逆变电源的原理和应用.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.78M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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目录一、概述......................................................................................................................................................... 3 1、逆变器的定义................................................................................................................................... 3 2、逆变技术的发展趋势....................................................................................................................... 4 3、逆变器的主要技术指标................................................................................................................... 5 二、单相电压源逆变器................................................................................................................................. 5 1、推挽式逆变电路............................................................................................................................... 6 2、半桥式逆变电路............................................................................................................................... 7 3、单相全桥逆变电路........................................................................................................................... 8 3．1 移相调压法............................................................................................................................ 9 3．2 脉宽调节法......................................................................................................................... 10 4、单相方波逆变器的输出波形分析................................................................................................. 11 5、单相全桥正弦波逆变技术............................................................................................................. 13 5．1 单极性正弦波脉宽调制方式.............................................................................................. 13 5．2 双极性正弦波脉宽调制方式............................................................................................. 16 6、实用电路......................................................................................................................................... 25 三、三相逆变器........................................................................................................................................... 26 1、三相电压型逆变器......................................................................................................................... 26 1.1 三相电压型方波逆变器......................................................................................................... 27 1.2 三相电压型 SPWM 逆变器基本原理 .................................................................................. 30 1.3 SPWM 波形生成技术............................................................................................................ 31 1.4 双极性调制及逆变器输出电压............................................................................................ 32 1.5 自然采样法............................................................................................................................ 36 1.6 规则采样法............................................................................................................................ 38 1.7 消除有限次谐波的 PWM 调制方法 .................................................................................... 39 1.8 过调制问题............................................................................................................................ 41 2、三相电流型逆变器......................................................................................................................... 42 四、带高频环节逆变技术........................................................................................................................... 45 1、概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 45 2、高频 DC-DC 变换器 ...................................................................................................................... 45 2.1.不隔离型直流斩波器............................................................................................................. 45 2.1.1 降压斩波电路............................................................................................................. 46 2.2.2 升压斩波电路.............................................................................................................. 54 2.2 隔离型 DC-DC 变换器 ......................................................................................................... 63 2.2.1 基本电路的动作说明................................................................................................. 64 2.3 后级 DC-AC 逆变器 ........................................................................................................... 71 2.3.1 概述............................................................................................................................. 71 2.3.2 逆变器的设计规格...................................................................................................... 72 2.3.3 基于 DSP 逆变器的优势............................................................................................. 72 2.3.4 DC–DC 推挽变换部分.............................................................................................. 73 五、逆变器的组合、并联、多重叠加和多电平技术 ............................................................................... 74 1、概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 74 1

1.1 逆变器的组合......................................................................................................................... 74 1.2 逆变器的并联........................................................................................................................ 83 1.2.1 概述.............................................................................................................................. 83 1.2.2 并联技术的现状.......................................................................................................... 84 1.2.3 并联逆变的关键技术——均流和同步...................................................................... 94 1.3 逆变器的多重叠加................................................................................................................. 96 1.3.1 单相串联多重叠加技术.............................................................................................. 96 1.3.2 三相逆变器的多重叠加技术.................................................................................... 107 1.4 逆变器的多电平变换技术................................................................................................... 114 1.5 二极管箝位型三电平变换................................................................................................... 114 1.6 二极管箝位型五电平变换................................................................................................... 119 六、并网型逆变技术................................................................................................................................. 123 1、光伏并网逆变技术....................................................................................................................... 123 1.1 引言....................................................................................................................................... 123 1.2 小型光伏电路...................................................................................................................... 124 1.3 正弦波电压的实现.............................................................................................................. 124 1.4 大型光伏并网发电技术...................................................................................................... 127 2、风机并网发电技术....................................................................................................................... 128 2.1 概述....................................................................................................................................... 128 2.2 变速风力发电机组中的逆变器.......................................................................................... 131 附:参考文献 2

逆变器一、概述逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了 MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。 1、逆变器的定义逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。逆变器及逆变技术按输出波型，主电路拓朴结构、输出相数等方式来分类，有多种逆变器，具体如下：方波逆变器正弦波逆变器阶梯波逆变器单项逆变器三相逆变器多项逆变器（按输出电压波形分类）（按输出交流电相数分类） 3

