1、 編號 南京航空航天大學電氣工程綜合設計報告題目DC AC 50HZ電流源設計學生姓名班級學號成績吳亞奇0310202031020233學 院 自動化學院專 業電氣工程及其自動化指導老師龔春英 教授二一四年一月十二日 電氣工程綜合設計(論文)報告紙DC AC 50HZ電流源設計摘 要本課題研究對象是航空二次電源DC/AC 50HZ電流源。本課題要設計的研究內容為電流源逆變器的拓撲與控制策略。首先研究逆變器的電路工作原理，對于低壓大電流電流源型逆變器的并聯控制策略有一定的了解，先對單臺逆變器進行調試，每臺正常工作后再進行多臺并聯的工作。最后通過仿真和實驗驗證控制策略的有效性。由于電源系統應用領域

2、的日益推廣和擴大，對供電系統的要求也越來越高，大功率容量、高可靠性、模塊化等逐漸成為各領域對供電系統性能的新要求，傳統的集中式供電方式已經不能滿足這些要求。集中式供電方式的擴容采用的是擴大單臺變換器的功率，這種方式由于其造價高、體積重量大、可靠性差，單點故障就會使整個系統癱瘓等原因使得單模塊大功率系統越來越不實用。分布式供電方式中的多模塊并聯實現大容量供電電源被公認為當今電源變換技術發展的重要方向之一。多個電源模塊并聯實現擴容可大大提高系統的靈活性，使電源系統的體積重量大為降低，各個模塊處于均流運行時，其主開關器件的電流應力也可大大減少，從根本上提高可靠性、降低成本。由于系統可由標準的模塊組合

3、而成，因而電源產品的種類也可減少，便于規范化，這樣一方面可降低不同容量電源的設計成本和重復投資，另一方面還可減少生產和維護費用。由于該逆變器的輸出是低壓大電流，所以逆變器部分采用多模塊并聯結構。要求學生態度認真、工作踏實，對電力電子變換有比較扎實的理論基礎，有一定的模電、數電基礎。通過閱讀現有文獻，了解逆變器的工作原理，并對其控制方法及主電路和控制電路參數設計有一定的掌握。對電力電子專業仿真軟件Saber以及Matlab有一定的使用基礎，可用其進行基本電路的仿真。我航空電源重點實驗室對航空電源系統有較厚的理論和實踐基礎，并成功設計很多相關項目，擁有各種實驗調試設備，課題組所在航空電源航空科技重

4、點實驗室，不僅具有齊全的通用儀器設備和多種EDA軟件(如Saber、Matlab等)，而且具有開展該類課題研究所需的專用設備。 可為課題的研究提供便利條件。對于DC/AC變換技術有相關研究，并成功設計相關產品。可為本課題的研究提供相關理論、實驗指導，確保課題順利完成。目錄摘 要- 1 -第一章 概述- 4 -1.1課題背景- 4 -1.2 逆變器基本知識- 4 -1.3逆變技術的發展- 2 -1.4逆變控制技術- 3 -1.5逆變器并聯技術的現狀和發展- 5 -第二章 逆變器的工作原理及輸出控制- 7 -2.1逆變器的設計方法- 7 -2.2輸出濾波器- 10 -2.3逆變器輸出控制- 12

5、-2.3.1雙極性SPWM控制- 12 -2.3.2單極性SPWM控制- 14 -2.3.3單極性倍頻SPWM控制- 17 -第三章 逆變器的并聯- 19 -3.1逆變器并聯的意義- 19 -3.2逆變電源的現狀與發展趨勢- 19 -3.3逆變器并聯的基本原理- 20 -第四章 電路及參數設計- 24 -4.1仿真電路及參數設計- 24 -第五章總結與展望- 28 -5.1 總結本文主要完成的工作- 28 -5.2展望進一步的工作- 28 - 29 - 第一章 概述1.1課題背景隨著各行各業控制技術的發展和對操作性能要求的提高，許多行業的用電設備都不是直接使用通用交流電網提供的交流電作為電源，

