PWM逆变电路课件.ppt
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1、1第第3章章 逆变电路逆变电路 2l逆变的概念 逆变与整流相对应,直流电变成交流电。交流侧接电网,为有源逆变有源逆变。交流侧接负载,为无源逆变无源逆变。l主要应用各种直流电源,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都是逆变电路。3l逆变电路的分类电能流向:有源逆变电路、无源逆变电路功率器件:半控型电路、全控型电路直流电源:电压源电路、电流源电路电路结构:桥式电路(半桥、全桥)、非桥式电路输出相数:单相电路、三相电路控制方式:方波电路、PWM电路(单极性、双极性)开关环境:硬开关电路、软开关电路41)逆变电路的分类电流型逆变电路又称
2、为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源3.2 单相方波逆变电路dIZ ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aaiL Lt t负负载载电电流流1T驱驱动动4T1T驱驱动动4T2T驱驱动动3Tabi0 0dIdI 51)逆变电路的分类电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源3.2 单相方波逆变电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiaiC Ct t负负载载电电压压1T驱驱动动4T1T驱驱动动4T2T驱驱动动3TabV0
3、 0dVdV 63.2 单相方波逆变电路2)电压型单相方波逆变电路的特点图3-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动无脉动。(2)输出电压为矩形波,输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。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。73.2.1 单相方波逆变电路1)半桥逆变电路u图3-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2工作原理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 o为矩
4、形波,幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时,io和uo o同方向,直流侧向负载提供能量;VD1或VD2通时,i io o和u uo o反向,电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用,又称续流二极管续流二极管。83.2.1 单相电压型逆变电路优点优点:电路简单,使用器件少。缺点缺点:输出交流电压幅值为U Ud d/2/2,且直流侧需两电容器串联,要控制两者电压均衡。应用应用: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。93.2.1 单相电压型逆变电路2)全桥逆变电路共四个桥臂,可看成两个半桥电路组合而成。
5、两对桥臂交替导通180。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同,幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。特点特点103.2.1 单相电压型逆变电路T1T1、T4T4与与T2T2、T3T3 交替通、断交替通、断(a)电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiaittt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tdi2D
6、3D1D4DT导电供电,导电供电,D导电续流,导电续流,不同负载时,不同负载时,D、T导电情导电情况不同况不同113.2.1 单相电压型逆变电路 01,3,5,22d004sin()2dabnTabUutn tnUU dtT总有效值(a)电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiaid01dd42 20.92UUUU基波有效值41.27vA基波电压增益输出电压分析输出电压分析直流电压利用率123.2.1 单相电压型逆变电路00 0pu i(a)电路Z ZdV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da adiai0101 01010101 0101 012sin2sincosc
7、os 2pu iUtItU IU It基波功率输出功率分析输出功率分析交流分量,平均值为零00,022ttp00p 其它时间直流分量,等于基本平均功率133.2.1 单相电压型逆变电路方波逆变电路的特点方波逆变电路的特点输出电压不可调,取决于输入直流电压。若要可调,可采取:1.采用直流电压连续可调的直流环节2.采用逆变桥间移相调压方式3.采用移相式方波逆变电路输出电压谐波含量高直流电压利用率低143.2.2 移相式方波逆变电路l 阻感负载时,还可采用移相得方式来调节输出电压移移相调压相调压。a)tOtOtOtOtO?b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo。V3、V4的栅极信号
8、分别比V2、V1的前移180。(0 180)输出电压是正负各为的脉冲。改变就可调节输出电压。01d2 2sin2UU基波有效值153.2.2 移相式方波逆变电路移相式方波逆变电路的特点移相式方波逆变电路的特点电路兼具变频调压功能逆变器工作环境:二极管具有ZVZC关断环境,可控器件具有ZVZC开通环境基准臂和移相臂器件工作过程有差异输出电压谐波含量仍然高163.2.3 带中心抽头变压器的逆变电路图3-8 带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较:比全桥电路少用一半开关器件。器件承受的电压为2Ud,比全桥电路高 一倍。必须有一个变压器。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。
