（电力电子与电力传动专业论文）组合式逆变电源的设计与研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t s f o rb e t t e r p o w e rs y s t e ma r ee n h a n c e d i n v e r t e rp o w e rs y s t e mi sd e v e l o p e dt oa c h i e v eh i g h e r e f f i c i e n c y ，h i g h e rp o w e rd e n s i t y , h i g h e rd e p e n d a b i l i t y , o n l i n ec o m m u n i c a t i o na n d w a t c h i n g a sa ne q u i p m e n to fd c t oa cp o w e rc o n v e r s i o n ，s i n ei n v e r t e rt a k e so nt h e b r o a dm a r k e ti nb o t hi n d u s t r ya n df o l ka p p l i c a t i o n s i nt h ep a p e r , aw h o l ed i g i t a ls i n e i n v e r t e ri si n t r o d u c e d ，w h i c hi su n i v e r s a l ，p r o g r a m m a b l e ，i n t e l l i g e n t ，a n dc o m b i n a b l e a tt h eb e g i n n i n g ，t h eb a s i ct o p o l o g ya n dw o r k i n gt h e o r yo ft h ei n v e r t i n gc i r c u i t i si n t r o d u c e d f o l l o w i n g ，t h ep a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h e i s s u e so fh a r d w a r e c o m p o s i n g ，p a r a m e t e rc h o i c e ，c o n t r o l l i n gm e t h o d s ，a n ds o f t w a r ei m p l e m e n t i n gi nt h e s y s t e m t os k o wt k ed e s i g n i n ga n da n a l y z i n gp r o c e s so ft h ec o n t r o ls 、j s t e m ，t h ea r t i c l e m a i n l yd i s c u s s e dt w op a r t s o n ei st h ep o w e rc i r c u i tp a r t ，w h i c hi n c l u d e sd e s i g n i n go f t h eo u t p u tf i l t e ra n dt h ei g b td r i v ec i r c u i tb a s e do nm 5 7 9 6 6 l ，t h ew a yf o ri g b t c o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i o na n da l s ot h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd s p t h eo t h e ri s c o n t r o ls y s t e mf o rt h ei n v e r t e r , w h i c hi n c l u d e st h ew a yo fp r o d u c i n gs p w mw a v e u s i n gm i c r o p r o c e s s o r , t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ei n v e r t e ra n dt h eo t h e ra s s i s t a n t c i r c u i t t e s t e db ys a b e rs i m u l a t i o na n ds m a l lp o w e re x p e r i m e n t ，t h ed e s i g n i n gp r o j e c t “a d j u s t i n go u t p u tv o l m g eb yc h a n g i n go na n do f f t i m eo f t h es p w m ”i sp r a c t i c a lt h e a u t h o rh a sc o m p l e t e dd e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ec