【正文】 電電源兩個領(lǐng)域。所謂變頻就是了利用大功率電子器件 (如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極晶體管 IGBT)將一種交流電變換成另一種用戶需要的交流 電。廣義的講，電力電子技術(shù)的變頻包括 4 種基本的單元 :①整流。把交流電變成直流電 。②逆變。把直流電變換成交流電 。③交一交變頻 (AC/AC 變換器 )。把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率的交流電 。④直一直斬波 (DC/DC 交換器 )。把一種電壓的直流電變換成另一種電壓的直流電。如果把直流電看成頻率為零的特殊交流電，以上 4 種變換都屬于頻率變換。當然，它們可以復式變換。例如 :整流器與逆變器組合，就稱為交一直一交變換器，這是目前應用最多的一種方案， 無論作為變頻調(diào)速器還是逆變電源， 逆變技術(shù)在整個系統(tǒng)占有重要的地位。傳統(tǒng)的逆變電源技術(shù)采用的模擬電路控制，在早期的現(xiàn)實條件下，模擬電路控制技術(shù)滿足了一定的要求，但是模擬電路存在一些固有的缺點 : (1)因采用大量的分立元件，導致系統(tǒng)的成本偏高，可靠性下降。 (2)器件熱漂移問題的存在，導致系統(tǒng)輸出性能變差。 (3)產(chǎn)品升級換代困難。 電力電子器件及其發(fā)展現(xiàn)狀 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 45 頁 逆變電源是電力電子技術(shù)的主要應用領(lǐng)域之一，正是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展推動了電源技術(shù)的進步。而電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展為標志的，從某種意義上說，變頻技術(shù)的發(fā)展過程正是半導體開關(guān) 器件發(fā)展過程的反映。 近年來發(fā)展很快，其技術(shù)關(guān)鍵之一是采用了 PWM 方法。自 80 年代初以來，各國科技人員開發(fā)了多種 PWM 方法。歸納起來主要是：自然采樣 SPWM、載波調(diào)制 SPWM、諧波注入式 PWM、最優(yōu) PWM和無差拍周期補償 PWM等 。 在眾多的調(diào)制方法中，它們分別采用了面積法、圖解法、計算法、采樣法、優(yōu)化法、斬波法、角度法、跟蹤法和次諧波法等原理對逆變器進行了有效的調(diào)制。 脈寬調(diào)制型變額器主要用在兩類工業(yè)功率控制裝置中：一是用于調(diào)速傳動裝置中，尤其廣泛用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。采用 脈 寬調(diào)制技術(shù)控制逆變器后，使交流拖動系統(tǒng) 實現(xiàn)了高調(diào)速 比的平滑無級調(diào)速 ， 出現(xiàn)了交流調(diào)速傳動系統(tǒng)與直流調(diào)速傳動系統(tǒng)相 媲美 、相抗 衡 的時代，出現(xiàn)了前者取代后者的趨勢。二是用于 逆變 電源中，特別是用在不間斷電源 UPS 中，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制逆變器后，為精密儀器、計算機系 統(tǒng)等提供了一種高可靠性的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓和正弦波輸出的無瞬間停電電源 。 在 目前 ， 正弦脈寬調(diào)制技術(shù) (SPWM) 在逆變電源的設(shè)計中獲得了廣泛的應用 ,其特征是用微處理器生成 SPWM 驅(qū)動信號 ， 通常有查表和實時計算兩種方法 。 查表法要通過三角載波和正弦調(diào)制波相比較來確定開關(guān)時刻 ， 它是根據(jù)不同的調(diào)制度和調(diào)制信號 的角頻率先離線計算出個開關(guān)器件的通斷時刻 ， 把計算結(jié)果存于 EPROM 中 ,運行時查表讀出所需要的數(shù)據(jù)進行實時控制 ； 實時計算法不進行離線計算 ,而是運行時在線計算所需的數(shù)據(jù) 。 上述兩種方法因自身特點的不同 ,各自有具體的應用場合。 電網(wǎng)停電時，它依靠裝置內(nèi)已充電的蓄電他供電，在裝置內(nèi)進行直流一交流變換，繼續(xù)向負載提供電能，不停電時間取決于裝置內(nèi)的電池容量和負載功率。 上述兩種工業(yè)功率控制裝置，因其用途及負載性質(zhì)不同，所以它們對采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制的逆變器的結(jié)構(gòu)形式和品質(zhì)性能的要求也不盡相同 。 目前，用于變頻器的電力電子 器件主要有晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、雙極型電力晶閘管 (GTR)、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT )、功率 MOS 場效應管 (功率MODFET )，以及最近幾年在這些基本器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集成模塊和智能功率模塊 IPM(Intelligent Power Module )等。 現(xiàn)代逆變技術(shù)就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應用設(shè)計方法的一門科學。這門學科是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)、磁性材料等學科基礎(chǔ)之上的一門實用技術(shù)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)主 要包括三部分內(nèi)容：半導體功率集成器件及其應用、功率變換電路和逆變控制技數(shù) 。 