工程科技SPWM逆变教学内容.ppt
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1、无源逆变工程科技SPWM逆变无源逆变无源逆变电路的原理及分类无源逆变电路的原理及分类无源逆变无源逆变直流直流 交流(向负载直接供电)交流(向负载直接供电)无源逆变技术的应用无源逆变技术的应用交流调速系统交流调速系统:如铁道牵引、大型工矿机车、:如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通(地铁和轻轨车)、重型电传城市有轨交通(地铁和轻轨车)、重型电传动汽车和矿井提升设备等动汽车和矿井提升设备等交流电源交流电源:如列车照明、感应加热电源、不:如列车照明、感应加热电源、不停电电源(停电电源(UPS)等)等 11/10/20226-2北京交通大学电气工程学院无源逆变逆变器的基本类型逆变器的基本类型按电网相
2、数分类按电网相数分类单相单相多相多相按调制方法分类按调制方法分类SPWM阶梯波阶梯波按导通的角度分类按导通的角度分类180 120 11/10/20226-3北京交通大学电气工程学院无源逆变逆变器的基本类型(续)逆变器的基本类型(续)按储能元件的性质分类按储能元件的性质分类电压型逆变器电压型逆变器电流型逆变器电流型逆变器11/10/20226-4北京交通大学电气工程学院无源逆变6.1 无源逆变电路的基本原理无源逆变电路的基本原理6.1.1 单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路工作原理工作原理T1、T2轮流导通轮流导通T1导通、导通、T2截止:截止:uan=UD/2T1截止、截止、T2导通:导通:u
3、an=-UD/2波形分析波形分析11/10/20226-5北京交通大学电气工程学院无源逆变由工作原理由工作原理/波形分析得到的结论:波形分析得到的结论:T1、T2轮流导通,使轮流导通,使直流直流交流交流 改变改变T1、T2的切换频率,便可改变输出交流电的频的切换频率,便可改变输出交流电的频率率变频变频。与输出电压同方向的电流流过开关管与输出电压同方向的电流流过开关管T,与输出电压,与输出电压反方向的电流流过二极反方向的电流流过二极D,因此在电压型逆变器中二极,因此在电压型逆变器中二极D是必须的,它提供了反向电流通路,故称为是必须的,它提供了反向电流通路,故称为反馈二极管反馈二极管。同时同时D又
4、起着使负载电流连续的作用,因此又称为又起着使负载电流连续的作用,因此又称为续流二续流二极管极管。T1、T2不能同时导通,否则将出现直流电源短路不能同时导通,否则将出现直流电源短路贯穿短路贯穿短路。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循须遵循“先断后开先断后开”原则。原则。11/10/20226-6北京交通大学电气工程学院无源逆变6.1.1 单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路(续)(续)基本关系基本关系输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值R-L负载电流基波负载电流基波分量分量11/10/20226
5、-7北京交通大学电气工程学院无源逆变6.1.2 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路电路结构电路结构工作原理工作原理与半桥逆变电路相同与半桥逆变电路相同T1、T4导通、导通、T2、T3截止:截止:Uan=UDT1、T4截止、截止、T2、T3导通:导通:Uan=-UD波形分析波形分析11/10/20226-8北京交通大学电气工程学院无源逆变6.1.2 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路(续)(续)基本关系基本关系输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值R-L负载电流负载电流11/10/20226-9北京交通大学电气工程学院无源逆变6.3 三相逆变器工作原