o n t r o l s y s t e m o nt h e e x p e r i m e n t f i n a l l y , t h es i n e i n v e r t e r sh a v e b e e n d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l ya n dt h ea u t o - s y n c h r o n o u so p e r a t i o no ft h et h r e es i n g l e - p h a s ei n v e r t e r si s i m p l e m e n t e d an e wc o n t r o l l i n gm e t h o dt ot h e a u t o s y n c h r o n o u so p e r a t i o no ft h e t h r e e s i n g l e p h a s ei n v e r t e r si si s s u e di nt h ep a p e r , t h a ti s ，t h r e ei n d e p e n d e n ts i n g l e p h a s e i n v e r t e r sc a ni m p l e m e n t t h r e e p h a s es y m m e t r i c a la co u t p u tb yb e i n gc o n n e c t e dw i t h e a c ho t h e r , w h i c hc a na v o i dt h ee f f e c tt o 也eo u t p u to ft h ei n v e r t e rb e c a u s eo ft h e a s y m m e t r i cl o a d t h ef o l l o w i n gw o r k sh a sb e e nf i n i s h e dd u r i n gt h i si t e m ： f i r s t l y , t h et o p o l o g yo ft h r e e p h a s ei n v e r t e r i sa n a l y z e d s e v e r a lc u r r e n t t o p o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d t h ec i r c u i tt o p o l o g ya n dw o r kp r i n c i p l ea r ea n a l y z e di n d e t a i l e a c hp a r to ft h ec i r c u i ti ss i m u l a t e di nd e t a i l s e c o n d l y , b a s e do nc i r c u i t 2 a n a l y s e s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h eh a r d w a r e p a r a m e t e r s a r ed e s i g n e d s y s t e m a t i c a l l yc o n s i d e r i n ge v e r yp a r to f t h ec i r c u i ta n dt h er e q u i r e m e n t so f p r o t o t y p e ， t h ec i r c u i ta p p a r a t u s e sa r ec h o s e n t h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i ta n d a u x i l i a r yc i r c u i ta r ed e s i g n e d t h i r d l y , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri su s e dt oc o n t r 0 1 b a s e do nw o r kp r i n c i p l e sa n dc o n s i d e r e dr e q u i r e m e n t so fd r i v ep u l s e s t h ed s p a s s e m b l e ra c h i e v e d w i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc o n t r o l l e rm a d e b yt i t h e a d v a n t a g eo f t h ed i g i t a lc o n t r o lm e t h o di sd i s c u s s e d k e y w o r d si n v e r t e r , s p w m ，d s p , d i g i t a lc o n t r o l ，s i m u l a t i o nd e s i g n s h ix i n q i a n ( p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e 、 d i r e c t e db yp r o f t a n gt i a n h a oa n da s s p r o fs h iw e i f e n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：生虹趁 日期：竺竺! i 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 日期：竺! 