6、而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。它們的幅值、頻率、穩定度及變化方式因用電設備的不同而不盡相同，如通信電源、電弧焊電源、電動機變領調速器、加熱電源、化工電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進行變換后得到的。1.2 逆變器基本知識通常，把交流電變成直流電的過程叫做整流，完成整流功能的電路叫做整流電路。與之相對應，把將直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的電路則稱為逆變電路，而實現逆變過程的裝置叫做逆變設備或逆變器。現代逆變技術就是研究現代逆變電路的理論和應用設計方法的一門科學。這門學科

7、是建立在工業電子技術、半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術、半導體交流技術、脈寬調制(PWM)技術、磁性材料等學科基礎之上的一門實用技術。現代逆變技術主要包括三部分內容：半導體功率集成器件及應用、功率變換電路和逆變控制技術。現代逆變技術的種類很多，可以按照不同的形式進行分類。其主要的分類方式如下：1)按逆變器輸出交流的頻率，可以分為工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變。工頻逆變一船指50Hz到60Hz的逆變器；中頻逆變的頻率一般為400Hz到十幾KHz，高頻逆變器的頻率則一般為十幾KHz到MHz。這里需要說明的是，在現代高頻開關電源領域，500 KHz以上才算是高頻，但是在逆變領域，有時功率

8、比較大，20kHz的超音頻算做高額。2)按逆變器輸出的相數，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。3)按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。4)按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。5)按逆變主開關器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應管逆變、IGBT逆變，等等。6)按輸出穩定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。7)按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。8)按控制方式，可分為調頻式(PFM)逆變和調脈寬式(PWM)逆變。9)按逆變開關電路的工作方式，可分為諧振式逆變、定頻硬開關式逆變和定頻軟開關式逆變。1.3逆變技術的發展

9、 所謂逆變器，是指整流器的逆向變換裝置。其作用是通過半導體功率開關器件(例如SCR, GTO, GTR, IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關斷作用，把直流電能變換成交流電能，是一種電能變換裝置。正弦波逆變器的主要用途是用于交流傳動，靜止變頻和UPS電源。常用逆變器主電路的基本形式有兩種分類方法：1、按照相數分類，可以分為單相和三相；2、按照直流側波形和交流側波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。逆變器的原理早在1931年就在文獻中提到過。1956年，第一只晶體管問世，標志著電力電子學的誕生，并開始進入傳統發展階段。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開始進行研

10、究。1962年，A. Kernick提出了“諧波中和消除法”，即常用的“多重疊加法”，這標志著正弦波逆變器的誕生。1963年，F. G. Turnbul 1提出了“消除特定諧波法”，為后來的優化PWM法奠定了基礎，以實現特定的優化目標，如諧波最小，效率最優，轉矩脈動最小等。1964年，由人.Schonung和H. Stemmler提出的把通信系統調制技術應用到逆變技術中的正弦波脈寬調制技(Sinusoids-PWM，簡稱SPWM)，由于當時開關器件的速度慢而未能推廣，直到1975年才由Bristol大學的S. R. Bowes等把SPWM技術正式應用到逆變技術中，使逆變器的性能大大提高，并得到

11、了廣泛的應用和發展，也使正弦波逆變技術達到了一個新高度。此后，各種不同的PWM技術相繼出現，例如：注入三次諧波的PWM、空間矢量調制、隨機PWM、電流滯環PWM等，成為高速器件逆變器的主導控制方式。至此，正弦波逆變技術的發展己經基本完善。在PWM逆變器中，輸出變壓器和交流濾波電感的體積重量占主要部分。為了減小輸出變壓器和交流濾波器的體積重量，提高逆變器的功率密度，高頻化是主要發展方向之一。但逆變器的高頻化也存在一些問題，如開關損耗增加，電磁干擾增大等。為了解決這些問題，最有效的方法有兩個，一是提高開關器件的速度，二是用諧振或準諧振的方式使逆變開關工作在軟開關狀態。軟開關逆變技術研究的最終目的是

