（电力电子与电力传动专业论文）模数混合纯正弦逆变电源的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ho nt h ei n v e r t e rw i t ha n a l o g - d i g i t a la n dp u r es i n u s o i d a l w a v eo u t p u t a b s t r a c t a st h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h es o c i e t yp r o d u c t i v i t ya n dt h ee n d l e s sa p p e a r a n c eo f t h ea d v a n c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ed o m a i no ft h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i c d e v i c e si sm o r ea n dm o r ew i d e l y c o m et ol i g h t ，t h ea c p o w e rs u p p l i e sa r en e c e s s a r yi n a u t o ，w a ri n d u s t r ya n dm e d i c a lt r e a t m e n td o m a i n s ，h o w e v e r , t h e r ea r en o tt h en e c e s s a r y a cp o w e rs u p p l i e sw h e nt h e ya r ew o r k i n gi nt h eo u t d o o ra n df i e l d ，h o wt oi n v e r tt h e d co ra cd e l i v e r e db ya c c u m u l a t o r sa n dd y n a m o t o r st ot h er e q u i r e da cf o re l e c t r o n i c d e v i c e si sj u s tt h ep r o b l e mw h i c hs h o u l db es o l v e di nt h ed o m a i no fi n v e r t e rr e s e a r c h a tp r e s e n t ，t h ei n v e r t e r sw i d e l yu s e di nt h em a r k e ta r ed e s i g n e dw i t hs p w m t e c h n o l o g y , h o w e v e lt h ea b i l i t yo fa n t i i m p u l s i o no ft h el o a do ft h i sk i n do fi n v e r t e r si sl o wa n d t h e r ea r el o t so fh y p o - w a v e sh a r dt ob ef i l t e r e di no u t p u tw a v e i ti sh a r dt ob es a t i s f i e d t ot h ed e v i c e sn e e d i n gh i g hq u a l i t yp o w e rs u p p l i e s t h u s ，t h ei n v e r t e r sw i t ht h eh i g h q u a l i t yo u t p u tw a v e sh a v eab r i g h tm a r k e t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed e s i g n t a r g e t s o fa ne n t e r p r i s ea n du s e st h e s w i t c h l i n e a r i t yh y b r i dp o w e rc o n v e m i o ns c h e m ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls p w m t e c h n o l o g y , r e s e a r c h e so nt h eg r e a te f f i c i e n ti n v e r t e rw i t hp u r es i n u s o i d a lw a v eo u t p u t t h i sp a p e r a tf i r s t ，i n t r o d u c e st r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dt h e o r yo fi n v e r t e r , a n d t h e n ，i n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l yt h es w i t c h l i n e a r i t yh y b r i dp o w e rc o n v e r s i o ns c h e m ea n d t h ew o r k i n gt h e o r yo ft h es y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，r