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2.逆变系统基本结构及控制策略
2.1现代逆变系统基本结构
逆变的直接功能是将直流电变换成交流电。逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路(或控制回路)。逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路等等。
下面对各个部分做一些简单介绍： (1)输入电路
逆变主电路输入为直流电，若是直流电网(如煤矿，矿山，电车等)、蓄电池贮存的电，或者是直流发电机发出的电，或者直流电动机和变频调速交流电动机制动时再生直流电，则输入电路包括滤波电路和EMI对策电路。若是交流电网，除了滤波和EMI对策电路外，首先还要有整流电路。
(2)输出电路
输出电路一般都包括输出滤波电路和EMI对策电路，对直流输出的逆变系统还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。
(3)控制电路
控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的一导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路和逆变主电路同样重要。
(4)辅助电源和保护电路
辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。若是直流输入，则是一个或几个DC/DC变换器：若是交流输入，则可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用DC/DC变换器。
保护电路主要包括：
①输入过压、欠压保护。因为是电网问题，一般是可以自恢复的。 ②输出过压、欠压保护。一般是故障问题，最好是不可自恢复。 ③过载保护。有时是瞬间过载，所以应是可自恢复的。
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④过流和短路保护。属于故障，所以应该是不可自恢复的。
⑤过热保护。当环境温度过高或长时间超负荷运行，逆变器会出现过热自动保护，但冷却系统应继续工作，在温度降到一定值后，应能自动恢复工作。
(5)逆变主电路
逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开关电源、UPS、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括逆变变压器。非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式，用它们也可以组成各种隔离式逆交主电路。 2.2 SPWM控制技术及其原理 2.2.1逆变系统的原理
本文所研究的电源是为了在输出得到稳压恒频的交流电压信号，故采用电压型逆变电路。在同一直流电压输入情况下，全桥逆变电路输出电压是半桥逆变电路输出电压的二倍，故文中逆变电源逆变器部分采用全桥逆变电路。
下面介绍电压型全桥逆变电路：电路原理图见图2-1。
图2-1电压型全桥逆变电路
它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通
，即1、4
导通时关断2、3；2、3导通时，关断1、4。负载为阻感负载时，其输出波形如图2-2所示。图中VDl，Vl，VD2，V2相继导通的区间，分别对应与图中的VDl和VD4，Vl和V4，VD2和VD3，V2和V3相继导通的区间。值得注意的是，功率管的驱动信号虽然为
互补驱动模式，但是功率管的实际导通角则与负载电流-电压相位角有关。当负载为纯阻性负载即逆变器的输出电流、电压相位角为零时，在电压正半周功率管VT1、VT4导通，而在电压负半周功率管VT3、VT2导通，即逆变器中的续流二极管不工作；而当负载电流、电压相位角不为零时，在电流正半周功率管由两种导通组合，即电压正半周时VT1、VT4导通或电压负半周时
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VD2、VD3导通，在电流负半周功率管也相应由两种导通组合，即电压负半周时VT2、VT3导通或电压正半周时VD1、VD4导通，显然当负载电流、电压相位角不为零时续流二极管工作，以缓冲负载与逆变器直流侧电容间的无功能量交换。
udoл2лtiooVD1VD42ллV1V4VD2V2VD3V3
t图2-2电压型全桥逆变电路输出波形
对其电压波形进行定量分析，把幅值为
的矩形波
展开成傅立叶级数得：
(2-1)
其中基波的幅值和基波有效值分别为
(2-2)
(2-3)
于是由逆变原理可知，如果控制IGBT的开通与关断的频率，那么输出电压的频率和IGBT的开关频率便存在一定的对应关系：控制IGBT的开通与关断的占空比，那么输出电压的有效值也和IGBT的开关占空比便存在一定的对应关系，因此产生精确控制IGBT开关驱动信号SPWM便成为了本文研究的重点。
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2.2.2 SPWM控制基础
在分析SPWM之前，必须要了解PWM(Pulse Width Modulation，PWM)及其相关知识，这是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形包含形状和幅值)的。
(1)冲量
冲量(指窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，即具有惯性环节的输出响应波形基本相同(低频段非常接近，仅在高频段略有差异)，如图2-3所示，其中u(t)为电路的输入信号，i(t)为输出信号。
图2-3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
（2）面积等效原理
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即是窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2-4中a,b,c所示的三个窄脉冲形状不同，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节时，其输出响应基本相同。上述被称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
图2-4 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
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2.2.3 PWM波形的基本原理
逆变器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同，但是最基本的逆变过程是相同的。下面以最简单的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变原理见图2-5（a）。该图中输入直流电压为E,R代表逆变器的纯电阻性负载。当开关S1,S4接通后,电流流过S1,R和S4时，负载上的电压极性是左正右负；当开关S1,S4断开，S2,S3接通后，电流流过S2, R和S3，负载上的电压极性反向。若两组开关S1,S4,S2,S3以频率f交替切换工作时，负载R上便可得到频率为f的交变电压U0，其波形见图2-5(b)，该波形为一方波，其周期T=1/f。图示的电路和波形只是逆变过程基本原理的示意描述，实际上要构成一台实用型逆变器，还需要增加许多重要功能电路和辅助电路。 （a） 图2-5 单相桥式逆变电路及其输出波形 单相正弦逆变电源中，逆变器要把市电经整流滤波后得到的直流电或者由蓄电池提供的直流电，重新转化为频率非常稳定，稳定电压受负载影响小的，波形畸变因数满足负载要求的交流正弦波。 2.3 SPWM采样方法对比分析
近年来，正弦脉宽调制(SPWM)技术以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式。
采榉实现SPWM调制方式可分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规划采样法三种。下面对这几种方法律简要的分析：
（1）自然采样法。自然采样法原理如图2-6所示，用一个基波正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点确定逆变器开关模式。
（b） 9