逆變器(文獻綜述)

1、<p><b>　　一、前言</b></p><p>　　利用晶閘管電路把直流轉(zhuǎn)變成交流電，這種對應(yīng)于整流的逆向過程，定義為逆變[1]。如：應(yīng)用逆變的電力機車，當(dāng)再生制動時牽引電機作為發(fā)動機運行，把產(chǎn)生的電能反送到交流電網(wǎng)中。當(dāng)牽引制動時逆變器則為其提供交流電，驅(qū)動電機。把直流電逆變?yōu)槟骋活l率的交流電供給負載稱為無源逆變；把直流電逆變?yōu)榻涣麟姺此偷诫娋W(wǎng)稱為有源逆變[2]。隨著科技的

2、不斷發(fā)展，各種儀器對逆變器的要求越來越高，各種行業(yè)對電氣設(shè)備的控制要求也越來越高。高性能的逆變電路是工業(yè)發(fā)展的基本保證。逆變器橫跨電力、電子、微處理器等領(lǐng)域。目前IGBT模塊組成功率逆變器具有工作電壓底的缺點，采用三電平NPC主電路，可將IGBT電壓降低至兩電平電路的一半左右[3].為了適應(yīng)于大容量，高電壓，電流諧波含量少的要求，本文通過查閱大量相關(guān)研究學(xué)者的論文，以及專家的文獻綜述，發(fā)現(xiàn)逆變器的各方面研究方法及其最前沿的研究成果和趨勢

3、。本文主要分析逆變器各種不一樣的控制策略之間的聯(lián)系、缺點、優(yōu)點；最后提出一些個人看法和認識。相信逆變器技術(shù)在未來會有很大的突破和進步。</p><p><b>　　二、主題</b></p><p>　　逆變器毋庸置疑成為現(xiàn)代工業(yè)在中高壓調(diào)速領(lǐng)域，交流柔性供電系統(tǒng)的無功率補償中關(guān)鍵的技術(shù)支點。對逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)和調(diào)制策略也進行深入的研究，本文首先論述中高壓三電平逆變器的

4、發(fā)展現(xiàn)狀，然后重點分析三電平逆變器的控制策略。</p><p>　　1.逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢。</p><p>　　于1931年有人研究逆變器的工作原理，直到1948年美國西屋電氣公司研制出第一臺3KHz感應(yīng)加熱逆變器。隨著晶閘管SCR的誕生，為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。20世紀70年代，可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（BJT）的誕生使逆變技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用。到了20世紀80年

5、代，功率場效管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管（MCT）以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器向大容量方向奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化，大容量創(chuàng)造了條件。80年代后，逆變技術(shù)從應(yīng)用低速器件、低開關(guān)頻率逐漸向高速器件，高開關(guān)頻率方向發(fā)展。1977年德國學(xué)者Holtz首次提出三電平變換拓撲，其主電路采用常規(guī)的兩電平電路，僅在每相橋臂帶一對開關(guān)管作為輔助中點進行箝位。1980年，日本長岡科技大學(xué)

6、A.Nabae等人將輔助開關(guān)管換成一對箝位二極管，分別和上下橋臂串聯(lián)的開關(guān)管相連以輔助中點箝位，稱為二極管中點箝位式三電平變換器[8]，這種變換器控制容易，主開關(guān)管關(guān)斷時僅承受直流側(cè)一半的電壓，因此更適合大功率場合使用。對三電平逆變器的研究，不僅僅停留在理論上，控制技術(shù)方面，而且在系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　逆變器的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面：（1）新型主電路拓撲，三電平的高壓，大容量等特點，主要由主電路大量

7、的開關(guān)決定，而主電路的構(gòu)成元件的性能提高，將會出現(xiàn)更新，更好的新型電路拓撲結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)三電平逆變器更大的發(fā)展；（2）高壓、大電流功率器件技術(shù)的發(fā)展，會推動大功率中高壓功率變換技術(shù)的發(fā)展；（3）控制策略和控制方法方面的進展，三電平逆變器中主電路元件的增加，會引發(fā)控制策略的多樣化，而找到簡單、可靠、適用的控制策略是中高電壓變頻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一；（4）電壓、電流的檢測與檢測信號傳輸，中高壓逆變器的電壓很高，要是某種原因在控制電路中錯誤的引

8、入高壓，將會對系統(tǒng)甚至人身安全造成巨大危險。光學(xué)電壓、電流傳感器具有線性度好、運行安全、絕緣性好、體積小、成本低、抗電磁干擾能力強、頻帶寬、交直流均可測量等優(yōu)點，是目前一個研究熱點。</p><p><b>　　2．逆變器的類型</b></p><p>　　微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實用化創(chuàng)造了平臺，根據(jù)電源性質(zhì)分為電壓源型逆變器與電流源型逆變器；根據(jù)主電路拓撲結(jié)構(gòu)

9、分為半橋式逆變器、全橋式逆變器、推挽式逆變器；根據(jù)功率流動方向分為單向逆變器、雙向逆變器。逆變器控制技術(shù)有矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制技術(shù)等[4]，</p><p>　　3．逆變器的控制策略</p><p>　　逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)性能即使很高，要是沒有一種適應(yīng)的控制策略也發(fā)揮不了逆變器的作用。逆變器的控制策略主要有以下幾種：</p><p>　