e g i s t e r st h ed e b u g g i n gc o u r s eo f s y s t e ma n dr e c e i v e sas e r i e so fd a t e ，i nt h ee n d ，s u m su pas e r i e so fe x p e r i e n c e b e n e f i c i a lt ot h ed e s i g no fi n v e r t e r t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es c h e m ec a nb ep u t t e d i n p r a c t i c ea n dt h ei n v e r t e rh a sab r i g h tf o r e g r o u n d ，o fc o u r s e ，t h e r ea r es o m e t h i n g n e e d e dt ob ei m p r o v e d k e yw o r d s ：a n a l o g - d i g i t a l ；i n v e r t e r ；p u r es i n u s o i d a lw a v e ；s p w m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：搓塑遇金缠堡弦逆变电源鳆婴究：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 轳蚴觯舭醉膈担淼魏事嵫砷年；脚 论文作者签名：e r ? 砺r7 一年月，d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密“请在以上方框内打。) 论文储繇了曝新签痧 日期：乙们刁年j 月枷日 模数混合纯正弦逆变电源的研制 第1 章绪论 1 1 逆变电源的发展概况b 4 l 1 1 1 电力电子技术的发展概况 电力电子技术，就是利用半导体功率开关器件、电子技术和控制技术，对电 气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。 电力电子技术起始于五十年代末六十年代出的硅整流器件，其发展先后经历 了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。 其中，逆变器时代是一个非常关键的时期。在七十年代出现了世界范围的能 源危机，交流电子变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是 将直流电逆变为0 - 1 0 0 h z 的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置 的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管( g t r ) 和门极可关断晶闸管 ( g t o ) 成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子技术已经能够实现整流 和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。 进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为电力电子技 术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结 合，出现了一批全新的全控型功率器件，如功率场效应晶体管( m o s f e t - m e t a t o x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t - i n s u l a t e d g a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 等，为大型功率电源向高频化发展带来了机遇。据统计， 到1 9 9 5 年底，功率m o s f e t 和g t r 在功率半导体器件市场上已经达到平分秋色 的地步，而用i g b t 代替g t r 在电力电子领域已成定论。 因此，八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的大功率半导体复合器件，标志着传统 电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 b k b o s e 教授认为：“电力电子技术在世界范围的工业文明发展中所起的关键 作用可能仅次于计算机。”从2 1 世纪开始“将对工业自动化、交通运输、城市供 电、节能和环境污染控制等方面的发展产生巨大的推动作用。”“在将来工业高度 第1 章绪论 自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术，将成为三种最重 要的技术。” 1 1 2 逆变电源的发展概况 现代逆变电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微 处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。现代电力电子技术在各种高质 量、高效、高可靠性的逆变电源中起关键作用。因此，逆变电源的发展与电力电 子技术的发展是紧密联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。 逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。