电压源型逆变器电流源型逆变器（按输入直流电源性质分类）推挽逆变器半桥逆变器全桥逆变器单向逆变器双向逆变器有源逆变器无源逆变器低频逆变器工频逆变器中频逆变器高频逆变器（按主电路拓朴结构分类）（按功率流动方向分类）（按负载是否有源分类）（按输出交流电的频率分类）低频环节逆变器高频环节逆变器（按直流环节特性分类） 2、逆变技术的发展趋势逆变技术的原理早在 1931 年就有人研究过，从 1948 年美国西屋电气公司研制出第一台 3KHZ 感应加热逆变器至今已有近 60 年历史了，而晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了 20 世纪 70 年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展应用。到了 20 世纪 80 年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入 80 年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需 4

要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从 8 位的带有 PWM 口的微处理器到 16 位单片机，发展到今天的 32 位 DSP 器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。 3、逆变器的主要技术指标逆变器有许多重要指标，介绍如下： 1)额定容量 2)额定功率 3)输出功率因数 4)逆变效率 5)额定输入电压、电流 6)额定输出电压、电流 7)电压调整率 8)负载调整率 9)谐波因数 10）总谐波畸变率 11）畸变因数 12）峰值子数二、单相电压源逆变器电压源逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转变为交流电能，是逆变技术中最为常见和简单的一种，下面从单相电压源逆变器入手，并由浅入深。要从一个直流电源中获取交流电能，有多种方式，但至少应使用两个功率开关元件，单相逆变器有推挽式、半桥式、全桥式三种电路拓朴结构，如果每半个工频周期内只输 5

出一个脉冲，我们称其为方波逆变器，如果每半个周期内有多个脉宽组成，并且脉冲宽度符合正弦波调制（SPWM）规律，则称其为正弦波脉宽调制输出。方波逆变技术实质上是一个单脉冲调制技术，下面介绍其工作原理。 1、推挽式逆变电路图 2-1 是单相推挽式逆变器的拓朴结构，该电路由两只共负极的功率开关直流电源 0 图2-1 推挽电路拓扑结构元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成，若交流负载为纯阻性负载，当 t1≤t ≤t2 时 VT1 功率管加上栅极驱动信号 Ug1，VT1 导通，VT2 截止，变压器输出端感应出正电压；当 t3≤t≤t4 时，VT2 功率管加上栅极驱动信号 Ug2，VT2 导通，VT1 截止，变压器输出端感应出负电压，波形如图 2-2 所示，若负载为感性负载，则变压器内的电流波形连续，输出电压、电流波形如图 2-2 推挽电路波形 6

0U I0 图 2-3 推挽电路感性负载波形图 2-3 所示，推挽逆变器的输出只有两种状态+V0 和-V0 ，实质上是双极性调制，通过调节 VT1 和 VT2 的占空比来调节输出电压。推挽式方波逆变器的电路拓朴结构简单，两个功率管可共地驱动，但功率管承受开关电压为 2 倍的直流电压，因此适合应用于直流母线电压较低的场合。另外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。 2、半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓朴结构如图 2-4 所示，两只串联电容的中点作为参考点， + _ 图 2-4 半桥电路拓朴结构 7

当开关元件 VT1 导通时，电容 C1 上的能量释放到负载 RL 上，而当 VT2导通时，电容 C2 上的能量释放到负载 RL 上，VT1 和 VT2 轮流导通时在负载两端获得了交流电能，半桥逆变电路在功率开关元件不导通时承受直流电源电压 Ud，由于电容 C1 和 C2 两端的电压均为 Ud/2（假设 C1=C2），因此功率元件 VT1 和 VT2 承受的电流为 2Id。实质上单相半桥电路和前一节讨论的单相推挽电路在电路结构上是对偶的，读者可自行分析半桥电路的工作过程。半桥型逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载，当该电路工作在工频（50 或者 60HZ）时，电容必须选取较大的容量，使电路的成本上升，因此该电路主要用于高频逆变场合。 3、单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路也称“H 桥”电路，其电路拓朴结构如图 2-5 所示，由两个半桥 1 4 1 4 0 2 3 2 3 图 2-5 单相全桥电路拓朴结构电路组成，以 1800 方波为例说明单相全桥电路的工作原理，功率开关元件 Q1 与 Q4 互补， Q2 与 Q3 互补，当 Q1 与 Q3 同时导通时，负载电压 U0= +Ud；当 Q2 与 Q4 同时悼通时，负载两端 U0= -Ud，Q1 Q3 和 Q2 Q4 轮流导通，负载两端就得到交流电能。 8

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