第4章_直流交流变换器(逆变器)(1).ppt

1,第四章 直流/交流变换器（逆变器）,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）,2,第四章 直流/交流变换器（逆变器）,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制(PWM)4.4 正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,3,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,4,逆变器的类型逆变器输出波形性能指标,4.1 逆变器的类型和性能指标,5,逆变器的类型(按直流电源特性分类),电压型逆变器VSI,电流型逆变器CSI,VSI 特点：直流输入具有电压源特性，故逆变输出也呈现电压源特性;桥臂不可直通，输出不可短路。,CSI 特点：直流输入具有电流源特性，故逆变输出也呈现电流源特性;桥臂可直通，输出可短路。,VSI应用广泛，CSI通常在大功率领域有所应用。原因是：电感储能密度小，导致装置的体积大，笨重;多数全控器件不具备逆阻特性,使用时需串联二极管。,6,单相半桥,单相全桥,推挽逆变,三相桥式,也称H桥,逆变器的类型(按逆变器电路结构分类),7,按输出电压不同分为：1.恒压恒频型（CVCF，Constant Voltage Constant Frequency）2.变压变频型（VVVF，Variable Voltage Variable Frequency）3.脉冲电压（电流）型,按开关器件不同及换流关断方式不同分类：1.自关断型2.强迫关断型3.电网换流型（有源逆变或负载反电动势换流）4.负载谐振换流型,逆变器的类型(其它分类方式),8,谐波系数 HF 总谐波系数 THD 畸变系数 DF 最低次谐波 LOH,逆变器输出波形性能指标,9,谐波系数 HF,谐波系数（Harmonic Factor）定义：第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比。,定义公式：HFn=Vn/V1,无效成份,有效成份,越小越好,意义：HF表征了某一次谐波含量相对于基波的大小。,10,总谐波系数 THD,THD（Total Harmonic Distortion）定义：所有非基波成份的有效值与基波分量有效值之比。,定义公式：,总无效成份,有效成份,越小越好理想正弦为零,意义：THD表征了实际波形与理想基波正弦分量的差异程度。,公式变形：,11,畸变系数 DF,畸变系数（Distortion Factor）：各次谐波分量经过加权以后的总有效值与基波有效值之比。,加权的含义：滤波器对不同的频率分量衰减不同，故滤波后的各谐波分量不再是滤波前的值。应该将滤波器对谐波的衰减效应体现出来。不同类型的滤波器对相同频率的谐波衰减也不同。,DF的意义：评估非正弦的周期性波形经过滤波以后的畸变程度。,12,DFI：对应一阶滤波器,DF 的定义式,DFII：对应二阶滤波器,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n2,第n次谐波经过滤波器后，衰减为原来的1/n,13,最低次谐波 LOH,最低次谐波（Lowest-Order Harmonic）：距离基波频率最近的谐波,关注LOH的原因：逆变器的滤波器一般具有低通特性，对高次谐波衰减强烈。因此滤波器设计时重点考虑滤波器对最低次谐波的衰减效果。,LOH的决定因素：1.开关频率 2.调制方式,14,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,15,电压型单相半桥逆变电路 电压型单相全桥逆变电路 变压器中心抽头推挽式单相逆变电路,4.2电压型单相方波逆变电路工作原理,16,电压型单相半桥逆变电路（电阻负载）,电容很大，近似认为电容电压恒定。电容相等，电压均分。T1、T2周期性交替通、断，产生交变的Van,T1驱动导通时，T2关断；,2.T2驱动导通时，T1关断。,驱动T1,驱动T2,T1 ON,T2 ON,17,电压型单相半桥逆变电路（纯电感负载）,T1驱动导通时，T2关断。