12、實現PWM軟開關技術，也就是將軟開關技術引入到PWM逆變器中，使它既能保持原來的優點，又能實現軟開關工作。為此，必須把LC與開關器件組成一個諧振網絡，使PWM逆變器只有在開關轉換過程中才產生諧振，實現軟開關轉換，平時則不產生諧振，以保持PWM逆變器的特點。PWM軟開關技術是當今電力電子學領域最活躍的研究內容之一，是實現電力電子技術高頻化的最佳途徑，也是一項理論性最強的研究工作。它的研究對于逆變器性能的提高和進一步推廣應用，以及對電力電子技術的發展都有十分重要的意義，是當前逆變器的發展方向之一。1.4逆變控制技術傳統的電力電子變流裝置多采用PID模擬控制，其主要的缺點是溫漂大，調整不方便，難以實

13、現復雜的算法。現在已引入16位和32位微機或專用的數字集成電路，使控制的精度大大提高。自適應控制、多變量控制和分布控制是變流系統控制發展的方向，其優點是可將多種控制功能集成在一個系統中或者把系統簡化。智能控制和模糊控制也是變流裝置控制的發展趨勢正弦波輸出的方式使逆變器實現波形正弦化的技術有兩個：一個是采用階梯波來逼近正弦波的脈沖幅值調制法(脈幅調制Pulse-Amplitude Modulation，簡稱PAM )；另一種是采用等幅脈沖序列逼近正弦波的脈沖寬度調制法(脈寬調制Pulse-WidthModulation，簡稱PWM) .1.疊加法多重疊加法對于低速開關器件如SCR, GTO等是非

14、常適合的。多重疊加法的基本原理是，把兩個以上完全相同的方波，按一定的相位差疊加起來，使它們的低次諧波相位差180度而相互抵消，以得到諧波含量較少的準正弦階梯波多重疊加法又分為等幅疊加和變幅疊加，從改善輸出量波形的角度看，后者比前者效果好。電壓型逆變器與電流型逆變器所使用的多重疊加法是不同的，前者多用串聯疊加，后者多用并聯疊加。2、脈寬調制法逆變器的脈寬調制技術PWM是用一種參考波(通常是正弦波，有時也用梯形波或方波等)為“調制波”(modulating wave)，而以N倍于調制波頻率的正三角波(有時也用鋸齒波)為“載波”(carrier wave)。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的

15、波形，因此它與調制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調制波函數值的矩形脈沖序列用來等效調制波。用開關量取代模擬量，并通過對逆變器開關管的通斷控制，把直流電變成交流電。當調制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數規律變化，這種技術就是正弦脈寬調制(Sinusoida PWM)技術。PWM與PAM多重疊加法的不同點是要通過載波與調制波的比較進行調制，因此根據載波與調制波角頻率的關系不同，分為同步PWM調制和異步PWM調制。同步PWM調制是使載波角頻率(決定開關工作頻率)和調制波角頻載波脈沖數是定植(即載波比恒定)；異步PWM調制是使載波角頻率和調制波角頻率不同步的調制法。調

16、制波半個周期內所包含的載波脈沖數不是定植(即載波比不恒定)。一般說來載波角頻率是保持恒定的，但有時也根據工作情況而變化。3、消除特定諧波的同步式PWM逆變器在電壓波形特定的位置上設置“缺口”，通過每半個波形中逆變器的多次換向恰當地控制逆變器的脈寬調制電壓波形，通過脈寬平均法把逆變器的輸出方波電壓轉換成等效的正弦波以消除某些特定諧波，每設置一個“缺口”就可以消除一種諧波，一般每半個周期中的“缺口”數是偶數的情況較多。4、優化同步式PWM技術該技術基本原理是根據某一特定的優化目標(評價函數為最小)，在離線狀態下計算出在所有工作頻率范圍內的開關模式(開關角位置)，使得某個評價函數為最小(優化目標最佳