現(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，可以按照不同的形式桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 45 頁 進行分類，其主要的分類方式如下： (1)控逆變器輸出交流的頻率，可以分為工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變。工額逆變一般指 50 一 60Hz 的逆變器；中頻逆變的頻率一般為 400Hc 到十幾 kHz高頻逆變器的頻率則一般為十幾 kHz 到 MHz。這里需要說明的是，在現(xiàn)代高頻開關(guān)電源領(lǐng)域， 500 kHz 以上才算是高頻，但是在逆變領(lǐng)域，有時功率比較大， 20kHz的超音頻算做高頻。 (2)按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相 逆變、三相逆變和多相逆變。 (3)控 逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。 (4)控逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。 (5)按逆變主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應管逆變、 IGBT 逆變，等等。 (6)控輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。 (7)控 輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。 (8)控 控制方式，可分為調(diào)頻式 (PFM)逆變和調(diào)脈寬式 (PwM)逆變。 (9)按逆變開關(guān)電路的工作方式，可分為諧振式逆交、定額硬開關(guān) 式逆變和定頻軟開關(guān)式逆變。 變頻電源的發(fā)展方向 目前，變頻電源正朝著以 下方向發(fā)展：高頻化 、 模塊化 、 數(shù)字化 、 綠色化 。 其中高性能 SPWM 變頻器的研究 具 有 重大意義。在 SPWM 變頻器的設(shè)計中采用的方法有 : （ 1） 利用分立元件，采用模擬、數(shù)字混和電路生成 SPWM 波。此方法電路復雜，實現(xiàn)困難且不易改進； （ 2） 由 SPWM 專用芯片 專用于產(chǎn)生 SPWM 信號的集成電路較多，單相、三相均有。專用電路構(gòu)成的系統(tǒng)較為簡單、可靠。一般與單片機接口，也可單獨使用。以三相 SPWM 專用集成芯片 HEF4752 為例，僅 僅只需提供 4路時鐘信號就能工作。但專用集成芯片的缺點是工作模式單一，不靈活。有的還需有軟件的支持才能工作。 （ 3） 利用 CPLD（復雜可編程邏輯器件）設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)字式 SPWM 發(fā)生器； （ 4） 隨著單片機性能的發(fā)展， 當今單片機的應用已經(jīng)從單純依賴于 51 系列單片機向其它多種單片機發(fā)展，實現(xiàn) SPWM，此方法控制電路簡單可靠，利用軟件產(chǎn)生 SPWM 波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。 目前已有許多可用于控制 SPWM 輸出的高性能單片機，例如 PIC F 系列的單片機 ,intel 的80C196 等都具有 SPWM 輸出功能 。數(shù)字信號處理器（ DSP）的發(fā)展，也具有很強桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 45 頁 的控制輸出能力，但性價比不高。 2 逆變與脈寬調(diào)制 逆變電源和逆變技術(shù) 將交流電變成直流電的過程叫做整流。與之相反，將直流電變成交流電的過程叫做逆變。完成逆變功能的電路則稱為逆變電路，逆變根據(jù)逆變電路輸出交流側(cè)交流電源的有無，可分為有源逆變和無源逆變。 逆變電路根據(jù)直流電源的類型不同，又可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。 而實現(xiàn)逆變過程的裝置叫做逆變設(shè)備或逆變器。 無源逆變電路輸出的頻率與電壓既可以是恒定的，也可以是可變的，它與有源逆變有很大的差別。變頻逆 變電路一般應用于交流電機的變頻調(diào)速，性能可靠、動態(tài)性能好、節(jié)電、效率高。恒頻逆變電路一般用于感應加熱、計算機的 UPS 電源領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進步，變頻器的容量越來越高、性能優(yōu)良、價格越來越低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家電、醫(yī)用設(shè)備 、軍事裝備上得到廣泛的應用。 逆變的目的和優(yōu)點 （ 1） 逆變的 目的 采用逆變技術(shù)是為了獲得不同的穩(wěn)定或變化形式的電能。例如； ① 由蓄電池中的直流電源獲得交流電，如不間斷電源 ,應急燈電源、通用逆 變電源等。 ② 由 苦電池中的直流電源獲得多路穩(wěn)定的直流電，如程控電話交換機二次電源等各種通用比 AC／ Dc 變換器。 ③ 獲得可變頻率的交流電源，如交流電動機調(diào)速變頻器等。 ④ 實現(xiàn)電能量回饋，如電動機制動再生能量回饋有源逆變系統(tǒng)等 ⑤ 使電源設(shè)備小型化、高效節(jié)能、獲得更好的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能， 流電源變換器。 ⑥ 利用感應渦流產(chǎn)生熱量，如中頻爐和高頻感應加熱 (電磁灶等 )采用逆變技術(shù)的優(yōu)越性 在現(xiàn) 代逆變技術(shù)的應用領(lǐng)域中，許多用電設(shè)備和系統(tǒng)都有一個發(fā)展的過程。