1 9 4 8 年，美国西屋( w e s t h o u s e ) 电气公司用汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热逆变器。 1 9 4 7 年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之而诞生。1 9 5 6 年，第一只 晶闸管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时 代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是s c r 电压型逆变器。1 9 6 1 年， w m c m u r r a y 与b d b e d f o r d 提出了改进型s c r 强迫换向逆变器，为s c r 逆变器 的发展奠定了基础。1 9 6 0 年后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进 行研究。1 9 6 2 年，a k e m i c k 提出了“谐波中和消除法”即后来常用的“多重叠加 法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。1 9 6 3 年，e g t u m b u l l 提出了“消除特定谐 波法”，为后来的优化p w m 法奠定了基础。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g t r 及其模块相继实 用化。8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全 控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶 体管( i g b t ) 等。这就使电力电子技术有传统发展时代进入到高频化时代。在这 个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形 改善技术得到了飞速的发展。1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出的、把 通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术( s p w m ) ，由于当时 开关器件的速度慢而未得到推广。直到1 9 7 5 年才有b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等把 s p w m 技术正式应用到逆变技术中，是逆变器的性能大大的提高，并得到了广泛 模数混合纯正弦逆变电源的研制 的应用和发展，也是正弦波逆变技术达到了一个新高度。次后，各种不同的p w m 技术相继出现。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。 总之，一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段： 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以低速为主，逆 变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低， 正弦波逆变器开始出现。 1 9 8 0 年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是，开关器件以高速器 件为主，逆变器的开关频率高，波形改善以p w m 法为主，体积重量较小，逆变效 率高，正弦波逆变器技术发展日趋完善。 1 2 逆变电源的基本原理【1 1 2 1 逆变器的分类 逆变电源是一种电能转换装置，即从交流或直流输入获得稳定、稳频的交流 输出。逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能： ( 1 ) 逆变电源能将直流电转换为交流电； ( 2 ) 变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电； ( 3 ) 变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流 电转换为单相交流电。 目前，逆变器根据其结构形式和工作原理，大致可以分为以下五类： ( 1 ) 多重化逆变器。最初的多重化逆变器是用来将几个方波逆变器的输出通 过变压器按照一定的规律组合起来形成阶梯波输出，以削弱谐波含量，提高装置 容量。这种逆变器主要用于三相系统，具有器件开关频率低、系统效率高、控制 简单等优点。但其输出波形较其后来发展起来的s p w m 逆变器差的多，且难以通 过闭环调节予以校正。目前，在大容量的s p w m 逆变器中，仍有采用多重化技术 进一步提高容量、削弱谐波的例子。 ( 2 ) p w m 逆变器。p w m 逆变器通过控制开关器件产生一系列等幅( 可正可 负一) 、不等宽的恒频脉冲来逼近标准正弦波，再采用滤波网络滤除该脉冲列中的 第1 章绪论 高频成分，获得正弦度较高的输出。p w m 技术大多基于傅立叶周期信号分解理论， 预见性好，且原理直观，便于实现。p w m 逆变器具有系统简洁、技术成熟、动态 响应快及适应性强等显著特点，因而应用极为广泛。随着数字技术的发展，p w m 技术还有着广阔的发展空间。 ( 3 ) 多电平逆变器。以三电平逆变器为例，是指其逆变桥中每一桥臂的中点 均能输出三种电平的逆变器。若以逆变桥输入电压的一半e 2 为基准电压，则这三 种电平分别是+ e 2 、0 、- e 2 。