（农业机械化工程专业论文）基于dspic的三相逆变电源的设计与研究.pdf

捅萤 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，许多电气设备为了获得有特殊要求的高质量供电电源， 通过逆变器对电网提供的交流电进行转换，获得所需的电能形式。在没有市电电网的偏远地 区进行野外作业时，如何把蓄电池或发电机等所供给的直流或交流电转换成电气设备所需要 的交流电，也是逆变电源研究领域所要解决的一个重要课题。基于此，本论文在完成单相逆 变电源设计的基础上，对三相逆变电源进行了设计及试验研究，为研制能与发电机相配套的 高性能的三相逆变电源打下基础。 本论文首先介绍了逆变技术和逆变电源的发展概况，根据三相逆变系统的基本原理，确 定了三相逆变电源的总体设计方案。在硬件电路设计上，选用m i c r o c h i p 的d s p i c 3 0 f 4 0 1 2 为主控芯片，选择电压型三相半桥逆变结构作为系统主电路结构；对三相逆变电源的逆变电 路、驱动电路、工作电源、保护电路和稳压反馈电路进行了设计研究；选用i g b t 作开关器 件，采用光耦隔离驱动；针对i g b t 的开关损耗，设计了r c d 缓冲电路。在软件设计部分， 通过分析比较三相逆变器控制算法，选择了等面积计算法，完成s p w m 模块程序设计，并改 进算法以避免死区问题。 试验结果表明：逆变电源输出的三相交流电波形稳定、幅值相同、频率相等( 5 0 h z ) 、 相位互差1 2 0 。、谐波较少，能够满足实际需要；在负载缺相的情况下，其余负载均能正常 工作，负载端电压波形畸变较小，电源具有很强的负载平衡能力；软件和硬件的抗干扰设计 使系统工作稳定；r c d 缓冲电路的设计降低了i g b t 的开关损耗。 关键词：三相逆变；电源；d s p i c ；s p w m 两南火学硕卜学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h r e e - p h a s ei n v e r t e r b a s e do bd s p i c a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，m u c he l e c t r i c a le q u i p m e n th a s s p e c i a lr e q u i r e m e n t s i no r d e rt oo b t a i nh i 曲一q u a l i t yp o w e rs u p p l y ，t h ea cp o w e r i sc o n v e r t e di n t o t h en e c e s s a r yp o w e rf o r m sb yt h ei n v e r t e r t h ep r i m a r yo b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st os o l v ea i l i m p o r t a n ti s s u e ，w h i c hi st oc o n v e r tt h ed cp o w e rs u p p l i e db yb a r e r i e so ra cp o w e rs u p p l i e db y t h eg e n e r a t o r si n t ot h er e q u i r e dp o w e rf o r m si nr e m o t ea r e a sa n dn 0 鲥da c c e s sf o rf i e l do p e r a t i o n s t om e e tt h ea b o v ed e m a n d s ，t h i sp a p e rh a sb e e nd e s i g n e da n ds t u d i e dt h r e e - p h a s ei n v e r t e rp o w e r s u p p l yb a s e d o nt h ed e s i g no fs i n g l e - p h a s ei n v e r t e rp o w e rs u p p l yt h i sw i l lp r o v i d ef a v o r a b l e c o n d i t i o n sf o rt h r e e - p h a s eh i g h - p e r f o r m a n c ei n v e r t e rp o w e rm a t c h e db yt h eg e n e r a t o r i nt h i st h e s i s ，t h ei n v e r t e rt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n v e r t e rp o w e ra r ed e s c r i b e d f i r s t l y t h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a mi sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h r e e - p