逆变器的工作原理和控制技术-全解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
其中 U
*
n(t)
e(t)
*
+
+
C
Z
为控制目标幅值， ΔU 为幅值控制量，Δ 为相位控制量。
逆变电压
e(t ) n(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ +n t
LC滤波器滤除谐波
逆变器的输出电压
注：
uo (t ) U sin ωt + θ
只需控制好逆变器的调制波电压的幅值 U U U ΔU 和相位 Δ 0 ，
V1
O t t t t io t 1 t2 t3 uo t
V2
O
V3
O
V4
O
u0
i0 O
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
推挽电路工作原理
交替驱动两个IGBT，经变压器耦合 给负载加上矩形波交流电压； 两个二极管的作用也是提供无功能 量的反馈通道； 变压器匝比为 1:1 时， uo 和 io 波形及 幅值与全桥逆变电路完全相同。
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
基本工作方式——180°导电
每桥臂导电 180°，即：在 一个正弦周期中，每个桥 臂上开关管开通半个周期； 各桥臂上下开关管交替导 通； 各桥臂开始导电的角度差 120 °； 任一瞬间有三个桥臂同时 导通；
U相上开关管驱动波形
U相上开关管驱动波形
V相上开关管驱动波形
改进SPWM的技术
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' u u 1 u u u VN VN' 3 UN' VN' WN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电压源
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI
4.1 逆变电路的基本原理
电压型逆变电路的特点
直流侧为电压源或并联 大电容 ， 直流侧电压基 本无脉动； 输出电压为矩形波 ，输 出电流因负载阻抗不同 而不同； 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；
负载相电压
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
负载中点电压
u NN ' uUN' uVN' uWN' 3
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
sin
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理
eU = U -U t Δ U = k e + k p1 U i1 0 eU dt
eθ - sin(θ) t sin(Δθ)= k p 2eθ + ki 2 eθ dt 0
2 cos Δθ = 1 - sin Δθ sin ωt - Δθ = cos Δθ sin ωt - sin Δθ cos ωt
与半桥和全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件；
比半桥电路电压利用率高；
器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍；
4.3 单相逆变器控制技术
等效电路
L
电力变换中控制技 术的作用？
L
iC io
Z uo
i
io ic uo
Sap
Sbp
i
a
n(t)
e(t)
+
UD
u
C
+
b
San Sbn
C
Z
uo (t ) 为输出电压， i 为输出电流，
设计
uUN' u Ud VN' 2 uWN' k sin t U 0 k sin t 120 d 2 0 k sin t 240
iU g) O i h)
d
t
f
O
t
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
改进SPWM的技术
直流电压利用率
——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。
负载相电压
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
应用：单相逆变中应用广泛
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
全桥逆变电路工作原理
同一桥臂两个开关器件不能同 时导通； V3的基极信号与V1相差（0＜ ＜180 ） ； V3 、 V4 的栅极信号分别比 V2 、 V1的前移180－ ； 输出电压是正负各为 宽度的脉 冲； 改变就可调节输出电压。
逆变器调制波
e(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ
能否进一步设计闭 环控制以达到更好 的性能？
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
三相桥式逆变电路结构
三个单相逆变电路可组合成一个三相桥式逆变电路 负载线电压
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
e(t ) 为逆变桥输出电压的调制波分量，
n(t ) 为逆变桥输出电压的谐波分量，
主要由PWM调制过程产生。
4.3 单相逆变器控制技术
回路电压方程 控制目标 逆变器调制波
e( t ) n ( t ) L
di uo (t ) dt
L
i
io ic uo
uo U sin ωt e(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ
现代电力电子及变流技术
第四章 逆变器工作原理和控制技术
第四章 逆变器工作原理和控制技术
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
