1、dc-acch4.5 三相方波逆變電路,三相方波逆變電路,理想電路特性，假定負(fù)載為星形連接、三相對(duì)稱， 以直流電位中點(diǎn)o 為電壓參考點(diǎn)。,三相半橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)：,由三個(gè)單相半橋逆變器共用一個(gè)直流電源構(gòu)成。,分析假定：,o ,開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序： 各橋臂上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖相位互補(bǔ)、為0.5占空比方波，開(kāi)關(guān)管s1s6的開(kāi)通時(shí)序依次相差60度。,感性負(fù)載情況,1,2,3,4,5,6,疊加定理,180,o,ug,60,o,ud/2,ud,uu,uv,uuv,uuo,uo,o ,電路工作模式分析：,按照上述門(mén)極驅(qū)動(dòng)時(shí)序，三相半橋電路任一時(shí)刻都有且只有三個(gè)器件導(dǎo)通，分別是兩個(gè)上管一個(gè)下管導(dǎo)通，或者一個(gè)

2、上管兩個(gè)下管導(dǎo)通。 根據(jù)不同的控制模式和負(fù)載特性電路共有四種工作狀態(tài)：三個(gè)主開(kāi)關(guān)載流，兩個(gè)主開(kāi)關(guān)和一個(gè)續(xù)流二極管載流，一個(gè)主開(kāi)關(guān)和兩個(gè)續(xù)流二極管載流，【三個(gè)續(xù)流二極管載流】。 三相方波逆變電路中只可能出現(xiàn)前三種工作狀態(tài)。,a,b,c,純電阻負(fù)載條件下電路工作模式分析：,附圖1,d不會(huì)導(dǎo)通,ug時(shí)序：,附圖2,b,no,工作過(guò)程分析1,區(qū)間 電路中（t5t6t1） 入端電流,uao=uao-uoo,工作過(guò)程分析2,區(qū)間 電路中（t6t1t2）0 入端電流,工作過(guò)程分析3,區(qū)間 電路中（t1t2t3）0 入端電流,工作過(guò)程分析4,區(qū)間 電路中（t2t3t4）0 入端電流,定量分析1,輸出相電壓為六

3、階梯波，輸出線電壓為四階梯波， 將它們用傅立葉展開(kāi)： 輸出電壓基波有效值： 輸出電壓有效值：,定量分析2,逆變?nèi)攵穗娏?，任一瞬間均由各橋臂中的開(kāi)關(guān)管載流，始終為正值并保持恒定，即 故有 直流側(cè)輸入功率： rd為入端等效直流電阻： 得到逆變器輸入端等效電阻rd與交流負(fù)載相電阻r間的關(guān)系：,三相方波逆變電路特點(diǎn),與單相方波逆變的特點(diǎn)類似： 輸出電壓諧波、尤其低次諧波成分豐富； 低次諧波為5、7、11次。 輸出電壓不可調(diào)； 直流電壓利用率不高； 直流電壓利用率定義為輸出線電壓基波有效值與直流母線電壓之比： av = 0.78,三相全橋方波逆變電路,三相全橋逆變電路是用三個(gè)變壓器將共用母線的三個(gè)單相

4、全橋逆變電路輸出加以組合而獲得三相輸出的結(jié)構(gòu)。,圖4.16三相全橋逆變器電路,能否去掉變壓器？,三相全橋方波逆變電路特點(diǎn),相對(duì)于三相半橋逆變電路 優(yōu)點(diǎn)： 利用全橋移相調(diào)壓的功能實(shí)現(xiàn)輸出連續(xù)調(diào)壓； 實(shí)現(xiàn)分相電壓獨(dú)立控制，利于三相不平衡負(fù)載的應(yīng)用； 電壓利用率高。 缺點(diǎn)： 功率主電路復(fù)雜、成本高。,4.6 三相spwm逆變電路,三相spwm逆變電路,逆變主電路,三相spwm逆變電路實(shí)際上由三套共用直流母線的單相spwm逆變電路組合而構(gòu)成，故分為半橋和全橋兩大類三相逆變器。,單相,單相,單相,三相半橋spwm逆變電路,控制極脈沖時(shí)序產(chǎn)生及分布,（ma=0.8，mf =15）,電路工作情況分析：,三相