对于单相逆变器，三电平逆变器与通常的二电平逆 变器的主电路的结构上并没有什么区别，只是在控制上二电平逆变器采用双极性 s p w m ，而三电平逆变器采用的是单极性s p w m 。对于三相逆变器，三电平逆变 器则需要在普通的二电平逆变器的基础上添加若干辅助开关管，并采用独特的三 电平p w m 控制理论。此时，三电平逆变器可获得降低开关管耐压及开关频率等优 点，因而适合于高电压、大容量的g t o 逆变电源。 ( 4 ) 谐振软开关逆变器。为了进一步改善p w m 逆变器的动态响应性能，减小 滤波器的尺寸，需要从根本上减小器件的开关损耗，提高开关频率。这样，就发 展了各种类型的谐振软开关逆变器。其中，由结实型谐振直流环( r d c l ) 和零电 压转换p w m 逆变桥( z y r - p w m ) 级连构成的组合式逆变器，器件的开关应力能 得到有效的限制，而且接触了谐振直流环节和后续逆变桥控制上的耦合关系，能 充分发挥高频p w m 控制技术的有时。目前，该类逆变器在小容量、高性能逆变电 源中已得到初步应用。其缺点主要在于，附加功率器件较多，循环能量大。 ( 5 ) 高频链逆变器。在输入、输出需要进行电气隔离的逆变电源中，变压器 的设置是必不可少的。s p w m 逆变器中采用的以输出电压频率工作的工频或中频 变压器，体积庞大，往往是阻碍其向小型化、轻量化方向发展的主要障碍。因变 压器的体积同其工作频率成近似反比的关系，故若能采用高频变压器进行电气隔 离，就能显著地减小装置的体积和重量。高频链逆变器的基本原理就是通过设置 中间高频链逆变环节，采用高频变压器进行电气隔离，再将此高频交流电变换成 所需频率的交流输出。目前已发展出多种拓扑结构的高频链逆变器。 模数混合纯正弦逆变电源的研制 1 2 2p w m 逆变电源的基本原理 我们可以看到，目前，在国内市场中，逆变电源在转换电能的过程中通常采 用的是开关方式( p w m 技术) 。图1 1 所示为典型的交流输入、交流输出隔离型逆 变电源的基本结构。从图1 1 可以看出，逆变电源中的能量转换过程是：输入的工 频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流p w m 波电压， 其基波频率是逆变电源的输出频率，p w m 波电压经输出变压器隔离，再由l c 滤 波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为a c d c a c 。直流输入、 输出隔离型的逆变电源结构与图1 1 基本相同，只是不需要输入端的整流电路，能 量转换传递的过程可表示为d c a c 。 图1 1 逆变电源基本结构图 f i g 1 1b a s i cf r a m ec h a r to fi n v e r t e r 在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心。衡量逆变电源性能高低 的是主要指标是输出电压的品质，输出电压的品质由以下特性来衡量： ( 1 ) 稳压特性：指稳态时输出电压有效值的稳定度。一般用电压稳定度来衡量。 ( 2 ) 稳频特性：指稳态时输出电压频率的稳定度。一般用频率稳定度来衡量。 ( 3 ) 波形特性：指稳态时输出电压波形的特性。一般用以下四项指标评价： a 总谐波含量：除基波分量外各次谐波的方均根电压值与基波电压有效值之 比： b 单次谐波含量：某一次谐波电压有效值与基波电压有效值之比； c 波峰系数：电压峰值与有效值之比； d 偏离系数：波形对基波相应点的偏离值与基波峰值之比。 第1 章绪论 ( 4 ) 动态特性：当负载突变或输入电压突变时，输出电压波动越小，调整时间 越短，说明逆变电源的动态特性越好。 ( 5 ) 调制特性：指输出电压幅度的波动特性。用电压调制量的大小来衡量。电 压调制量是指稳态输出电压峰值包络线的最高电压与最低电压之差。 1 2 3p w m 逆变电源的控制技术 最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用输出电压有效值或 平均值反馈的p w m 控制技术，该方法具有结构简单、容易实现的优点，但存在以 下缺点：( 1 ) 对非线性负载的适应性不强；( 2 ) 死区时间的存在将使p w m 波中含 有不易滤掉的低次谐波，使输出电压出现波形畸变：( 3 ) 动态特性不好，负载突 变时输出电压调整时间长。 为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制方法的不足，实时反馈控制技术 获得应用，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和 发展之中，其中实时反馈控制技术的应用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时 反馈控制技术多种多样，主要有以下几种： ( 1 ) 谐波补偿控制：当逆变电源的负载为整流负载时，由于负载电流中含有 大量谐波，谐波电流在逆变电源内阻上的压降致使逆变电源输出电压波形畸变， 谐波补偿控制可以较好地解决这一问题，尤其是在逆变桥输出p w m 波中加入特定 的谐波，可抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影响，减小输出电压的波形 畸变。目前这种方法只能由高速的数字信号处理器来实现。 ( 2 ) 无差拍控制：1 9 5 9 年，k a l m a n 首次提出了状态变量的无差拍控制理论。 1 9 8 5 年，g o k h a l e 在p w s c 年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制，逆变器 的无差拍控制才引起了广泛的重视。