17、)，然后把這個結果存儲起來，通過查表或其他方式輸出，形成優化PWM波形。另外還有跟蹤型兩態調制逆變器、電流型PWM逆變器和軟開關逆變器1.5逆變器并聯技術的現狀和發展當今供電系統的要求趨勢一個是高可靠性，一個是大功率化，這兩者都與逆變電源的并聯(逆變電源之間或與公共電網之間)運行控制密切相關。逆變電源的并聯運行主要有以下三個好處：第一、可以用來靈活的擴大逆變電源系統的容量；第二、可以組成并聯冗余系統以提高運行的可靠性；第三、具有極高的系統可維修性能，在單逆變器出現故障時，可以很方便的進行熱插拔更換或維修。然而逆變電源的并聯不同于直流電源的并聯，逆變電源輸出的是時變的、交變的正弦波，并聯時需要同

18、時控制輸出正弦波的幅值和相角，即同頻率、同相位、同幅值。在并聯的逆變電源系統中，如果逆變電源單元的頻率、幅值完全相同，但存在一定的相位差，這樣在逆變電源單元之間會有較大的環流，主要為有功環流，這時，其中的部分逆變電源單元工作在整流狀態；如果逆變電源單元的頻率和相位一致，而幅值有差異，這時的環流表現為：部分逆變電源單元吸收無功功率，其他部分逆變電源單元輸出無功功率。另外，即使各個逆變電源單元的輸出為同頻率、同相位、同幅值的正弦波，但各自輸出正弦波的諧波含量有著較大差異，這時，各個逆變電源單元之間存在諧波環流。因此，交流逆變電源的并聯控制比直流電源要復雜的多，由于上述原因使得對于逆變器并聯系統的運

19、行控制和設計仍具有相當大的難度。目前，世界上許多發達國家，如日本、美國、荷蘭和法國等等的逆變器公司在逆變電源的并聯控制技術方面作了大量的工作。國外品脾的逆變電源并聯系統的在并聯控制技術方面主要有下面一些特點：1)采用高頻鏈結構技術為完成逆變器的并聯、提高逆變器的性能和減少逆變器模塊的體積，大多采用高頻鏈結構技術，逆變器內減少了工頻變壓器，裝置的體積重量大為減輕，同時也節約了成本，減少了裝置復雜性。2)采用新型的逆變電源控制技術以往對逆變器模塊的研究側重于采用新型功率器件實現高頻開關和SPWM控制，減少濾波器尺寸，通過濾波器的優化設計，實現其輸出低阻抗，從而達到抑制輸出波形失真和改善負載適應性的

20、目的。在新型功率開關器件技術逐漸成熟之后，為了進一步提高逆變器的動態和靜態特性，相應提出了許多新的控制方法，如瞬時電壓控制基礎上的電流前饋控制、滯環電流控制、無差拍控制等等，這些新型控制方法在很大程度上提高了逆變器的各項性能指標。3)采用數字化控制技術為了提高系統的控制性能和完成并聯控制的復雜算法，逆變電源的控制最好多采用數字化控制方案，如應用單片機或數字信號處理器DSP完成系統的檢測、運算和控制。先進的控制技術對改進變流電路的效率和性能是必不可少的關鍵技術，以往主要應用模擬控制技術，模擬控制中參數隨溫度變化而產生較大的飄移，致使不斷的需要人為調節控制參數。與此不同的是，數字控制卻又許多的優點

