【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(yīng)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(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)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(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhì)分。若按直流電源的 性質(zhì)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(shù)發(fā)展過程與現(xiàn)狀 逆變器的原理早在 1931 年就在相關(guān)文獻(xiàn)中提到過，逆變技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段： (1) 第一階段為逆變器的傳統(tǒng)發(fā)展階段，在這個(gè)階段逆變器大多采用方波調(diào)制技術(shù)，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(shí)現(xiàn)，在這個(gè)階段，正弦波逆變技術(shù)開始出現(xiàn)； (2) 第二階段為高頻化新技術(shù)階段，主要是在 PWM 技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，不同的 PWM 技術(shù)相繼出現(xiàn) ，逆變器的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能日益提高，正弦波逆變技術(shù)越來越完善； (3) 第三階段為高效低污染階段，這個(gè)階段以逆變器的綜合性能為主，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 高效環(huán)保的逆變技術(shù)開始出現(xiàn)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)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(zhì)量，提高系統(tǒng)的直流電壓利用率，減小電磁干擾，降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的整體效率 [4]等。 現(xiàn)代逆變技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方向 [2]： (1) 輸出電壓或電流波形正弦化技術(shù)，如 SPWM 技術(shù)、多電平技術(shù)等； (2) 降低開關(guān)損耗和減小電磁干 擾的技術(shù)，如軟開關(guān)技術(shù)等； (3) 減小逆變器體積和重量的技術(shù)，如內(nèi)高頻環(huán)技術(shù)等； (4) 提高直流電壓利用率的技術(shù)，如 3 次諧波注入 PWM 技術(shù)、SVPWM 技術(shù)等； (5) 逆變器并聯(lián)技術(shù)； (6) 智能化、綠色化逆變技術(shù)。 逆變器的應(yīng)用及分類 逆變器的應(yīng)用非常廣泛，不僅交流電動(dòng)機(jī)和交流負(fù)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(shù)的發(fā)展，許多設(shè)備對(duì)電能質(zhì)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(shè)備的需求，原始電能必須經(jīng)過變換后才能給這些設(shè) 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(chǎng)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(jìn)行分 類 [6]：按主電路的結(jié)構(gòu)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(zhì)，可以分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，目前實(shí)際應(yīng)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(diào)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(yīng)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(duì)象為單相全橋結(jié)構(gòu)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(gè)橋臂，他們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開關(guān) S S4 閉合， S S3 斷開時(shí)，負(fù)載電壓 ou 為正；當(dāng)開關(guān) S S4 斷開，S S3 閉合時(shí)， ou 為負(fù)，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(guān)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(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。設(shè)開關(guān)器件 1V 和 2V 的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互 補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，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(fù)載情況而異。設(shè) 2t 時(shí)刻以前 1V 為通態(tài)， 2V 為 斷態(tài)。 2t 時(shí)刻給 1V 關(guān)斷信號(hào)，給 2V 開通信號(hào)，則 1V 關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流 oi 不能立即改變方向，于是 2VD 導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng) 3t 時(shí)刻 oi 降為零時(shí)， 2VD 截至， 2V 開通， oi 開始反向。同樣，在 4t時(shí) 刻給 2V 關(guān)斷信號(hào)，給 1V 開通信號(hào)后， 2V 關(guān)斷， 1VD 先導(dǎo)通續(xù)流， 5t 時(shí)刻 1V 才燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(diǎn)是簡(jiǎn)單，使用器件少。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值 mU僅為 2dU ，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)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(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)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(duì)，橋臂 2 和 3 作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通 180 。相對(duì)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(fù)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(yīng)用最多的，下面對(duì)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(jí)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(duì)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(fù)電壓各 180 的脈沖時(shí)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 本章小結(jié) 本章主要介紹了逆變電路的分類、原理及逆變器在現(xiàn)實(shí)生活中的重要應(yīng)用。