无差拍控制方法根掘逆变电源系统的状态方 程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间，是输出电压在每个采样点 上与给顶信号相等。无差拍控制的缺点是算法比较复杂，实现起来不太容易，它 对系统模型的准确性要求较高，对负载大小的变化及负载的性质变化比较敏感， 当负载大小变化及负载的性质变化是不易获得理想的正弦波输出。 模数混合纯正弦逆变电源的研制 ( 3 ) 重复控制：为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在u p s 逆变器控 制中引入了重复控制技术。h a n e y o s h i 及k a w a m u r a 等人首先在p w m 逆变器中采 用重复控制消除周期性畸变。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制 理论，给出了一种重复控制器的设计方法，提出了自适应重复控制理论。重复控 制是一种基于内模原理的控制方法，它将一个基波周期的偏差储存起来，用于下 一个基波周期的控制，经过几个基波周期的重复可达到很高的控制精度。在这种 控制方法中，加到控制对象的输入信号除偏差信号外，还叠加了一个“过去的控 制偏差”，这个“过去的控制偏差”是上一个基波周期中的控制偏差，把上个基波 周期的偏差反映到现在，和“现在的偏差”一起加到控制对象进行控制，这种控 制方式，偏差好像在被重复使用，所以称为重复控制。它的突出特点是稳态特性 好、控制鲁棒性强。但重复控制的控制实时性差、动态响应速度慢。因此，重复 控制一般都不单独用于完成逆变器的控制，而是与其他控制方式相结合共同来提 高整个系统的性能。 ( 4 ) 滑模变结构控制：滑模变结构控制理论起于2 0 世纪5 0 年代，它最显著 的特点是对参数变动和外部扰动不敏感，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变 换器。早期的滑模变结构控制器采用模拟电路实现，广泛应用与电力拖动系统中。 2 0 世纪9 0 年代中后期，台湾的邹应屿和香港大学的l k w a n g 等人将离散滑模变 结构控制理论应用到u p s 逆变器中，获得了良好的控制效果。滑模变结构控制实 质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运彳亍于相平 面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强 的鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不如重复控制和无差拍控制。 ( 5 ) 单一的电压瞬时值反馈控制：这种控制方法的基本思想是把输出电压的 瞬时反馈值与给定正弦波进行比较，用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出p w m 波进行动态调节。和传统p w m 控制方法相比，由于该方法能对p w m 波进行动态 调整，故系统的快速性、抗扰性、对非线性负载的适应性、输出电压的波形品质 等都比传统p w m 控制方法有所提高。这种方法的缺点是系统的稳定性不好，特别 是空载时，输出电压容易振荡。系统的稳定性问题限制了电压调节器增益的提高， 第1 章绪论 因而输出电压的波形品质还不是很好。 ( 6 ) 带电流内环的电压瞬时值反馈控制：带电流内环的电压瞬时值反馈控制 方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础上发展起来的。在这种方法中， 不但引入输出电压的瞬时值反馈，还引入滤波电容电流或滤波电感电流的瞬时值 反馈，电压环是外环，电流环是内环。电流环具有将滤波电容电流或滤波电感电 流改造为可控的电流源的作用，这样，控制输入和输出电压之间就形成了具有单 极点的传递函数，因而系统的稳定性大大提高，克服了单一的电压瞬时值反馈控 制系统空载容易振荡的缺点。由于稳定性的提高使得电压调节器增益可以取得比 较大的值，所以突加负载或突卸负载时输出电压的动态特性能大大提高，抗扰性 能大大提高，对非线性负载的适应性也大大提高。 1 3 逆变电源的发展趋势 随着电力电子技术的飞速发展和各行业对逆变器控制性能要求的提高，逆变 电源也得到了深入的发展。目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面。 1 高频化 提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可以消除 变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。此外，为了进 一步减小装置的体积和重量，必须去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离。 高频隔离可以采用两种方式实现： ( 1 ) 在整流器与逆变器之间加一级高频隔离的d c d c 变换器； ( 2 ) 采用高频链逆变技术。 两种隔离方式如图1 2 所示。高频化仅限于小容量逆变电源。在大容量逆变电 源中，由于工频变压器引起的矛盾相对不如小容量u p s 突出，而且大容量的高频 逆变器、整流器和高频变压器的制作也分别受到高频开关器件的容量和高频磁性 材料的限制。 模数混合纯正弦逆变电源的研制 ( a ) d c w 高翔隔离形式逆变电源 帚匿p 叵p 匿p 匦峥匿霹 输入 鬈甭 ( b ) 高额链逆变形式逆变电源 图1 2 高频隔离逆变电源原理框图 f i g 1 2f r a m ec h a r to fi n v e r t e rw i t hh i g hf r e q u e n c yi s o l a t i o n 2 高性能化 高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面：( 1 ) 稳 压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；( 2 ) 波形质量高，不但要求空 载时的波形好，带载时波形也要好。