21、，硬件電路標準化，成本低，可靠性高；控制軟件靈活，更改容易；提高了信息存儲、監控、診斷以及分級控制的能力；微處理器芯片運算速度和存儲容量的不斷提高，性能優異的算法而復雜的控制策略有了實現的可能，如美國德克薩斯州儀器公司(TI)研制的數字信號處理器(DSP) TMS320系列產pCl具有快速的運算能力完善的中斷處理機制。總之，數字控制使得各種復雜的控制策略容易實現，而且使設備的體積、重量進一步減小，性能更為提高。國內一些單位也正在研究此技術，并己經取得了一定的成果，但還沒有出現國產系列化產品，大多以合資的形式投放市場，因而，在逆變電流的并聯理論和控制策略等方面還需要進行深入細致的研究，付出更大的

22、努力，做大量的工作。4)選題意義和主要內容實現多個逆變器模塊的并聯供電電源系統，以滿足不同的負載功率及供電可靠性要求。逆變電源的模塊化及其并聯控制技術，是交流電源系統從傳統的集中式供電向分布式供電乃至全功能電源系統供電模式發展過程中必須解決的一個關鍵技術。現今，使用特種電源供電的裝備日趨增多，用逆變器并聯電源系統供電，對于改善供電質量、提高供電效率、防止供電污染和這一技術來說，相關資料顯示：逆變電源并聯技術在國外的發展也有相當一段時間，但仍存在許多不足之處；在我國逆變電源并聯控制技術的研究起步甚晚，近兩年來，許多科研單位和院校也開始涉足這一領域，因此，逆變電源并聯控制技術的研究具有深遠的社會影

23、響和社會效應。第二章 逆變器的工作原理及輸出控制2.1逆變器的設計方法主電路建模圖 2.1 主電路拓撲結構忽略濾波電感的等效電阻簡化為進行雙極性調制，可以表示為：其中，S為開關函數。當S1(或D1). S4(或D4)導通時，S=0；當S2(或D2 ). S3(或D3)導通時，S=l；顯然，由于開關函數S的存在，式中Vi不連續。在一個開關周期內，采用狀態空間平均法，用Vi的平均值代替其瞬時值。Vi的平均值可以表示為：采用SPWM調制，D可以表示為：其中Vm為參考正弦波信號，M為調制比，代入得最后聯立各個等式可得到這就是逆變器輸入和輸出的傳遞函數Go (s)，根據傳遞函數的表達式，可以得到其等效方

24、框圖如圖2. 2所示。圖2.2 單相逆變器等效框圖正弦波脈寬調制技術SPWMSPWM的控制是根據三角載波與正弦調制波的交點來確定逆變器功率開關器件的開關時刻。用DSP通過軟件生成SPWM波形可以采用自然采樣法、規則采樣法和指定諧波消除法。本系統采用規則采樣法。規則采樣的原理如圖2.3所示。在三角載波每一周期的負峰值時刻找到正弦調制波上的對應點，即圖中的E點，求得電壓值氣，。用此電壓值對三角載波進行采樣，得A. B兩點，從而確定脈寬時間t2。由于每個周期的采樣時刻都是確定的，它所產生的SPWM脈沖寬度和位置都可預先計算出來。根據脈沖電壓對三角載波的對稱性，可得下面的計算公式：其中為正弦調制波的頻

25、率，即逆變器輸出頻率。圖2.3 生成SPWM波形的規則采樣法逆變器輸出電壓未經濾波時，諧波主要分布在開關頻率及其倍頻附近，諧波頻率fh為：其中關為開關頻率，f為逆變器輸出電壓頻率，m, n為整數。當輸入電壓不變時，逆變器輸出電壓的基波分量以及各次諧波分量滿足下式：所以當調制度變小，即輸出電壓基波分量變小時，諧波電壓將有較大程度的提高，特別是在開關頻率及其附近。2.2輸出濾波器從上面分析可知，逆變器的輸出電壓中不僅包含了50Hz正弦波，還包含了開關頻率分量及其倍數諧波。為了得到50Hz的標準正弦波電壓，需要在逆變器的輸出端加低通濾波器，濾掉高次諧波而得到純正的50Hz的正弦波電壓。濾波器的種類很

