【正文】 對(duì)逆變電源技術(shù)進(jìn)行深入地研究有很大的現(xiàn)實(shí)意 義 。 設(shè)計(jì)要求 初始條件： 輸入直流電壓 220V。 要求完成的主要任務(wù) : （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求） 設(shè)計(jì)容量為 3KVA 的三相逆變器，要求達(dá)到： 輸出 220V 三相交流電。 完成總電路設(shè)計(jì)。 完成電路中各 元件的參數(shù)計(jì)算。 武漢理工大學(xué)《電力電子 裝置及系統(tǒng) 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 3 2 方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 原理及思路 逆變電路 逆變，是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式，現(xiàn)代逆變技術(shù)是綜合了現(xiàn)代電力電子開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、 PWM 技術(shù)、頻率和相位調(diào)制技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和控制技術(shù)等的一門(mén)綜合性技術(shù)。已被廣泛地用于工業(yè)、軍事或民用領(lǐng)域的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。 自從 50 年代硅晶閘管問(wèn)世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到理想目標(biāo)做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。 60 年代后期，可關(guān)斷晶 閘管 GTO 實(shí)現(xiàn)了門(mén)極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到 lkHz 以上。 70年代中期，高功率晶體管和功率 MOSFET 問(wèn)世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控功能，使高頻化成為可能。 80 年代，絕緣門(mén)極雙極型晶體管（ IGBT）問(wèn)世，它綜合了功率 MOSFET 和雙極型功率晶體管兩者的功能。IGBT 的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了人們對(duì)綜合功率 MOSFET 和晶閘管兩者功能的新型功率器件—— MOSFET 門(mén)控晶閘管的研究。 現(xiàn)在許多國(guó)家已能穩(wěn)定生產(chǎn) 8000V/4000A 的晶閘管。日本現(xiàn)在已能穩(wěn)定生產(chǎn)8000V/4000A 和 6000V/6000A 的光觸發(fā) 晶閘管（ LTT）。美國(guó)和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來(lái)，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在高壓直流（ HVDC）、靜止無(wú)功補(bǔ)償（ SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍然占有十分重要的地位。 目前， GTO 的最高研究水平為 6000V/6000A 以及 9000V/10000A。這種 GTO采用了大直徑均勻結(jié)技術(shù)和全壓接式結(jié)構(gòu)，通過(guò)少子壽命控制技術(shù)折衷了 GTO導(dǎo)通電壓與關(guān)斷損耗兩者之間的矛盾。由于 GTO 具有門(mén)極全控功能，它正在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐 步取代 SCR。為了滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì) lGVA 以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開(kāi)發(fā)出10000A、 12020V 的 GTO，并有可能解決 30 多個(gè)高壓 GTO 串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用再上一個(gè)臺(tái)階。 IGCT 可以較低的成本，緊湊、可靠、高效率地用于 ～ 10MVA 變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。如用串聯(lián)，逆變器功率可擴(kuò)展到 100MVA 而用于電力設(shè)備。雖然高功率 IGBT武漢理工大學(xué)《電力電子 裝置及系統(tǒng) 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實(shí)現(xiàn) di/dt 和 dv/dt 的有源控制、有源箝位，易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù)和有源保護(hù)等，但是，高的導(dǎo)通 損耗、低的硅有效面積利用率、損壞后造成開(kāi)路以及無(wú)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，使高功率 IGBT 模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用受到限制。因此可以認(rèn)為，在大功率 MCT問(wèn)世以前， IGCT 將成為高功率高電壓低頻變流器，特別是在電力工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)選大功率器件。 功率變換技術(shù)是現(xiàn)代逆變系統(tǒng)中最重要的技術(shù)，決定著逆變器的性能。功率變換技術(shù)研究的目標(biāo)主要是：節(jié)約能源，提高效率，同時(shí)減小變換器的大小和減輕變換器的重量，降低諧波失真和成本；而在電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用中，有時(shí)還要求高的精度，快速響應(yīng)，寬的輸出電壓、電流或頻率的調(diào)節(jié)范圍等 。