h a s e i n v e r t e rs y s t e m i nt h ec a s e so fh a r d w a r ed e s i g n ，t h ev o l t a g e - t y p et h r e e - p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e r s t r u c t u r ei sc h o s e na st h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n dm i c r o c h i p sd s p i c 3 0 f 4 0 1 2i sc h o s e na st h e m a i nc h i p t h e nt h ea r t i c l ed e s i g n sa n dr e s e a r c h e si n v e r t e rc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，w o r k i n gp o w e r s u p p l y , v o l t a g er e g u l a t o rf e e d b a c kc i r c u i tp r o t e c t i o nc i r c u i to ft h r e e - p h a s ei n v e r t e rp o w e r r c d s n u b b e rc i r c u i ti sp r o p o s e dt or e d u c et h es w i t c h i n gl o s s e so fi g b t t h es o f t 、；v a r ed e s i g np a r t sa r et o c o m p a r et h et h r e e - p h a s ei n v e r t e rc o n t r o la l g o r i t h m sd e e p l ya n da c h i e v et h es p w mc o n t r o lb y e q u a l a r e ac a l c u l a t i o nm e t h o d i no r d e rt oa v o i dt 1 1 e d e a dz o n ei nt h ea l g o r i t h m ，an u m b e ro f i m p r o v e m e n t w o r k sa r ed o n e t h er e s u l t sa r es h o w nt h a tt h et h r e e - p h a s ea cp o w e ro u t p u tb yi n v e r t e rp o w e rp r e s e n t ss t a b l e w a v e f o r m ，s a m ea m p l i t u d e ，e q u a lf r e q u e n c y ( 5 0 h z ) ，p h a s ed i f f e r e n c eo f12 0 。a n dl e s sh a r m o n i c t h u si th a st h ea b i l i t yt om e e ta c t u a ln e e d s w h a t sm o r e ，t h er e m a i n i n gl o a d sc a nw o r kn o r m a l l yi n t h ec a s eo fl o a ds h o r tp h a s e t h el o a dt e r m i n a lv o l t a g e sw a v e f o r md i s t o r t sl e s sa n dt h ep o w e rh a sa s t r o n ga b i l i t yo fl o a db a l a n c i n g t h ea n t i - j a m m i n gd e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r em a k e st h e o y s t e ms t a b l e r c ds n u b b e rc i r c u i ti sd e s i g n e dt os o l v et h ei g b ts w i t c h i n g l o s sp r o b l e m k e y w o r d s ：t h r e e - p h a s ei n v e r t e r ；p o w e rs u p p l y ；d s p i c ；s p w m 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：辨 签字日期：7 汐7 矿年汐石月d 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：团不保密， 口保密期限至年月止) 。 ， 学位论文作者签名：囊趣 导师签名： 可菇壤痨 _ l 签字日期：7 9 1 口年p 月p 8 日签字日期：2 p7 0 年口月o g 日 文献综述 第1 章文献综述 1 1 逆变技术的应用 现代逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件相 继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛。 ( 1 ) 交流电动机的变频调速。运用逆变技术将市电电网电压变换成电压和频率均可调节 的交流电，对交流电动机进行无级调速。变频调速技术在许多场合都有广泛应用，如机床、 风机、机车、电梯、空调等的控制。 ( 2 ) 新能源的开发和利用。目前，主要能源是煤、石油、天然气等，但这些能源日趋紧 张，许多国家都在进行新能源的开发和利用，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般 情况下，这些发电设备输出的是直流电( 或者是不稳定的交流电) ，运用逆变技术将其转换成 工频的交流电，直接供给用电设备，或并入市电电网 2 1 。 ( 3 ) 提高市电电网供电质量。随着国民经济的高速发展，供电质量日趋恶化，利用有源 滤波器和交流电网净化装置，可以大大改善市电电网的供电质量。有源滤波器和交流电网净 化装置时，用逆变技术来消除谐波对无功分量进行补偿，以净化市电电网。 ( 4 ) 不间断电源( u p s ) 。大到某些系统工程，小到单台计算机，均需要不间断电源( u p s ) 的支持。u p s 主要由蓄电池和逆变器组成，逆变器具有能量双向传输功能。在市电电网正常 供电时，逆变器工作在整流状态，给蓄电池充电。在市电电网断电的情况下，逆变器工作于 逆变状态，给用电设备提供工频交流电【3 ，4 1 。 ( 5 ) 开关稳压电源和专用电源。传统的调整型直流稳压电源性能较好，但笨重且效率低。 开关稳压电源是利用逆变技术实现l f a c d c h f a c d d c 的变换，得到稳定的直流输出。开 关稳压电源有良好的稳压性能，体积小、重量轻。电弧焊、等离子弧焊、切割焊等弧焊电源 采用了逆变技术，以逆变式弧焊电源取代传统的整流式弧焊电源。在电镀、蒸发镀膜、离子 镀膜、静电喷涂、刷镀等表面工程领域广泛应用逆变式开关电源。对水、空气进行消毒、除 尘所用的臭氧发生器、超声波发生器和高压静电除尘器中的电源均利用了逆变技术5 卅。 ( 6 ) 利用逆变技术产生交流电，进而产生交变磁场，金属在交变磁场中产生涡流而发热， 金属被加热。如高频和中频加热炉、电磁炉等。 ( 7 ) 电子镇流器。负载性气体放电灯利用节能的电子镇流器，构成绿色照明的新兴产业。 电子镇流器采用逆变技术实现负载性气体放电灯的镇流，具有无频闪、效率高、可调光、体 积小、重量轻等优点。 ( 8 ) 家用电器。逆变技术用于家用电器，可以做到节能和改善性能。如平板电视、家用 计算机、微波炉、变频空调、电磁炉等均采用了逆变技术【8 1 。 逆变技术的应用领域十分广泛，除上面介绍的几点外，逆变技术还可用于电力电子、航 空航天、化工、工业控制、机器人、军工等众多领域。 l 两南人学硕上学位论文 1 2 逆变技术的分类 逆变技术的分类方式很多，主要分类方式叙述如下【9 1 。 ( 1 ) 按逆变器输出交流的频率分为：工频( 5 0 h z 到6 0 h z ) 逆变、中频( 4 0 0 h z 到几十 k h z ) 逆变和高频( 几十k h z 到几m h z ) 逆变； ( 2 ) 按逆变器输出交流能量的去向分为：无源逆变和有源逆变； ( 3 ) 按逆变器功率的流动方向分为：单向逆变和双向逆变； ( 4 ) 按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆变： ( 5 ) 按逆变器输出电压的电平分为：二电平逆变和多电平逆变； ( 6 ) 按逆变器输出交流的相数分为：单向逆变、三相逆变和多相逆变； ( 7 ) 按逆变器输入与输出电气隔离分为：非隔离型逆变、低频链逆变和高频链逆变； ( 8 ) 按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源逆变： ( 9 ) 按逆变器电路结构分为：单端式逆变、推挽式逆变、半桥式逆变和全桥式逆变； ( 1 0 ) 按逆变器的开关器件分为：大功率晶体管( g t r ) 逆变、晶闸管( s c r ) 逆变、 可关断晶闸管( g t o ) 逆变、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 逆变和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 逆变： ( 11 ) 按逆变器的开关器件工作方式分为：硬开关逆变、谐振式逆变和软开关逆变； ( 1 2 ) 按逆变器的控制方式分为：脉宽调制( p w m ) 逆变、脉频调制( p f m ) 逆变和数 字逆变。 1 3 逆变技术的发展方向 1 3 1 大功率开关器件的研发 大功率开关器件及其应用技术是现代逆变技术发展的基础，大功率开关器件的发展进程 主要表现在以下几个方面1o 】： ( 1 ) 从强迫关断发展到自关断； ( 2 ) 从中、小容量发展到大容量、超大容量； ( 3 ) 开关频率从几k h z 发展到近1 0 0 m h z ； ( 4 ) 向集成化、多功能化的发展方向。 根据目前在逆变电路中常用的大功率开管器件，将其分类如表1 1 所示1 1 】。 