【正文】 ................................ 39 4 致謝 ........................................................................................................................ 40 參考文獻 ................................................................................................................. 41 5 1 緒論 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的電能變換裝置，它是通過功率半導(dǎo)體器 件按照特定規(guī)律的導(dǎo)通與關(guān)斷來完成逆變?nèi)蝿?wù)的。這些新能源通常用半導(dǎo) 體材料制成的光伏電池收集，運用一定的科學(xué)技術(shù)手段轉(zhuǎn)化成人們需要的各種 各樣的電能，逆變技術(shù)就是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一 。通過對市電整流后利用 現(xiàn)代逆變技術(shù)再轉(zhuǎn)換為市電標(biāo)準(zhǔn)，可以凈化市電的諧波污染 ，保護用電設(shè)備和用戶安全 。 第一階段： 20世紀 50年代到 60 年代，晶閘管 (SCR)的誕生為正弦波逆變器 的發(fā)展創(chuàng)造了條件； 第 二階段： 20 世紀 70 年代，可關(guān)斷晶閘管 (GTO)及雙極型晶體管的出現(xiàn)使逆變器技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用； 第三階段： 20世紀 80年代，功率場效應(yīng)管、絕緣柵型場效應(yīng)管和 MOS 控制晶閘管的問世為逆變器的大功率發(fā)展方向奠定了基礎(chǔ)； 第四階段： 20世紀 90年代，微電子技術(shù)的發(fā)展使新的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)和重復(fù)控制等技術(shù)在逆變領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，極大的促進了逆變器技術(shù)的發(fā)展； 第五階段： 21 世紀初，隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和微電子技術(shù)的不斷進步和改進，逆變器技術(shù)朝著高效率、高頻 化、高可靠性、高功率密度和智能化的方向發(fā)展。 2．高性能化。具有上述特點的逆變器才能稱得上是高性能逆變器。 4．小型化。很多逆變系統(tǒng)使用一定的拓撲電路把直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖，再進行整流得到所需的直流電壓。隨著硬件的發(fā)展，處理器速度越來越高，促使逆變器向著智能化與數(shù)字化的方向發(fā)展嘲嘲。 國外光伏逆變器產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟并推向市場，德國著名電氣企業(yè)西門子推出了市場化的產(chǎn)品，除歐洲的科技強國外，日本、美國等國家也已實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的產(chǎn)品化。本文主要內(nèi)容安排如下： 1．概括介紹逆變器定義、應(yīng)用范圍、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展前景 。 4．分析試驗結(jié)果，總結(jié)本文主要工作，提出后續(xù)發(fā)展方向。 圖 2． 1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 1． 輸入電路 逆變器的輸入通常是直流電 (有時是市電經(jīng)過整流濾波得到的直流電 )，這 些直流電包括直流電網(wǎng)、蓄電池、光伏電池以及其他方式得到的直流電。控制電路的作用對于逆變系統(tǒng)至關(guān)重要，控制電路的性能直接決定了逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量。 5．輔助電源和保護電路 控制電路與輸入輸出電路的某些部分或芯片有特定的輸入電壓要求，輔助電源就是為電路中特定的電壓需求設(shè)定的。 2． 2 變換電路的基本形式 根據(jù)電路中是否含有高頻變壓器可以將功率變換電路分為非隔離式變換和隔離式變換電路。 1． 降壓變換電路 (Buck 電路 ) Buck 變換電路的基本形式如圖 2． 2所示。在一般系統(tǒng)中 ,輸 出紋波電壓 0V? 滿足 0V? = 208 )1( LCfV?? (2． 3) 2．升壓變換電路 (Boost 變換電路 ) Boost 變換電路的基本形式如圖 2． 3所示，其工作原理與 Buck 變換電路相似 。 當(dāng) Q 關(guān)斷時， D 導(dǎo)通， 電感 1L 釋放能量給電容 1C 充電，電感 2L 通過 D釋放能量，保持輸出。本文只討論單相逆變電路中這幾種變換電路性能特點。 