逆變電源

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逆變電源范文第1篇

1 　引　言

近年來(lái)， 我國(guó)上海、廣州和北京等城市引進(jìn)的地鐵車輛上， 輔助電源均采用了靜止式輔助逆變電源。廣州地鐵和上海地鐵2# 線為IGBT 輔助逆變電源; 北京“復(fù)八線” 為GTO 熱管散熱器自冷式輔助逆變電源。因此開發(fā)和研制地鐵車輛靜止式輔助逆變電源實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化是發(fā)展我國(guó)城市軌道交通的必然趨勢(shì)。靜止式輔助逆變電源與傳統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組供電方式的比較如下:

(1) 靜止式輔助逆變電源直接從地鐵動(dòng)車第三軌受電， 經(jīng)過(guò)DC/ DC 斬波變換后向三相逆變器提供穩(wěn)定的輸入電壓， 通過(guò)VVVF 變頻調(diào)壓控制， 逆變器輸出三相交流電壓向負(fù)載供電， 對(duì)于多路輸出電源， 電路采用變壓器隔離形式。這種輔助逆變電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓品質(zhì)因數(shù)好、電源使用效率高、工作性能安全可靠。

(2) 傳統(tǒng)地鐵輔助電源通常采用旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的供電方案。電動(dòng)機(jī)從DC750V 第三軌受電， 發(fā)電機(jī)輸出三相交流電壓向負(fù)載供電， 對(duì)于直流DC110V 和DC24V 部分用電設(shè)備， 仍需通過(guò)三相變壓器和整流裝置提供電源。這種供電方式機(jī)組體積大、輸出容量小、效率低， 電源易受直流發(fā)電機(jī)組工況變化的影響， 輸出電壓波動(dòng)大， 可靠性差。

2 　地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)方案比較

下面針對(duì)DC750V 地鐵車輛上幾種常用的輔助逆變電源電路結(jié)構(gòu)方案， 進(jìn)行分析和比較。211 　直接逆變方式圖1 是地鐵車輛輔助逆變電源最簡(jiǎn)單的基本電路結(jié)構(gòu)形式。開關(guān)元器件通?？刹捎么蠊β蔊TO ， IGBT 或IPM 。輔助逆變電源采用直接從第三供電軌受流方式， 逆變器按V/ f 等于常數(shù)的控制方式， 輸出三相脈寬調(diào)制電壓向負(fù)載供電。這種電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件使用數(shù)量少、控制方便， 但缺點(diǎn)是逆變器電源輸出電壓容易受電網(wǎng)輸入電壓的波動(dòng)影響， 輸入與輸出不隔離， 輸出的電壓品質(zhì)因數(shù)差、諧波含量大、負(fù)載使用效率低。

圖1 　直接逆變輔助電源電路結(jié)構(gòu)原理圖

212 　斬波降壓逆變方式

斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。此電路主要由單管DC/ DC 斬波器、二點(diǎn)式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經(jīng)過(guò)三相濾波后， 輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓， 作為驅(qū)動(dòng)空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載電源， 同時(shí)三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后， 可實(shí)現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點(diǎn)如下。

(1) 三相逆變器輸出電壓不受輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響， DC/ DC 斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。

(2) 每臺(tái)輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT 元件， 逆變器可以采用較低電壓的IGBT 元件。

(3) 由于逆變器輸入電壓恒定， 對(duì)于只要求CVCF 控制的逆變器來(lái)說(shuō)， 只需要一定數(shù)量的梯波輸出， 即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調(diào)制電壓， 諧波含量小于5 % 。

(4) 斬波器分散布置在每臺(tái)車的電源上， 機(jī)組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。對(duì)于供電網(wǎng)， 雖然每臺(tái)電源斬波的開關(guān)頻率相同， 但它們之間的斬波相位差是隨機(jī)的， 同樣可實(shí)現(xiàn)斬波器多相多重?cái)夭ㄗ饔谩?/p>

(5) 隔離變壓器的使用實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸入與輸出負(fù)載之間的電氣隔離。

圖2 　斬波降壓逆變方式電路結(jié)構(gòu)原理圖

213 　兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞?/p>

與單管直接DC/ DC 斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同， 兩重?cái)夭ㄆ魈娲薉C/ DC 單管斬波器， 開關(guān)元器件可采用GTO 、IGBT 或IPM 。電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。其特點(diǎn)如下。