5、半橋spwm逆變：三套共用直流母線的單相半橋spwm逆變電路組合而構(gòu)成的，它們各自采用互差120度的調(diào)制波和同一載波比較后產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管控制極脈沖信號(hào)、控制輸出電壓。 任意時(shí)刻有且只有3個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通載流；以輸入直流母線電位中點(diǎn)o為參考地，每橋臂輸出電壓形狀與單相半橋一致。 在感性負(fù)載（負(fù)載功率因數(shù)角小于60度）條件下，在spwm電路中以第一、第二和第五種模式交替工作；【第五種模式】：三上管載流或三下管載流工作模式,控制極脈沖時(shí)序產(chǎn)生及輸出電壓局部示意圖,ug,相電壓,線電壓,輸出相電壓、線電壓波形的特點(diǎn)：,輸出線電壓調(diào)制波形電平在+ud、0或者-ud、0間變動(dòng)， 顯現(xiàn)為單極性形狀；,星型連接的負(fù)

6、載中點(diǎn)o電位在1/6ud、1/2ud間變動(dòng) ：,星型連接負(fù)載相電壓電平為0、1/3ud、2/3ud等 有5個(gè)電平 ：,三相半橋spwm逆變比方波逆變多出兩種電路狀態(tài)， 分別是三上管載流和三下管載流，將輸入與輸出端斷開(kāi)。,頻率調(diào)制比的選擇：,利用三相系統(tǒng)3整數(shù)倍次諧波相抵消機(jī)制，選擇頻率調(diào)制比mf為3整數(shù)倍，各相電壓mf次諧波間的相位差為零(或360度整數(shù)倍），線電壓中無(wú)mf次諧波，有利于提高輸出電壓的正弦度和減少輸出電壓的thd值。,輸出電壓分析（ma1）：,由于三相負(fù)載中點(diǎn)至母線中點(diǎn)之間電壓基波為零， 相電壓基波有效值和幅值分別為：,線電壓基波有效值和幅值分別為：,輸出線電壓諧波分布,主要分

7、布在mf2、mf4、2mf1、2mf5等次， 最值得考慮的線電壓諧波次數(shù)為mf2。,ma = 0.8，mf 1時(shí)三相spwm 逆變輸出線電壓的頻譜圖,(b)三相spwm輸出線電壓主要諧波隨幅度調(diào)制比變化曲線,線電壓thd總體情況跟單相spwm單極性情況一致。,輸出線電壓直流電壓利用率,av = 0.612ma | ma1,過(guò)調(diào)制時(shí)，直流電壓利用率增長(zhǎng)極限 為三相方波逆變的水平，即為0.78， 但將導(dǎo)致低次諧波大量出現(xiàn)。,輸入與輸出電流： spwm輸出電壓除基波外最低次諧波頻率接近開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)一般感性負(fù)載可以假定負(fù)載時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于逆變開(kāi)關(guān)周期，輸出電流可視為平滑基頻正弦電流，幅值、相位都由電壓基

8、波和負(fù)載阻抗決定。,純阻性負(fù)載 逆變器從直流母線吸取無(wú)脈動(dòng)的直流電流。,感性負(fù)載 逆變器在吸取直流電流外還與母線交換交流無(wú)功電流，這一無(wú)功脈動(dòng)電流的基波頻率是輸出相/線電壓頻率的6倍，并包含類似輸出電壓諧波的高次諧波電流。,提高三相半橋逆變器輸出抗不對(duì)稱負(fù)載能力,在負(fù)載不對(duì)稱情況下 輸出電壓的中性點(diǎn)偏移矢量示意圖,三相四線輸出的三相半橋spwm逆變電路,三相半橋spwm逆變電路,特點(diǎn)及存在問(wèn)題： 輸出電壓諧波指標(biāo)較方波逆變大為改善，最低次諧波接近開(kāi)關(guān)頻率，輸出濾波器尺寸大為降低； 輸出電壓可調(diào)； 輸出抗三相不對(duì)稱負(fù)載能力差，可以利用母線中點(diǎn)形成三相四線輸出。 直流電壓利用率較低， 改善方法：過(guò)

