新型逆变电源电路的设计与实现文献综述.docx

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新型逆变电源电路的设计与实现文献综述

学校代码：

11517

学号：

200807111142

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

文献综述

题目

完成时间2012年2月22日

关于新型逆变电源电路的设计与实现的文献综述

摘要：

随着工业和科学技术的发展，用户对交流电能质量的要求将越来越高，包括市电电源在内的所有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加工才

能使用，而现代正弦化逆变技术在这种加工中将起到重要作用。

21世纪是能源与环保的世纪。

能源的开发，资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。

在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率和减少燃料燃烧产生的污染，已成为必须解决的重要课题。

燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染，高效，可以使用多种燃料的发电装置，是本世纪改变人类生活的十大实用技术之一，是本世纪未来的第四代主要发电技术。

燃料电池发出的是直流电，必须用逆变器把它变换成工频交流电才能大量应用。

所以燃料电池发电站的推广应用，为逆变器的大量应用又开辟了一条广阔的道路。

关键词：

能源/逆变器/发电技术/直流电/燃料电池

1.引言

现代逆变技术是电力电子技术中的一个重要组成部分，它的作用在于把从市电电网上得到的已遭受污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池，太阳能电池，燃料电池等得到的电能质量较差的直流原始电能，变换成电能质量较高，能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。

逆变技术主要应用于交流电动机的传动，不间断电源，变频电源，有源滤波器，市电电源的无功补偿器等，所有需要将直流电能变换成交流电能的地方。

今后，随着工业和科学技术的发展，用户对交流电能质量的要求将越来越高，包括市电电源在内的所有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加工后才能使用，而现代正弦化逆变技术在这种加工中将起到重要作用。

此外，21世纪是能源与环保的世纪。

能源的开发，资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。

在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率和减少燃料燃烧产生的污染，已成为必须解决的重要课题。

燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染，高效，可以使用多种燃料的发电装置，是本世纪改变人类生活的十大实用技术之一，是本世纪未来的第四代主要发电技术。

燃料电池发出的是直流电，必须用逆变器把它变换成工频交流电才能大量应用。

所以燃料电池发电站的推广应用，为逆变器的大量应用又开辟了一条广阔的道路。

近些年来，电动汽车的发展呼声很高，它能有效地解决城市汽车尾气排放的污染问题，是各大汽车厂投入巨资争相开发的重要课题，电动汽车的开发应用也必须使用逆变器。

综上所述，逆变器技术是现在和将来有重要用途的一门技术，这门技术实际上已成为现代各行各业的科技工作者必须了解和掌握的一门技术。

本文通过对逆变技术的发展过程与现状的分析对传统逆变器和现代逆变器进行综述和对比。

一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段。

1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率较低，正弦波逆变技术开始出现。

1987-2000年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。

2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低俗与高速开关器件并用，多重叠加法语PWM法并用，不在偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。

随着网络技术的发展,对逆变电源的网络功能提出了更高的要求,高性能的逆变电源必须满足:

高输入功率因数,低输出阻抗;暂态响应快速,稳态精度高;稳定性高,效率高,可靠性高;电磁干扰低;网络功能完善.要实现这些功能,离不开数字控制技术.

2.本课题研究内容以及现状和发展趋势

2.1传统逆变技术与当代逆变技术

2.1.1传统逆变技术

第一代逆变电源是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。

可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR足一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因限制了变电源的进一步发展。

第二代逆变电源是采用可关断器件作为逆变器的开关器件。

自20世纪70年代后期，各种可关断器件应运而生，它们包括可关断闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：

①简化了主电路。

因为自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；②提高了性能。

由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。

在自关断器件中，IGBT以其开关频率高、通电压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为小功率逆变器的首选器件。

IGBT逆变电源已成为小型逆变电源的主流。

第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的SPWM控制技术。

输出电压有效值或平均值反馈控制使逆变电源输出电压幅值稳定无差。

第三代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的SPWM控制技术只注重如何通过恰当设汁开关模式来实现逆变器输出频率的优化，所以存在以下缺点：