功率變換技術(shù)的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：第一階段，是應(yīng)用二極管和晶閘管的不控或半控強(qiáng)迫換流技術(shù) 。第二階段，主要是應(yīng)用自關(guān)斷器件，例如 GTO、 BJT、功率 MOSFET、 IGBT 等和普遍采用 PWM 控制技術(shù) 。第三階段，是以采用軟開(kāi)關(guān)、無(wú)損緩沖電路、功率因數(shù)校正、消除諧波和考慮電磁兼容為特征。 傳統(tǒng)的逆變器采用模擬電路控制，模擬控制存在著一些不可避免的缺點(diǎn)：模擬控制需要大量的分立元件，這必然會(huì)使系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性降低；模擬控制中參數(shù)的調(diào)節(jié)依靠可調(diào)電位器等一些模擬器件，如電壓、頻率以及 PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)等，這勢(shì)必降 低了控制系統(tǒng)的精度和一致性；由于器件的老化以及溫度漂移問(wèn)題，逆變器的性能將急驟下降，甚至于不能正常工作；模擬控制系統(tǒng)如果要升級(jí)換代，就要對(duì)硬件作根本性的改變，其工作量不亞于重新開(kāi)發(fā)；模擬控制系統(tǒng)不具有良好的人機(jī)界面和通信功能。 目前，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）芯片的發(fā)展日新月異。DSP 芯片的功能日益強(qiáng)大，性能價(jià)格比不斷上升，開(kāi)發(fā)手段不斷改進(jìn)。這就為數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。要對(duì)逆變器進(jìn)行數(shù)字控制，實(shí)質(zhì)上就是要在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用各種先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法：如空間矢量 PWM 控制算法（ SVPWM 算法）、快速傅立葉變換算法（ FFT 算法）、數(shù)字濾波算法、數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)算法等。這些復(fù)雜的算法都可以在一塊高性能的 DSP芯片上通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，這在模擬控制系統(tǒng)中是不可想象的，也是無(wú)法完成的。 三相逆變?cè)斫榻B 用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用最武漢理工大學(xué)《電力電子 裝置及系統(tǒng) 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 廣的還是三相橋式逆變電路。他可分為三相電壓型逆變電路和電流型逆變電路，其中電壓型的直流側(cè)通常是并一個(gè)電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個(gè)電感。采用 IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖所示。 電路中的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn) 39。N 。和單相半橋，全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是 180? 導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180? ，同一相上下橋臂交替導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在上下橋臂之間進(jìn)行，因 此也被稱(chēng)為縱向換流。 SPWM 逆變電路原理及其控制方法 PWM 控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。 PWM 控制技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。上述原理可以稱(chēng)之為面積等效原理，它是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 SPWM 是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形。 可知如果給出了逆變電路正弦波輸出頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)， PWM 波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形， 把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是 PWM 波形。 對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱(chēng) SPWM（ Sinusoidal PWM）波 形。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波兩種，由直流電源產(chǎn)生的 PWM 波通常是等幅 PWM波。 其用 PWM 波代替正弦波的說(shuō)明圖如圖 21 所示。 武漢理工大學(xué)《電力電子 裝置及系統(tǒng) 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 圖 21 SPWM波形圖 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。 SPWM 控制方法有單極性和雙極性之分。 單極性 PWM 控制方式 調(diào)制信號(hào) ur 為正弦波，載波 uc在 ur 的正半周為正極性的三角波，在 ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。其單極性 PWM 控制 方式圖如圖 22所示。 圖 22 單極性 PWM控制方式 單相橋式電路既可以采取單極性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，而三相橋式 PWM 逆變電路，一般采用雙極性控制方式。所為單極性控制方式，就是在信號(hào)波 Ut 的半個(gè)周期內(nèi)三角波載波 Uc 只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，