9、調(diào)制、3次諧波（零序分量）注入、輸出變壓器匹配等。,ch4.8逆變器pwm技術(shù)優(yōu)化,逆變器pwm技術(shù)優(yōu)化,pwm技術(shù)優(yōu)化目的：提高逆變器輸出性能。,逆變器輸出性能：輸出諧波含量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，直流電壓利用率，輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度等。,提高頻率調(diào)制比mf ： 是改善逆變輸出諧波指標(biāo)的根本途徑，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)瞬態(tài)損耗增加、寄生參數(shù)影響加重、電磁兼容情況惡化等不良效應(yīng)。,正確的選擇： 在一定的器件開(kāi)關(guān)頻率下使輸出諧波指標(biāo)最優(yōu)化或者在一定的輸出諧波指標(biāo)下使等效器件開(kāi)關(guān)頻率最低。,全橋倍頻spwm技術(shù),所謂全橋倍頻spwm技術(shù) 在各功率開(kāi)關(guān)管動(dòng)作頻率未變情況下，輸出spwm調(diào)制電壓脈動(dòng)頻率增加了一倍，除基波外

10、各次諧波分布在偶數(shù)倍開(kāi)關(guān)頻率的奇數(shù)次邊頻帶上，即2nmf2m1次，其中m、n各為正整數(shù)，這種調(diào)制輸出諧波性能等效為兩倍載波頻率的單極性spwm逆變技術(shù)。,全橋倍頻spwm技術(shù)調(diào)制波反向,倍頻調(diào)制技術(shù)實(shí)質(zhì): 將一個(gè)全橋逆變器拆分成兩個(gè)半橋逆變器，用兩個(gè)相位相反的正弦波調(diào)制后得到的信號(hào)去分別控制兩個(gè)半橋逆變器，兩個(gè)半橋逆變器的輸出電壓基波分量幅值相等、相位相反，它們的奇數(shù)倍開(kāi)關(guān)頻率諧波群反相抵消掉。,fs,fs,2fs,全橋倍頻spwm技術(shù),載波反向,全橋倍頻spwm技術(shù),ma = 0.8，mf 1時(shí)單相全橋倍頻 spwm逆變輸出電壓的頻譜圖,全橋倍頻spwm主要諧波 隨幅度調(diào)制比變化曲線,有選擇

11、性消諧波的pwm技術(shù)開(kāi)關(guān)角預(yù)置pwm技術(shù),基本思想： 如果在一個(gè)輸出基頻周期中確定pwm脈沖序列中各個(gè)電平跳變時(shí)刻點(diǎn)所在相位，那么輸出各次諧波有精確解析表達(dá)式；以需要優(yōu)化的諧波指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，以各開(kāi)關(guān)角為變量，可以通過(guò)這些解析表達(dá)式求取相應(yīng)開(kāi)關(guān)角。,以雙極性三相半橋spwm諧波分析為例（以直流電位中點(diǎn)為參考），假設(shè)橋臂輸出電壓滿足奇函數(shù)、半波對(duì)稱的條件，可知第n次諧波幅度為：,在三相情況下3整數(shù)倍次諧波相互抵消、可不予考慮，如果要求橋臂輸出點(diǎn)電壓所包含5、7、11、13次諧波為零，加上正常給定的基波輸出，需要m=5個(gè)開(kāi)關(guān)角來(lái)滿足方程組：,需要m個(gè)開(kāi)關(guān)角，即m個(gè)自由度的變量來(lái)滿足包括基波在內(nèi)的