对非线性负载的适应性要强；( 3 ) 突加或突 减负载时输出电压的瞬态响应特性好；( 4 ) 电压调制量小；( 5 ) 输出电压的频率 稳定性好；( 6 ) 对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电压的高性 能是用电设备对逆变电源的要求，控制方式的改进是逆变电源实现高性能的主要 手段。 3 并联及模块化 当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性。虽然现在已经能生产几千 k v a 的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的 可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。为了提高系统 的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化 电源任意组合，构成一个较大容量的逆变电源。模块化需要解决逆变电源之间的 并联问题，逆变电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流 补偿、通断控制等多方面的问题。但是，逆变电源的并联运行可以带来以下几个 方面的好处：( 1 ) 可以用来灵活地扩大电源系统的容量；( 2 ) 可以组成并联冗余 第1 章绪论 系统以提高运行的可靠性：( 3 ) 具有极高的系统可维修性。当单台电源出现故障 时，可以很方便地通过热插拔方式进行更换和维修。 4 小型化 在逆变电源中，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和l c 滤波器，变压 器可能放在输入部分，也可能放在输出部分，起电压隔离和电压匹配的作用；l c 滤波器用于滤除p w m 波中的高次谐波。滤波器的尺寸与p w m 波的频谱特性有关。 要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：( 1 ) 提高开关频率，使滤波器小 型化；( 2 ) 采用新的p w m 控制方式，优化逆变桥输出p w m 波的频谱，使滤波器 小型化；( 3 ) 用高频变压器实现电压的隔离及匹配，替代输入或输出的低频变压 器，实现变压器的小型化。 5 高输入功率因数化 对于交流输入的逆变电源，中间环节直流电源一般由二极管整流获得，其输 入电流呈尖脉冲状，因此，输入功率因数不高。提高整流侧的输入功率因数不仅 可大大提高逆变电源对输入电能的利用率，而且可以克服逆变电源对电网产生谐 波污染的缺点。 6 数字化 逆变电源的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及 d s p 等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成， 随着硬件技术的发展，处理器计算速度的提高，必然促使逆变电源向数字化方向 发展。 7 智能化 一个智能化的逆变电源除了能够完成普通逆变电源的所有功能外，还应具有 以下功能：( 1 ) 对运行中的逆变电源进行监测，随时将采样点的状态信息送入计 算机进行处理，。一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中各部分 的状态，从中分析电路的各部分工作是否正常：( 2 ) 在逆变电源发生故障时，根 据监测的结果进行故障诊断，指出故障的部分，给出处理方法；( 3 ) 自动显示所 监测的参数，有异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障的信息；( 4 ) 模数混合纯正弦逆变电源的研制 按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件；( 5 ) 能够用程序控制逆变电源的启动和停止，实现无人职守的自动操作；( 6 ) 具有信 息交换功能，可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信息。 第2 章系统原理及组成 第2 章系统原理及组成 2 1 本逆变电源的设计指标 根据厂家要求，本电源的设计指标为：将高频柴油发电机发出的电压为5 0 0 v 、 频率为4 0 0 h z 的交流电，逆变为输出电压v 有效一2 2 0 v ：负载最大电流i 一一1 0 a ； 频率f 一5 0 h z ；效率在9 0 上；具有恒压输出、过电压保护、过电流保护等功 能；同时，逆变电源体积要尽可能的小，便于安装携带：能适应多种负载，可靠 性高，能在低温下正常工作。 2 2 本电源设计方案的选择及原理分析 2 2 1 方案选择 从第1 章的介绍中我们知道，目前，逆变电源设计中应用最为广泛和比较成 熟的技术是p w m 技术。其基本原理如图1 1 所示。经过长期的发展，p w m 技术 从理论依据到实际应用已经趋于成熟，成为当今逆变电源设计方案的主流。但是， 其控制技术较为复杂，并且在实际应用当中仍然存在两个非常难以解决的问题， 即( 1 ) 输出波形正弦度易受负载类型变化、参数变化和载荷突变的影响；( 2 ) 采用l c 滤波，输出电压中含有不易滤掉的谐波，波形不纯。 因此，如何解决上述两个问题，是目前逆变电源领域急需解决的课题。