2 文献综述 表1 1 大功率开关器件的分类 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no f h i g h p o w e rs w i t c h i n gd e v i c e s 设计逆变器电路时，根据其容量和工作频率等指标要求，选取适宜的功率开关器件。 在设计几k w 以下容量的逆变电路时，m o s f e t 为首选器件。m o s f e t 的极限开关频率 可达2 0 m h z ，其驱动功耗很低，可得到较高的效率。 在几k w 到几百k w 的大、中容量的逆变电路中，i g b t 为首选器件。i g b t 的极限开关 频率可达几百k h z ，由于驱动功耗低，可得到较高的效率。也可以选用g t r ，但g t r 的驱 动功耗大、开关速度慢等固有缺点，使其有被i g b t 或其它新型开关器件取代的趋势。 在设计几百k w 到上m w 的逆变电路时，g t o 为首选器件。g t o 的极限开关频率较低， 主要用于大型电动机的驱动，超大型u p s 等超容量的系统中。 1 3 2 提高逆变器变换效率的方法 为了提高逆变器的变换效率，必须提高功率开关器件的开关频率，但逆变器的损耗也会 随之加大。逆变器的损耗主要包括开关损耗和驱动损耗。驱动损耗是由功率开关器件的栅极 ( 控制极) 特性决定的，这点是不可避免的，而开关损耗是由于电压和电流波形叠加而形成 的，由开关器件的控制方式( 变换工作方式) 决定的，当开关器件在由导通关断或者由关断 一导通的状态切换时，其上的电压( 或电流) 不为零，必将产生开关损耗，并随开关器件开关 频率的提高而急剧增加，称之为硬开关。若状态切换时，电压( 或电流) 为零，则开关损耗 为零，称之为软开关【1 2 1 。 软开关技术实际上是利用电路中的电感和电容的谐振，使开关器件的电压( 或电流) 按 正弦或准正弦的规律变化。当电压过零时，令开关器件导通：当电流过零时，令开关器件关 断，从而实现零损耗，这种开关变换过程是由控制电路来实现的。按开关器件导通和关断时 的电压( 或电流) 的状态，软开关电路可分为零电压电路和零电流电路；根据控制方式可把 软开关技术分为脉冲移相调制、脉冲频率调制和脉冲宽度调制【l3 1 。在逆变器设计中采用软开 关技术，能大幅降低逆变器的开关损耗，进而提高逆变器的变换效率，因此近年来软开关技 3 两南大学硕+ 学位论文 术在逆变器设计中获得了广泛的应用。 1 3 3 逆变器的工作可靠性和e m c 性能 对于电子产品或电磁系统来说，工作的可靠性和电磁兼容性( e m c ) 是相当重要的。逆 变器开关器件的状态变换会对电网和外部电子设备产生电磁干扰，逆变器容量越大，电磁干 扰越强，系统也就很难保证正常工作，所以可靠性设计和e m c 设计显得尤其重要，是逆变 器的性能指标重要决定因素【1 4 】。 可靠性是指产品在规定的时间内，规定条件下，完成规定功能的能力。为了取得逆变系 统的高可靠性，必须从设计阶段开始就要考虑可靠性问题。一般情况下，在一台电子设备不 可靠的原因中，因设计错误导致不可靠的约占l 3 ，元器件质量不能满足设计要求导致不可 靠的约占1 3 ，制造、操作、维护等方面也占1 3 。其实，后两方面的原因也是由于在设计阶 段考虑不周造成的。可靠性设计主要包括：可靠性预测、电子元器件的降额设计、电子元器 件的老练和筛选、三防设计等。目前，电子产品的可靠性越来越受到设计者和使用者的高度 重视。逆变技术的发展与提高逆变器的工作可靠性是密切相关的。 逆变器的电磁兼容性主要包括两个方面，一是逆变器能抑制其它装置、设备或系统对其 造成的电磁干扰，二是逆变器不能对其它装置、设备或系统造成电磁干扰。实现逆变器e m c 的主要措施包括：限制开关器件关断时的电压上升率( d u 以) 或开关器件导通时的电流上 升率( d i d t ) 、采用压敏电阻吸收浪涌电压、采用e m i 滤波器、电路板合理的布局和走线、 用软恢复特性二极管抑制高频噪声掣1 5 】。 1 3 4 逆变系统的智能化 智能化是指逆变系统通过内部的监测模块准确、可靠地实现监测、诊断和控制。 逆变系统的智能化有赖于智能化大功率模块( i p m ) 的研发，i p m 是将许多逆变系统中 的电路或元器件，包括变换器、控制器、监测电路、驱动电路、保护电路、转换开关以及电 源等组装在一起。这样简化了设计，提高了系统的可靠性和可维护性，降低了成本。 随着高速信号处理器在逆变系统中的应用，使得逆变系统的控制由模拟控制发展为数字 控制。高速信号处理器具有很快的处理速度，与i p m 配合可实现逆变系统的智能化。 1 4 逆变电源及其应用背景 逆变电源是一种将直流电转换成交流电的电源设备。常见的变换方式有直流交流( d c a c l 变换和交直交( a c d c a c ) 变换。前一种变换方式需要用到蓄电池、燃料电池、太阳能电池 等直流电源，适合作应急电源或是对电能质量要求较高的地方。在现实生产生活中，更多的 是a c d c a c 逆变电源。它比d c a c 逆变多了一项过程，就是要先把市电整流、滤波，成 为直流电：1 6 】。 4 文献综述 理想的交流电源输出电压是纯粹的频率一定的正弦波，即在正弦波上没有叠加任何谐波， 且无任何的瞬时扰动。但对于实际的电网，因为许多内部的原因和外部的影响，导致其波形 并非标准的正弦波，另外由于电路本身的阻抗所限，其电压也绝不是稳定不变的【 】。在现代 工业生产中，许多设备不仅对电能质量的要求越来越高，而且还出现了电动机的变频调速方 法。