①对非线性负载的适应性不强。

当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻。

引起输出电压波形畸变；

②死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；

③动态特性不好。

负载突变时输出电压调整长。

之所以出现这种情况，是因为系统中只存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；

④给定电压与输处电压之间的相位差受负载影响较大。

在三相电源巾，三相输出之间的相差不易满足120度要求。

逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。

实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动念特性不好的缺点提出来的，它是近几年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。

实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种①重复控制；②谐波补偿控制；③无差拍控制；④单一的电压瞬时值控制；⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制。

其中以第五种控制方法冈实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。

2.1.2现代逆变技术

在当今的PWM逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。

为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量，提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要的发展方向之一，如提高SPWM逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环等。

但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰增大。

此外，导体的肌肤效应与邻近效应，电容的ESR及此元件的寄生参数等问题都需要解决，其中最主要就是开关损耗和电磁干扰问题。

解决这些问题最有效的办法有两个，一是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。

逆变电源总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性性能及拓宽用途为核心,愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等工艺中.

在单相高频逆变电路中,目前已经出现了一些比较成熟的方案,但三相高频逆变电路还很不成熟,还需要继续深入研究.总体来讲,主要涉及三个方面:

1、使用可关断器件和软开关技术,提高工作频率,以便达到装置小型化、低成本、无音频噪音,并且具有高可靠性、高效率;

2、研究新的组合式拓扑结构,分析复杂的工作过程以及建立数学模型,解决目前高频链逆变器存在的缺点;

3、研究各种控制方式,包括PFM、SPWM、SVPWM、DPWM、PDM和差频控制等.

高频转换器是一种灵活多变的拓扑结构,其共同特点是电路结构形式紧凑,功率密度和效率高,响应速度快.另外,系统可以工作在20kHz以上,无音频噪音,滤波相对容易,并且功率可达kW级以上.因此,无论在恒压恒频（CVCF）领域,还是在调频调压（VVVF）领域都有很大实用价值,它是未来继续研究发展的一个重要课题.

3.逆变电源的控制技术发展趋势

随着网络技术的发展,对逆变电源的网络功能提出了更高的要求,高性能的逆变电源必须满足:

高输入功率因数,低输出阻抗;暂态响应快速,稳态精度高;稳定性高,效率高,可靠性高;电磁干扰低;网络功能完善.要实现这些功能,离不开数字控制技术.

传统逆变电源控制技术的改进.以前为了改善系统的控制性能,通过模拟、数字（A/D）转换器,将微处理器与系统相连,在微处理器中实现数字控制算法,然后通过输入、输出口或脉宽调制口（pulsewidthmodulation,PWM）发出开关控制信号.微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据,显示或传送至计算机保存.一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中,并对电路进行实时监控.微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能,但由于微处理器运算速度的限制,在许多情况下,这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件.近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器（digitalsignalprocessor,SP）技术的发展,使逆变电源的全数字控制成为现实.SP能够实时地读取逆变电源的输出,并实时地计算出PWM输出值,使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能,从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿,将输出谐波达到可以接受的水平.

逆变电源数字化控制技术的现状.

逆变电源控制技术数字化、智能化、网络化.随着电机控制专用SP的出现及其控制理论的普遍发展,逆变电源控制技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展,逆变电源的数字控制技术发生了一次大飞跃.逆变电源数字化控制的优点在于各种控制策略硬件电路基本是一致的,要实现各种控制策略,无需变动硬件电路,只需修改软件即可,大大缩短了开发周期,而且可以应用一些新型的复杂控制策略,各电源之间的一致性很好,这样为逆变电源的进一步发展提供了基础,而且易组成可靠性高的大规模逆变电源并联运行系统.

逆变电源数字化发展存在的难点.

数字化是逆变电源发展的主要方向,但还是需要解决以下一些难题:

1、逆变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、逆变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、非线性显著增加.

3、对于数字式PWM,都存在一个开关周期的失控区间,一般是在每个开关周期的开始或上个周期之末来确定本次脉冲的宽度,即使这时系统发生了变化,也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整,所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注.