尘二：! 1 1 研究背景 第一章绪论 高频开关电源相对于传统相控和线性电源有突出优势，并逐渐取代传统电源 成为工业和民用电源的主体。随着电力电子新技术产品的应用技术的高频化、硬 件结构的模块化、软件控制的数字化和产品性能的绿色化发展方向。新一代高频 开关电源产品的技术含量将在原盲基础上进一步提高，更加成熟、经济、实用可 靠。从而更好地为国民经济的各个相关行业提供高品质的电能。另一方面随着工 业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高，包括市电电网在内的所 有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加工后才能使用，这就对 作为用电器能量之源的电源的性能提出了很高的要求。 通常使用的各种用电设备一般直接由5 0 h z 交流电供电，或者由交流电变换 的各种不同电压幅值的直流电供电。据统计，在发达国家电能已有4 0 经过各种 变换处理，起到很好的节能效果，而至e 2 0 1 0 年，将有8 0 的电能需要经过应用 电力电子技术的变换器处理后再使用。这其中就包括将直流电转换为交流电的逆 变技术。因此，逆变技术在节约电能方面占有重要的位置。d c a c 变换电路简称 为逆变电路，它的作用是把从电网上得到的恒压、恒频的交流电能，或从化学能 蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的 交流电能。这种交流电能不仅可用于交流电机的拖动而且可作为不间断电源 f u p s ) 、变频电源、有源滤波器电网无功补偿器等逆变电源中的电能。另外，随 着用电设备的增多，一些涉及到关键部门的用电设备，如电信行业、银行业的计 算机警报装置、环保车辆、铁路和航空航天以及军事上对逆变电源也有极大需求。 逆变技术在新能源的开发和利用，新兴高新技术产业以及国防科技等各个领域都 起着重大的作用，并占有至关重要的地位【l l 【2 】。 2 0 0 4 年本学科与加拿大某公司合作，建立燃料电池发电系统，作为船舶动 力推进装置的主电源，为无刷直流电动机推进系统供电，研究新能源船舶动力推 进系统。燃料电池发出的电是不稳定的直流电( 2 2 v 4 2 v ) ，为了满足直流负载 或交流负载的需求必须经过电能变换。首先经过d c d c 变换输出稳定的直流 4 8 v ，然后再经过d c d c 变换和d c a c 变换送到用电设备。本文所作的研究结 果可以用作新能源船舶动力推进系统中的一部分，有非常现实的应用需求。 1 2 逆变技术发展概况 电力电子技术从1 9 5 6 年晶闸管问世，电力电子学诞生，至今已经过5 0 年的 发展历程，目前已基本形成比较完整的理论和学科体系，并成为一门独立的学科。 尤其是在最近l o 年，电力电子学获得了突飞猛进的发展，被视为人类社会的第 二次电子革命。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”。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”。而其中正弦波逆变器技术，将成为电力电子技术中 最重要的组成部分之一。 逆变器，特别是纯正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和 u p s 电源。其原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。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。这时开关器件以低速器件为主，逆变器的开 关频率低，波形改善多以叠加法为主，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。这时开关器件以高速器件为主，逆 变器的开关频率较高，波形改善以p w m 法为主，体积重量小，逆变效率高，正 弦波逆变器技术发展日益完善【2 9 。 1 2 1 电力电子开关器件的发展 电力电子开关器件也称为功率半导体器件( p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) ，是 电力电子技术中用来进行高效电能形式变换、功率控制与处理，以及实现能量调 节的新技术核心器件。