所以，以全控型电力电子器件为核心的逆变电源就应运而生了。 现代电力电子技术在各种高质量、高可靠性的电源中起关键作用。而逆变电源正是现代 电力电子技术的具体应用。随着人类社会不断发展，环境恶化和资源枯竭的问题日益严重， 可再生清洁能源的应用越来越多，比如说太阳能电池和燃料电池，它们都是直流电源。另外， 直流输电，以其节约能源、线路造价低、无系统稳定性问题等优点再次兴起。如果日常生活 生产中要利片j 这些直流电源，就需要逆变【l 引。 我们国家人均能源占有率低，煤和石油都属于不可再生能源，而且会污染环境，对人类 生存繁衍造成威胁。所以我国乃至全世界各国都积极行动，提倡节约能源，保护生态环境， 走可持续发展之路。这其中包含两个非常切实可行的方案，其一是变频调速技术，另一个则 是鼓励开发利用太阳能、风能、生物质能、热泵、地热、燃料电池等新能源。前者中比较常 见的a c d c a c 变频就含有逆变电源的部分。后者那些新能源也多为直流电源，需要经过逆 变再为我们生活和生产所用。所以说逆变电源技术有着巨大的发展需要，顺应了当今世界“节 约能源、保护环境”的主题。 1 5 逆变电源的应用现状和发展趋势 电源是各种用电设备的能量源，是电子工业的基础产品。经济建设和社会生活各个方面 的发展都会促进电源产业的发展。电力电子器件作为节能、节材、自动化、智能化、机电一 体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展【l9 1 。 以电力电子学为核心技术的电源产业从2 0 世纪6 0 年代中期开始形成。这个时期的主要 标志是以整流技术( a c d c ) 为主的各种电源装置，如电解、电镀和中小容量的a c d c 变换器 的出现。经过近十年的努力，我国的可控硅的电压和电流容量、性能以及产品的稳定性有了 很大的提高，快速可控硅和高频可控硅也已试制成功。基于s c r ( 半控型普通晶闸管) 的电源 装置的研制范围迅速扩大，产品种类增多，涉及到变频调速、中频感应加热、大容量开关电 源、小型轻量化4 0 0 k v 高压电源、电火花加工电源、声纳电源等。 进入2 0 世纪8 0 年代，国际上开关电源开始实用化，p w m 高频调制技术、软开关技术、 处理网侧谐波电流和提高网侧功率因数的p f c 技术( 功率因数纠正技术) 的研究以及柔性交流 输电系统概念的提出引起学术界和企业界的广泛和浓厚兴趣。电力电子技术的应用步入高频、 高性能、高功能因数和低污染的新阶段。 2 0 世纪9 0 年代以来是我国电力电子技术和电源产业快速发展的时期【2 0 l 。据统计，2 0 世 纪9 0 年代初期我国器件和装置的年产值也不过2 0 亿元。然而，2 0 0 1 年基于场控器件的开关 5 两雨大学硕十学位论文 电源产品的年产值，仅原华为电气一个公司就达到2 6 亿元，其他超亿元年产值的公司有：武 汉洲际、北京动力源、北京通力环、烟台东方玉麟电子有限公司等，p c 机开关电源、u p s 和逆变焊机公司也有了年产值达亿元以上的。通用变频器的年产值接近1 亿元，近十年电源 产业规模的发展在加快。2 0 世纪9 0 年代国际上进行的电能变换装置从使用电流控制型器件 向使用电压控制型器件转变，这也在我国电源产品中得到充分体现。 近年来，中国电源产业的发展无论是从技术上，还是从产业的规模上来说，都发展到前 所未有的阶段，成为社会各界关注的一个行业。随着经济的发展和科学技术的进步，节约能 源、保护环境己被社会各界所接受并且高度重视。另外，电源产品的小型化还可以节约大量 的铜、铁等原材料。所以，电力电子和电源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。有 的专家预言人类未来的福祉将经由能源电子技术的突破而实现。 现在，逆变电源的研制和应用己经相当普遍。电力电子技术在近些年来取得了诸多进展， 现今已成为节能领域的主要技术手段。它不仅用于技术革新，而且在电力生产、传输与使用 的各个过程中都发挥着重要的作用。随着技术的不断发展与电力电子产品在家庭与工业中的 广泛应用，该领域的专业知识已经成为企业能否成功的关键。特别是大功率半导体器件，它 在现代重工业领域做出了巨大贡献，车载电源、地铁等列车推进、风力发电，都应用了大功 率半导体器件和逆变电源。 目前市场上的产品主要来自日本或是欧美国家，即使是国产设备，其核心模块也是外国 货。中国在半导体制作工艺技术上和世界先进水平有一定差距，但对于电力电子器件的应用 我们不能落下。在所有本土化的应用中，当属逆变电源最多，不同电压，不同功率，适用于 不同的需要。 6 绪论 第2 章绪论 2 1 研究的目的和意义 当今世界经济以不可再生能源为基础，经济能够迅猛发展源于石油、天然气、煤炭 等不可再生能源的广泛应用。随着世界经济的发展和国民生活水平的日益提高，石油、 天然气、煤炭等不可再生资源的需求缺口越来越大。为应对不可再生能源日益短缺问题， 全世界都把目光逐渐转向可再生能源的开发应用。目前可再生能源的开发主要集中在太阳 能发电、风力发电、潮汐发电等方面，然而这些新型发电装置只能得到不稳定的直流电，而 大多用电设备都需要稳定的单相或三相交流电供电，为此，需要将输出的不稳定直流电转换 成稳定的交流电后，才能提供给电气设备使用，这种d c a c 的转换正是利用逆变器来完成 的。 电力电子技术的飞速发展，使得各种电气设备性能有了极大提高，同时对这些电气设备 的控制要求也越来越高。