逆变电路的基本原理 单相逆变电路结构和工作原理 单相逆变器控制技术 三相逆变电路结构和工作原理 四桥臂逆变电路结构和工作原理 四桥臂逆变器3DSVPWM
4.1 逆变电路的基本原理
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
SPWM
uUN' u Ud VN' 2 uWN' sin t 0 sin t 120 0 sin t 240
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' u u 1 u u u WN' VN VN' 3 UN' VN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理——相位调节
获得逆变器输出电压 uo t =Usin ωt + θ 的相位 是关键 相位控制目标 * 0 ，
由于 sin θ = 2Rxy τ =
2 t π sin ω t + θ sin ω t dt t-T T 2
负载中点电压
u NN ' uUN' uVN' uWN' 3
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' 1 u u u u u VN VN' 3 UN' VN' WN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
uUN u Ud VN 2 uWN
sin t 0 sin t 120 0 sin t 240
结论 输出电压的幅值最大 U DC
2
采用这种调制模式能 解决实际问题吗？
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
半桥逆变电路结构
电路简单，使用器件少； 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。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
半桥逆变电路工作原理
逆变的概念
将直流电转换为交流电的过程。
无源逆变——把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载； 有源逆变——把直流电逆变为交流电反送到电网(或交流源)。
主要应用
各种直流电源的能源使用，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。
2 t uo (t ) π sin θ = sin ωt - dt T t-T U 2
uo t =Usin ωt + θ
eθ - sin(θ) t Δθ = sin(Δθ)= k p 2eθ + ki 2 eθ dt 0
由于 是由基波电流在电感L上 的电压降造成的，则 非常小， 可以近似认为
V1和V2栅极信号在一周期内各半周正 偏、半周反偏，两者互补，输出电压 uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 ； V1 或 V2 通时， io 和 uo 同方向，直流侧 向负载提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中 贮能向直流侧反馈； VD1 、 VD2 称为反馈二极管 , 它又起着 使负载电流连续的作用，又称续流二 极管。
就能使逆变电源输出的电压与控制目标完全相等
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理——幅值调节
逆变器输出电压幅值
U
4
t
t T
uo (t )dt
n(t)
e(t)
+ +
L
i
io ic uo
C
Z
幅值PI调节
eU = U -U t Δ U = k e + k p1 U i1 0 eU dt U = U + Δ U e
V相上开关管驱动波形
W相上开关管驱动波形
W相上开关管驱动波形
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
波形分析
a) u
UN'
开关动作与输出电压关系 开关动作模式 a 、 b、 c
b)
O u u
VN'
U d 2
t t t
O
WN'
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
u NN ' u uVN' uWN' UN' 3
c)
u
O
UV
d
U d) u u O
NN' UN
d
t
U d 6
e)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
e
f)
t
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
开关动作与输出电压关系
电压基准点：
以电源中点N’为0电平基准点。
根据电路结构
开关模式 U相上开关管导通 U相下开关管导通 V相上开关管导通 V相下开关管导通 W相上开关管导通 W相下开关管导通
输出电压 uUN’=Ud/2 uUN’=-Ud/2 uVN’=Ud/2 uVN’=-Ud/2
uWN’=Ud/2 uWN’=-Ud/2
u o Um O -Um io t3
a)
t
t4
O t t t5 t6 1 2 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
t
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
全桥逆变电路结构
四个开关管和四个续流二 极管构成两个桥臂，可看 成两个半桥电路的组合；
输出电压合电流波形与半 桥电路形状相同，幅值高 出一倍；
4.1 逆变电路的基本原理
典型逆变电路
由S1~S4构成桥式电路； S1、S2构成一个桥臂， S3、S4 构成另一个桥臂，形成两桥臂 结构； 具有降压特性。
4.1 逆变电路的基本原理
两桥臂结构逆变电路工作原理
负载电压uo为正 直流电 交流电
负载电压uo为负
4.1 逆变电路的基本原理
两桥臂结构逆变电路工作原理
