【文章內容簡介】 路有交交變頻 和 交直變頻兩種形式。交直交變頻電路 由 交直變換電路和直交變換電路兩 部分組成，前一部分屬于整流，后一部分屬于逆變。 逆變電路的應用非常的廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。 變流電路在工作中程中不斷發(fā)生電源從一個支路向另一個支路轉移，這就是換流，換流 方式 在逆變 電路中占有突出的地位。逆變電路可以從不同的角度進行分類，如可以 按 換流方式分，按輸出的相數(shù)分，也可以按直流電源性質分。若按直流電源的 性質分，可分為電壓型和電流型兩大類。 逆變電路在電力電子電路中占有十分突出的位置 [2]。 逆變技術發(fā)展過程與現(xiàn)狀 逆變器的原理早在 1931 年就在相關文獻中提到過，逆變技術的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個階段： (1) 第一階段為逆變器的傳統(tǒng)發(fā)展階段，在這個階段逆變器大多采用方波調制技術，逆變器的體積和重量大，效率比較低，輸出電壓波形改善大多通過采用多重疊加法來實現(xiàn)，在這個階段，正弦波逆變技術開始出現(xiàn)； (2) 第二階段為高頻化新技術階段，主要是在 PWM 技術基礎上的發(fā)展，不同的 PWM 技術相繼出現(xiàn) ，逆變器的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能日益提高，正弦波逆變技術越來越完善； (3) 第三階段為高效低污染階段，這個階段以逆變器的綜合性能為主，燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 高效環(huán)保的逆變技術開始出現(xiàn)?，F(xiàn)代逆變技術不僅研究直流電能變換成交流電能的方式，還需研究如何提高逆變器的整體性能，如：提高輸出波形的質量，提高系統(tǒng)的直流電壓利用率，減小電磁干擾，降低開關損耗，提高系統(tǒng)的整體效率 [4]等。 現(xiàn)代逆變技術的研究內容主要有以下幾個方向 [2]： (1) 輸出電壓或電流波形正弦化技術，如 SPWM 技術、多電平技術等； (2) 降低開關損耗和減小電磁干 擾的技術，如軟開關技術等； (3) 減小逆變器體積和重量的技術，如內高頻環(huán)技術等； (4) 提高直流電壓利用率的技術，如 3 次諧波注入 PWM 技術、SVPWM 技術等； (5) 逆變器并聯(lián)技術； (6) 智能化、綠色化逆變技術。 逆變器的應用及分類 逆變器的應用非常廣泛，不僅交流電動機和交流負載等需要逆變器供電，在很多直流電源變換系統(tǒng)中也需要用到逆變器，隨著各行各業(yè)技術的發(fā)展，許多設備對電能質量要求越來越高，由電網(wǎng)直接提供的原始電能已經(jīng)不能滿足這些用電設備的需求，原始電能必須經(jīng)過變換后才能給這些設 備使用，在變換環(huán)節(jié)中通常都有逆變 器 [5][6]。此外，在新能源和直流輸電等系統(tǒng)中，逆變器都是其中的重要環(huán) 節(jié) [6]。 在不同的場合需要用到不同類型的逆變器，逆變器可以按不同的方式進行分 類 [6]：按主電路的結構形式，可以分為半橋式、全橋式和推挽式逆變器；按輸入直流電源的性質，可以分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，目前實際應用的大多數(shù)是電壓源型逆變器；按照輸出電壓相數(shù)，可以分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器，目前常用的為單相和三相逆變器；按波形調制方式可以分為方波型逆變器和 PWM 型逆變器，現(xiàn)在大量應用的 逆變器中，大多都是 PWM 型逆變器。逆變器的分類方式還有很多，這里 不逐一 敘述，本文研究對象為單相全橋結構的電壓型 PWM 逆變器。 第 2 章 逆變器及其發(fā)展 9 圖 21 單相橋式逆變電路 逆變電路的基本工作 原理 以圖 21a 的單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理。圖中S1~S4 是橋式電路的 4 個橋臂，他們由電力電子器件及其輔助電路組成。當開關 S S4 閉合， S S3 斷開時，負載電壓 ou 為正；當開關 S S4 斷開，S S3 閉合時， ou 為負，其波形如圖 21b 所示。這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。這就是逆變電路的最基本的工作原理 [2]。 單相逆變電路 單相半橋逆變電路 半橋逆變電路原理圖如圖 22a 所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。設開關器件 1V 和 2V 的柵極信號在一個周期內各有半周正偏，半周反偏，且二者互 補。當負載為感性時，其工作波形如圖所示。輸出電壓 ou 為矩形波，其幅值為 2dm UU ?.