网的关键技术。
+








电路工作过程波形示意图
桥式逆变器电路结构
桥式电路的基本拓扑结构及其实现形式
id
Ud/2 Lo uo Ud/2 io
电机 绕组? 绕组?
Ro
Dp
Sp
S1
D1
D2
S2
Ud
Dn Sn
Lo
S4 D4
Ro
D3 S3
uo
io
半桥逆变电路
全桥逆变电路
Ch4.3 单相方波逆变电路
Ud/2 Lo uo Ud/2 io
SPWM逆变器为什么能够输出正弦波?! 逆变器为什么能够输出正弦波?! 逆变器为什么能够输出正弦波
E1 S1 S1
uab
+a L iL(s) C
+ u (s) ab _b u ab(s) _ E2 S2 S2Leabharlann UouoTs
完全适合于开关功率逆变器应用场合。 当fc 》f 时,可以认为SPWM SPWM输 SPWM 出电压的基波在一个载波周期内近似为恒定的,SPWM输出 SPWM输出 SPWM 电压在一个开关周期内的平均值等于其基波电压的瞬时值, 电压在一个开关周期内的平均值等于其基波电压的瞬时值 即
全桥相移式调压逆变电路
id Ud/2 Ua1 a Lo
D4 S1 D1 D2 S2
Ro
D3
b
S3
α
Ub1 Uo1 Ud/2
S4
α
τ =α
uo
io
τ
两共用直流母线的半桥方波逆变 电路输出基波电压的矢量图
CCM DCM
• 两个共用直流母线的 半桥电路产生的基波 矢量差幅值随相移角α 的变化而变化。 • 输出电压脉冲宽度:
逆变电源的主要应用场合
• 变频变压 变频变压(variable voltage & variable frequency, VVVF)交流电源:如变频器,作为交 交流电源: 交流电源 流电机的驱动器。 E1 = 4.44 f1W1kW 1φm n1 = 60 f1 / pn φm ∝ E1 / f1 • 恒频恒压(constant voltage & constant 恒频恒压 frequency, CVCF)交流电源:提供一个类似理想 交流电源: 交流电源 电网的恒压恒频特性,如不间断电源系统 (uninterruptible power supply,UPS), 光伏发电系统,风能发电系统等。 • 有源逆变器 :典型输出负载是电网,如可再生能 源并网发电。
Ug1 Ug2 Ug3 Ug4
Ug1 Ug4 Ug2 Ug3 Uab
Uab
Ud
id
S1 D1 D2 S2
Lo
S4 D4
Ro
D3 S3
uo
io
双极性SPWM调制原理 双极性SPWM调制原理 SPWM
单极性SPWM调制原理 单极性SPWM调制原理 SPWM
SPWM逆变调制技术的有关基本概念 逆变调制技术的有关基本概念
Ch4.2 逆变电路的基本拓扑形式
• 推挽逆变结构: 推挽逆变结构:
推挽电路
• 桥式逆变结构: 桥式逆变结构: • 桥式逆变结构的推广: 桥式逆变结构的推广: 全桥电路 如半桥 全桥 半桥、全桥 半桥 全桥、三相桥、多相桥、多 电平桥式电路、多重化桥式电路等等。
逆变与直流变换电路间内在联系 逆变与直流变换电路间内在联系
• SPWM调制波采用标准正弦波: SPWM调制波采用标准正弦波 调制波采用标准正弦波:
us = U sm sin ωt
• SPWM高频载波一般采用三角波; SPWM高频载波一般采用三角波 高频载波一般采用三角波; • SPWM幅值调制比: SPWM幅值调制比: 幅值调制比
U sm ma = U cm
• SPWM频率调制比: SPWM频率调制比: 频率调制比
fc mf = f
双极性SPWM 双极性 逆变原理
主电路每个开关周 期内输出电压波形 都会出现正和负两 种极性的电平。
输出电压傅里叶分析: 输出电压傅里叶分析:
假定频率调制比为奇数 频率调制比为奇数,则输出电压为半波对称的奇函数: 频率调制比为奇数
Ro
D3 S3
io
t0 t 1 t2 t3 t4 t
0
id
id
0
母线平均电流
id
t 2,4
全桥逆变电路
波形? 画iT波形? 波形
能量回馈
1,3 S D 1,3 2,4 1,3 2,4
能量输出
1,3 2,4
全桥方波逆变基本工作波形
全桥逆变电路输出电压分析: 全桥逆变电路输出电压分析:
4U d uo = ∑ sin nωt n nπ
Ch4.4 单相SPWM逆变电路 单相 逆变电路
SPWM逆变调制技术: 逆变调制技术: 逆变调制技术
【Sinusoidal Pulse Width Modulation】 】 逆变器控制中应用最为广泛。 生成方法: 生成方法:正弦波作为调制波、三角波作为载波 可分为单极性和双极性调制两类。
SPWM逆变调制技术 逆变调制技术
τ =α
输出电压分析: 输出电压分析:
傅立叶展开:
半波对称的偶函数
uo = ∑ U onm cos(nωt )
n
U onm =
U o1m
4U d nτ sin (n = 1, 3, 5, ……) nπ 2 4U d τ 4U d α = sin = sin π 2 π 2
各次谐波相对于基波幅值为
U onm 1 nτ Cn = = sin 4U d / π n 2
ilf Lf
uo
Cf
Load
S3
S4
输出方波的全桥逆变电路 输出方波的全桥逆变电路 方波
输出正弦波的全桥逆变电路 输出正弦波的全桥逆变电路 正弦波
方波全桥逆变电路分析
u g1,3 u g2,4 uo
+Ud 0
t
uo1
u o1 i o1
t
io1
t
id
S1
iT
D1 D2 S2
-Ud
io
Ud
S4 D4
Lo uo io
全桥方波逆变电路的特点
• 输出电压调节能力差:自身不具备电压 输出电压调节能力差: 调节能力,只能通过改变直流母线电压的大小 来调节;【能够用调节占空比调输出吗?! 能够用调节占空比调输出吗?! 能够用调节占空比调输出吗?!】
• 输出电压谐波含量丰富:THD=48.3%; 输出电压谐波含量丰富: • 直流输入母线电压利用率较高:0.9; 直流输入母线电压利用率较高: • 输入无功电流大:每半个输出周期均有无 输入无功电流大: 功电流回馈到输入母线直流电压端。
推挽电路
全桥电路
全波整流
全桥整流
推挽逆变器电路结构
1:1:N
+
+ Vo