9、两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。Ud和负载参数相同,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。173.3 三相方波逆变电路三个单相相差120度的逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路图3-9 三相电压型桥式逆变电路 每个开关导通120度 任何时候有三个开关同时导通 上下开关互补导电,顺序为123、234、345、456、561、612、123182dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0(a)电路t0abv 2t0bcv 22tcav06Tt06gVdV332 34
10、35 t021gV1Tt02gV2Tt03gV3Tt04gV4Tt05gV5T3Ty(b b)导导电电波波形形o1803.3 三相方波逆变电路192dV2dV1T1D3D3T5T5D4D4T6T6D2D2Taibicia ab bc cP PQ Q0 0电路电路aibiciabibcicaia ab bc cca aaibiciabibcicai三角形负载三角形负载a ab bc caVain ncibic ccaV.abV.bcV.anV.a abbnV.cnV.n1.51.51.51.531 1caV.星形负载星形负载3.3 三相方波逆变电路.2()1()31()31()3anbnabcn
11、ancaanbncnabcaanabcabnbcabcncabcVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV20t0 0abv2t0 0bcv22tcav0 0tanv0 0t0 0tbnv0 0cnvdVMdV32dV313 32 34 35 o180 导导电电波波形形3.3 三相方波逆变电路.111(),(),()333anabcabnbcabcncabcVVVVVVVVV负载星形连接时负载星形连接时21t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31ddmVVV636.021 tttttVtvdab 13sin13111sin1117sin715sin51sin32)(ddmVVV1
12、.1321 22010.4722anandVv d tV22010.8172ababdVv d tV3.3 三相方波逆变电路223.3 三相方波逆变电路可以推知,逆变桥输入端电流为恒值,直流侧电容中无电流输入电流在纯电阻负载下电流分析:在纯电阻负载下电流分析:任何桥臂仅有可控器件导通,反并二极管无电流,负载通过逆变桥从直流电源吸收能量输入功率023dddViIR2032ddddddddVVPV IRRRI23逆变器1逆变器2逆变器3+-ADBECFCFVcnVbnVBEVanVADVabcn(a)框图3.3 三相方波逆变电路三相全桥应用于大容量场合,主电路框图三相全桥应用于大容量场合,主电路框
13、图每个单相全桥电路可以采用桥内移相方式实现输出电压调节每个单相全桥电路可以采用桥内移相方式实现输出电压调节243.4 单相SPWM逆变电路PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形,如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20VPWM技术技术即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。25E EA ABC CD DR RL LS S1 1S S2 2S S3 3S S4 4C C基基本本逆逆变变电电路路0v1vE EE EX-Axis1vD DovE
14、E0 0 t tX-Axis1vov0 0 t CT TonTonT (b b)方方波波(c c)宽宽度度 方方波波t T T/2 2T TP PW WM M输输出出电电压压波波形形0ov2Ttov2T 2tovo180o180 0 ooovEvEv逆逆变变电电路路只只能能直直接接输输出出3.4.1 SPWM基本原理26冲量等效原理冲量等效原理:大小、波形不相同的大小、波形不相同的窄脉冲窄脉冲变量作用于惯性系变量作用于惯性系统时,只要它们的冲量即统时,只要它们的冲量即变量对时间的变量对时间的积分积分相等,相等,其作用效果基本相同。其作用效果基本相同。tdtVVttdtVVtdttVtVdtVm
15、dmmmdmmmdd sin1sin1sin111 )(sin11tdtVVmd tVtvm sin)(1 0t452123789210tdVdV)(tvab(b b)(tv1031245109876105107109120(a a)(b b)S SP PW WM M等等效效电电压压(a a)正正弦弦电电压压312345vab(t)i(t)3.4.1 SPWM基本原理27vab(t)i(t)3.4.1 SPWM基本原理 因此要使因此要使图中图中的的PWM电压波在每一时间段都与电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效,除每一时间段的面积相等外,该时段中正弦电压等效,除每一时间段的面积相等外,每
16、个时间段的电压脉冲还必须很窄,这就要求脉波数每个时间段的电压脉冲还必须很窄,这就要求脉波数量量P很多。脉波数越多,不连续的按正弦规律改变宽很多。脉波数越多,不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。度的多脉波电压就越等效于正弦电压。在某一很短的时间段期间,正在某一很短的时间段期间,正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于压作用于L、R电路时,只要两个电路时,只要两个窄窄脉冲脉冲电压的电压的冲量相等冲量相等,则它们所形,则它们所形成的电流响应就相同。成的电流响应就相同。28dV3T4T3D4Db b1T2T1D2Da aai负载单极性SPWM电压波形
17、单极性SPWM电压波形2 tdVabvO O1123456i i 2t 2223 dVdV abv双极性SPWM电压波形双极性SPWM电压波形2 0 0T1(D1)、)、T4(D4)导通)导通 VabVdT3(D3)、)、T2(D2)导通)导通 VabVdT1(D1)、)、T3(D3)导通)导通或或T2(D2)、)、T4(D4)导)导通通 Vab0291 2 3 4 11 10 2t6,14 PffNrc(d)SPWM电压(d)SPWM电压2 trrfv,dVMI ccfv,abvO OO O12 1123456(b)由 相 交 确 定开关点(b)由 相 交 确 定开关点rcvv,i i30d
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