輸出電流 oi 波形隨負載情況而異。設 2t 時刻以前 1V 為通態(tài)， 2V 為 斷態(tài)。 2t 時刻給 1V 關斷信號，給 2V 開通信號，則 1V 關斷，但感性負載中的電流 oi 不能立即改變方向，于是 2VD 導通續(xù)流。當 3t 時刻 oi 降為零時， 2VD 截至， 2V 開通， oi 開始反向。同樣，在 4t時 刻給 2V 關斷信號，給 1V 開通信號后， 2V 關斷， 1VD 先導通續(xù)流， 5t 時刻 1V 才燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 開通 [3]。 U d / 2U d / 2a )u 0U m U mooi0ttV D 1V D 2V D 1 V D 2V 1V 2 V 1 V 2t 1 t 2t 3t 4t 5t 6b ) 半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值 mU僅為 2dU ，且直流側需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器的電壓平衡。因此，半橋電路常用于幾 KW 以下的小功率逆變電源。 單相全橋逆變電路 全 橋逆變電路的原理圖如圖，它共有 4 個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成，因此，正確分析半橋電路的工作原理非常有意義。把橋臂 1和 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通 180 。相對于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路的幅值高出一倍，mdUU? ，在直流電壓和負載相同的情況下，其輸出的電流幅值也增加一倍。全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，下面對其電壓波形作定量分析。 把幅值為 dU 的矩形波 ou 展開成傅里葉級數(shù)得： 0 4 11( s i n s i n 3 s i n 5 . . . )35dUu t t t????? ? ? ? （ 21） 圖 22 單相半橋逆變電路 第 2 章 逆變器及其發(fā)展 11 V i nV 1V 2V 3V 4V d+LC+ii o 其中基波 01mU 的幅值 和基波有效值 01U 分別為： 01014 22 dmdddUUUUUU?????? （ 22） 上述公式對于半橋逆變電路也是適用，只是式中的 dU 要換成 2dU 。前面分析的都是 ou 為正負電壓各 180 的脈沖時的情況。在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓 dU 。如圖 24 的開環(huán)仿真圖及波形： 輸入： 380V 輸出： 220V 濾波電感： 7mh 濾波電容： 2022f? 電阻： 5? 頻率： 50HZ 圖 23 單相全橋逆變電路主電路 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 本章小結 本章主要介紹了逆變電路的分類、原理及逆變器在現(xiàn)實生活中的重要應用。通過對逆變電路基本原理的學習可以讓我們很好的理解逆變器的基本工作方式，這對于以后對逆變器控制的研究非常重要。 圖 24 單相全橋逆變仿真電路及波形 第 3 章 逆變器的主要控制技術 13 第 3 章 逆變器的主要控制技術 PWM 逆變器調制方法 目前， PWM 逆變器的應用 最為廣泛， PWM 逆變器常用的調制方法有SPWM 技術和 SVPWM 技術。 SPWM 技術 SPWM 技術是目前應用比較廣泛的一種 PWM 技術，它以正弦 波作為調制波，高頻三角波作為載波，通過比較調制波和載波來生成 PWM 波從而去控制開關管的通斷，通過改變調制波的頻率和幅值可以調節(jié)輸出電壓的頻率和幅值，這是一種基本調制技術，概念清晰，易于實現(xiàn)，技術也比較成熟。在具體應用中， SPWM 技術又分為雙極性 SPWM 技術和單極性 SPWM 技術。 SVPWM 技術 SVPWM 技術 [4]最先用于電機控制中，從電動機的角度出發(fā)，研究如何使它獲得幅值恒定的圓形旋轉磁場，現(xiàn)在 SVPWM 技術已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的逆變器控制技術，常用于三相系統(tǒng)中。它的基本思想 是利用逆變電路結構所能提供的所有開關模式進行線性組合來逼近期望輸出的電壓矢量，與SPWM 技術相比， SVPWM 技術具有直流電壓利用率高、諧波含量低、數(shù)字化實現(xiàn)方便等優(yōu)點，由于本文主要研究單相逆變器，對于 SVPWM 技術這里就不再贅述。 