2．單端反激式變換電路 單端反激式變換電路的原理圖及工作波形如圖 2． 7所示。 15 圖 2． 8推挽式變換電路原理圖及其工作波形 推挽變換電路中開關(guān)管 Q Q2 由兩路相位相反的 PWM 波分別控制使它們交替通斷：當(dāng) Q1導(dǎo)通時， Q2關(guān)斷，輸入電壓 dV 加在變壓器原邊 1pN 繞組上，此時1pN 繞組上承受的電壓為 2 dV ：死區(qū)時間內(nèi)，兩個開關(guān)管都關(guān)斷，端電壓都為 dV ；當(dāng) Q2 導(dǎo)通時， Q1 關(guān)斷，工作過程與 QI 導(dǎo)通時相似。 16 圖 2． 9 半橋式變換電路原理圖 圖中 1C = 2C ，當(dāng)兩個開關(guān)管都關(guān)斷時，兩個電容中點電壓為輸入電壓的一半，即 221 ddd VVV ?? 。 5．全橋式變換電路 全橋式變換電路原理如圖 2． 10 所示。 2． 2． 3 各種變換電路的特點及應(yīng)用 由以上分析可知，各種變換電路的特點差別很大，因此應(yīng)用范圍不同。 同時，單端式變換電路也有缺點： ⑴ 單端式變換電路的開關(guān)管承受的輸入電 壓比半橋式和全橋式變換電路要高。 2．雙端式變換電路的特點及應(yīng)用 雙端式變換電路不包括由單端式變換電路復(fù)合而成的變換電路，它們的特點與性能比較如下： ⑴ 推挽式變換電路使用的開關(guān)器件較少且輸出功率大，但開關(guān)管 承受的電壓高，適用于輸入電壓較低的場合。 表 2． 1 雙端功率變換電路性能對比 18 2． 3 本章小結(jié) 本章對電源變換電路的各種結(jié)構(gòu)作了簡要分析，比較了非隔離式變換電路和隔離式變換電路的特點，重點對隔離式變換電路適用的場合作分析，為下一章主電路結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計提供理論依據(jù)。 1．硬開關(guān) PWM 變換技術(shù) 硬開關(guān) PWM 變換技術(shù)是 20 世紀 60 年代開始發(fā)展和應(yīng)用的，“硬開關(guān) 指的是開關(guān)管開通或者關(guān)斷時，其上的電壓或電流不為零，通過控制電路強迫其開通或關(guān)斷，這種變換技術(shù)的電路中開關(guān)管工作頻率固定，通過調(diào)節(jié)每周期開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時間調(diào)節(jié) 和穩(wěn)定輸出?！败涢_關(guān) 指的是零電壓開關(guān) (ZVS)和零電流開關(guān) (ZCS)，它是利用諧振的原理，使開關(guān)管中的電壓或者電流按照正弦或者準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，即開關(guān)管電壓為零時開通、電流為零時關(guān)斷，從而使開關(guān)損耗為零。 19 3． 2 逆變主電路設(shè)計 3． 2． 1 硬開關(guān) PWM 變換技術(shù)概述 隨著自關(guān)斷功率器件的發(fā)展，硬開關(guān) PWM 變換技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，這種技術(shù)已經(jīng)成熟且電路結(jié)構(gòu)相對簡單，比較適合本文設(shè)計的電路使用。 開關(guān)管導(dǎo)通時間可以用占空比 ? 表示 ? =OFFONON TTTT ? (3． 1) 對于單端變換電路來說開關(guān)管占空比萬理論上小于等于 O． 5，而雙端變換電路輸出功率按照占空比的兩倍計算，因此最大功率傳輸占空比約等于 l。 ⑶ 效率要求不高的系統(tǒng) 硬開關(guān) PWM 變換電路開關(guān)管的開關(guān)損耗會降低整個系統(tǒng)的逆變效率。 圖 3． 2使用工頻變壓器主電路結(jié)構(gòu) 全橋電路以 SPWM(正弦脈寬調(diào)制 )方式工作，將直流電逆變成有效值基本不變的 SPWM 波形，再由工頻變壓器升壓至 220V／ 50Hz 交流電輸出。本文設(shè)計的逆變器采用含有高頻變壓器的電路結(jié)構(gòu)。通常將這個高壓設(shè)定為 350 V~380 V，通過調(diào)節(jié)調(diào)制度 M來調(diào)整輸出電壓。在閉環(huán)控制模式中，當(dāng)電路帶載時，如果將反饋回路的采樣點限制在一個較高的電位，這個電位大于等于電路開環(huán)工作時最高輸出電壓，那么當(dāng)電路帶載工作時占空比被拉至最大，反饋回路將不起作用，電路進入開環(huán)工作模式；而當(dāng)電路空載時，反饋回路限制由漏感導(dǎo)致的輸出電壓“虛高 。然而漏感的大小與變壓器的計算和制作都有關(guān)，不一定能滿足要求，因此濾波電感不能省略，但這種設(shè)計方式下濾波電感的體積和重量被大大減小，電路的總體成本和體積也減小很多。如果某些參數(shù)不能滿足要求，就要重新設(shè)定變壓器尺寸和工作頻率。 weAAAP? (3． 4) 式 (3． 4)中， AP 為面積乘積 ( 4cm )， wA 為窗口有效面積 ( 2cm )(對于 E 型磁芯指其中一個窗口的面積 )， eA 為磁芯有效截面積 ( 2cm )。 