1 9 5 8 年世界上第一支晶闸管研制成功，使半导体技术在工 业领域的应用发生了革命性的变化，有力地推动了大功率电子器件多样化应用的 进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了 突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断 晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极性大功率晶体管， 开关速度更高的单极m o s 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体 管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入9 0 年代，单个器件 的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现， 功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正在 不断地改进和完善。总之，电力电子开关器件正在向着高频化、全控化、集成化 和多功能化的方向发展 i 。目前，广泛应用在逆变电路中的电力电子开关器件 主要有s c r ，t r i s ，g t o ，g t r ，v m o s f e t 和i g b t ，由于它们的电流容量和开 关速度各不相同，在逆变电路中的应用范围也不相同。根据电力电子开关器件的 发展和各种开关器件的性能比较，选择主电路开关器件时基本上可以遵循以下几 个原则： 1 ) 在几百k v a 以t - 的大容量和超大容量的逆变电路中，开关器件的选择仍以 g t o 为主。如高压直流输电、大型电机和大型化学电源，容量都在几百k v a 以上。 但是在某些工频场合下有时也用s c r 和t r i s ，其中s c r 主要还用于整流式电源设 备。 2 ) 在几k v a 至i j 几百k v a 直至上m w 的中大容量的逆变器中，开关器件以i g b t 为主，g t r 由于其驱动功耗大和开关速度慢等不足，将逐步被i g b t 和其他新型 开关器件所取代。这个容量等级的逆变器应用在交流电动机变频调速、u p s 、逆 变式弧焊电源、通信开关电源和有源滤波装置等场合中。 3 ) 在几k w 以下的逆变电源中，开关器件以v m o s f e t 为主。这类电源的容 量密度高，噪声很小，如医用电源、照明、汽车、家用电器等p 。 1 2 2 逆变技术发展趋势 1 ) p w m 软开关技术 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实 现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究 对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有 十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。但这里必须指出，软开关并不 是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关 而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。 软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现p w m 软开关技术，也就是将 软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来韵优点，又能实现软开关 工作。为此，必须将l c 与开关器件组成一个谐振网络，使p w m 逆变器只有在开 关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况下则不 发生谐振，以保持p w m 逆变器工作特点。 2 ) 多电平技术 上述p w m 高频软开关逆变技术产生的背景是为了提高传统逆变器的输出波 形质量，该技术缺点是具有较高的幽d t 、d i d t ，以及由此引起的较高的开关 应力及较强的e m i 。在相同的背景下，d a n a b a e 等针对大功率逆变器开关器件 速度低的缺点，于1 9 8 1 年提出了多电平逆变技术，成为当前高压大功率逆变器的 一个发展方向。与p w m 高频软开关逆变技术的思路相反，多电平逆变技术的出 发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有逆变开关都工作在基频或低频，以 达到减小开关应力，改善输出电压和电流波形的目的。 3 ) 并联技术 电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统。和 集中式电源系统相比，分布式电源具有以下优点：提高系统的灵活性，可将模块 的开关频率提高到兆赫级，从而提高了模块的功率密度，使电源系统的体积、重 量下降；各个模块的功率半导体的电流应力减小，提高了系统的可靠性；分布系 统可方便的实现冗余；减少产品种类，便于标准化。 4 1 低谐波、高精度输出技术 开关电源技术近年来发展迅速，对低谐波、高精密电源需求也越来越多。高 精度、低谐波电源对保护用电设备、减小对电网的污染等方面都具有很大的作用。 