逆变电源技术及其发展【文献综述】.doc

1、 第 1 页 共 6 页 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 逆变电源技术及其发展 摘要： 现代逆变电源技术是对电能进行变换和控制的一种基本形式，目前研究的重点主要在拓扑形式，调制形式，控制策略。未来的发展趋势主要集中在高频化，高性能化，模块化，数字化，绿色化。 关键词： 逆变电源；发展意义；现状；趋势；难点 1. 研究逆变电源的意义 随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式 1。逆变就是对电能 进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电

2、的功能。现代逆变技术综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、 PWM 技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中 2。 早期的变频电源，只需要其输出电压、频率可调即可，然而，今天的变频电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保变频电源。因而高性能的变频电源必须满足 :(l)高的输入功率因数，低的输出阻抗 ;(2)快速的暂态响应，稳态精度高 ;(3)稳定性高，效率 高，可靠性高 ;(4)低的电磁干扰 ;(5)智能化 3。 由于传统的变频电源采用模拟控制技术，难以实现上述要求。因而，研究数字化控制技

3、术的绿色变频电源技术，对当今提出的“节能、高效、绿色、环保”工业口号的实现具有重要意义 4。 2.目前研究的现状 一般的电源跟负载相连，因而这里仅讨论无源逆变技术。从相关文献可知，目前对逆变电源的研究主要集中在以下几个方面： 2.1 拓扑形式 目前常用的逆变电路拓扑形式主要有：常规逆变电路拓扑，软开关逆变电路拓扑，多电平逆变电路拓扑等。 1 常规逆变电路拓扑 第 2 页 共 6 页 常规逆变电路拓扑 可分为单相半桥、单相桥式、三相桥式电路等，根据直流侧电源性质，又可将其分为电压源型逆变电路（ VSTI）和电流源型逆变电路（ CSTI）。 单相逆变电路的优点是简单，使用器件少，常用于几 KW 以

4、下的小功率逆变电源。三相桥式逆变电源应用较多。 2 软开关逆变电路拓扑 逆变电源为得到更好的交流输出波形，将会提高全控型电力电子器件的开关频率，同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它是 以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。软开关技术总的来说可以分为零电压（ ZVS） 和零电流 (ZCS)两类，按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关 PWM和 PWM 三大类。 每一类都包括拓扑和众多的派生拓扑 5。 3 三电平或多电平逆变电路拓扑 多电平逆变器的思

5、想最早由日本 Nabae 于 20 世纪 80 年代初提出的。其基本原理是通过多个直流电平来合成逼近正弦输出的阶梯波电压。其优点是减小逆变器输出谐波，降低了开关管电压应力。多电平拓扑结构种类较多，但是大致可分为 ：二极管钳位型，飞跨电容性和独立直流电源级联多电平这三种拓扑结构。这三种多电平拓扑结构各有优点，其中应用最广泛的是二极管钳位型多电平拓扑结构 6。 2.2 调制形式 1 方波控制 方波逆变器输出的交流电压波形为方波 ，占空比不可调。 此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等

6、缺点 ， 设计功率一般在百瓦至千瓦之间。 2 SVPWM 调制 SVPWM (空间电压矢量控制 PWM)调制 也叫磁通正弦 PWM 法 ， 它以三相波形整体生成效果为前提 ,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的 ,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通 ,由它们的比较结果决定逆变器的开关 ,形成 PWM 波形 。 此法从电动机的角度出发 ,把逆变器和电机看作一个整体 ,以内切多边形逼近圆的方式进行控制 ,使电机获得幅值恒定的圆形磁场 (正弦磁通 )。 3 SPWM 调制 第 3 页 共 6 页 SPWM法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形即 SPWM

7、波形控制逆变电路中开关器件的通断 ,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 ,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值 7。 2.3 控制策略 为了提高数字控制变频电源的性能，国内外学者大都致力数字控制方面的研究，提出了大量卓有成效的数字控制方案 : (l) 单闭环 PID 控制 早期的逆变控制器多为模拟 PID 控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈。采用模拟 PID控制器进行调节，其动态性能特别是非线性负载的时候，不能令人满意。对于要求较高的系统，还没有做到满足系统要求的动态特性和稳态精度。随着 DSP 的出现，逆变器的瞬时值反馈数字 PID