(1) 采用兩重?cái)夭ㄆ鳎?當(dāng)上、下兩個(gè)斬波器控制相位互相錯(cuò)開180°時(shí)， 可以使斬波器的開關(guān)頻率相應(yīng)提高一倍， 因而可大大減小濾波裝置的體積和重量， 降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動(dòng)量， 提高輔助逆變電源的抗干擾能力。

(2) 兩重?cái)夭ㄆ鏖]環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用， 因此可提高逆變器的輸出效率。

(3) 兩重DC/ DC 斬波器與單管斬波器相比， 開關(guān)元器件和斬波器的附件多了一倍， 但管子的耐 壓可降低一半， 提高了元件的使用裕度和設(shè)備的安全可靠性。

(4) 直流供電網(wǎng)與負(fù)載之間的變壓器隔離以及相應(yīng)設(shè)計(jì)的濾波器， 可以保證逆變器輸出的三相交流電壓諧波最小， 且可降低對(duì)負(fù)載過(guò)充電壓的影響， 提高負(fù)載的使用壽命。

圖3 　兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞诫娐方Y(jié)構(gòu)原理圖

214 　升降壓斬波逆變方式

圖4 為升降壓斬波加逆變的地鐵輔助電源電路結(jié)構(gòu)原理圖， 前級(jí)斬波由一個(gè)平波電抗器及兩個(gè)開關(guān)管、二極管和儲(chǔ)能電抗器構(gòu)成， 升降壓斬波器本質(zhì)上相當(dāng)于兩相DC/ DC 直流變換器， 控制系統(tǒng)采用PWM 控制方式。兩個(gè)開關(guān)管交替通斷， 按輸出電壓適當(dāng)?shù)乜刂泼}沖寬度， 可以獲得與輸入電壓相反的恒定直流輸出電壓。后級(jí)逆變輸出由兩點(diǎn)式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開關(guān)元器件可采用GTO 或IGBT ， IPM 等。此電路的特點(diǎn)是: 電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不影響斬波器輸出電壓的恒定穩(wěn)定， 當(dāng)電網(wǎng)電壓高于斬波器輸出電壓時(shí)， 斬波器按降壓斬波控制方式工作; 當(dāng)電網(wǎng)電壓低于斬波器輸出電壓時(shí)， 斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個(gè)開關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷， 提高了斬波開關(guān)頻率， 降低了儲(chǔ)能電抗器體積和容量以及開關(guān)器件的電壓應(yīng)力， 減小了輸出電壓的脈動(dòng)量。

圖4 　升降壓斬波逆變方式電路結(jié)構(gòu)原理圖

3 　地鐵輔助逆變電源的開發(fā)與研制

鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所早在20 世紀(jì)80 年代末， 已開始采用先進(jìn)的變流控制技術(shù)和新型大功率GTO 和IGBT 元器件， 開發(fā)車載電源產(chǎn)品。先后研制出大功率GTO 斬波器、兩象橋式IGBT 斬波器、驅(qū)動(dòng)大功率直線電機(jī)和地鐵車輛的車載IGBT 逆變器。1999 年研制客車DC600V 供電系統(tǒng)的空調(diào)逆變電源， 并于當(dāng)年6 月在鐵道部四方車輛研究所通過(guò)了性能試驗(yàn)，9 月在武昌車輛段K79/ 80 上裝車運(yùn)行。

2000 年開發(fā)研制出用于內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的空調(diào)逆變電源， 該產(chǎn)品已在南昌內(nèi)燃機(jī)務(wù)段和邵武電力機(jī)務(wù)段裝車運(yùn)行考核。 2002 年針對(duì)北京“ 復(fù)八線” 地鐵車輛進(jìn)口輔助逆變電源的技術(shù)條件， 鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所研制開發(fā)出了DC750V 國(guó)產(chǎn)化地鐵車輛輔助電源工程化機(jī)組， 并通過(guò)鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站的型式試驗(yàn)。開發(fā)研制的DC750V 地鐵輔助電源總?cè)萘繛?0 kVA ， 主要負(fù)荷為照明、換氣扇、司機(jī)室空調(diào)機(jī)組和車輛DC110V ， DC24V 控制電源?？紤]到電源的可靠性和車輛上多路電源的隨機(jī)多重性， 電源主電路采用單管斬波降壓逆變電路， 大功率IGBT 開關(guān)元件和熱管散熱方式?？刂撇捎脭夭ê湍孀冸p閉環(huán)脈寬調(diào)制控制技術(shù)， 保證了電源三相交流輸出電壓穩(wěn)定性好、諧波含量低。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1 。