10、?。?）階梯波脈寬調(diào)制，階梯波調(diào)制是使用階梯波來逼近正弦波，比較直觀的方法，在階梯波調(diào)制中，可以選擇每一個電平持續(xù)的時間長短，來實現(xiàn)低次諧波的消除和抑制。</p><p>　　（2）注入2次諧波，為了提高直流母線電壓的利用率，參照而電平電路方法注入諧波方法，提高基波輸出電壓的幅值。</p><p>　?。?）逆變器通過控制系統(tǒng)中電子開關(guān)的開通和斷開來完成DC-AC。按照沖量一樣而形狀各異的

11、窄脈沖加載具有慣性的環(huán)節(jié)上時的效果基本相同，即采樣控制理論的沖量等效原理，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)通過限定開關(guān)周期而更改導(dǎo)通比以實現(xiàn)輸出電壓控制[2]。逆變器的輸出可分為單相或者多相，無論單相還是多相，其基本組成單元仍然是單相半橋逆變[5]。PWM逆變器具有很廣泛的應(yīng)用范圍，不僅體現(xiàn)在DC-AC轉(zhuǎn)換，還應(yīng)用在一些AC-AC轉(zhuǎn)換的情況。而在一些AC-AC轉(zhuǎn)換時還需要DC-AC轉(zhuǎn)換作為中介。</p><p>　　（4）SP

12、WM正弦脈寬調(diào)制，正弦脈寬調(diào)制使用三角波形和參考波形比較，通過三角波進行核實的移相，實現(xiàn)選定次數(shù)波的消除，該調(diào)制策略存在功率管的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，裝置效率低的缺點。</p><p>　　軟開關(guān)技術(shù)、多電平技術(shù)、并聯(lián)技術(shù)、數(shù)字化控制等技術(shù)近年來被SPWM逆變器應(yīng)用的越來越多。其中數(shù)字化已成為當(dāng)今逆變器發(fā)展的主流。</p><p>　　SPWM逆變器的數(shù)字化控制技術(shù)：隨著數(shù)字信號處理技術(shù)

13、不斷發(fā)展，逆變器數(shù)字控制越來越多的應(yīng)用。其中SPWM控制技術(shù)使得逆變器的性能得到提高，安全性更好，干擾更小。模擬控制技術(shù)自身存在固有缺點，由于硬件上使用大量的分立元件盒電路板，其性能會隨著元件的老化，溫度變化大大降低。數(shù)字化控制技術(shù)比模擬控制技術(shù)具有控制靈活，系統(tǒng)升級容易，數(shù)字控制的微處理器資源豐富等特點。</p><p>　?。?）SVPWM控制策略，SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆

14、變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡 可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。 SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現(xiàn)數(shù)字化。</p><p><b>

15、;　　三、總結(jié)</b></p><p>　　結(jié)合各方面的文獻資料對于先研究的三相逆變電路的控制策略有了很大的了解，三電平逆變器比傳統(tǒng)二電平逆變器在直交流能量轉(zhuǎn)換，高壓變頻調(diào)速方面具有很大的優(yōu)勢，控制策略靈活、豐富多樣，輸出電壓的相位和幅值便于調(diào)節(jié)和控制，而且能達到更低的諧波畸形[7]，更加適用于中高壓設(shè)備的應(yīng)用。個人認為對于逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)元件越多，逆變器的開關(guān)工作狀態(tài)設(shè)置要合理性，以致逆變器散熱性好

16、，開關(guān)不會出現(xiàn)燒毀；三電平SVPWM控制策略，由于它的狀態(tài)相對于二電平SVPWM控制過多，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換有時還需要借助其他的基本狀態(tài)，因而，選擇有效的中間狀態(tài)是很重要的；三電平逆變器是將DC轉(zhuǎn)換成AC，因此DC部分的電容中點電壓漂移和窄脈沖問題需要解決；逆變器如果使用軟開關(guān)技術(shù)可以減小逆變器的體積、重量，提高逆變器的開關(guān)頻率。逆變技術(shù)將不同的直流電能轉(zhuǎn)換成不同的穩(wěn)定的或者變化形式的交流電提供設(shè)備使用，相信未來逆變器技術(shù)可以靈活的調(diào)節(jié)輸出電

17、壓或電流的幅值和頻率，控制速度，保護性能好，使用電設(shè)備小型化，高效節(jié)能，具有更好的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　[1] 李宏.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社，2009.1.</p><p>　　[2] 高學(xué)民.電力電子與變流技術(shù)[M]山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005.</p>

18、<p>　　[3] 陳效國.三點式逆變器在磁通軌跡控制下主電路的分析[J].機車電傳動，1995（6）：13219.</p><p>　　[4] 李序葆.電力電子器件及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[5] 楊晶琦.電力電子器件與設(shè)計[M].國防工業(yè)出版社，1999.</p><p>　　[6] 張兆安，黃俊.電力電子技術(shù)

19、[M].北京，機械工業(yè)出版社，2010,7.</p><p>　　[7]Peng,F.Z,A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing[A].IEEE IAS.2000,(3):2024-2031.</p><p>　　[8] Habae A,Takahashi I,Akagi H.A new