8、控制成为可能。但是，数字 PID 控制 不可避免地存在一些局限性。 PID 控制的精度取决于比例项和积分项，这两项越大控制精度越高，一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项易产生相位滞后，另一方面离散化系统的量化误差也对稳定性产生影响，因此比例项和积分项不能取得太大。由于数字控制的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。采用高速 A/D 和高速处理器以及提高开关频率可以一定程度上改善数字 PID 控制的效果，但实现起来有一定困难。并且 PID 控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往增 设外环均值反馈以保证系统的稳态

9、精度。 (2) 滞环控制 滞环控制的基本思想是将给定信号与检测的实际输出信号相比较，根据误差大小改变逆变器的开关状态，这样实际输出围绕给定波形作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。这种控制方式的优点是对系统参数和负载变化不敏感，系统鲁棒性好，动态响应快。但它也有明显的缺陷 :开关频率不固定，运行不规则，给滤波器的设计带来困难 ;当开关频率过高时功率开关器件发热严重。针对其缺点，出现了恒频滞环控制、自适应滞环控制等多种方案，其中有些需要精确的负载模型，有些为使输出电压 THD 低需要较 高的开关频率，有些电路很复杂，因而实际中很少应用。 (3) 状态反馈控制 一般认为，从状态空间的角度看，单闭

10、环控制系统性能不佳的原因是单纯的输出反馈没有充分利用系统的状态信息，如果将输出反馈改为状态反馈可以改善控制效果。状态反馈波形控制系统需要多个状态变量反馈，但并不构成分立的多环控制系统，而是在状态空间上通第 4 页 共 6 页 过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点，从而改善系统的动态特性和稳定性，这是状态反馈控制的最大优点。状态反馈系数的确定大致有两种方法 :一种是根据系统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增益矩阵；另一种是应用最优控制原理，使系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状态反馈增益 8。 3变频电源技术研究的发展趋势

11、 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势： (1) 高频化 提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。 (2) 高性能化 高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面 :稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频

12、率稳定性好；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。 (3) 模块化 当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性 .为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的变频电源。 (4) 数字化 现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点 :便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 (5) 绿色化 绿色电源的含义有两层 :首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了

13、使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术 9。 4变频电源数字化发展存在的难点 第 5 页 共 6 页 数字化是变频电源发展的主要方向， 但还是需要解决一下难题 : (l) 变频电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。 (2) 变频电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、

14、非线性显著增加 10。 (3) 变频电源 电力电子变换装置是一个离散的、耦合的、非线性的动态系统。要 满足负载对电源的静态指标和动态指标要求，一般地将电力电子变换装置设计成一个闭环自动控制系统。工程技术人员对线性系统的校正与综合比较熟悉，对这样的系统控制有些力不从心。因此，如果能建立系统的数学模型，特别是从控制到输出之间的传递函数，则有助于工程技术人员的设计和系统分析，减少盲目选择参数的调试时间，解决本质非线性系统的线性控制问题 11。 5.现阶段研究的不足 (l)多从单一理论研究，多学科交叉尚不充分。 (2)多进行跟踪国外研究，缺乏自己的理论体系，自主创新不够 12。 参考文献 1 王兆安，

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16、极绕线异步实验电机额解耦控制 J电力电子技术， 2007， 41(7)： 14l 6 8 张小华基于 DSP 的移相全桥 ZVZCS 直流变换器研究 D哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.12 9 杨子靖 卢其威 王多伦 王聪 基于 DSP 数字控制电力操作电源的开发 J电力电子技术， 2010.3， 44(7):7375. 10 QUAN Ji-nan， WANG Cong Control Strategy of Two LapConnection 第 6 页 共 6 页 ConverterJ Joumal of China University of Mining&Technology， 2

17、007.7 11Emadi A,Lee Young Joo,Rajashekara K. Power electronics and motor drives in electric,hybrid electric,and plug-In hybrid electric vehiclesM.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008.5,55(6):22372245 12De Doncker R M,Meyer C,Lenke R U,Mura F.Power electronics for future utility applicationsC/Proceedings of 7th Power Eletronics and Drive Systems(PEDS 2007),Nov.2007:18