高质量供电电源是电气设备优质控制性能的基础，市电电网提供的 交流电已不能满足一些电气设备对电源的要求。为了获得高质量的供电电源，许多电气设备 都己摒弃了传统市电电网提供的交流电，转而通过各种转换装置对电网提供的交流电和其它 设备输出直流或交流电进行转换，获得所需的电能形式作为电气设备的供电电源2 1 1 。这种转 换装置的实现离不开逆变技术的应用。 由于在用电高峰期间或者雷电、暴风雨等自然灾害造成市电电网的超量波动，甚至供电 中断，造成电气设备工作失常，比如导致正在运行的计算机设备发生数据丢失或者硬件的损 坏，直接影响了用户正常工作。为此，需要不问断电源( u p s ) 来保证计算机的安全。不间 断电源一般置于市电电网和用电负载之间，其目的之一就是当市电电网出现供电中断时，能 够迅速切换到备用电源并保证用电设备正常运行。不间断电源系统在一些关键部门中的使用 极其重要，如医院的手术台、银行的计算机、高端武器控制和报警监视系统等，这些用电设 备在使用过程中，除了要保证供电电源的质量，还要保证供电电源的可靠性，要求在使用过 程中绝对不允许出现供电中断，如在医院手术台工作时，一旦出现供电中断而没有备用电源 来维持其正常工作，会造成极其严重的后果。在不问断电源系统中，实现电源的切换后，保 证电气设备的正常运行就需要逆变环节来实现，而这也是不间断电源的关键所在2 1 。 在野外作业，尤其是在没有市电电网的偏远地区作业时，一般都是采用蓄电池或发电机 来为用电设备供电，但对用电要求比较高的电气设备，蓄电池和发电机提供的电能不可能保 证这些电气设备能正常工作，必须把蓄电池、发电机等所供给的直流或交流电转转换成设备 所需要的交流电，这也正是逆变电源研制领域所要解决的一个重要课题。为此，有必要进一 步对三相逆变系统进行设计与试验研究，最终为研制与发电机配套的高效、高性能的三相逆 变电源打下基础。 7 西南大学硕卜学位论文 2 2 研究内容 本论文课题研究是要设计一套能产生幅值相同、频率相等、相位互差1 2 0 0 的三相逆变器， 在前期试验调试成功后，与汽油发电机配套成移动式三相逆变电源，输出相电压2 2 0 v 、频率 5 0 h z 、相位互差1 2 0 0 的三相正弦交流电供负载使用。 本论文课题主要研究内容如下t ( 1 ) 通过三相逆变器工作原理和三相逆变电路拓扑结构的分析选择，确定总体设计方案； ( 2 ) 根据总体设计方案进行硬件设计，包括控制电路、驱动电路、逆变电路、保护电路 和稳压反馈电路等设计： ( 3 ) 通过对现有控制策略的对比分析，选定控制策略； ( 4 ) 系统软件设计，实现三相逆变器的开关器件通断控制和稳压调节等； ( 5 ) 对三相逆变器进行试验分析。 2 3 研究难点 在三相逆变电源的设计与研究中，主要存在以下几个难点： ( 1 ) 三相逆变电路拓扑结构的确定。三相逆变电路的拓扑结构选择后才能进行具体设计， 它是整个三相逆变系统设计的核心。 ( 2 ) 开关器件的选择。在逆变电路设计中，根据设计方案选择开关器件至关重要，目 前应用于逆变器的开关器件种类繁多，但应用范围和特性各异。 ( 3 ) 控制策略确定。三相逆变电路拓扑结构不同，控制策略也就不同，同一种控制策略 可以有多种实现方法，必须根据实际情况选择一个最优控制方案。 ( 4 ) 抗干扰设计。强干扰会造成系统工作不稳定，例如逆变器中开关器件的通断要求十 分严格，若因干扰影响造成开关器件误通断过多，就会导致开关器件损坏等，因此，逆变电 源的抗干扰设计也是本论文课题研究的一个难点。 8 三干日逆娈器总体砹计 _ mm m 。鼍曼曼曼曼皇寡曼曼曼鼍曼鼍曼量曼曼曼皇量鼍曼毫曼曼曼曼曼皇 第3 章三相逆变器总体设计 3 1 三相逆变器总体设计方案 三相逆变器总体设计方案如图3 1 所示，包括主控制电路、工作电源、驱动和保护电路、 前级处理电路、三相逆变电路、输出滤波电路和稳压反馈电路。 图3 - i 三相逆变器总体试验设计方案 f i g 3 - 1t h eo v e r a l le x p e r i m e n td e s i g no ft h r e e - p h a s ei n v e r t e r 各部分主要功能如下： ( 1 ) 主控制电路：按要求调节并产生一系列控制脉冲送入开关器件的驱动电路来控制开 关器件的导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能； ( 2 ) 前级处理电路：逆变电源主回路输入可以是直流电或交流电。当输入是直流电时， 二般来自直流电源、蓄电池、直流发电机等。如果输入的直流电波动比较大，可以增加电容 滤波电路或者通过电压预调整电路来稳压等。当输入是交流电时，除了在交流侧考虑e m i 滤波处理外，还需要整流和滤波，以获得合适的直流电【2 3 1 。总之，要将三相逆变器的直流输 入电压稳定在允许波动范围内，同时实现a p f c 以提高系统功率因数和消除电网谐波污染； ( 3 ) 三相逆变电路：逆变器电路的主体部分，主要由各种开关器件组成，用来实现主要 的d c - a c 变换： ( 4 ) 输出滤波电路：是将逆变器变换的交流电作进一步处理，改善输出电压波形，以获 得谐波含量小，稳定的交流输出； ( 5 ) 工作电源：为主控制电路和驱动电路等提供所需工作电压； ( 6 ) 稳压反馈电路：根据对逆变器输出的性能要求，逆变器输出有开环控制和闭环控制 两类，当逆变系统是开环控制时，控制系统不对输出大小进行调节，因而不需要输出电路的 反馈信号，这时其输出可能会随着负载或输入电压的变化而变化。