5 ) 数字化控制 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势，也是逆变技术发展的趋 势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字控制极大地简化了 硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，但数控变换器在实际使用 中还存在许多待解决的涮题，例如：变换器开关动作对采样的严重干扰；检测的 量化误差导致控制精度显著下降；高速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下 降：开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。 1 2 3 逆变技术应用领域 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高， 逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其主要的应用： 1 ) 太阳能发电 太阳能光伏发电就是将太阳电池阵列产生的直流电；通过逆变电路变换为交 流电供给负载或并入电网。自7 0 年代开始采用太阳能光伏发电技术以来，目前世 界光伏发电累积装机容量已经超过了1 5 0 0 m w ，国外已开发出并网发电专用逆变 器及相应的配套组件，光伏发电技术目趋成熟。我国具有丰富的太阳能资源，太 阳能光伏发电前景非常广阔，但目前国内的光伏发电技术与世界先进国家相比有 不小的差距。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家 科技攻关计划，企业界已经在深圳和北京分别建成了1 0 0 k w , 1 7 k w 和7 k w 的光 4 伏发电屋顶系统，并成功的实现了并网发电。2 0 0 2 年我国太阳能光伏发电系统累 积总装机容最已达到了1 m w ，光伏发电的潜在市场是非常巨大的。 2 、不问断电源系统 在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用不问 断电源u p s 。u p s 的主要构件有充电器和逆变器。在电网供电时，充电器为蓄电 池充电，负载由电网供电；在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成 交流电供给用电设备。 3 ) 交流电动机变频调速 采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供给 交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、机车牵引、电梯、 空调、机床等许多场合。 4 1 直流输电 由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是卟发 展方向。首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成交 流电供给用电设备。 5 ) 通信开关电源 6 1 风力发电 风力发动机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给j i 电 设备都不安全。可以先将其变换成直流电，然后再逆变成比较稳定的交流电，就 能安全的并到交流电网上或直接供给用电设备。 7 1 有源滤波、无功功率补偿 8 ) 现代汽车 汽车电器的发展潜力很大，照明、音响、防盗、自动控制等都将逐步使j h 节 电效果明显的开关式电源。 9 ) 弧焊电源 1 0 、感应加热 中频炉、高频炉、电磁灶等设备利用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁 场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。 1 1 1 变频电源 世界上一些国家采用的是6 0 h z 的市电，而我们国家采用的是5 0 h z 的交流市 电。我们在生产出口外销的家电、电动机等产品时，调试、检验、老化过程中都 需要大量的6 0 h z 的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这利t 电源。 1 2 1 磁悬浮列车 为减少列车轮子与铁轨之问的摩擦而提高牵引效率，正在发展磁悬浮列车。 磁悬浮列车就是采用逆变等技术产生一种磁场，使列车和铁轨不完全接触。 1 3 ) 医用电源 1 4 ) 化学电源 1 5 ) 家用电器 在现代的家庭生活中，有不少的家用电器都用到了逆变技术，从而达到了节 能、改善使用性能的目的。如变频空调、电磁灶、微波炉、大屏幕彩电等。 1 3 本课题内容 正弦逆变电源是电力电子技术中的一个重要组成部分，它的作用是将直流电 变换成电能质量高、能满足负载对电压和频率要求的交流电。随着全世界工农业 的发展，用户对电能质量的要求也越来越高，正弦逆变电源的应用范围将会越来 越广阔，同时电力电子技术的发展和各种控制技术的发展也必将推动正弦逆变技 术的发展。 本文的研究得到上海市教委重点学科( f 2 0 0 1 1 7 1 号) 的资助。主要研究目的 是研究一种全数字化的正弦逆变电源，使其可以应用在新型燃料电池推进船舶上 面。