同一桥臂的两个开关管不能 同时导通； 改变开关切换周期，可改变 输出交流电频率； 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同； 阻感负载时，io相位滞后于 uo， 波形也不同。
uo io t1 t2
a)
t b)
4.1 逆变电路的基本原理
逆变电路的分类 电压型逆变电路——又称为电压源
*
n(t)
e(t)
*
+
+
C
Z
为控制目标幅值， ΔU 为幅值控制量，Δ 为相位控制量。
逆变电压
e(t ) n(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ +n t
LC滤波器滤除谐波
逆变器的输出电压
注：
uo (t ) U sin ωt + θ
只需控制好逆变器的调制波电压的幅值 U U U ΔU 和相位 Δ 0 ，
V1
O t t t t io t 1 t2 t3 uo t
V2
O
V3
O
V4
O
u0
i0 O
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
推挽电路工作原理
交替驱动两个IGBT，经变压器耦合 给负载加上矩形波交流电压； 两个二极管的作用也是提供无功能 量的反馈通道； 变压器匝比为 1:1 时， uo 和 io 波形及 幅值与全桥逆变电路完全相同。
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
基本工作方式——180°导电
每桥臂导电 180°，即：在 一个正弦周期中，每个桥 臂上开关管开通半个周期； 各桥臂上下开关管交替导 通； 各桥臂开始导电的角度差 120 °； 任一瞬间有三个桥臂同时 导通；
U相上开关管驱动波形
U相上开关管驱动波形
V相上开关管驱动波形
改进SPWM的技术
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' u u 1 u u u VN VN' 3 UN' VN' WN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
型逆变电路 Voltage Source Type Inverter-VSTI
直流侧是电压源
直流侧是电流源
电流型逆变电路——又称为电流源
型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI
4.1 逆变电路的基本原理
电压型逆变电路的特点
直流侧为电压源或并联 大电容 ， 直流侧电压基 本无脉动； 输出电压为矩形波 ，输 出电流因负载阻抗不同 而不同； 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；
负载相电压
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
负载中点电压
u NN ' uUN' uVN' uWN' 3
负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
sin
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理
eU = U -U t Δ U = k e + k p1 U i1 0 eU dt
eθ - sin(θ) t sin(Δθ)= k p 2eθ + ki 2 eθ dt 0
2 cos Δθ = 1 - sin Δθ sin ωt - Δθ = cos Δθ sin ωt - sin Δθ cos ωt
与半桥和全桥电路的比较：
比全桥电路少用一半开关器件；
比半桥电路电压利用率高；
器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍；
4.3 单相逆变器控制技术
等效电路
L
电力变换中控制技 术的作用？
L
iC io
Z uo
i
io ic uo
Sap
Sbp
i
a
n(t)
e(t)
+
UD
u
C
+
b
San Sbn
C
Z
uo (t ) 为输出电压， i 为输出电流，
设计
uUN' u Ud VN' 2 uWN' k sin t U 0 k sin t 120 d 2 0 k sin t 240
iU g) O i h)
d
t
f
O
t
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
改进SPWM的技术
直流电压利用率
——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。
负载相电压
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
应用：单相逆变中应用广泛
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
全桥逆变电路工作原理
同一桥臂两个开关器件不能同 时导通； V3的基极信号与V1相差（0＜ ＜180 ） ； V3 、 V4 的栅极信号分别比 V2 、 V1的前移180－ ； 输出电压是正负各为 宽度的脉 冲； 改变就可调节输出电压。
逆变器调制波
e(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ
能否进一步设计闭 环控制以达到更好 的性能？
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
三相桥式逆变电路结构
三个单相逆变电路可组合成一个三相桥式逆变电路 负载线电压
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
e(t ) 为逆变桥输出电压的调制波分量，
n(t ) 为逆变桥输出电压的谐波分量，
主要由PWM调制过程产生。
4.3 单相逆变器控制技术
回路电压方程 控制目标 逆变器调制波
e( t ) n ( t ) L
di uo (t ) dt
L
i
io ic uo
uo U sin ωt e(t ) (U ΔU )sin ωt + Δθ
现代电力电子及变流技术
第四章 逆变器工作原理和控制技术