而每匝占有面積 ＇pA 及 ＇sA 與流過他的電流 I 和電流密度 J有關(guān) ＇pA =JIp (3． 8) ＇sA = JIs (3． 9) 式 (3． 8)中 pI 為原邊繞組工作電流， (3． 9)中 sI 為副邊繞組工作電流 。 表 3． 2 中給出了各種磁芯的有關(guān)結(jié)構(gòu)常數(shù)。 3． 4 后級逆變電路設(shè)計 3． 4． 1 輸出濾波電路設(shè)計 后級逆變電路的功能就是通過一定的控制技術(shù)把高壓直流電轉(zhuǎn)換成交流電，結(jié)構(gòu)上使用全橋電路比較多，其電路原理圖如圖 3． 5 所示。 首先確定幾個物理量參數(shù)： 1． DCU ： H 橋母線電壓，也是前級升壓電路的輸出電壓，變化范圍為330V~430V； 2． oU ：輸出電壓，半周期內(nèi)在 0~311V 變化，有效值為 220V； 3． D ： SPWM 波形的占空比，按照正弦規(guī)律變化； 4． f ： SPWM 波形的頻率，本文中該頻率為 20kHz； 5． oI ：額定輸出電流，本文中該電流為 2． 3A ，電感峰值電流為 oI =3． 2A ； 6． dI ：輸出電流斜坡峰值； 7． onT ：開關(guān)管導(dǎo)通時間，按照正弦規(guī)律不斷變化； 8． L ：濾波電路中的電感值； 9． C ：濾波電路中的電容值： ：負載電阻值。 圖 3． 6 欠壓、過流及短路保護設(shè)計 實際上，過流保護和短路保護的性質(zhì)是一樣的，只是從電路過流或者短路的那個時刻開始到電路停止工作時止所用的時間不一樣。 IC2 與 ICI 的功能相同，只是延時更短，完成短路保護任務(wù)。目前，控制回路多采用PWM(脈沖寬度調(diào)制器 )控制，根 據(jù)采樣類型的不同， PWM 控制器分為電 壓型控制器和電流型控制器 。 電壓型 PWM 控制模式也有其缺點：當(dāng)輸入電壓變化時，由于主電路中有較大的濾波電感和電容，它們產(chǎn)生移相延時使輸出電壓不能及時響應(yīng)；輸出電壓的變化要經(jīng)過控制回路中誤差放大器和比較電路的延時才能響應(yīng)到主電路，也就是電壓型 PWM 控制模式響應(yīng)速度較慢。 4． 2 DCDC 升壓控制電路設(shè)計 本文設(shè)計的推挽升壓電路，由于電路結(jié)構(gòu)比較簡單，為了使控制電路也盡量簡單，提高電路的可靠性，采用電壓型 PWM 控制方式。 輸出 PWM 脈沖頻率由振蕩電路中 TR 、 TC 和死區(qū)時間設(shè)置電阻 DR 共同決定，振蕩頻率 Tf 滿足 Tf =TDT CRR )(1? (3． 17) 由于通常情況下礙 DT RR ? ，振蕩頻率可簡化為 Tf =1 死區(qū)由 DT = DR TC 決定 合理的選擇 TC 、 TR 和 DR 的值就可以設(shè)置不同的振蕩頻率和死區(qū)時間以滿足電路要求。 圖 3． 9 SG3525構(gòu)成的 PWM 控制電路圖 31 4． 3 DCAC 逆變控制電路設(shè)計 4． 3． 1 SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)原理 正弦脈寬調(diào)制技術(shù) (SPWM， Sinusoida PWM)是以脈寬調(diào)制技術(shù) (PWM)為基礎(chǔ)的一種調(diào)制方式，只不過是以正弦波為調(diào)制波，輸出的控制脈沖寬度以正弦函數(shù)規(guī)律變化，它采用了控制理論的一個重要結(jié)論；即：面積 (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，產(chǎn)生的效果基本相同 ；如圖 3． 10 所示。 SPWM 正弦脈寬調(diào)制法分為二階和三階調(diào)制。對于圖 3． 11 中的全橋逆變電路，正弦波大于三角波的時間內(nèi)開 32 關(guān)管 1Q 、 4Q 導(dǎo)通，產(chǎn)生二階 SPWM正脈沖波形，正弦波小于三角波的時間內(nèi)開關(guān)管 2Q 、 3Q 導(dǎo)通，產(chǎn)生二階 SPWM 負脈沖波形，負載上的電壓波形如圖 3． 12 所示，只有 +E、 E 兩種電平，開關(guān)頻率與載波頻率相同，所以稱這種調(diào)制方式為二階SPWM 調(diào)制法。 2．單相三階 SP 刪調(diào)制法 三階 SPWM 調(diào)制法中調(diào)制波為正弦波，載波為半波三角波 (與全波三角波全波整流后的波形相同 )，對于全橋 逆變電路，在正弦波的正半周大于三角波的時間內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通，小于三角波的時間內(nèi)關(guān)斷，得到正半周 SPWM 脈沖；在正弦波的負半周小于三角波的時間內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通，大于三角波的時間內(nèi)關(guān)斷，得到負半周的 SPWM 脈沖，完整的三階 SPWM 波形為輸出 1u 的波形，如圖 3． 13 所示。同樣，用兩組相位相反幅值相同 的三角波與同一個正弦調(diào)制波作比較得到兩個二階 SPWM 波，它們相減也可以得到三階 SPWM 波，如圖 3． 14 所示。 4． 3． 3 SPWM波產(chǎn)生方法 SPWM 波產(chǎn)生的方法可以分為硬件調(diào)制法和軟件生成