三相逆变电源的混杂控制研究论文

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什么是逆变电源？为什么要逆变？--------------------------------------------------------------------------------2008-09-18 14:29:30 智典电子频道利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送到电网中去。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电源上,把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去,叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接,而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载,则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。什么是逆变电源及用途？2009-02-17 15:21逆变电源，一般是指将低压的直流电转变成高压（或低压）的交流电的装置，它可以用蓄电池做电源，输出交流电。具体说，比如用12V的蓄电池是不能为普通电灯或电脑、电视等供电的，而把该蓄电池通过逆变器变成普通的220V交流电再接到这些用电器中，它们就能正常工作。一般逆变电源中自带蓄电池，电脑城卖的UPS电源就是这样的东西，不过它本身所带的蓄电池较小，只能供电脑工作几分钟到十几分钟，主要是为了在突然停电时，靠它继续为电脑供电，好让你有时间把未保存的文件保存下来，且有时间正常关机。正弦波逆变电源的用途逆变器是一种将直流电转换为交流电的装置，它用于无交流电的环境，为交流设备提供电源。它的输出功率从几十瓦到几百千瓦不等；输入直流电压从几伏到几百伏不等。它主要应用于下列场所：1．在车、船和飞机上，与交通工具上的直流电源一起，为交流电器提供电源；2．在无电源的地方，与其它发电设备（太阳能、风能、水能以及各种燃料发电机）一起，为用户提供交流电源；3．作为通讯、电力系统的不间断电源UPS(Uninterrupted Power Supply)；4．作为消防应急用电源EPS (Emergent Power Supply)；5．利用便携电源，提供临时交流电源等。逆变电源逆变电源也称逆变器，是一种DC/AC的转换器，它将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。工业一级的逆变器一般均为正弦波输出，同市电的波形一致，如电力逆变器，通信逆变器；另外还有一种输出为方波或阶梯波或修正正弦波的，这一类逆变器一般都是应用于民用场合，如车载逆变器，太阳能家用逆变器，一般为小功率（1KVA以下），1KVA以上一般均做成正弦波的了。在技术工艺上，人们又把正弦波逆变器区分为高频逆变器和工频逆变器，工频逆变器技术成熟，性能稳定，搞过载能力强，但体积庞大、笨重；高频逆变器是近五六年在市场上的新星，它技术指标优越、效率很高、尤其是体积小、重量轻、高功率密度，都是现代电力电子所倡导的，现在业已抢占了中小功率逆变器一半以上的市场。有些行业领先者的高频逆变器单元已经做到了30KVA，从技术发展和生产成本来看，高频逆变器取代工频逆变器将是大势所趋。逆变器的输出有单相和三相之分，以适应不同的负载，这同市电的指标一样。逆变器有很多应用领域，比如在航空工业中利用逆变器提供一个到400Hz频率转换等，这就要用到逆变器了。5. 问：何谓逆变器的效率？答：逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90％。问：按输出波形划分，逆变器分为几类？答：主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载（详细解释见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。二极管在逆变器中的应用高效率和节能是家电应用中首要的问题。三相无刷直流电机因其效率高和尺寸小的优势而被广泛应用在家电设备中以及很多其他应用中。此外，由于采用了电子换向器代替机械换向装置，三相无刷直流电机被认为可靠性更高。标准的三相功率级(power stage)被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。MOSFET Q1、Q3和Q5高频(HF)切换，Q2、Q4和Q6低频(LF)切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。步骤1) 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。步骤2）MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。步骤3）Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流(如步骤1)与二极管D2上的恢复电流之和。显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2(见图1)，该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置， N区的少数载流子进入P+体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。电感L1对于流经Q2和Q1的尖峰电流表现出高阻抗。Q1表现出额外的电流尖峰，增加了在导通期间的开关损耗。图4a描述了MOSFET的导通过程。为改善在这些特殊应用中体二极管的性能，研发人员开发出具有快速体二极管恢复特性MOSFET。