表1 　地鐵輔助電源裝置主要技術(shù)參數(shù)

這種地鐵輔助電源具有如下特點(diǎn)。

(1) 輔助電源斬波器采用斬波閉環(huán)控制方式， 保證輸入電壓變化時(shí)， 逆變電源中間直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定。

(2) 輸出逆變器的開關(guān)頻率設(shè)定為214 kHz ， 采用了諧波抑制方法， 有效地抑制了輸出電壓、電流諧波含量和對(duì)輸出高頻隔離變壓器沖擊， 提高了逆變器的功率因數(shù)和負(fù)載的使用效率。

(3) 采用三相濾波裝置和隔離變壓器， 實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出、交流負(fù)載和直流輸出電源之間的電氣隔離。

(4) 采用變頻啟動(dòng)方式， 電器負(fù)載的啟動(dòng)電流沖擊小， 有利于延長(zhǎng)負(fù)載設(shè)備的使用壽命。

(5) 控制系統(tǒng)采用了MC80C196 十六位單片機(jī)作為主控制單元， 具有實(shí)施控制、保護(hù)、自診斷、自恢復(fù)、故障存儲(chǔ)、L ED 指示燈和漢字顯示、數(shù)據(jù)傳輸、指令接收等功能。

(6) 控制系統(tǒng)設(shè)有短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、接地等故障保護(hù)功能， 保護(hù)信號(hào)消失后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行， 提高了地鐵輔助逆變電源的安全性和可靠性。

(7) 主控制單元使用箱式插板結(jié)構(gòu)， 便于維修、檢修及更換設(shè)備。為適應(yīng)機(jī)車運(yùn)行中的沖擊大、振動(dòng)大等特點(diǎn)， 機(jī)箱采用金屬框架結(jié)構(gòu)， 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的電磁屏蔽效果。

DC750V 地鐵輔助電源額定負(fù)載試驗(yàn)波形如圖5 ～ 圖8 所示。

圖5 　輸入電壓與輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形

圖6 　輸出電壓、電流波形

圖7 　中間環(huán)節(jié)電壓起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、停止過(guò)程

4 　結(jié)　論

(1) 采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)組供電裝置， 已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(2) 靜止輔助逆變電源方案的選擇， 應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國(guó)外地鐵電動(dòng)車組輔助逆變電源的發(fā)展方向， 研制和開發(fā)出適合我國(guó)城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的輔助逆變供電系統(tǒng)。

(3) 地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標(biāo)志著我們已具備了開發(fā)和生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。

圖8 　輸出電壓、電流起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、停機(jī)過(guò)程

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 　菊池高弘. 日本鐵道車輛用新型逆變器[J ] . 國(guó)外鐵道車輛， 2000 ， 37(5) : 23 —26.

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[ 3 ] 　SIV 使用說(shuō)明書[ Z] . 東洋電機(jī)制造株式會(huì)社， 1998.

逆變電源范文第2篇

關(guān)鍵詞：逆變電源；軟開關(guān)；脈寬調(diào)制；FB-ZVZCS-PWM

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，軟開關(guān)技術(shù)取得了較大的進(jìn)展。在逆變器中，可以利用原有的電路，采用合適的控制模式，添加適當(dāng)?shù)碾姼泻碗娙?，從而?shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)。

軟開關(guān)變換技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在主電路上增加儲(chǔ)能元件L、C產(chǎn)生諧振，迫使功率器件上的電壓或電流迅速降為零，從而提供理想的開關(guān)條件。

1 全橋移相軟開關(guān)逆變電源主電路設(shè)計(jì)

主電路分為三個(gè)部分（見(jiàn)圖1）：

第一部分，輸入整流濾波電路。二極管D1-D4組成輸入整流電路（實(shí)際電路選用整流模塊替代）；C1為高頻濾波電容，隔離電網(wǎng)與逆變電路之間的諧波干擾；電阻R2、R3和電容器組C2、C3組成濾波電路；R1為限流電阻，限制啟動(dòng)時(shí)的合閘浪涌電流；繼電器K控制限流電阻切換，啟動(dòng)后閉合，把R1從主電路去除；電阻R10、R11、穩(wěn)壓管D9與電容C11組成延時(shí)電路，控制R1切換時(shí)間。