26、多，有一階、二階以及多階濾波器。設計中選用的為二階LC低通濾波器，如圖所示。在圖中，忽略電感電阻，濾波器輸出電壓相對于濾波器輸入電壓的傳遞函數為：這是一個典型二階震蕩系統，幅相頻率特性為：圖 2.4濾波器傳遞函數伯德圖可以求得對數幅頻特性為：低頻段漸近線是一條零分貝的水平線，而高頻漸近線是一條斜率為一40dB的直線。這兩條線相交處的交接頻率為在交接頻率附近，幅頻特性與漸近線之間存在一定的誤差，其值取決于阻尼比屯的值，阻尼比愈小，則誤差愈大。當<0.707時，在對數幅頻特性上出現峰值，其伯德圖如圖2.4所示。濾波器的選擇標準是保證有合理的噪聲抑制能力，輸出阻抗和合適的逆變電流應力。從式可以

27、看出，影響濾波效果的參數主要是轉折角頻率和阻尼比選擇SPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉折頻率遠遠低于開關頻率，它對開關頻率以及開關頻率附近基波的倍次頻具有明顯的衰減作用。由濾波器傳遞函數的伯德圖可以看出，當諧波頻率為轉折頻率的100倍時，諧波電壓被衰減到原來的0.01。在一定范圍內，選擇的濾波器轉折頻率較低可以減小輸出波形的THD。但是，濾波器轉折頻率也不能過低，因為當濾波器的轉折頻率取的太低的情況下：（1）重載時，也即阻尼比屯較大時，輸出基波將有較大的衰減；（2）輕載時，也即阻尼比乙較小時，輸出基波越靠近濾波器的轉折頻率，輸出基波被放大的倍數越大，系統容易產生振蕩，不易實現閉環調節補償。2.

28、3逆變器輸出控制2.3.1雙極性SPWM控制圖 2.5 全橋逆變器主電路如圖(2.5)所示是電壓型全橋逆變電路的主電路,輸入直流母線電壓為ud,經一個全橋結構的逆變器,在a、b兩點輸出逆變器的SPWM電壓波形。SPWM電壓經過由電感L和電容C所組成的濾波器得到輸出基波電壓。圖2.6 雙極性SPWM圖(2.6)中(a)是雙極性SPWM門極脈沖的分布及產生機制圖,其中載波信號電壓uc為對稱三角波,頻率為fc,幅值為Ucm認用；調制波信號電壓us為正弦波,頻率為f,幅值為Usm。圖2.7雙極性電壓輸出頻譜2.3.2單極性SPWM控制圖(2.8)中(a)為單極性SPWM控制方法的脈沖分布圖,從圖中可以

29、看出,單極性SPWM控制方法中,Ql和Q2的門極控制信號與上述雙極性SPWM控制方法的Q1和Q2是相同的,控制信號發生的邏輯如圖2.8(b)所示。但Q1和Q2的門極控制信號與雙極性的控制信號有很大的差別,如圖(2.8)所示,Q3和Qe門極控制信號的頻率為f,與正弦調制波的頻率相等,它們的邏輯產生如圖(2.8)中(b)所示。圖2.8單極性SPWM調制與雙極性SPWM調制方法相比,單極性SPWM調制方式下,由于Q3和Q4兩個開關管的工作頻率為低頻(調制波頻率),所以可以選擇要求較低的低頻開關管,同時這一組橋臂的開關損耗也比雙極性調制方式下的要低很多。圖2.9單極性SPWM輸出電壓頻譜對于逆變橋輸出