本论文课题设计的三相逆 变器要求输出电压保持稳定，故需要输出电压的反馈量进行闭环控制，根据其实际输出大小 和给定之间的误差来实时调节，使输出电压保持稳定； ( 7 ) 驱动电路：为三相逆变电路中的开关器件提供驱动，是主控制电路和三相逆变电路 的接口： 9 两南大学硕上学位论文 ( 8 ) 保护电路：保护电路的主要保护功能包括：输入过压保护、输入欠压保护、输入过 流保护、输出过流保护、开关器件超温保护等，完善的保护是逆变系统稳定、安全和可靠工 作的保障。 3 2 三相逆变器拓扑结构的选择 目前三相逆变器拓扑结构一般分为两种，其一是三相组合式逆变器，是由三个单相逆变 器耦合组成一个三相逆变器，如图3 2 所示，另一种是三相桥式逆变器。 图3 2 三相组合式逆变器 f i g 3 - 2c o m b i n e dt h r e e - p h a s ei n v e r t e r 三相组合式逆变器是由三个电路结构完全相同的单相逆变器组合而成【2 4 1 。每个单相逆变 器提供一个相的输出，各相输出可以单独控制，经变压器耦合输出三相正弦交流电。为了促 证三相输出电压的对称性，三个单相逆变器控制电路中的正弦波基准电压必须幅值相等、频 率相同、相位差互为1 2 0 0 ，同时要求三个单相逆变器的元器件参数应该一致，特别是其随温 度的变化也应该一致，另外在进行变压器耦合时，变压器的二次绕组通常都要接成星形以便 消除负载端的三倍数的谐波。三相组合式逆变器电路共需要十二个开管器件，每一相都需要 独立的控制电路，所用元器件较多，成本较高，但其每个单相逆变器都可做成模块化电源， 易于实现在线热更换和n + 1 个模块的冗余，提高了系统的可靠性和可维修性，一般在高压大 功率的逆变场合应用较多。 主要采用大电容对逆变器输入端进行滤波时，输入直流电压基本无脉动，波形较平直， 理想情况下可视为内阻抗为零的恒压源，故称为电压型逆变器，由于直流电压源的钳位作用， 输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关，而输出电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异， 其波形近似三角波或正弦波。电压型逆变器抑制浪涌电压能力强，频率可上下调节，效率高， 在负载比较稳定的逆变场合应用较多。逆变器输入端主要采用大电感进行滤波时，输入直流 电流波形基本无脉动，理想状态下可视为内阻抗很高的恒流源，故称为电流型逆变器，因其 开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，输出电流为矩形波，与负载性质无关，而输 出电压的波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。电流型逆变器抑制过电流能力强，特别适 1 0 三丰f i 逆变器总体设计 合用于频繁加、减速的启动型负载【2 5 1 。 根据拓扑结构的不同，三相桥式逆变器又可分为三相全桥逆变器和三相半桥逆变器，电 压型三相全桥逆变器，电压型三相半桥逆变器如图3 3 、图3 _ 4 所示。三相全桥和三相半桥逆 变电路结构基本相同，逆变电路都是由三个桥臂、六个开关器件组成，通过控制六个开关器 件的通断实现d c - a c 变换，输出三相正弦交流电。与三相组合式逆变电路相比，三相桥式 逆变电路结构简单，共需六个开关器件，一个主控制电路等，在中、小功率逆变场合应用较 多。 图3 = 3 电压型三相全桥逆变器 f i g 3 - 3t h r e e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e ro fv o l t a g e = = 一三 i 。_ i 。一 刮皇划= 万而丽u n r 、w v 0 1 n 吖、r n w i p 一p 一i r 一 i = 划与刮与划= 一上 u _ t i 图3 _ 4 电压型三相半桥逆变器 f i g 3 - 4t h r e e - p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e ro fv o l t a g e 电压型三相全桥逆变器输出为三相三线制，但不能直接供用户使用，必须经电压器转换 成三相四线制后才能使用，这也是电压型三相全桥逆变器和电压型三相半桥逆变器的区别所 在1 2 6 1 。电压型三相全桥逆变器的各相输出的交流电压互相牵制，若负载不平衡，很容易造成 三相交流电压的波动，进而引起波形失真，因此电压型三相全桥逆变器对三相负载要求较高， 三相负载平衡能力较差，另外变压器的使用也造成了三相逆变电源的重量和体积增加。 电压型三相半桥逆变器的输出交流电直接是三相四线制，它是利用电源输入端的两个串 联电容的中点作为输出中点构成三相四线制输出，输出交流电的每相都是独立的，各相之间 1 l 匿 两南大学硕， ：学位论文 曼ii i 曼曼! ! 皇! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼笪曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! ! 曼苎皇曼! 曼 不存在耦合关系，在此，可以把电压型三相半桥逆变器看成三个输出电压幅值相等、频率相 同、相位互差1 2 0 0 的单相半桥逆变器的组合。