逆变电源数字化控制技术

逆变电源数字控制方法成为当今电源研究领域的一个热点,与数字化相对应,各种各样的离散控制方法也纷纷涌现,包括数字比例-积分-微分（PI）调节器控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制以及各种神经网络控制等,从而有力地推动逆变电源控制技术的发展.

数字PI控制以参数简单、易整定等特点得到了广泛应用.逆变器采用模拟数字PI控制时,如果只是输出电压的瞬时值反馈,其动态性能和非线性负载时的性能不会令人满意;如果是输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈,其性能将得到较大改进,然而,庞大的模拟控制电路使控制系统的可靠性下降,调试复杂,不易于整定.数字信号处理芯片的出现使这个问题得以迅速解决,如今各种补偿措施及控制方式可以很方便地应用于逆变电源的数字PI控制中,控制器参数修改方便,调试简单.

但是,数字PI控制算法应用到逆变电源的控制中,不可避免地产生了一些局限性:

一方面是系统的采样量化误差,降低了算法的分辨率,使得PI调节器的精度变差;另一方面,采样和计算延时使被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统,造成PI控制器设计困难,稳定性减小,随着高速SP及高速A/的发展,数字PI控制技术在逆变电源的控制中会有进一步的应用.

4.国内外逆变技术的发展对比及趋势

4.1国外高压变频技术现状

高压变频器国外主流供应厂商主要有西门子、罗宾康、罗克韦尔（AB）及ABB等。

在国外，以西门子为代表的国外品牌占据大容量和为大型工程配套的高端市场。

国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。

几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。

目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。

归纳欧美日等国外发达国家的高压变频技术现状，主要如下：

（1）技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。

（2）能够提供特大功率的变频器，目前已超过20000KW。

（3）变频调速产品的技术标准比较完备。

（4）与变频器相关的配套产业及行业已基本发展成熟。

（5）本国具备成熟的变频器用功率器件生产技术，如IGBT、IGCT、SGCT等。

（6）高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。

（7）产品国际化、本土化加剧。

（8）创新技术、新工艺层出不穷，并被大量和快速地应用于产品中。

（9）采用输入多脉波整流，输出H桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用通用模块，无需输入、输出滤波器即可以控制高压异步电机与同步高压电机，该类型以美国罗宾康公司为代表。

（10）采用输入多脉波整流，输出E桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用高压模块，需输入、输出滤波器即可以控制高压异步电机与同步高压电机，该类型高压变频器以ABB公司和富士公司的产品为代表。

4.2我国高压变频器的发展现状

目前，我国约有20家左右的高压大功率变频器生产厂家，如利德华福、东方凯奇（现东方日立）、成都佳灵、中山明阳、广州智光、上海科达、山东风光、合康益盛、九洲电气等。

由于美国罗宾康公司没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用他的技术即单元串联多重化结构。

深圳市英威腾电气股份有限公司则采用拥有自主知识产权的技术，开发出CHH系列矢量控制的高压变频器，2009年已试生产了40台，2010年已经批量生产了107台。

随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还比较大，这些状况主要表现在如下几个方面：

（1）国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。

（2）具有研发能力和产业化规模的企业逐年增加。

（3）国产高压变频器的功率也越做越大，目前国内最大能做到8000KW。

（4）国内高压变频器的技术标准还有待规范。

（5）与高压变频器相配套的产业还很不发达。

（6）生产工艺落后，勉强满足变频器产品的技术要求，但是价格低廉。

（7）变频器中使用的功率半导体、驱动电路、电解电容等关键器件完全依赖进口，而且在未来相当长时间内还要依赖进口。

（8）与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。

（9）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。

（10）部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器。

（11）矢量控制的高压变频器已经在应用。

其中：

采用输入多脉波整流，输出H桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用通用模块，无需输入、输出滤波器既可以控制高压异步电机与同步高压电机的高压变频器。

该类型产品以北京利德华福公司为代表，技术与美国罗宾康公司的产品处在同一水平。

采用输入多脉波整流，输出E桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用高压模块，需输入、输出滤波器既可以控制高压异步电机与同步。