30、電壓的諧波含量,通過計算機數值分析可得：單極性調制小于雙極性調制。圖(2.5)是單極性SPWM調制輸出電壓的頻譜,對比圖(2.3)可以看出,雖然最低次諧波都在開關頻率處,但是單極性調制諧波分量的幅度比雙極性調制的諧波分量要小很多。不過值得注意的是,在單極性調制的工作方式下,當負載比較輕的時候,可能出現電感電流斷續現象,而在雙極性調制方式下不會出現電流斷續。2.3.3單極性倍頻SPWM控制圖2.10 單極性倍頻SPWM控制由于對于所有的負載來說,逆變電源輸出電壓中的諧波分量都是有害的,因此為了滿足負載的需要,逆變器輸出端的LC濾波器是必不可少的。對于濾波器而言,開關頻率越高,濾波越容易,LC濾波

31、器的體積也可以做的更小。提高載波頻率可以將輸出電壓中諧波頻率提高以利于濾波,但是提高載波頻率是以提高開關頻率為代價的。而單極性倍頻調制可以在不提高開關頻率的前提下提高開關帶的諧波頻率。圖(2.6)是單極性倍頻SPWM調制的脈沖分布及產生原理。由于逆變器輸出電壓Uab的脈動頻率是逆變器開關頻率的兩倍,因此稱此種調制方法為倍頻調制。由于開關頻率相對于一般的單極性調制是不變的,因此單個開關管的開關損耗也是不變的。圖(2.7)是單極性倍頻SPWM控制的輸出電壓頻譜。圖2.11 單極性倍頻SPWM控制對比圖(2.7)、(2.5)、(2.3)可以看出,采用單極性倍頻調制方法,輸出電壓的諧波分量得到了有效的

32、控制,輸出電壓中最低次諧波帶的中心頻率是開關頻率的兩倍,這對于輸出濾波器的設計是十分有利的。這里值得注意的是,如對于半橋電路而言,以上的調制方法也不是對任何的拓撲電路都可以采用單極性SPWM控制和單極性倍頻SPWM控制就不適用而只能采用雙極性SPWM控制。本文中的全橋逆變器采用單極性倍頻調制。第三章 逆變器的并聯3.1逆變器并聯的意義單臺的逆變器能夠提供高質量的電源,但是它還是存在一旦單臺電源發生故障,整個供電設備就癱瘓的致命弱點。而現代信息技術的發展對供電系統的可靠性提出了更高的要求,電源系統己成為通訊系統中最大的故障源。據1996年美國電源學會的統計資料表明,美國計算機系統中45%以上的數

33、據丟失是由于電源故障引起的,遠遠高于2%的硬件故障、軟件錯誤和3%的人為故障,因此如何保電源系統的可靠性成為一個重要的課題。提高電源系統的可靠性振蕩,不利于逆變器的安全穩定運行。滑模變結構控制是利用不連續的開關控制策略來強迫系統的狀態變量沿著相平面中某一預先設計好的滑動模態軌跡運動。從原理上講,滑模變結構控制的穩定性以及系統性能對參數變化和外部擾動不敏感,具有較強的魯棒性,這是它的主要優點。但是對于實際的逆變電源系統,確定一個理想的滑模切面是很困難的。以上的這些數字控制技術,一些己經在實際的產品中得到了應用,另一些還處于技術研究階段。但是從電源的發展方向來看,數字化是整個電源系統的一個發展方向

34、,因此逆變器的數字化控制是今后逆變器控制的一個可以通過采用并聯冗余的方式來解決,所謂并聯冗余系統是指參與并聯運行的各逆變器單機在系統中具有同等的地位,共同分擔負荷,其中任意一臺單機出現故障,其它單機能自動均擔多出來的負荷,而故障單機能自動從負載母線上脫開,從而保證整個系統的可靠運行。并聯系統相比于集中式電源系統,具有以下的一些優點：1.可以組成更大容量的交流電源供電系統；2.可以組成冗余系統,以提高供電系統的可靠性；3.可以靈活配置系統的容量,以便擴容；4.系統具有很好的可維護性,單臺電源模塊可以短時的退出運行,保證系統的帶電維護。3.2逆變電源的現狀與發展趨勢由于逆變器并聯對供電系統可以帶來