,2.T2驱动导通时，T1关断,电流为什么没有直流分量？,驱动T1,驱动T2,D1,T1,D2,T2,18,电压型单相半桥逆变电路（阻感负载）,19,电压型单相全桥逆变电路（电阻负载）,T1、T4一组，T2、T3一组两组器件周期性交替通、断产生交变的Vab,T1、T4驱动导通，T2、T3关断,T2、T3驱动导通，T1、T4关断,驱动T1和T4,驱动T2和T3,20,电压型单相全桥逆变电路（电感负载）,T1、T4通，T2、T3断时。,T2、T3通，T1、T4断时。,iam=VD/4fL,驱动T1和T4,驱动T2和T3,D1 D4,T1 T4,D2 D3,T2 T3,21,电压型单相全桥逆变电路（阻感负载）,驱动T1和T4,驱动T2和T3,D1 D4,T1 T4,D2 D3,T2 T3,基波电流,基波电流在直流侧的形态,22,变压器中心抽头推挽逆变电路,仅二个开关T1、T2轮流导电180；开关管断态电压为2VD；要输出变压器；适用于低压小功率、需电气隔离的应用场合。,23,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,24,单相逆变器单脉波脉冲宽度控制,通过输入直流调压 逆变器本身调压,逆变器输出电压调节方式,25,通过输入直流调压,以上两种调压方式均需要可控的直流输入,26,逆变器本身调压,180不可调压,单脉冲调制调压,多脉冲调制调压,27,单脉冲调压方式,T1、T2桥臂按180方式开关,T3、T4桥臂按180方式开关,两桥臂驱动信号错开角,Vab=Van-Vbn,输出电压大小：,改变移相角，也就调节了输出电压电压，故也称移相调压。,28,单脉冲调压的电压调节特性,基波幅值：,谐波幅值：,输出基波电压大小平滑可调；输出基波频率可调；低次谐波幅值大，滤除困难。,29,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,30,SPWM基本原理 双极性SPWM调制 单极性SPWM调制 规则采样SPWM SPWM的谐波特性指定谐波消除调制,正弦脉冲宽度调制技术,31,SPWM基本原理,大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。,正弦形 电压,正弦电流,正弦等效窄脉冲 序列,基本上是正弦电流,冲量等效原理,按t分成片段,32,SPWM基本原理,DK 按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化,M：调制比,输出电压基波与M成正比：,VD,Ts,TK,基于冲量等效原理的直接SPWM,33,双极性SPWM调制（脉冲生成）,VD,Vab,34,双极性SPWM调制（等效面积）,35,双极性SPWM调制（特性）,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。LOH在开关频率附近，载波比N越大，LOH越高，有利于滤波。谐波幅值可以与基波相比较，甚至更大。,如果M大于1，输出电压会怎样？,这时的THD会如何？,36,SPWM的优点,由于SPWM的谐波频率高，滤波器对高次谐波有强烈的衰减作用,37,单极性SPWM调制（脉冲生成）,38,单极性SPWM调制（脉冲面积）,一个载波周期，输出两个脉冲,39,单极性SPWM调制（特点）,基波特性：,基波大小与调制比M成正比,谐波波特性：,消除了低次谐波，3、5、7等次谐波没有了。谐波幅值仍然可以与基波相比较，甚至更大。LOH在两倍开关频率附近，比双极性SPWM优越。,最低次谐波频率（LOH）提高一倍，相当于双极性调制两倍开关频率的效果，所以也称单极倍频SPWM。,N=7时，基波与谐波相对值,40,规则采样SPWM,，,，,不对称规则采样：,对称规则采样：,差异：不对称规则采样的脉宽计算量、采样频率是对称规则采样的2倍不对称调制的采样频率是开关频率的2倍。不对称规则采样的谐波比对称规则采样小。,规则采样适合微处理器计算,41,SPWM的谐波特性（双极性）,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。输出波形不含载波偶次倍频谐波。谐波间隔为两倍基波频率，奇次载频两侧为偶次边带谐波，偶次载频两侧为奇次边带谐波。