第二部分，逆變器。VT1-VT4為功率開關(guān)管IGBT（實(shí)際用兩組半橋模塊組成），與中頻變壓器TF1組成逆變器；電阻R4-R7、電容C4-C7與二極管D10-D13共同組成VT1-VT4的RCD吸收回路，減小IGBT開關(guān)過(guò)程電流、電壓沖擊。

第三部分，輸出整流濾波電路?？焖僬鞫O管模塊D7、D8和直流電抗器L1組成單相全波整流濾波輸出電路；R8、C8與R9、C9組成D7、D8的吸收回路。

2 全橋移相零電壓零電流脈寬調(diào)制（FB-ZVZCS-PWM）變換器

全橋零電壓零電流脈寬調(diào)制變換器使原邊電流在箝位續(xù)流時(shí)間迅速衰減到零并保持，固定臂（VD3，VD4）的開關(guān)管是零電流開關(guān)，移相臂（VD1，VD2）的開關(guān)管是零電壓開關(guān)。這樣，一方面使IGBT很容易的用到全橋軟開關(guān)變換器中，另一方面使變換器附加環(huán)路能量減少，占空比損失變小，副邊寄生振蕩降低，軟開關(guān)切換負(fù)載范圍增寬等優(yōu)點(diǎn) 。

3 軟開關(guān)變換器參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 中頻變壓器的選擇

中頻變壓器主要作用是電壓變換、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離。根據(jù)軟開關(guān)逆變電源技術(shù)參數(shù)要求對(duì)中頻變壓器提出如下技術(shù)要求：工作頻率f為20kHz，變換器輸入電壓U為320V，變換器輸出電壓U0為28V，變換器輸出電流I0最大值為20A。

3.1.1 變壓器磁芯的選擇

由于逆變器的變壓器工作頻率設(shè)計(jì)為20kHz，傳統(tǒng)的鐵心材料硅鋼由于損耗太大，已不能滿足使用要求。磁芯材料只能從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金（非晶態(tài)合金）三種材料中來(lái)考慮。綜合三種材料的性能比較，選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 變壓器匝數(shù)與變比的計(jì)算

二次繞組匝數(shù)N2=N1×U2/U1=60×28/320=5.25，取N2為6匝。

變壓器變比為n=N1/N2=10。

3.1.3 變壓器導(dǎo)線線徑計(jì)算

當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，沿導(dǎo)體截面上的電流分布不是均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，該現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)從根本上說(shuō)，相當(dāng)于減少了導(dǎo)體截面而增加了一個(gè)給定負(fù)載的發(fā)熱程度。導(dǎo)線通過(guò)高頻交流時(shí)，導(dǎo)線的有效面積的減小可以用穿透深度 來(lái)表示。穿透深度 的意義為由于集膚效應(yīng)交變電流沿導(dǎo)線表面開始能達(dá)到的徑向深度。

3.2 功率開關(guān)元件IGBT的選擇

IGBT的作用是通過(guò)它的周期性開和關(guān)作用，把直流電壓變換成方波電壓，它是軟開關(guān)逆變電源中的關(guān)鍵核心器件。由于它比較脆弱，對(duì)它的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個(gè)焊機(jī)的安全、可靠。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流10A。

3.3 隔直電容的選擇

隔直電容主要的作用就是在原邊電流箝位續(xù)流時(shí)間時(shí)與諧振電感發(fā)生諧振，使原邊電流迅速衰減到零并保持，從而實(shí)現(xiàn)固定臂的功率開關(guān)管零電流關(guān)斷。所以隔直電容的設(shè)計(jì)與諧振電感在箝位續(xù)流時(shí)間的伏秒積有關(guān)。

3.4 可飽和電感的設(shè)計(jì)

可飽和電感的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是根據(jù)臨界電流選擇符合性能要求磁芯的飽和點(diǎn)。選擇好合適飽和點(diǎn)的磁芯將相關(guān)參數(shù)帶入式15即可求得相關(guān)參數(shù)，但實(shí)際的可飽和電感受溫度的影響較大，在實(shí)驗(yàn)中要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)匝數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整才能獲得所需可飽和電感。