12、m個(gè)諧波成分的幅值優(yōu)化要求。,要消除的諧波次數(shù)越多，開(kāi)關(guān)角及開(kāi)關(guān)狀態(tài)跳 變次數(shù)越多。,這一結(jié)論與消除諧波的根本手段是增加頻率調(diào) 制比、開(kāi)關(guān)頻率相一致。,有選擇性消諧波的pwm技術(shù)與spwm技術(shù)、方波逆變技術(shù)的性能比較： 開(kāi)關(guān)損耗 spwm（大）、有選擇性消諧波的pwm（中）、方波逆變（?。?； 諧波性能 spwm（優(yōu)）、有選擇性消諧波的pwm（中）、方波逆變（差）； 基波幅值 方波逆變（高）、有選擇性消諧波的pwm（中）、 spwm（低）,ch4.9 單相全橋spwm逆變器輸出濾波器及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),輸出濾波器設(shè)計(jì),逆變器功率主電路,單極性spwm調(diào)制逆變器,輸出濾波器設(shè)計(jì),單極性電壓平均值模型：

13、,單極性spwm自然采樣圖,輸出濾波器設(shè)計(jì),由于輸出電壓波形是單極性spwm脈沖，其占空比關(guān)系：,濾波電感電流紋波為：,輸出濾波器設(shè)計(jì),得到濾波電感量：,一般取電感電流最大紋波值為逆變器滿功率輸出時(shí) 正弦電流峰值的1020%，?。?輸出濾波器設(shè)計(jì),輸出濾波電容的作用： 與濾波電感一起構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，濾除輸出電壓中的高次諧波，保證輸出電壓波形質(zhì)量。 lc濾波器截止頻率的確定:,由于spwm單極性調(diào)制方式下，輸出諧波頻率主要分布在以開(kāi)關(guān)頻率k倍（k1,2,3.）為中心的邊頻帶；同時(shí)，為避免衰減輸出基波分量，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于輸出基波頻率（見(jiàn)教材圖4.32）；綜合考慮后，取濾波器轉(zhuǎn)折頻率為

14、逆變器開(kāi)關(guān)頻率的1/10倍。,輸出濾波器設(shè)計(jì),根據(jù)lc截止頻率確定濾波電容c的容值:,工程上：器件的非理想特性、基準(zhǔn)正弦波失真、h橋控制死區(qū)結(jié) 果：實(shí)際輸出波形中必定包含有一些更低次的諧波。 選 擇：c越大，vout的thd值越??；但無(wú)功電流增大、功率開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力增大，從而使逆變器產(chǎn)生的無(wú)功功率與損耗增大，最后導(dǎo)致逆變器效率降低；因此，濾波電容又不宜太大。 為了抑制上述非線性因素造成的低次諧波，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)選取合理的濾波電容值，一般取理論值的57倍左右。,逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),逆變器的控制系統(tǒng)按反饋類型來(lái)分，可以分為電壓型和電流型兩種；按控制策略來(lái)分，則有pid控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制

15、和模糊控制等。 單電壓環(huán)spwm反饋控制模式，可分為平均電壓反饋控制和瞬時(shí)電壓反饋控制。 電流反饋控制模式，主要應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器控制，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)逆變器控制。 輸出瞬時(shí)電壓和電感電流雙閉環(huán)反饋pi控制方式，是目前比較成熟、應(yīng)用最廣泛的逆變器控制策略。,spwm逆變器主電路對(duì)調(diào)制波來(lái)說(shuō)，是一個(gè)開(kāi)關(guān)式的功率放大器：,經(jīng)拉氏變換，得到逆變器主電路的傳遞函數(shù)：,由于在橋式逆變器和負(fù)載之間接有一個(gè)lc濾波器，可得到負(fù)載輸出電壓對(duì)橋臂間輸出電壓基波的傳遞函數(shù)：,r為濾波電感的esr，rl為負(fù)載。,逆變器開(kāi)環(huán)模型,逆變器開(kāi)環(huán)模型,由此得到spwm全橋逆變電路的電壓傳遞函數(shù)：,上式表明，開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的逆變器是一個(gè)典型的二階阻尼振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能完全由濾波器和負(fù)載的特性決定。要改善逆變器的性能，就必須添加控制環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行零、極點(diǎn)補(bǔ)償。有研究文獻(xiàn)指出，采用瞬時(shí)值電壓反饋的系統(tǒng)仍為二階振蕩環(huán)節(jié)，只是增加了開(kāi)環(huán)增益；而采用電感電流控制則可以給系統(tǒng)引入零點(diǎn)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,單相逆變器雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖,單相逆變器雙閉環(huán)