由于输出各相间没有耦合关系，电压型三相半 桥逆变器控制相对电压型三相全桥逆变器来说比较简单，不需要变压器进行输出转换，三相 负载平衡能力较强，但在设计中要注意，因采用的是输入端的两个串联电容作为输出中点， 为防止中点电位的偏移，串联电容的取值必须很大。 综合考虑，选择电压型三相半桥逆变结构作为本论文三相逆变电源的逆变结构。 3 3 电压型三相半桥逆变器基本工作原理 电压型三相半桥逆变器输出各相独立，同一桥臂的两个开关器件交替导通，绝对不允许 同一桥臂的两个开关器件同时导通，否则会引起电路短路，造成开关器件损坏。 在一个周期内，三相交流电正弦波形如图3 5 所示，出现正幅值( 或相应零值) 的顺序 是u v w 【2 7 1 。在6 0 。区间，由图3 5 可以看到u 相、w 相电动势为正，v 相电动势为负； 6 0 0 1 2 0 0 区间，u 相电动势为正，v 相、w 相电动势为负，由此可以看到在6 0 0 时，u 相、v 相电动势正负没有发生变化，w 相的电动势则由正转换为负，此后每6 0 。都必有某一相电动 势发生变化，以此将电压型三相半桥逆变器划分为六种工作状态( 以星形联接为例) ，如图 3 - 6 所示。三相半桥逆变器的各相输出独立，以u 相为例：在0 - 1 8 0 。区间内，u 相电动势为 正，对应桥臂的上开关器件根据控制脉冲导通或断开，而下开关器件一直处于断开状态， 1 8 0 0 3 6 0 0 区间内，u 相电动势为负，对应桥臂的上开关器件一直处于断开状态，下开关器件 根据控制脉冲导通或断开，即同一桥臂上、下开关器件遵循1 8 0 0 工作方式，与单相逆变器控 制方式相同，而三相逆变器输出交流电各相相位互差1 2 0 0 ，每隔6 0 0 都有一相电动势由正转 负或由负转正，所以每隔6 0 。开关器件工作状态就必须重新设置。 二x 二x 二二x 图3 5 三相交流电正弦波形 f i g 3 5t h r e e - p h a s ea cs i n ew a v e 0 - - 6 0 。区间内：开关器件t 1 、t 4 和t 5 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导通或 截止，t 2 、t 3 和t 6 完全截止，如图3 - 6 ( a ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电源输 1 2 三相逆变器总体没计 入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 6 0 0 1 2 0 。区间内：开关器件t 1 、t 4 和t 6 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导通 或截止，t 2 、t 3 和t 5 完全截止，如图3 - 6 ( b ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电源 输入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 1 2 0 0 1 8 0 0 区间内：开关器件t 1 、t 3 和t 6 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导 通或截止，t 2 、t 4 和t 5 完全截止，如图3 - 6 ( c ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电 源输入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 1 8 0 0 - 2 4 0 0 区间内：开关器件t 2 、t 3 和t 6 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导 通或截止，t 1 、t 4 和t 5 完全截止，如图3 - 6 ( d ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电 源输入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 2 4 0 0 3 0 0 0 区间内：开关器件t 2 、t 3 和t 5 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导 通或截止，t l 、t 4 和t 6 完全截止，如图3 - 6 ( e ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电 源输入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 3 0 0 0 3 6 0 0 区间内：开关器件t 2 、t 4 和t 5 根据输入的正弦脉宽调制信号( s p w m ) 导 通或截止，t l 、t 3 和t 6 完全截止，如图3 6 ( f ) 所示，输出三相正弦交流电流经负载与电 源输入端两个串联电容的中点相配合构成三相四线制输出。 1 3 1 4 两南大学硕十学位论文 ( e )( f ) 图3 - 6 电压型- t f l 半桥逆变器基本工作原理 f i g 3 - 6t h ep r i n c i p l eo fv o l t a g et h r e e -