第四章 逆变器工作原理和控制技术
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
逆变电路的基本原理 单相逆变电路结构和工作原理 单相逆变器控制技术 三相逆变电路结构和工作原理 四桥臂逆变电路结构和工作原理 四桥臂逆变器3DSVPWM
4.1 逆变电路的基本原理
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
SPWM
uUN' u Ud VN' 2 uWN' sin t 0 sin t 120 0 sin t 240
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' u u 1 u u u WN' VN VN' 3 UN' VN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理——相位调节
获得逆变器输出电压 uo t =Usin ωt + θ 的相位 是关键 相位控制目标 * 0 ，
由于 sin θ = 2Rxy τ =
2 t π sin ω t + θ sin ω t dt t-T T 2
负载中点电压
u NN ' uUN' uVN' uWN' 3
uUN uUN' uUN' uVN' uWN' 1 u u u u u VN VN' 3 UN' VN' WN' uWN uWN' uUN' uVN' uWN'
uUN u Ud VN 2 uWN
sin t 0 sin t 120 0 sin t 240
结论 输出电压的幅值最大 U DC
2
采用这种调制模式能 解决实际问题吗？
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
半桥逆变电路结构
电路简单，使用器件少； 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。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
半桥逆变电路工作原理
逆变的概念
将直流电转换为交流电的过程。
无源逆变——把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载； 有源逆变——把直流电逆变为交流电反送到电网(或交流源)。
主要应用
各种直流电源的能源使用，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。
2 t uo (t ) π sin θ = sin ωt - dt T t-T U 2
uo t =Usin ωt + θ
eθ - sin(θ) t Δθ = sin(Δθ)= k p 2eθ + ki 2 eθ dt 0
由于 是由基波电流在电感L上 的电压降造成的，则 非常小， 可以近似认为
V1和V2栅极信号在一周期内各半周正 偏、半周反偏，两者互补，输出电压 uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 ； V1 或 V2 通时， io 和 uo 同方向，直流侧 向负载提供能量； VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中 贮能向直流侧反馈； VD1 、 VD2 称为反馈二极管 , 它又起着 使负载电流连续的作用，又称续流二 极管。
就能使逆变电源输出的电压与控制目标完全相等
4.3 单相逆变器控制技术
控制原理——幅值调节
逆变器输出电压幅值
U
4
t
t T
uo (t )dt
n(t)
e(t)
+ +
L
i
io ic uo
C
Z
幅值PI调节
eU = U -U t Δ U = k e + k p1 U i1 0 eU dt U = U + Δ U e
V相上开关管驱动波形
W相上开关管驱动波形
W相上开关管驱动波形
4.4 三相逆变电路结构和工作原理
波形分析
a) u
UN'
开关动作与输出电压关系 开关动作模式 a 、 b、 c
b)
O u u
VN'
U d 2
t t t
O
WN'
u UV u UN' u VN' u VW u VN' u WN' u WU u WN' u UN'
u NN ' u uVN' uWN' UN' 3
c)
u
O
UV
d
U d) u u O
NN' UN
d
t
U d 6
e)
O O
2 U 3
d
t
U d 3
e
f)
t
u UN u UN' u NN' u VN u VN' u NN' u WN u WN' u NN '
开关动作与输出电压关系
电压基准点：
以电源中点N’为0电平基准点。
根据电路结构
开关模式 U相上开关管导通 U相下开关管导通 V相上开关管导通 V相下开关管导通 W相上开关管导通 W相下开关管导通
输出电压 uUN’=Ud/2 uUN’=-Ud/2 uVN’=Ud/2 uVN’=-Ud/2
uWN’=Ud/2 uWN’=-Ud/2
u o Um O -Um io t3
a)
t
t4
O t t t5 t6 1 2 V1 V2 V1 V2 ON VD1 VD2 VD1 VD2 b)
t
4.2 单相逆变电路结构和工作原理
全桥逆变电路结构
四个开关管和四个续流二 极管构成两个桥臂，可看 成两个半桥电路的组合；
输出电压合电流波形与半 桥电路形状相同，幅值高 出一倍；
4.1 逆变电路的基本原理
典型逆变电路
由S1~S4构成桥式电路； S1、S2构成一个桥臂， S3、S4 构成另一个桥臂，形成两桥臂 结构； 具有降压特性。
4.1 逆变电路的基本原理
两桥臂结构逆变电路工作原理
负载电压uo为正 直流电 交流电
负载电压uo为负
4.1 逆变电路的基本原理
两桥臂结构逆变电路工作原理
同一桥臂的两个开关管不能 同时导通； 改变开关切换周期，可改变 输出交流电频率； 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同； 阻感负载时，io相位滞后于 uo， 波形也不同。
uo io t1 t2
a)
t b)
4.1 逆变电路的基本原理
逆变电路的分类 电压型逆变电路——又称为电压源