,42,SPWM谐波特性（单极性）,基波的频率、相位均与调制波或参考波相同，基波幅值为MVD。输出电压无载波奇次倍频及两侧的边带谐波。输出电压中不含载波频率偶次倍频谐波。3.载波偶次倍频两侧也仅含奇次边带谐波簇。,43,规则采样SPWM谐波特性：会产生基波边带谐波，但很小，可忽略。不对称规则采样载波频率两侧既有奇次边带谐波也有偶次边带谐波。对称规则采样单极倍频SPWM不能完全消除奇次倍频的边带谐波。,异步调制：同步调制：载波比是整数。异步调制：载波比不是整数次谐波：异步调制时谐波频率不再是基波的整数倍，称为次谐波。低载波比时，对次谐波的考虑。,规则采样和异步调制的谐波特性,44,指定谐波消除调制,SHE（Selected Harmonic Elimination）：大功率器件的开关频率低，即使采用SPWM，由于载波比小，仍然含有低次谐波。,求各次分量的傅里叶级数：,（%）,45,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,46,电压型三相逆变工作原理 电流型三相逆变工作原理 三相逆变器SPWM调制 谐波注入SPWM调制 三相逆变器电压空间矢量调制,三相逆变电路工作原理,47,电压型三相逆变工作原理（电路）,单相逆变器合成三相,对应的变换器电路,三个单相逆变器组合；每个逆变器基波互差120；输出用三相变压器耦合形成三相电压。,A相：T1、T4、T1、T4B相：T3、T6、T3、T6C相：T5、T2、T5、T2,每相由一个H桥构成，适合大功率应用,48,电压型三相逆变工作原理（三相桥式电路）,三个单相半桥逆变器构成：,每个半桥均180导电方式，所以Vao、Vbo、Vco是180方波半桥基波之间互差120,导电顺序：123234 345 456 561 612 123,VAB、VBC、VCA：120方波,49,电压型三相逆变工作原理（负载电压）,50,电压型三相逆变工作原理（负载电压）,Vd/3,2Vd/3,51,电流型三相逆变工作原理,L很大，Id恒定120导电模式，仅两个开关同时导电1223 34 45 56 61 12,52,电流型三相逆变工作原理,53,三相逆变器SPWM调制,三相调制波正弦对称;三相共用载波;改变调制比M，可改变输出电压;改变载波比N可改变LOH。,54,谐波注入SPWM,注入谐波(Harmonic Injection)SPWM原理,桥臂之间基波电压峰值：H 桥 180调制：1.27VD三相180调制：1.1VDH 桥SPWM：VD三相SPWM：0.866VD,谐波注入后的线电压峰值可达：VD谐波注入后的调制比可达：,55,空间矢量调制,空间矢量定义：,矢量合成原则：伏秒平衡,Vr(cos+jsin)Tsv1SV1+Tsv2SV2+Tsv0/7SV0,Sa、b、c=1，桥臂上管通，下管断；Sa、b、c=-1，桥臂上管断，下管通。,最大调制范围：,56,空间矢量调制等效调制波,空间矢量调制具有和谐波注入同样的直流电压利用率。,等效调制波（k=0.5）,57,第四章 直流/交流变换器,4.1 逆变器的类型和性能指标4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理4.3 单相逆变器单脉波脉冲宽度控制4.4 正弦脉冲宽度调制技术4.5 三相逆变电路工作原理4.6 大功率逆变电路,58,大功率应用的需求,耐压更高电流更大,器件直接并联提高电流等级器件直接串联提高耐压等级,多重化技术,变压器耦合多重化,多电平,大功率逆变电路,59,变压器耦合多重化逆变器 多电平逆变器,大功率逆变电路,60,变压器耦合多重化逆变器(电路),每个三相桥按180导电控制桥驱动脉冲依次滞后桥30,十二阶梯波逆变器,61,Va2滞后Va1 30,-Vb2超前Va1 30,变压器耦合多重化逆变器（波形）,90,-30,-90,30,va2,-vb2,vA,62,移相调压：,三倍频PWM调压：,变压器耦合多重化逆变器（调压）,63,多电平逆变器（二极管钳位型）,三相二极管钳位型三电平逆变器,VD,A,O,单相二极管钳位型五电平逆变器,64,多电平逆变器（飞跨电容型）,飞跨电容型五电平型逆变器,65,多电平逆变器（级联型）,级联五电平逆变器,