通過對(duì)逆變電路基本原理的學(xué)習(xí)可以讓我們很好的理解逆變器的基本工作方式，這對(duì)于以后對(duì)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(shù) 13 第 3 章 逆變器的主要控制技術(shù) PWM 逆變器調(diào)制方法 目前， PWM 逆變器的應(yīng)用 最為廣泛， PWM 逆變器常用的調(diào)制方法有SPWM 技術(shù)和 SVPWM 技術(shù)。 SPWM 技術(shù) SPWM 技術(shù)是目前應(yīng)用比較廣泛的一種 PWM 技術(shù)，它以正弦 波作為調(diào)制波，高頻三角波作為載波，通過比較調(diào)制波和載波來生成 PWM 波從而去控制開關(guān)管的通斷，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值，這是一種基本調(diào)制技術(shù)，概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)，技術(shù)也比較成熟。在具體應(yīng)用中， SPWM 技術(shù)又分為雙極性 SPWM 技術(shù)和單極性 SPWM 技術(shù)。 SVPWM 技術(shù) SVPWM 技術(shù) [4]最先用于電機(jī)控制中，從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，研究如何使它獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，現(xiàn)在 SVPWM 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的逆變器控制技術(shù)，常用于三相系統(tǒng)中。它的基本思想 是利用逆變電路結(jié)構(gòu)所能提供的所有開關(guān)模式進(jìn)行線性組合來逼近期望輸出的電壓矢量，與SPWM 技術(shù)相比， SVPWM 技術(shù)具有直流電壓利用率高、諧波含量低、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，由于本文主要研究單相逆變器，對(duì)于 SVPWM 技術(shù)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(jiǎn)單，但是逆變器的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能受限，只適用于對(duì)電能質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，在對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)性能， PID 控制的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)也比較容易調(diào)整，是目前應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示， G(s)為被控對(duì)象， C(s)為 PID 調(diào)節(jié)器。 PID 調(diào)節(jié)器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)構(gòu)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(duì)誤差進(jìn)行積累，用于消除靜差；微分環(huán)節(jié)反映偏差的變化趨勢(shì)，用于改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shí)，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)抑制性能比較差，為了提高系統(tǒng)性能，在原有基礎(chǔ)上加入了電流環(huán)，構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制，其基本思想是：電壓給定信號(hào)與電壓反饋值的誤差經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生電流給定信號(hào)，電流給定信號(hào)與電流反饋值的誤差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后與載波交截從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)，電流反饋信號(hào)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(shù) 15 V iV oC v ( s ) C i( s )G ( s )K ifK v f++ 重復(fù)控制 為了消除非線性 整流負(fù)載及其它周期性擾動(dòng)，在逆變器控制中引入了重復(fù)控制。重復(fù)控制基于內(nèi)模原理，內(nèi)模原理的實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)外部信號(hào)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(dòng)抑制能力。重復(fù)控制中疊加了過去的偏差及上一采樣周期該時(shí)刻的偏差，利用周期性擾動(dòng)具有重復(fù)性這一規(guī)律來記憶擾動(dòng)發(fā)生的位置，根據(jù)相應(yīng)的控制規(guī)律來修正輸出波形 [9]。目前，重復(fù)控制在逆變器控制中得到應(yīng)用，具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能，但是其分析和設(shè)計(jì)方法滯后，動(dòng)態(tài)性能還需進(jìn)一步完善，重復(fù)控制一般與其它控制方式結(jié)合使用 [10]。 無差拍控制 無 差拍控制是基于電路數(shù)學(xué)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(hào)的反饋量來計(jì)算系統(tǒng)下一個(gè)采樣周期的脈沖 寬度 。無差拍控制是一種實(shí)時(shí)控制策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，波形畸變小、質(zhì)量好，但是控制效果受模型精度影響，對(duì)電路參數(shù)的變化比較敏感，系統(tǒng)的魯棒性（對(duì)波動(dòng)的敏感性）不強(qiáng) [11]。 其他控制方式 除了以上幾種控制方式外還有滑模變結(jié)構(gòu) 控制 、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，由于各種控制方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在很多時(shí)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 策略復(fù)用以提高系統(tǒng)的整體性能，復(fù)合控制是逆變器控制的一個(gè)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(shù)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(gè)方向。與模擬控制相比，數(shù)字控制具有以下 優(yōu)勢(shì)： (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(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好； (2) 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的體積小，易于標(biāo)準(zhǔn)化； (3) 系統(tǒng)通用性強(qiáng)，比較靈活，可以在不改變硬件電路的情況下來實(shí)現(xiàn)多種控制方案； (4) 可以很方便地實(shí)現(xiàn)信息通信，使系統(tǒng)更 加智能化，易于監(jiān)測(cè)、方便維護(hù)，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制； (5) 易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電源系統(tǒng)并