具体内容如下： 1 ) 合理选择主电路的拓扑结构，依据电路理论确定所选元件的参数，选择 种性能价格比高、适合于系统控制的d s p 作为逆变子系统的主控芯片，结合相关 硬件电路实现s p w m 逆变和各种保护。 2 ) 确定一种台理的控制方案，使逆变系统能够实现稳定的正弦波交流输出。 3 ) 确定一种可以抗三相负载不对称的三相逆变方案，即三台单相逆变器经过 组合，使其三相输出电压相位互差1 2 0 0 ，实现三相交流输出 5 1 。 第二章组合式逆变电源主电路的拓扑结构及其控制分析 2 1 正弦逆变电源的基本拓扑结构及其工作原理 正弦逆变电源的作用是将直流输入电压转变为正弦交流电压输出，根据其主 电路储能元件的不同，一般可以分为电压型和电流型两大类。电压型电路具有结 构简单、重量轻、控制方便、响应速度快等特点，因而在中小功率的逆变系统中 被广泛采用。常见的单相正弦逆变电源丰电路主要有半桥式、全桥式、推挽式三 种结构，其中以全桥逆变电路应用最为广泛。下面以全桥逆变电路为主，分别对 单相电压型正弦逆变电源这三种电路拓扑结构和工作原理进行介绍和分析。 2 1 1 半桥式逆变电路原理 半桥式逆变电路的如图2 - 1 所示，它有两个可控开关管，每个开关管和一个 反并联一个二极管。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，且c i = c 2 ， 困此，开关器件状态变化时，每个电容两端的电压保持v 2 不变，使得两个电 容的联接点为直流电源的巾点。负载连接在直流电源中点和两个开关管的联结点 之间。由于逆变器运行时有低阶的电流谐波注入，因而电容器c 1 和c 2 的容量 较大，很显然，桥臂上的两开关管( t 1 和t 2 ) 不能同时导通，否则将引起直流 环节电压源v i 短路，逆变器的开关运行状态为表2 1 所示。 v 图2 1 单相半桥式逆变电路结构 开关器件t l 和t 2 的基极信号在一个开关周期内各有半周正偏，半周反偏， n _ - - 者互补。当t 1 闭合( t 2 断开) 时，输出电流和图中所示的方向相同：当t 2 闭合( t 1 断开) 时，输出电流f 。和图中所示的方向相反。输出电流i 。的方向决定了 实际导通的器件是开关管还是二极管1 3 5 】。 表2 1 单相半桥式逆变电路的开关状态 状态状态号 v o导通器件 t 1 导通 l v i 2t i ( 当f o o 时) t 2 关断 d i ( 当f 。 0 时) t 1 关断t 2 ( 当i o o 。对应图2 - 2 ，这时电容c l 通过t l 向负载供 电，能量从电源端流向负载端正向流通。 v t 【 直d l v 2 ，：c 1 1 f 7 n 。二 a n 叫 v j 2 7；c 2 t 2 v 图2 2 半桥式t 1 导通，能量正向流通图2 3 半桥式d 2 导通，能量反馈 ( 2 ) d 2 导通，v o = 一v 。2 ，i o o 。如图2 3 ，这时负载中的感性负载通过d 2 向 电源放电，能量从负载端流向电源端逆向流通。 ( 3 ) t 2 导通，v o = 一v i 2 ，i o o ，t 1 ，d 2 导通。如图2 7 ，这时感性负载通过t 1 ，d 2 向放电， d 2 起到续流的作用。 ( 3 ) v o = - v i ，i o o ，d 2 ，d 4 导通。如图2 8 ，感性负载通过d 2 ，d 4 向电源反 馈能量，能量从负载端反馈流向电源端。 ( 4 ) v o = 一v i ，i o o ；t 3 ，d 4 导通；如图2 9 ，这时感性负载通过t 3 ，d 4 放电， d 4 续流，能量消耗。 涮6 丽f 靠 图2 8 桥式d 2 ，d 4 导通，能量反馈 以上四个运行状态电流为正，同样， 0 1 n 、 + 上 一i i 吖 b ! t 4 阱田 图2 9 桥式t 3 d 4 导通，能量消耗 当电流为负时也存在四个状态。 怵 卅， 阱打 图2 1 0 桥式t 2 ，t 4 导通，能量正向流通图2 11 桥式d 3 ，t 4 导通，能量消耗 ( 5 ) v o = - v i ，i o o ，t 2 ，t 4 导通。对应图2 一l o ，同状态( 1 ) 类似，这时电源 通过t l ，t 2 向负载供电，能量从电源端流向负载端正向流通。 ( 6 ) v o = v i ，i o o ，d 3 ，t 4 导通。对应图2 - 11 ，类似状态( 2 ) ，感性负载通 过d 3 ，t 4 放电，d 3 续流，能量消耗。 t 1 、 卜性 _ d ：c i 1 l 嚣 t 4 n 、 卜 土 - = 7 i a 一 b c d 4 d1 落 图2 1 2 桥式d i ，d 3 导通，能量反馈图2 1 3 桥式d 1 ，t 2 导通，能量消耗 ( 7 ) v o = v i ，i o o ，t 1 导通。如图2 - 1 5 ，这时电源通过t l ，经过变压器向负载 供电，能量从电源流向负载。 ( 2 ) v o 0 ，i & 0 ，d 2 导通。这时，感性负载中的能量通过变压器耦合经过 d 2 向电源反馈，d 2 起到续流的做用，具体工作电路如图2 1 6 。 一h卫 l l 。二c _ _ 7 l t i 皿1 2 一位 l i 土 图2 15 推挽式t l 导通， 一k i if i c 上 1l 。”