+ + Vi
— —
Vi S1 S2
uS1
S1
S2
0
t
2Vi Vi
uS2
0
t
Vo
逆变器主电路
工作模式①

NVi 0 -NVi
t
S1门极信号 S2门极信号
S1 +

+ S2

S1
工作模式②
工作模式③
+
Vi
Vi S2

+
— — — —
逆变器应用于太阳能光伏发电
室内并网逆变器
逆变器应用于风能发电系统
• 逆变电路的分类: 逆变电路的分类: 直流电源形式、电路结构、按功率器件、输出 波形要求、所接负载能量传递情况、输出相数、 开关器件工作情况、输出调制方式等分类。 • 本课程主要讨论的逆变器: 本课程主要讨论的逆变器: 电压源型、输出正弦波、无源逆变器。 电压源型、输出正弦波、无源逆变器。
(n = 1, 3, 5, ……) ,其中ω= 2πfs • 输出电压有效值: U = 输出电压有效值: o • 基波峰值: 基波峰值: • 基波有效值: 基波有效值:
Ts
Ud
-Ud
2 TS

TS / 2
0
U d 2 dt = U d
U o1m =
4U d
π
≈ 1.273U d
U o1 =
U o1m 2
电压平均值模型
u o ≈ u o1
f c >> f
1 uo = TC
D(t ) =

TC
0
uo dt =
τ (t ) − [TC − τ (t )]
TC
U d = [2 D(t ) − 1]U d
us ( t ) <U cm
τ (t )
TC
us (t ) + U cm 1 us (t ) = = [ + 1] 2U cm 2 U cm
≈ 0.9U d
• 基波电压增益(直流母线电压利用率): 基波电压增益(直流母线电压利用率) U o1 AV = ≈ 0.9 Ud • 总谐波失真度THD(Total Harmonic Distortion): 总谐波失真度
1 THD = U o1 =

∑U
n=2
2 n
1 = U o 2 − U o12 U o1
Ud/2 Lo uo Ud/2 io Ro
Dn Sn Dp Sp
• 基波峰值: U o1m = π ≈ 0.637U d 基波峰值: U o1m U o1 = ≈ 0.45U d • 有效值: 有效值: 2 U o1 • 基波电压增益: V = 基波电压增益: A ≈ 0.45 Ud
2U d
Ud/2 Ts -Ud/2
u s (t ) U sm uo = Ud = U d sin ω t U cm U cm
uo1 ≈ uo = maU d sin ωt = U o1m sin ωt
Ch4 直流-交流变换技术 直流-
本章主要讲授内容: 本章主要讲授内容:
逆变电路的基本拓扑形式 单相方波逆变电路 单相SPWM正弦波逆变电路 单相 正弦波逆变电路 三相方波逆变电路 三相SPWM正弦波逆变电路 正弦波逆变电路 三相 正弦波 逆变器PWM技术的优化 逆变器 技术的优化 单相全桥SPWM逆变器 单相全桥 逆变器 输出滤波器及控制系统设计
π2
8
− 1 = 0.483 = 48.3%
THD表征了一个实际波形同其基波的接近程度。 表征了一个实际波形同其基波的接近程度。 表征了一个实际波形同其基波的接近程度
半桥逆变电路输出电压分析: 半桥逆变电路输出电压分析:
2U d uo = ∑ sin nωt nπ n
(n = 1, 3, 5, ……) ,其中ω= 2πfs
方波逆变器
讨论:调节占空比( 讨论:调节占空比(D)能够调节输出电压吗? 能够调节输出电压吗?
@CCM, D=0.3 ,
@CCM, D=0.4 ,
@CCM, D=0.49 ,
零界连续
DCM
结论
Vout Vo
CCM DCM D Dn ie 0.2 0.5
• @ CCM 改变 , Vout 不变,没有调节能力 改变D 不变, • @ DCM 改变 , Vout 改变 改变D 调节能力: 平时一般指CCM工作状态 调节能力: 平时一般指 工作状态
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