35、眾多的好處,因此對逆變器并聯技術的研究也早已成為一個熱點。世界上許多國家(如日本、美國、德國等國家)的電源開發公司在逆變器的并聯冗余控制技術方面已經做了大量的工作,并有一系列的產品投入了使用。目前逆變電源系統的并聯控制技術的特點及發展表現在以下的幾個方面：1)可并聯單元的數目增多,以多種途徑實現可靠并聯運行。目前,世界幾大知名品牌的逆變電源公司如梅蘭日蘭、EXDIE、西門子、三菱、東芝、APC等的產品可以實現并聯運行,但并聯的逆變器臺數不超過10臺,因此并聯單元的增多是逆變器并聯今后發展的一個趨勢。同時并聯的控制方式也將趨于多樣性,一些公司己經推出了無互連線式的并聯方式。無互連線式獨立控制的并

36、聯方式可以很方便的解決不同結構的電壓型逆變電源之間或電壓型逆變電源與公共電網之間的均流并聯運行控制,并且采用這種方式控制的電源系統將不受距離的限制,使得并聯供電系統更加靈活方便。雖然這種方式目前還存在一些技術問題,但是這種并聯方式的方便性、可靠性使得它成為并聯控制的一個發展方向。2)在小功率逆變電源中用較低的成本實現較好的并聯策略。目前可并聯逆變電源多為三相中、大功率逆變電源,因此為實現并聯運行,控制電路成本的增加對總成本的影響不是很大。而普通的小功率單相逆變電源的控制電路比較的簡單,特性也不如大功率逆變電源的好,因此要實現并聯運行,電路的設計要綜合考慮控制電路特性和成本的關系。因此在小功率的

37、逆變并聯系統中往往采用統一的電源模塊和控制電路以簡化并聯的控制要求,以適應不同的用戶要求。3)采用高頻鏈結構技術為了完成逆變器的并聯、提高逆變器的性能和減小逆變器模塊的體積,現在的逆變器產品大多采用高頻鏈結構技術。逆變器內減少了工頻變壓器,裝置的體積重量大為減輕,同時節約了成本,降低了裝置的復雜性。4)采用全數字化控制技術。為了提高系統的控制性能和完成并聯控制的復雜算法,逆變電源的控制一般采用全數字控制方案,如應用單片機或DSP來完成系統的檢測、運算和控制。3.3逆變器并聯的基本原理要實現逆變器的并聯運行，其關鍵的問題在于各臺逆變器要共同分擔負載電流，即要實現逆變器的均流運行。下面以兩臺逆變器

38、的并聯運行為例，簡單分析逆變器并聯的原理。圖3.1 兩臺逆變電源并聯運行等效電路其中：V1, V2代表兩個逆變電源的輸出PWM波形的基波電壓；L1, L2, C1, C2分別代表兩個逆變電源的輸出濾波器；r 1, r2表示兩臺逆變電源輸出引線的電阻(阻值很小可以忽略)；R為公共負載阻抗；根據圖(3.1)可以列出以下的電路方程：公式 (3-1)當C1=C2=C L1=L2=L時，上述公式可簡化為：公式 (3-2)由上式得到：公式 (3-3)由以上的三個方程可以得到：公式 (3-4)由(3-4)可以看出,每臺逆變器電流有兩部分電流組成,一部分為負載電流分量,另一部分為環流分量；負載電流分量總是平衡的,但是環流分量的存在使得各臺逆變器輸出的總電流不相等。當Vl,V2同相位時,電壓高的環流分量是感性的,電壓低的環流分量是容性的；當V1,V2幅值相等時,相位超前的環流分量為正有功分量,相位滯后的環流分量為負有功分量；當Vl,V2幅值、相位都不相同時,環流分量中既有有功分量,又有無功分量。從上面的分析中可以看出,對電壓型逆變電源來說,要實現并聯運行必須解決以下問題：1.并聯運行的各臺逆變電源的輸出電壓的頻率