6、理三相逆变器工作原理6.3.1 三相电压型逆变器工作原理三相电压型逆变器工作原理电路结构电路结构11/10/20226-10北京交通大学电气工程学院无源逆变不同的控制方法有不同的输出:不同的控制方法有不同的输出:180 导通型导通型120 导通型导通型PWM控制控制11/10/20226-11北京交通大学电气工程学院无源逆变1800导电型导电型 控制规律控制规律触发脉冲触发脉冲各管导通各管导通180 依次相差依次相差60 任何时刻有三个任何时刻有三个 开关管同时导通开关管同时导通导通顺序导通顺序六个阶段六个阶段11/10/20226-12北京交通大学电气工程学院无源逆变180 导通型各阶段的等
7、值电路及电压值导通型各阶段的等值电路及电压值11/10/20226-13北京交通大学电气工程学院无源逆变180 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电压波形11/10/20226-14北京交通大学电气工程学院无源逆变180 导通型三相逆变器的参数导通型三相逆变器的参数相电压表达式相电压表达式线电压表达式线电压表达式11/10/20226-15北京交通大学电气工程学院无源逆变感性负载情况感性负载情况负载电流滞后角负载电流滞后角小于小于60 (a)A相电压波形相电压波形(b)A相电流波形相电流波形(c)T1的电流波形的电流波形(d)D4的电流波形
8、的电流波形(e)直流输入电流)直流输入电流11/10/20226-16北京交通大学电气工程学院无源逆变感性负载情况(续)感性负载情况(续)负载电流滞后角负载电流滞后角大于大于60 11/10/20226-17北京交通大学电气工程学院无源逆变感性负载下逆变器中可能有三种电流:感性负载下逆变器中可能有三种电流:功率电流功率电流 它通过两个或三个逆变管,将能量从直流电它通过两个或三个逆变管,将能量从直流电源送到负载。源送到负载。环路电流环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管,形成环流,但此环流不经过电源。二极管,形成环流,但此环流不经过电源。反馈
9、电流反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。直流电源中去。11/10/20226-18北京交通大学电气工程学院无源逆变120 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电压波形11/10/20226-19北京交通大学电气工程学院无源逆变180 导通方式和导通方式和 120 导通方式的比较:导通方式的比较:120 方式上下两管间有方式上下两管间有60 的间隙,对换的间隙,对换流有利,但是管子的利用率低,且若采用流有利,但是管子的利用率低,且若采用星形接法,则始终有一相断开,在换流时星形接法,
10、则始终有一相断开,在换流时会引起较高的感应电势,而会引起较高的感应电势,而180 方式无论方式无论在三角形还是星形接法时,正常工作都不在三角形还是星形接法时,正常工作都不会产生过电压,故会产生过电压,故180 方式应用较为普遍。方式应用较为普遍。11/10/20226-20北京交通大学电气工程学院无源逆变逆变器有功功率的反馈逆变器有功功率的反馈 电动机负载工作在发电机状态时,其发出的电电动机负载工作在发电机状态时,其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管能通过逆变器电路中的反馈二极管 D1D6 回馈回馈到直流侧,使直流侧电压到直流侧,使直流侧电压UD升高升高为限制为限制UD,必需将回馈的电能消
11、耗掉或回馈到,必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网,具体方案有:电网,具体方案有:通过制动单元消耗掉通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网(见再生方案通过有源逆变桥回馈到电网(见再生方案1)通过脉冲整流器回馈到电网(见再生方案通过脉冲整流器回馈到电网(见再生方案2)11/10/20226-21北京交通大学电气工程学院无源逆变逆变器有功功率的反馈逆变器有功功率的反馈(续)(续)再生方案再生方案1四象限运行四象限运行功率因数低功率因数低谐波电流大谐波电流大主电路复杂主电路复杂11/10/20226-22北京交通大学电气工程学院无源逆变逆变器有功功率的反馈逆变器有功功率的反馈(续)(续)再生方案再