当二极管导通后被反向偏置，反向恢复峰值电流Irrm较小。我们对比测试了标准的MOSFET和快恢复MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放在Q2(LF)中，如图4b所示。在Q1 MOSFET(HF)的导通工作期间，开关损耗降低了65%。采用STD5NK52ZD时效率和热性能获得很大提升(在不采用散热器的自由流动空气环境下，壳温从60°C降低到50°C)。在这种拓扑中，MOSFET内部的体二极管用作续流二极管，采用具有快速体二极管恢复特性MOSFET更为合适。SuperFREDmesh技术弥补了现有的FDmesh技术，具有降低导通电阻，齐纳栅保护以及非常高的dv/dt性能，并采用了快速体-漏恢复二极管。N沟道520V、1.22欧姆、4.4A STD5NK52ZD可提供多种封装，包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封装。该器件为工程师设计开关应用提供了更大的灵活性。其他优势包括非常高的dv/dt，经过100%雪崩测试，具有非常低的本征电容、良好的可重复制造性，以及改良的ESD性能。此外，与其他可选模块解决方案相比，使用分立解决方案还能在PCB上灵活定位器件，从而实现空间的优化，并获得有效的热管理，因而这是一种具有成本效益的解决方案。3. 问：何谓“感性负载”？答：通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于逆变器所能承受的电压值，很容易引起逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。

本文详尽分析了基于不可控三相整流逆变器的工作方式，为提出一种仅通过pw m来消除输出电压中的谐波的新型pwm而不用或仅用一很小的直流连接电容的新型逆变电源奠定了基础。 关键词逆变器滤波电容1引言在ac／dc／ac变换中，一般应用pwm［1～5］方式进行调制控制，为了逆变电源最终输出电压中谐波的尽可能消除，一般在三相整流桥后并联一个大的电解直流滤波电容，它的存在不仅影响了系统的响应速度、增大了系统的体积、降低了系统的可靠性且增加了系统的成本。此直流电容除了滤除直流电压的纹波外，还与负载有关吗？本文详尽分析了三相逆变电源的工作方式，为提出一种仅通过pwm来消除输出电压中的谐波的新型重构pwm（此部分另有文章给出），而不用或仅用一很小的直流连接电容的新型逆变电源奠定了基础。 2三相逆变电源工作模式详细分析下面从物理的角度详细分析三相逆变电路在感性负载和纯阻性负载两种不同的状况下其开关器件的工作规律，通过电路中电流的流通状况，确定逆变器的输出电压。同时，在这一部分的分析中，三相pwm逆变电源的三相输出桥臂的控制信号由三角载波和调制波相比较给出，每个桥臂上下两个开关管触发脉冲时间互补，并且对于三个逆变桥臂采用相同的三角载波与之进行比较。为了使分析更加清楚明了，可以将主电路形式简化为如图1所示的电路结构。其中直流电源ud相当于整流桥输出的直流电压，选取其电压中点为零电位参考点。ddc则代表三相整流桥的电流流向，t1～t6为开关管，d1～d6为每个桥臂的续流二极管。三相负载分别用loada，loadb，和loadc表示。生成控制脉冲的调制波为三个相位互差120°的正弦波。2．1负载为感性的情况图2给出了感性负载情况下，三相逆变电源的工作情况。下面，以a相为例分析三相逆变器的工作方式，其它两相与a相类似。模式1：0～t1时间段内，开关管t1的控制信号为高电平，t4为低电平，但是由于此时a相电流为负值，所以在开关管t1内并没有电流流过，a相的电流通过反并联二极管d1，同时，t5的控制信号处于高电平状态，而且c相电流为正值，所以a相的电流通过续流二极管d1，开关管t5与b相负载形成环流。并且，b相电流为负值，因此，a相的电流不流过b相桥臂。在这一时间段中，a点电压为ud／2，uab＝0。在这一时间段内a相电流的流通回路如图3所示。模式2：t1～t2时间段内，开关管t1的控制信号为低电平，t4为高电平，a相电流为负值，同时，t5的控制信号处于高电平状态，而且c相电流为正值，所以a相的电流通过t4、直流侧、开关管t5与c相负载形成回路。同0～t1时间段内一样的原因，a相的电流也不流经b相桥臂。此时a点电压为－ud／2，uab＝－ud。在这一时间段内a相电流的流通回路如图4所示。模式3：t2～t3时间段内，开关管t4，t6，t2的控制信号均为高电平，a，b相电流为负值。此时，a相的电流经过t4，续流二极管d2与c相形成环流，不流经b相桥臂。此时a点电压为0，uab＝0。在这一时间段内a相电流的流通回路如图5所示。t3～t4时间段内，a相电流为正值，一共有以下几种工作模式，模式4至模式12，分别如图6至图14所示。通过分析可以看出，当t1的触发脉冲为高电平的时候，a点的电压总是为ud／2，反之，当t4的触发脉冲为高电平的时候，a点的电压为－ud／2。在t4～t5时间段内也有同样的结论。由此可以看出，当三相逆变电路带感性负载时其输出电压不受负载的影响。因此，同样可以通过改变其调制波波形来消除直流侧电压谐波对逆变器输出电压的影响，仅需要一很小的电容为负载续流。2．2负载为纯阻性的情况 在纯阻性负载的情况下，逆变电源三相输出的电流与电压相位相同，在任何时刻桥中各臂只有可控元件导通，反并联二极管中没有电流流过，负载通过逆变桥从直流电源吸取能量，逆变器的三相输出电压的大小只与直流侧电压的大小有关，而与负载的大小无关。因此，如果通过改变其调制波波形来消除直流侧电压谐波对逆变器输出电压的影响，就可以去掉直流侧的滤波电容。 3结论本文详尽分析了三相逆变电源在感性及纯阻性负载下的各种工作方式，得出逆变器的三相输出电压的大小只与直流侧电压的大小有关，而与负载的大小无关。为提出一种仅通过pwm来消除输出电压中的谐波的新型重构pwm而不用或仅用一很小的直流连接电容的新型逆变电源奠定了基础。