【正文】 不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置中，起電路核心部分都是逆變電路。逆變電路的基本工作原理是在電路中通過兩組開關的閉合和斷開改變負載的電壓方向，使負載電壓為正或為負，從而將直流電變成了交流電，通過改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 換流方式換流是指交流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉移的過程，通常也被稱為換相。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。 換流方式的分類在換流過程中，有的支路要從通態(tài)轉移到斷態(tài)，有的支路要從斷態(tài)轉移到通態(tài)。從斷態(tài)向通態(tài)轉移時，無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當?shù)尿?qū)動信號，就可以使其開通。但從通態(tài)向斷態(tài)轉移的情況就不同。全控型器件可以通過對門極的控制使其關斷，而對于半控型器件的晶閘管來說，就不能通過對門極的控制使其關斷，必須利用外部條件或采取其他措施才能使其關斷。一般來說，要在晶閘管電流過零后再施加一定時間的反向電壓，才能使其關斷。以為使器件關斷，主要是使晶閘管關斷要比使其開通復雜得多，因此，研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。一般來說，換流方式可分為以下幾種：1. 器件換流 利用全控型器件的自關斷能力進行換流稱為器件換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。2. 電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。在換流時，只要把負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3. 負載換流由負載提供換流電壓稱為負載換流。凡是負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載換流。當負載為電容性負載時，即可實現(xiàn)負載換流。另外，當負載為同步電動機時，由于可以控制勵磁電流是負載呈現(xiàn)容性，因而也可以實現(xiàn)負載換流。4. 強迫換流設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流。強迫換流通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。在強迫換流方式中，由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓的方式稱為直接藕合式強迫換流。 電壓型逆變電路逆變電路根據(jù)直流側電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側是電壓源的電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。電壓型逆變電路有以下主要特點：1) 直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2) 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓的波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3) 當交流側為阻感負載時需要提供無效功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 單相電壓型逆變電路1. 半橋逆變電路，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。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結點便成為直流電源的中點。負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)接點之間。 單相半橋電壓型逆變電路及波形半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2,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電壓的均衡。因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。2. 全橋逆變電路。 電壓型全橋逆變電路它共有4個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另外一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180。，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的。把幅值為Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得： 其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為： 在帶阻感負載時，可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)壓輸出電壓脈沖的寬度。輸出電壓Uo不再是正負各為180。的脈沖，而是正負各位θ的脈沖。θ為V3比V1的基極信號落后的相位。3. 帶中心抽頭變壓器的逆變電路。交替驅(qū)動兩個IGBT，通過變壓器的耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是給負載電感中貯藏的無功能量提供反饋通道。在Ud和負載參數(shù)相同，且變壓器一次側2個繞組和二次側繞組的匝比為1:1:1的情況下，該電路的輸出電壓Uo和輸出電流的波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。 帶中心軸頭變壓器的逆變電路 三相電壓型逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最廣泛的還是三相橋式逆變電路。 三相電壓型逆變電路及波形三相橋式逆變電路的基本工作方式和單相半橋、全橋逆變電路相同，也是180。導電方式，即每個橋臂的導電角度為180。，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導角的角度依次是120。這樣，在任一瞬時，將有三個橋臂同時導通。因為每次換流都在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。三相橋式逆變電路的輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得： 式中，n=6k177。1；k為自然數(shù)。 輸出線電壓有效值UUV為： 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為： 輸出的負載相電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得： 式中，n=6k177。1；k為自然數(shù)。 輸出負載相電壓有效值UUV為： 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分別為： 電流型逆變電路如前所述，直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。實際上理想直流電流源并不多見，一般是在逆變電路直流側串聯(lián)一個大電感，因為大電感中的電流脈動很小，因此可近似看成直流電流源。電流型逆變電路有以下主要特點：1) 直流側串聯(lián)大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。2) 電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗教無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。3) 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯(lián)二極管。 單相電流型逆變電路單相橋式電流型逆變電路（并聯(lián)諧振式）電路由4個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時的di/dt,各橋臂的LT之間不存在互感。