12、生方案2四象限运行四象限运行功率因数高功率因数高(接近于(接近于1)谐波电流小谐波电流小控制较复杂控制较复杂11/10/20226-23北京交通大学电气工程学院无源逆变6.3.2 电流型逆变电路电流型逆变电路优点:优点:由于有大电感抑流,短路的危险性也比电压型逆由于有大电感抑流,短路的危险性也比电压型逆变器小得多。变器小得多。不需要增设反并联的再生变流装置。不需要增设反并联的再生变流装置。缺点:缺点:电感重量、体积都很大电感重量、体积都很大,实际使用不如电压型逆,实际使用不如电压型逆变器广泛。变器广泛。11/10/20226-24北京交通大学电气工程学院无源逆变三相电流型逆变电路三相电流型逆变
13、电路主电路主电路11/10/20226-25北京交通大学电气工程学院无源逆变6.3.2 三相电流型逆变器工作原理三相电流型逆变器工作原理(续)(续)触发脉冲:触发脉冲:(1200导电方式导电方式)11/10/20226-26北京交通大学电气工程学院无源逆变工作原理及主要波形:工作原理及主要波形:线线电流波形电流波形负载负载型连接时的相型连接时的相电流波形电流波形11/10/20226-27北京交通大学电气工程学院无源逆变电流型逆变器的四象限运行电流型逆变器的四象限运行11/10/20226-28北京交通大学电气工程学院无源逆变6.4 PWM技术技术方波型逆变器的问题方波型逆变器的问题本身不能调
14、节输出电本身不能调节输出电压幅值压幅值输出电压中含有大量输出电压中含有大量的的5、7、11次谐波次谐波解决方法解决方法采用采用PWM控制技术控制技术本节主要讨论电压型逆本节主要讨论电压型逆变器的变器的 PWM 控制方法控制方法11/10/20226-29北京交通大学电气工程学院无源逆变6.4.0PWM控制技术的理论基础控制技术的理论基础冲量等效原理冲量等效原理(面积等效原理):(面积等效原理):冲量相等而冲量相等而形状不同的形状不同的窄脉冲窄脉冲作用于惯性系统时,其效果作用于惯性系统时,其效果基本相同基本相同。(说明为什么(说明为什么(说明为什么(说明为什么PWMPWM波能与正弦波等效)波能与
15、正弦波等效)波能与正弦波等效)波能与正弦波等效)11/10/20226-30北京交通大学电气工程学院无源逆变6.4.1正弦脉宽调制(正弦脉宽调制(SPWM)原理)原理目标函数目标函数正弦输出电压正弦输出电压使脉冲列的作用效果尽量接近于正弦波的作用效果使脉冲列的作用效果尽量接近于正弦波的作用效果基本原理基本原理 根据冲量等效原理,根据冲量等效原理,用一组幅值相等、宽度用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波列来代替正弦波 改变各脉冲的宽度和改变各脉冲的宽度和变化周期即可改变等效变化周期即可改变等效正弦波的幅值和频率正弦波的幅值和频率11/10/20226-31北
16、京交通大学电气工程学院无源逆变6.4.1正弦脉宽调制(正弦脉宽调制(SPWM)原理)原理(续)(续)1.单极性调制单极性调制正半周:正半周:T1导通,导通,T4交替通断,交替通断,T2、T3截止截止负半周:负半周:T2导通,导通,T3交替通断,交替通断,T1、T4截止截止11/10/20226-32北京交通大学电气工程学院无源逆变6.4.1正弦脉宽调制(正弦脉宽调制(SPWM)原理)原理(续)(续)2.双极性调制双极性调制同一桥臂上的两同一桥臂上的两个管子处于互补个管子处于互补工作状态工作状态uruc时:时:T1、T4导通,导通,uo=UDuruc时:时:T2、T3导通,导通,uo=-UD11
17、/10/20226-33北京交通大学电气工程学院无源逆变三相逆变器一般采用双三相逆变器一般采用双极性调制极性调制在双极性调制中,上下在双极性调制中,上下桥臂互补工作。为了防桥臂互补工作。为了防止桥臂直通短路,一个止桥臂直通短路,一个管子关断后,管子关断后,再延迟再延迟t 时间,才开通另一时间,才开通另一个管子,个管子,t 称为死区称为死区时间。时间。死区时间给输出的死区时间给输出的PWM波形带来影响,使其偏波形带来影响,使其偏离正弦波。离正弦波。11/10/20226-34北京交通大学电气工程学院无源逆变6.4.2 SPWM的基波电压的基波电压对对SPWM脉冲进行脉冲进行数学分析后可以得出以下
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