j 图2 1 7 推挽式t 2 导通，能量正向流通图2 1 8 推挽式d 1 导通时，能量反馈 ( 3 ) v o 0 ，i o o ，t 2 导通。这时电源通过t 2 ，经过变压器向负载供电，能量 从电源流向负载。具体工作电路如图2 1 7 所示。 ( 4 1v o 0 ，d 2 导通。这时，感性负载中的能量通过变压器耦台经过 d 2 向电源反馈，具体工作电路如图2 1 8 所示。 推挽式逆变电路的主要优点为，导通路径上的串联开关元件数在任何瞬间都 曲 面一盘曲一益 l1、 只有个，当逆变器的直流输入来自较低的电压源( 如电池) 时，尤为突出。在这 种场合，导通回路上的开关元件数的增加将导致能量利用率的明显下降。推挽式 逆变器的另一优点是两个开关元件的驱动电路具有公共地，这将简化驱动电路的 设计。推挽式电路的主要缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，另外和单电压 极性切换全桥逆变电路相比，它对开关器件的耐压值也高出一倍。 相对于开关频率而言，逆变器的输出电流变化是比较缓慢的。因此，在开关 切换的动作区间内，可认为逆变器的输出电流不变。当开关切换动作发生时，逆 变器的输出电流从变压器原边的半个绕组向另外半个绕组转移。若绕组问为理想 的紧耦台，则在转移过程中没有任何能量损失。但实际变压器总有漏抗，由于漏 杭的存在，在开关动作时，部分能量消耗在开关上或消耗在，h 来保开关的阻尼电 路巾，这是所有带隔离变压器的环流器共有的现象。在这类环流器巾，开关兀件 每次动作都要强制某一绕阻的电流到零，在设计这类环流器时，必须考虑这一点。 以上介绍了单相电骶型逆变电路的几种常t f ：| 的拓扑结构，并对每种电路的工 作原理和电路运行状态进行了分析。表2 3 对这三利r 功率变换电路性能进行了总 结比较。 袁2 ，3 三种主电路拓扑结构的分析比较 推挽式半桥式全桥式 开关管端电压2 v iv iv i 主开关管数量 2 24 输入滤波电容组数 12l 驱动电路复杂程度简单中等复杂 适刚的功率容量小中等大 谐波含量中等中等小 2 2 三相逆变电源的主电路结构及其抗不平衡负载分析 在三相不问断电源或交流电机驱动装置中，需要使用三相逆变器，通常情况 下可以采用三相桥式逆变电路来实现三相交流输出。本文应用了一种可以抗三相 不平衡负载的三相逆变电路，即通过三台输出电压基波相位互差1 2 0 度的单相逆 变器互联来实现。下面分别介绍这两种电路并对其抗负载不平衡能力进行分析。 2 2 i - i i l 桥式逆变电路 在三相逆变电路t | ，应用最广的是三相桥式逆变电路，这种逆变电路由三个 单相半桥式组成，如图2 1 9 所示，因此可以利用已知的关于桥臂的结论来分析 三相桥式逆变电路。 与单相桥式逆变电路相同，p w m 三相桥式逆变电路所要实现的目标是将恒 定的直流输入电压整形为正弦波形的三相交流输出电压，并控制输出电压的幅值 和频率。为了输出对称平衡的三相输出电压，可将相位互差1 2 0 0 的三个正弦波 控制信号与三角波载波信号比较，产生所需的开关控制信号。 v n 图2 - 1 9 三相桥式逆变电路结构图 这种结构如采用s p w m 控制时，都是采用双极式的控制方法，三相调制信 号依次相差1 2 0 0 。u 、v 和w 各相功率开关器件的控制规律相同，现以u 相为 例来说明。当t 1 开通，t 4 关断时，则u 相输出电压相对于直流r j 点n 的输出 电压为v 。2 ，当t 4 开通，t 】关断时则u 相输出电压相对于直流中点n 的输出 电压为v 2 ，从而可以看出三相桥式电路结构可以看成三个共电源的半桥式逆 变电路组成，因而每相都具有半桥式逆变电路的特点。即： 1 ) 如果两个串联电容足够大，则可以保证中点电位不偏移，具有较强的带不 平衡负载能力，但也大大增加了系统的体积和重量； 2 ) 输入直流电源电压利用率较低，相同的输出电压时，三相半桥逆变电路所 需直流断电压为全桥的1 1 5 倍。 2 2 2 三相组合式逆变电路抗不对称负载逆变电源 上节讨论的三相桥式逆变电路当三相负载完全对称时，其各相输出电压也完 全相同，对负载和电源都不会产生不利影响。但当某一相负载突然增大或减小时， 即三相负载不平衡时，由于逆变器使用其中一相电压进行控制，且由于逆变器只 能采用相同的调制比来调节二相交流电压输出，这样必然会使逆变器的三相输出 电压出现不平衡现象，这将给用电设备带来许多不利影响。所以普通的三相桥式 逆变器抗三相负载不对称的能力较差。因此，为了方便系统实现三相逆变电压输 电压出现不平衡现象，这将给用电设备带来许多不利影响。所以普通的三相桥式 逆变器抗三相负载不对称的能力较差。因此，为了方便系统实现三相逆变电压输 出，并具有良好的抗三相不平衡负载能力，本文采用了三台单相独立的逆变电源， 用组合、自同步方式实现三相交流输出。 图2 2 0 所示的三相逆变电路是由三个相互独立的单相逆变电路连接而成， 这三台输出电压相位互差1 2 0 0 的单相逆变器经过组合自同步，能够实现三相交 流输出。与桥式电路相比，这种电路需要的开关器件个数加倍，为1 2 个。但这 种控制方式在控制电路上相互独立，每相都有各自的输出电压反馈，而且每相的 s p w m 脉冲宽度都可以独立调节。因此，即使某一相负载变化，也只会引起该 相调制比发生变化，其他两相则不会受到任何影响，即是单相负载达到额定值， 也会保证三相输出电压始终处于相对平衡状态，可以具有1 0 0 的抗三相负载不 对称能力t 2 9 1 。 