高压电机的高压变频器。

该类型高压变频器以中山明阳龙源公司产品为代表，就产品的可靠性而言与国外产品有一定距离。

采用输入6脉波整流，输出双电平6脉波逆变，逆变桥的上下桥臂使用通用模块串连接，需输入、输出滤波器既可以控制高压异步电机的高压变频器，该技术实际上是低压通用变频器控制技术的延伸发展，国外无类同的产品。

综上所述，国内的高压变频器技术与国外高压变频器技术有差距，但基本处在同一代技术层面，就高压变频器的性能价格比而言，国内的高压变频器比国外的更具有优势。

4.3国内外高压变频器的技术发展趋势

高压交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分为功率和控制两大部分。

前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决软硬件控制问题。

因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：

（1）高压变频器将朝着大功率、小型化、轻型化的方向发展。

（2）高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。

（3）更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。

（4）现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。

（5）无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

（6）全面实现数字化和自动化、参数自设定技术、过程自优化技术、故障自诊断技术。

（7）应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度、多功能。

（8）相关配套行业正朝着专业化、规模化发展，社会分工将更加明显

5.项目的意义

随着科技的进步，生产技术的不断成熟，智能化的发展，逆变技术也正经历着日新月异的发展，对逆变技术的研究也显得越来越重要。

首先，逆变技术将渗透到传统电工理论的许多分支中，面对传统电工理论提出了许多新的课题。

其次，逆变技术是一种高效节能技术，利用逆变器的电动机调速节能，是节能的一大重点。

发展推广电动汽车，是改善大气环境的重要举措。

第三，逆变技术的发展对工业和生活对电网的谐波污染的有效治理也起到举足轻重的作用。

此外，逆变技术在高频磁技术，变频技术以及在电力系统的应用也越来越多，对这些领域提出了许多新的课题，推动了电力学科行业的发展进步。

因此对于逆变技术的研究就显得具有十分重要的意义。

6.研究内容

本项目在传统逆变技术的基础上结合当代逆变技术的发展状况，拟解决传统逆变技术中存在的不足，主要对逆变技术中提高直流电压利用率，消除低次谐波，改善输出波形进行研究。

讨论PWM逆变技术的优点，同时结合现有PWM逆变技术的发展，如提高直流电压利用率的PWM脉宽调制技术，消除特定谐波的PWM逆变技术，多电平PWM逆变技术等的优势，设计并实现逆变电源电路。

最后通过工程评价对比，验证新型逆变电源电路的优势和使用价值，为新型逆变技术的开发做尝试性的探索，完成一种新型逆变电源电路的设计。

具体如下：

（1）对本项目开发的关键技术和架构基础进行研究。

为后面更深入的开发打下良好的理论基础。

（2）对本项目所涉及的系统分析与设计。

主要包括系统目标分析、系统可行性分析、系统设计的原则、系统功能模块、系统架构模式的研究。

（3）逆变电源电路设计与实现。

包括逆变电源的系统设计、主电路设计，控制电路设计缓冲电路设计，保护电路设计及其他优化逆变技术的电路设计。

（4）对所设计的逆变电源电路的实施与测试。

包括电路输出测试，输出波形分析，系统的优势，系统改善构想。

7.研究目标

（1）通过研究，了解逆变技术的发展历程，及各阶段逆变技术发展存在的不足，针对存在的不足，提出解决的方案。

（2）把新型PWM逆变技术应用于逆变电源技术设计，并研究其优势和价值。

（3）在对新型逆变电源电路设计中对逆变技术的优化做理论性的研究和探索，并在硬件设计的简化上有所提高和突破。

（4）完成一套逆变电源电路的设计与实现。

8．文献总结

结合上述分析，对比传统逆变技术和当代逆变技术的优缺点，在总结和对比中对新型逆变电源电路设计与实现给予重要的参考，以实现在传统逆变技术，当代逆变技术的基础上，在已经成熟的逆变技术的基础上，设计出新的逆变电源电路，使所设计的逆变电源在发扬已有逆变技术优点的同时有所突破，克服传统逆变技术和当代逆变技术的缺点。

对逆变技术的发展做出一份贡献。

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