PWM 逆變器控制方式 早期逆變器大多采用開環(huán)控制，控制比較簡單，但是逆變器的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能受限，只適用于對電能質量要求不高的場合，在對電能質量要求較高的場合，必須采用閉環(huán) 控制 [4][7]，目前常用的逆變器閉環(huán)控制策略有以下幾種： 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 單閉環(huán)控制 單環(huán)控制中最典 型的是 PI 控制，但是采用 PI 控制時系統(tǒng)動態(tài)性能不夠理想， PID 控制在一定程度上改善了 PI 控制的動態(tài)性能， PID 控制的結構也比較簡單同時易于實現(xiàn)，參數(shù)也比較容易調整，是目前應用最廣泛的一種控制方法，其結構框圖如圖 31 所示， G(s)為被控對象， C(s)為 PID 調節(jié)器。 PID 調節(jié)器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構成，比例環(huán)節(jié)反映系統(tǒng)的偏差，用于減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；積分環(huán)節(jié)對誤差進行積累，用于消除靜差；微分環(huán)節(jié)反映偏差的變化趨勢，用于改善系統(tǒng)動態(tài)響應性能。 +V r e fC ( s )G ( s )K fV o 電壓電流雙閉環(huán)控制 如圖 32 所示，在逆變器采用單電壓環(huán)控制時，系統(tǒng)對負載的擾動抑制性能比較差，為了提高系統(tǒng)性能，在原有基礎上加入了電流環(huán)，構成電壓電流雙閉環(huán)控制，其基本思想是：電壓給定信號與電壓反饋值的誤差經(jīng)過電壓調節(jié)器后產生電流給定信號，電流給定信號與電流反饋值的誤差經(jīng)過電流調節(jié)器后與載波交截從而產生驅動，電流反饋信號通常采樣電感電流或電容電流 [8]。 圖 31 單閉環(huán) PID 控制 第 3 章 逆變器的主要控制技術 15 V iV oC v ( s ) C i( s )G ( s )K ifK v f++ 重復控制 為了消除非線性 整流負載及其它周期性擾動，在逆變器控制中引入了重復控制。重復控制基于內模原理，內模原理的實質是將系統(tǒng)外部信號的模型引入閉環(huán)控制系統(tǒng)中來使得系統(tǒng)具有良好的指令跟蹤能力和擾動抑制能力。重復控制中疊加了過去的偏差及上一采樣周期該時刻的偏差，利用周期性擾動具有重復性這一規(guī)律來記憶擾動發(fā)生的位置，根據(jù)相應的控制規(guī)律來修正輸出波形 [9]。目前，重復控制在逆變器控制中得到應用，具有良好的穩(wěn)態(tài)響應性能，但是其分析和設計方法滯后，動態(tài)性能還需進一步完善，重復控制一般與其它控制方式結合使用 [10]。 無差拍控制 無 差拍控制是基于電路數(shù)學模型的控制方法，它根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出信號的反饋量來計算系統(tǒng)下一個采樣周期的脈沖 寬度 。無差拍控制是一種實時控制策略，動態(tài)響應快，波形畸變小、質量好，但是控制效果受模型精度影響，對電路參數(shù)的變化比較敏感，系統(tǒng)的魯棒性（對波動的敏感性）不強 [11]。 其他控制方式 除了以上幾種控制方式外還有滑模變結構 控制 、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，由于各種控制方式都有各自的優(yōu)缺點，在很多時候需要采用多種控制圖 32 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 策略復用以提高系統(tǒng)的整體性能，復合控制是逆變器控制的一個發(fā)展 方向 。 數(shù)字逆變 器 隨著微處理器的性能不斷提高和成本不斷下降，數(shù)字控制技術日益完善，在電力電子變換裝置中，模擬控制已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制取代，數(shù)字化是電力電子裝置發(fā)展的一個方向。與模擬控制相比，數(shù)字控制具有以下 優(yōu)勢： (1) 系統(tǒng)不易受溫度等外界環(huán)境影響，解決了模擬控制中器件老化的問題，系統(tǒng)的抗干擾能力強，可靠性高，穩(wěn)定性好； (2) 系統(tǒng)電路結構簡單，大大簡化了硬件電路設計，系統(tǒng)的體積小，易于標準化； (3) 系統(tǒng)通用性強，比較靈活，可以在不改變硬件電路的情況下來實現(xiàn)多種控制方案； (4) 可以很方便地實現(xiàn)信息通信，使系統(tǒng)更 加智能化，易于監(jiān)測、方便維護，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制； (5) 易實現(xiàn)大規(guī)模電源系統(tǒng)并