图2 2 0 三相组合式逆变电源的结构图 2 3 逆变电源控制技术 逆变系统也是一种控制系统，通过调节一个或几个参考值来改变逆变系统的 输出。逆变系统有开环控制系统和闭环控制系统之分，因为开环系统的输出在电 网电压和负载变化时，无稳定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形 质量要求不高的场合，对波形要求比较高的场合，一般都采用闭环控制系统。 目前逆变电源的设计大都采用反馈控制技术。反馈控制技术大体分为两大 类：连续时间控制与离散时间控制。连续时间控制策略是用模拟电路实现的。在 实际应用中模拟控制逆变电源存在以下的问题：控制电路复杂，不便于调试，参 数不一致，因为所使用的器件各自的特性差异致使各电源之间特性有所差异，电 源的一致性不好。要实现逆变电源的并联，对电源的一致性要求很高，模拟控制 方式很难实现。 离散时间控制策略即数字化控制，可以克服模拟控制的一些不足。逆变电源 的数字化控制是今后发展的趋势，是逆变电源研究的一个热点。大规模集成电路 a s i c 、现场可编程逻辑器件f p g a 及数字信号处理器d s p 技术的发展，给数字 化控制的研究和发展提供了机会。国内外许多学者都提出了各种控制方案如：重 复控制、p i d 控制、状态反馈控制、无差拍控制和模糊控制以及神经网络控制等。 2 4s p w m 工作原理 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等率先提出了脉宽调制的思想，他们把通讯系 统中的调制技术推广应用于交流变频系统中。在采样控制理论有一个重要的结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节输入时，其输出效果基本相同。这里 冲量是指窄脉冲的面积，效果基本相同是指输出响应的波形基本相同。把输出波 形进行傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这个理 论是p w m 控制的理论基础。在s p w m 控制电路里，为了产生所需的正弦电压 输出，采用了正弦波作为调制波，采用三角波作为载波，记为。通过正弦波控制 信号与三角波载波相比较，产生所需的开关动作，如图2 2 l 所示。 通过s p w m 技术在同一逆变器中实现调压和调频，因为只有一个可控功率级， 简化了主回路和控制回路结构，因而体积小，重量轻，可靠性高，由于集调压， 调频于一体，所以调节速度快，系统动态响应好。 实现s p w m 波形的方法大体有三类，一是采用模拟电路，二是采用数字电 路，三是采用模拟与数字电路相结合的方式。脉宽调制波的生成方法多种多样， 在诸多方法中，有的侧重于提高波形质量、消除或抑制更多的低次谐波，有的侧 重于减少逆变器的开关损耗或提高系统的综合效率，有的侧重于系统简化、工作 可靠。因此，在选择脉宽调制方式时，需综合考虑。 2 4 1 模拟电路实现s p w m 利用模拟电路实现s p w m 控制的原理示意图如图2 - 2 2 所j ；，首先由模拟元 件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号u t 和正弦调制波信号 u r 送入电压比较器，从而 产生s p w m 序列，这种利 用模拟电路调制方式的优 点是完成u t 与u r 信号的 比较和确定脉冲所用的时 问很短，几乎是瞬问完成 的。而且u t 和u r 的交点 是非常精确的，未做任何 近似处理，然而，这种方 图2 2 2 用模拟电路实现s p w m 调制脉冲 法的缺点是所需硬件较多，调试较为麻烦a 并且不能实现调频的同时进行调压 调频和调压只能分开进行口2 j 。 2 4 2 采样法软件计算实现s p w m 在逆变电源控制方法设计中，软件实现s p w m 的算法很多，通常使用较多 的有自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法和磁通轨迹法等。 1 ) 自然采样法 该法与采用模拟电路由硬件自然确定s p w m 脉冲宽度的方法类似，只是这 里是采用计算的方法寻找三角载波与参考正弦波之的交点时刻，从而确定s p w m 脉冲宽度。自然采样法模式计算如图2 2 3 ，孤是三角载波峰值，n 是三角载波 周期，正弦波与三角波的两个腰各产生一个交点，因此在一个载波周期孔内有 两个交点，需采样两次，t i 和t 2 分别是这两次采样时刻，它决定了s p w m 波上 的“开”、“关”时间分别是锄1 、t o n i 和锄、2 。 j。u 点 u m s m 耐 厶1 。f。| | 厂刁 ，一 | 一形卅， 三 | “ r心l k f lf 2 - 0t o f f l 1 0 n l 。t o n 2 。o f f 2 1 - 毛。 由图2 2 3 可得 根据三角形相似关系，则有 图2 2 3 自然采样法原理图 t o f f l = 乙4 一o t 。1 = t c 4 + a ，。2 = t c 4 + b l o f t 2 = 疋4 一b d 4 b 4 ：! ! ! 竺! u 。 ：里! 塑些 将解得的a 、b 带入式( 2 1 ) ，可以得到 ( 2 1 ) ( 2 2 ) t o f f t = 鲁(