由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅 (晶問管 )整流式，直至發(fā)展到逆變式(或者叫開關(guān)式 )，這不僅是因為現(xiàn)代電力電子 技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的采用提供了必要的條件，更重要的還是因為采用逆變技術(shù)有很多優(yōu)越性。我們可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例，從而使輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。例如，交流電動機的調(diào)速需要靈活地改變?nèi)嚯娏鞯念l率和電壓幅度 (VVVF 調(diào)速 )；感應加熱電源輸出電壓的頻率和幅度變化就可以改變被加 熱金屬 器 件產(chǎn)生的熱量。不間斷電源設(shè)備在電網(wǎng)停電時，將蓄電池中的直流電逆變成交流電，供計算機等用電設(shè)備使用，不間斷其工桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 45 頁 作，從而不會造成太大損失。 （ 2） 逆變技術(shù)的優(yōu)點 ① 靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的幅度和頻率 。 ② 將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電或其他形式的直流電 。 ③ 明顯地減少用電設(shè)備的體積和重量，節(jié)省材料 。 ④ 高效節(jié)能 。 ⑤ 動態(tài)響應快、控制性能好、電氣性能指標好 。 ⑥ 保護快 。 逆變的基本原理 如圖所示：圖中是一單相橋式逆變電路原理示意圖， T1~T4 為理想開關(guān)， R為電阻。當 T T3 接通， T T4 斷開時，負載電壓 Uo 為正；當 T T4 接通，T T3 斷開時， Uo 為負。如果每組開關(guān)接通的時間為半個周期，在負載上就得到了 交流電壓 Uo，其幅值為直流電壓源 Ud，頻率取決于兩組開關(guān)的切換頻率。這樣就把直流電變成了交流電。如果將圖中的機械開關(guān)用電力電子器件（如IGBT）取代，這種自關(guān)斷開關(guān)與二極管并聯(lián)構(gòu)成的橋臂具有全控雙向開關(guān)的效果。根據(jù)開關(guān)狀態(tài)可 以 確定電壓型逆變電路的輸出波形，其中無功反饋二極管的加入實現(xiàn)了對逆變電路輸出電壓瞬時值的完全控制。在電壓型的逆變電路的控制中，廣泛采用的是脈寬調(diào)制技術(shù)。 脈寬調(diào)制技術(shù)（ pwm）的基本原理： 在采樣控制理論中有一個重要結(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，其效果基本相同。把各輸出波形用傅立葉級數(shù)變換分析，則在低頻段非常接近，僅在高頻段有差異，如圖所示： 三個在脈沖形狀不同， a 為矩形脈沖， b 為三角脈沖， c 為正弦半波脈沖，它們的面積（沖量）為一，但它們分別加在同一慣性環(huán)節(jié)上 時，輸出的響應是基本相同的。上述原理可稱之為面積等效原理，它是 PWM 技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 45 頁 PWM 波形可分為等幅的 PWM 波和不等幅的 PWM 波兩種。但無論是等幅的還是不等幅的 PWM 波，都是基于面積等效原理的。 3 正弦脈寬調(diào)制 （ Sinusoida PWM） 技術(shù) SPWM（ Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的 PWM法。 根據(jù) 上節(jié) 的 一個重要結(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，其效果基本相同。 SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波 形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 SPWM 產(chǎn)生的基本原理 如圖 1 （ a）所示，將正弦半波看成由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為π /N，但幅值不等，且脈沖的頂部為曲線，個脈沖的幅值按正弦顧慮變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列來代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積相等， 就有圖 1（ b）所示的脈沖序列。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的波形，即為 SPWM 波形。因此，為了得到正弦波，需要輸出一系列幅值相等而寬度不等的矩形波。 正弦脈寬調(diào)制的實現(xiàn) 脈寬調(diào)制的方法有很多，分類的方法也沒有統(tǒng)一。較常見的分類方法有 : ①根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可以分為單極性和雙極性調(diào)制兩種 。 ②根據(jù)載波信號和基準信號頻率之間的關(guān)系，可以分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 45 頁 ③根據(jù)基準信號的不同可以分為矩形波脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制。 矩形波脈寬調(diào)制法的 特點是輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數(shù)的諧波 。正弦波脈寬調(diào)制方法的特點是輸出脈沖寬度是