該電路是采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。實際負載一般是電磁感應線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。因為是電流型逆變電路，故其交流輸出電流波形接近于矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，而諧波幅值遠小于基波。因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓的波形接近正弦波。展開成傅里葉級數(shù)可得： 其基波電流有效值IO1為： 單相橋式逆變電路及波形如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應等于Ud。在忽略晶閘管壓降，則： =一般情況下γ值較小，可近似認為，即可得： 式中，ω為電路工作角頻率；γ、β分別是tγ、tβ對應的電角度。φ是負載的功率因數(shù)角。 三相電流型逆變電路三相電流型逆變電路的基本工作方式是120。導電方式，即每個臂一周期內(nèi)導電120。，按VT1到VT6的順序每隔60。依次導通。這樣，每個時刻上橋臂組的三個臂組和下橋臂組的三個臂都各有一個臂導通。換流時，是在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)依次換流，為橫向換流。輸出交流電流的基波有效值IU1和直流電流Id的關系為： 隨著全控型器件的不斷進步，晶閘管逆變電路的應用已越來越少，但串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路仍應用教多。 電流型三相橋式逆變電路 電流型三相橋式逆變電路的輸出波形 PWM控制技術在逆變電路中的應用PWM控制技術就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形，包括形狀和幅值。 PWM控制技術的基本原理PWM控制技術的重要理論基礎是面積等效原理，即窄脈沖形狀不同，但它們的面積（即沖量）都相同，那么，他們分別加在具體有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)閱挝幻}沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性地施加窄脈沖，則響應也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出各波形在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有不同。當脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把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，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形，可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這樣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SPWM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，其本質(zhì)是相同的。 PWM逆變電路及其控制方法PWM控制技術在逆變電路中應用的十分廣泛，逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合。PWM逆變電路和普通的逆變電路一樣，也可以分為電壓型和電流型兩種，目前實際應用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。一、計算法和調(diào)制法根據(jù)PWM控制技術的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確的計算出來。按照計算結果控制逆變電路中個開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。這種方法稱之為計算法。可以看出，計算法是很繁瑣的，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值和相位變化時，結果都要變化。與計算法相對應的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波得到所希望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應用最多。因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于喜好波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形，這種情況應用最廣，當調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需要的波形時，也能得到與之等效的PWM波。PWM控制方式又分單極性PWM控制方式和雙極性PWM控制方式。當三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單極范圍變化的控制方式稱為單極性控制方式。而雙極性控制方式則在正極性和負極性范圍內(nèi)變化，因為稱為雙極性控制方式。雙極性PWM控制方式主要應用于三相橋式PWM型逆變電路。二、異步調(diào)制和同步調(diào)制在PWM控制電路中，載波頻率與信號頻率之比稱為載波比。根據(jù)載波信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，通常保持載波頻率固定不變，因而當信號波頻率變化時，載波比是變化的。同時，在信號波的半個周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。載波比等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，信號頻率變化時載波比不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。三、規(guī)則采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。自然采樣法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。但這種方法要求解復雜的超越方程，在采用微機控制技術時需要花費大量的計算時間，難以實時控制中在線計算，因為工程上實際應用的不多。規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用法，其效果接近于自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。規(guī)則采樣法主要是使每個脈沖的中點和三角波一周期的中點重合，也就是使每個脈沖的中點都以相應的三角波中點對稱，這樣就是計算大為簡化了。第7章 靜態(tài)開關靜態(tài)開關是UPS的保護設備，它一方面保護UPS，另一方面也保護負載。當UPS輸出過載時，為了保護逆變器，靜態(tài)開關將輸出由逆變器轉換到市電(此時市電為正常)；當逆變器出現(xiàn)故障時，為了保證負載不斷電，靜態(tài)開關將輸出切換到市電。靜態(tài)開關根據(jù)采用的元件不同，可分為機械式、電子式、混合式三種，在中、大功率UPS中，靜態(tài)開關通常由兩只反相并聯(lián)的快速可控硅組成。由于可控硅本身的導通時間和關斷時間都只有幾微妙，所以，它的引入就可在技術上實現(xiàn)對市電供電逆變器供電的零轉換時間的控制。因此，本課題的風力發(fā)電電能變換裝置的靜態(tài)開關選用一對反相并聯(lián)的快速可控硅。 單繼電器做靜態(tài)開關主電路R1R2VTLUOC1RJ1U1123MC2RL。繼電器的觸點1接濾波器輸出端，觸點2接UPS輸出端，觸點3接市電，繼電器的線圈串接12V電源、電阻R晶體管VT的支路中。它的優(yōu)點是線路簡單、故障率低，一般用于小容量UPS電源中。 單繼電器組成的靜態(tài)開關電器目前生產(chǎn)的小型快速繼電器的時間為25ms,因此對于采用小型快速繼電器作為轉換開關的小功率UPS而言，當它在執(zhí)行市電供電至逆變器供電的轉換操作時，對其負載的供電將會出現(xiàn)明顯的電壓輸出波形擾動，甚至會產(chǎn)生幾毫秒的供電中斷，既不能對負載真正實現(xiàn)100%的不間斷供電，只不過由于微型計算機中的開