经过 与导师的交流以及广泛的资料查询，本逆变电源采用新型的开关线性复合功率变 换技术( s w i t c h l i n e a r i t yh y b r i dp o w e rc o n v e r s i o ns c h e m e ) ，简称s l h 。 2 2 2 开关一线性复合功率变换技术( s l h ) 原理及运用 2 2 2 1 开关线性复合功率变换技术基本构思 首先，围绕实现高正弦度、多类负载适应性和抗突变负载扰动能力兼顾的需 求，射极输出器型线性电路( 详见第3 章) 成为首选对象，但其效率不满足功率 级工业应用要求。而开关电路效率虽高，但经简单滤波后，输出波形正弦度易受 负载类型变化、参数变化和载荷突变的影响。如果将二者有机结合，后者仅作为 前者的供电电源，让线性电路中的射极输出器功率管工作在非常特殊的两栖状念 模数混合纯正弦逆变电源的研制 临界饱和，偏线性侧：二者跟踪同一参考信号源，则生成的“开关线性复合 功率变换器”将体现出优波高效兼顾的优点，使优波与负载多类性、参数可变性 以及抗载荷冲击之问的矛盾迎刃而解。 由经典电子电路理论可知，如图2 1 所示的乙类双电源互补功率放大单元。输 出v o 对输入i 乞有瞬态跟踪特性。但根据模拟电子技术知识可知，当其作为输出 单元时效率只有7 8 。 图2 1乙类双电源互补功率放大单元 f i g 2 1t h eb - c l a s sp o w e r a m p l i f i e r ( t w op o w e rs u p p l i e s ) 如果采用与输入电压v 。同步，并且幅值略高于v 。的交流电源u 代替直流电源 e 供电，将功率器件管压降锁定在饱和管压降值左右，则效率会有明显提高。如图2 2 所示，改进前后管压降( 阴影部分) 相差甚大。 + 删 曲f r 一骨 ( a )改进前( b )改进后 图2 2 管饱和压降示意图 f i g 2 2t h ee x p r e s s i o no fs a t u r a t i o nv o l t a g eo nt h ep o w e rd e v i c e 第2 章系统原理及组成 因此，可以采用类似交流信号的电压信号代替直流电源信号，作为同步交流 信号，而同步交流供电电源可由开关放大电路输出经过滤波后得到。对于同步问 题，只要提供给乙类放大器的前置放大单元和开关放大电路同一个参考信号源就 可以解决了。 在这一构思下，线性放大电路中的功率管工作在一个非常特殊的状态：临界饱 和偏线性一侧，因而管损耗近似于开关状态，并且遵循线性放大电路射极输出器 的规律，即输入电阻高、输出电阻低，对负载大小及参数变化不敏感。 这样新的乙类放大器的效率可以达到9 8 【”。 2 2 2 2 开关线性复合功率变换技术电路拓扑 开关线性复合功率变换技术电路有两种拓扑结构，即并联型和串联型。 ( 1 ) 并联型s l h ，实现电路如图2 3 所示。因其双端双半波单极性电源与乙 类放大器相当于并联，故命名为并联型开关线性复合功率变换简称p s l h 。其优点 在于可以比较容易的设置控制单元以及主电路的参考点。缺点在于需要选择异沟 道对管，这在实际中比较难于实现( 尤其在高电压等级时) ；其次就是两个功率管 要承受断态时的高电压，对器件要求比较苛刻。 图2 3 p s l h 原理 f i g 2 3p s l hp r i n c i p l e 模数混合纯正弦逆变电源的研制 ( 2 ) 串联型s l h ，实现电路如图2 4 所示。该电路采用同沟道对管，且由于反 并联二极管的箝位作用，不论通态或断态，功率管只承受低电压，可用低压功率 管实现。鉴于纹波电源与功率管以及负载相串联，因此命名为串联型s l h ，简称 s s l h 。其优点在于结构简单、可靠性高，即使功率管损坏，也不会影响前面开关 电路的正常工作，因此容易上容量等级。该电路缺点在于比较难设置控制单元以 及主电路的参考点，并且使电磁兼容性的考虑和抗干扰措施的统筹难于p s l h 。 图2 4 s s l h 原理 f i g 2 4s s l hp r i n c i p l e 2 2 2 3s l h 比p w m 滤波变换增加一级复合单元的意义 两种s l h 的输出电压波形均与参考信号、前置放大单元输出大电压信号、 供电纹波电压同步。它比现有的p w m 滤波变换器增加了硬件电路的复杂程度，却 能在基波频率十倍以上的低开关频率条件下，得到高效无音频噪声的高正弦度负 载上波形。虽然复合级的功率管损耗使变换器效率略有降低，但因对负载供电波形 正弦度高，负载效率不因谐波损耗而降低，应视两种系统的总效率持平。增加一级 的主要作用在于，充分利用射极输出器的低阻输出特性，增强抗负载扰动鲁棒性， 以及多类负载( 含非线性，如晶闸管负载) 的适应性。在此，被复合的高效线性单元 起功率级缓冲电路作用，使系统对负载参数与性质的变化不敏感。这是现有的 p w m 系统采用各种优秀控制决策和复杂的闭环手段进行综合处理难度很高的问 题，往往在调整中顾此失彼。开环s l h 输出电阻可低至o 0 1q 。采取简单的电压 第2 章系统原理及组成 闭环处理还可低至0 0 1q 的( 1 + k ) 分之- - ( k 为环路放大系数) 。当满足系统闭环稳 定性的需要而使k 取值较低时，显然仍保持足够低的输出电阻。因此s l h 的静动 态指标均比同等控制决策和闭环手段下的p w m 滤波型变换器要高。 2 2 2 4s l h 适宜的应用场合及发展前景 电力电子功率变换器是电源装置、电力传动装置和谐波补偿装置传递能量的 主功率单元。因此s l h 技术也主要应用于上述相关领域中负载对象复杂、参数多 变和对静动态指标要求较高的场合；或者用于提高传动系统的产品加工质量、增 加高难品种规格的技术改造水平。 例如，医用u p s 要求同时接晶闸管负载、阻性和电机负载。军用独立电源在 重载冲击下要求电源输出硬特性，保证接于同一正弦电源上其它用电器( 含仪表) 的正常运行。