中北大学2012届毕业设计说明书
1 绪论
1.1 现代逆变电源技术及发展现状
美国贝尔实验室于1956年研制出世界上第一只晶闸管(SCR)，标志着电力电子技术的开始。现代电力电子技术是以电力为主要研究对象的电子技术。它利用电力电子器件对电能进行变换和控制。当代许多高新技术均与电网的电流、电压、功率和相位等各种基本参数的变换与控制有关，而电力电子技术能实现对这些参数的精确控制和高效处理，尤其是能够实现大功率电能的频率变换，为高新技术的发展提供了强有力的支持。因此，现代电力电子技术不仅仅自身是一项高新技术，而且还是其他高新技术的发展基础。如果说微电子技术是信息处理技术，电力电子技术则是电力处理技术。
逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式。电力电子电路的基本功能是使交流电能(AC)与直流电能(DC)之间进行相互转换，基本转换形式有四种，其中将直流电变换成交流电的变换称为DC/AC变换，也即通常所说的逆变。它是电力电子领域中最为活跃的部分。随着电力电子技术的发展，逆变技术也随之不断发展。“现代逆变技术”是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门实用设计技术，己被广泛地用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件(如SCR，GTO,GTR,IGBT，智能IPM功率模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换，因此转换效率比较高，但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数负载要求逆变器输出的是正弦波，这便是逆变技术经要所在。
逆变原理早在20世纪30年代初就被提出过，1948年美国西屋电气公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热逆变器。其发展一般认为分为如下两个阶段： 1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善多以重叠加法为主，体积和重量都较大，逆变效率低下，正弦波逆变器开始出现。1980年到现阶段为高频化新技术阶段，逆变技术发展日趋完善，在器件、电路及控制技术方面呈现出以下特点:
（1）集成化。几乎所有全控型器件都由许多单元胞管子并联而成，也即一个器件
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是由许多子器件所集成。
（2）高频化。从高电压、大电流的GTO到高频率、多功能的STT，其工作频率己从数千赫兹到数兆赫兹，这标志着电力电子技术已经进入高频化时代。目前，GTO的工作频率可达2kHz，GTR可达5kHz，功率MOSFET可达数百KHZ,SIT则可达10MHz以上。 (3)全控化。电力电子器件实现全控化，即自关断，是电力电子器件在功能上的重大突破。无论是双极型的GTO、GTR、SITH或单极型的MOSFET、SIT以及混合型的IGBT、MCT等，都实现了全控化，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换相电路。 (4)控制电路弱电化、控制技术数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子控制电路的弱电化。PWM电路、谐振变流电路以及高频斩波电路，这些本来用于弱电领域的电路如今又成为电力电子电路的主要形式。控制这些电路的技术也逐步数字化。 常用逆变器基本形式有以下凡种分类方法:按照相数分类，可分为单相逆变器和三相逆变器;按照直流侧电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器;按照输出波形可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器;按照输出能量的去向可分为有源逆变和无源逆变;按照逆变器主电路的形式可以分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变;按控制分类，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。
有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。无源逆变应用十分广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要通过无源逆变电路。另外工业用的变频变压电源、恒频恒压电源、感应加热用交流电源中和空调、冰箱等家用电中也有广泛应用。根据先进国家90年代的统计资料，超过60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的，而逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、自动控制技术以及以正弦波逆变为最重要部分的电力电子技术将成为最重要的技术。 1.2 逆变电源的发展方向
电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1969年诞生的逆变电 源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电 子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子技术的飞速发展和各行各 业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电
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源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，现代逆变电源技术的发展主要表现出以下几种趋势: 1.高频化
理论分析和实践经验表明:电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频SDHz提高到20khz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。 2.模块化
模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM )，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。 3.数字化
现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。
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4.绿色化
随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。 5.并机冗余技术
当今对供电系统的要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与电源的并联运行控制密切相关。并联运行主要有以下三个好处:第一:可以用来灵活的扩大逆变电源系统的容量:第二，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性;第三，具有极高的系统可维修性能，在逆变器出现故障时，可以很方便的进行热拔更换或维修。因为，这样的并联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。当前，并联控制方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无线独立控制四种方案。 1.3 论文的主要内容
随着现代科技的发展，对于通信系统、信号系统、电力监控系统、计费系统、计算机网络等一类高端用电设备日益增多，这类设备对供电电源的平稳性、波形等质量要求很高，本论文就是设计这样一种新型的智能逆变电源。第一章以概述的方式说明现代逆变电源技术发展以及现状；第二章对逆变电源的基本原理和结构进行比较相信的阐述；第三章对逆变电源的PWM的控制策略进行了介绍；第四章对设计出来的逆变电源各个部分以及控制系统进行了相信分析；第五章主要内容是控制系统的软件设计。
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2 逆变电源的基本原理和结构
逆变电源的构成除了包括逆变电路和控制电路外，还要有输入、输出电路，辅助电路和保护电路，基本的结构框架和关系如下。
Vi 输入电路 DC 逆变电路 AC 输出电路 Vref 辅助电路 控制电路 保护电路 图2.1 逆变系统结构框图
2.1 输入电路
逆变电源主回路输入可以是直流电或者交流电。当输入是直流电时，一般来自直流电源、蓄电池、直流发电机等等。如果输入的直流电波动较大，可以增加电容滤波电路或者通过电压预调整电路或者稳压等。当输入是交流电时，除了在交流进线侧考虑EMI滤波处理外，还需要整流和滤波，以获得合适的直流电。总之，输入回路的输出是满足一定条件的直流电。 2.2 输出回路
输出回路将逆变器变换的交流电作出进一步处理，以得到谐波量小的交流输出。该部分电路一般由低通滤波电路组成，当输出侧有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。根据对逆变器输出地性能要求，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，这是其输出可能会随着负载或者输入电压的变化而变化。而闭环系统则需要输出电路的反馈量，根据其实际输出大小和给定之间的误差来实时调节，使其输出保持稳定。
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