加工系统( 如金属加工、抽丝等) 要求低速运行抗转矩脉动的性能，以 便张力控制的p w m 传动系统能在精度与均匀度上增加规格品种，提升质量等级。 小容量单相变三相调速系统，因中性点漂移产生的三相不平衡问题也出现严重的 转矩脉动，同样可借助加线性复合级的方式予以平滑。 有些场合并不要求严格的正弦度，但对可靠性要求很高。s l h 在提供抗负载 冲击能力满足高可靠性要求的同时，不可分割地附加了盈余的高正弦度指标。 由于s l h 对参考信号的快速刚性跟踪能力，可视同高效宽带功率放大器。当 参考信号被设定为直流时，可实现d c d c 变换的有源滤波。当参考信号为被检的任 意波形时，可用于谐波补偿装置。由于谐波源前端失真电压被检幅值太小，分辨 率低，现有的谐波补偿技术均采用检测谐波电流的方式，但因负载变化，使分离 基波的过程必须通过高速d s p 进行复杂运算，使控制实时性付出较高的代价。而 s l h 不仅完成逆变滤波，且实现低阻输出的宽带功率放大，能解决谐波电压分辨 率问题，可重新考虑便于分离基波的电压谐波检测方式。特别是s l h 的低阻输出 特性，降低了电路拓扑对网侧谐波源类型的选择性，能提供又一种谐波补偿的新 思路。 在负载简单，对波形无严格要求，p w m 滤波系统闭环手段不复杂就可满足静 动态指标和可靠性要求的场合，不必采用s l h ，而应取纯开关滤波电路简单廉价 模数混合纯正弦逆变电源的研制 的优点。 2 3 系统的组成 2 3 1 系统框图 本系统由柴油发电机、整流桥、正弦信号源、单片机控制单元、开关电路、 线性放大单元、射极输出单元及滤波电路等部分组成。各单元均由柴油发电机提 供工作电源。系统框图如图2 5 所示 图2 5 系统框图 f i g 2 5b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m 2 3 2 正弦信号源 本系统的正弦信号由采用运算放大器组成的自激振荡电路产生。从结构上看， 正弦振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。其基本原 第2 章系统原理及组成 理如图2 6 所示。 ( a )( b ) 图2 6 正弦振荡电路 ( a ) 正反馈放大电路的方框图( b ) 正弦波振荡电路的方框图 f i g 2 6s u r g ec i r c u i to fs i n ew a v e ( a ) b l o c kd i a g r a mo ft h ep o s i t i v ef e e d b a c ka m p l i f i c a t i o nc i r c u i t b l o c kd i a g r a mo ft h es u r g ec i r c u i to fs i n ew a v e 图2 6 ( a ) 表示接成正反馈时，放大电路在输入信号x 一0 时的方框图，改回 一下，便得到图2 6 ( b ) 。由图可知，如在放大电路的输入端接一定频率、一定幅 度的正弦信号x 。，经过基本放大电路和反馈网络所组成的环路传输后，在反馈网 络输出端，得到反馈信号x ，如果x ，与x 。在大小和相位上都一致，那么，就可 以除去外加信号文。，而将1 、2 两端连接在一起( 如图虚线所示) 而形成闭环系 统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样，由于x ，= x 。，便有 x 。= x + x f 或 至。生生。1 x ，x 。x 。 a i ：。1 ( 2 i ) 在上式中，仍设a a 厶p 。，f ；f 厶p f ，则可得 模数混合纯正弦逆变电源的研制 a f = a f 甲。+ 叩f = 1 ，即 ia 宣i = a f ：1( 2 2 ) 和 甲。+ 吼= 2 n x ，n = l 、2 、 ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 称为振幅平衡条件，而式( 2 3 ) 则称为相位平衡条件，这是正弦波电路 产生持续振荡的两个条件。 振荡电路的振荡频率f 0 是由式( 2 3 ) 的相位平衡条件决定的。一个正弦振荡 电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f 0 ，这就要求在af 环路中 包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。它可用r 、c 元件组成，也可用l 、 c 元件组成。按照选频网络分类，正弦波振荡电路可分为：r c 正弦振荡电路( 通 常用来产生1 h z 1 m h z 范围内的低频信号) 和l c 正弦振荡电路( 通常用来产生 1 m h z 以上的高频信号) 。 正弦波振荡电路有很多种，本系统选用该电路结构简单、运行稳定的r c 桥式 振荡电路。其原理如图2 7 所示。 z 2 图2 7 r c 桥式振荡电路 这个电路由两部分组成，即放大电路a 和 选频网络f 。a 为由集成运放组成的电压串联 负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗 低的特点。而f 则由z 。、z ：组成，同时兼作 正反馈网络。 下面分析该电路选频网络的选频特性。 由图2 7 有 f i g 2 7 r c - b r i d g c s u r g c c 咖i l z l - r + 五1 - 百i + s c r 如熹- 志 1 第2 章系统原理及组成 反馈网络的反馈系数为 删一器一矗- 而丽s c r 丽 眩。， 就实际的频率而言，可用s = j o , ，则得 亩v 。面丽蕊j c o 币r c 丽丽 ( 1 一( i ) 2 r2