3.5.1 超前臂并聯(lián)電容和結(jié)電容的等效電容參數(shù)的選擇

因最小輸出電流和最大輸入電壓可以使超前臂零電壓開通時(shí)，大電流和小電壓時(shí)也就能滿足超前臂零電壓開通的條件，要在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前臂的零電壓開通，必需以最小輸出電流、最大輸入電壓來(lái)選擇超前臂功率開關(guān)管VT1 和VT2 的等效電容C1、C2，選定一定型號(hào)的IGBT后器結(jié)電容是確定的，據(jù)此就可以算出IGBT兩端的并聯(lián)電容的值。

3.5.2 固定臂并聯(lián)電容C3、C4和結(jié)電容等效電容參數(shù)的選擇

由軟開關(guān)逆變電源的工作原理的分析可知，只有移動(dòng)臂上的功率開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，固定臂上的功率開關(guān)不但不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，反而其開通時(shí)加載在功率開關(guān)管兩端的電壓是硬開關(guān)的兩倍，即320V。

3.6 輸出電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)

輸出整流濾波電路具有兩個(gè)功能，一個(gè)功能是將中頻變壓器二次方波電壓整流成單向脈動(dòng)電流，并將其平滑成設(shè)計(jì)要求的低紋直流電壓；另一個(gè)功能是抑制開關(guān)整流二極管方向回復(fù)時(shí)間內(nèi)電流急劇回復(fù)產(chǎn)生的尖峰噪聲。由于輸出電路要求整流的信號(hào)是20kHz的方波，與普通的低頻濾波不同，所以對(duì)輸出電路中的元件選擇有著較高的要求。

3.6.1 輸出整流二極管選擇

由于逆變電路工作在20kHZ，所以輸出整流二極管應(yīng)有短的反向恢復(fù)時(shí)間和小的反向恢復(fù)電流，同時(shí)為減小尖峰噪聲反向電流的恢復(fù)以緩慢為好。常用的輸出整流二極管有摻金擴(kuò)散型、外延型、肖特基型及PIN型。考慮留一定的安全裕量，二極管額定電壓按120V，電流15A選取。

3.6.2 輸出濾波電感的選擇

輸出濾波電感具有兩個(gè)作用：一個(gè)作用是用于濾波，使電流連續(xù)。特別是小電流脈動(dòng)大時(shí)，所以輸出濾波電感的選擇以最小直流電流波形連續(xù)為依據(jù)；另一個(gè)作用是改善直流電源的動(dòng)特性。

4 FB-ZVZCS-PWM變換器仿真

仿真結(jié)果分析：

1）從上面四個(gè)仿真圖可以看出，所設(shè)計(jì)的參數(shù)可以達(dá)到變換器的零電壓零電流開關(guān)的要求。

2）實(shí)際中可飽和電感在達(dá)到飽和后，電感值并非完全為零。而在設(shè)計(jì)中由于所用的模塊本身存在的問(wèn)題，只能將可飽和電感理想化，設(shè)定在達(dá)到飽和時(shí)，該電感值為零，相當(dāng)于一條導(dǎo)線。此處存在的誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有較大的影響。

3）所顯示的變壓器原邊電流變化中，并未完全的如設(shè)想的結(jié)果。經(jīng)分析認(rèn)為，電流未出現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)，主要是因?yàn)樵膮?shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)全橋移相軟開關(guān)逆變電源電路進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

a. 通過(guò)比較分析FB-ZVS-PWM、FB-ZCS-PWM和FB-ZVZCS-PWM三種電路的工作過(guò)程，認(rèn)為FB-ZVZCS-PWM工作模式比其它兩種模式更有優(yōu)勢(shì)；

b. 對(duì)逆變電源的工作頻率、IGBT管和隔直電容的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和選擇，經(jīng)過(guò)仿真后，可認(rèn)為是合理的。

參考文獻(xiàn)

逆變電源范文第3篇

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能 全橋逆變電路 保護(hù)電路

0前言

目前，能源結(jié)構(gòu)仍以煤、石油、天然氣等一次能源為主，隨著能源需求的增加，這些一次能源儲(chǔ)量正在日趨枯竭。同時(shí)，煤、石油、天然氣等常規(guī)能源在滿足能源需求的同時(shí)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。因而，要解決能源需求問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源和新能源。

小型高效率太陽(yáng)能逆變電源將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)能量存儲(chǔ)、變換、控制等環(huán)節(jié)，向負(fù)載提供交流電源，可應(yīng)用于各種功率較低的電器，如照明設(shè)備等，對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有重大意義。

1太陽(yáng)能電池板儲(chǔ)能

太陽(yáng)能電池板作為太陽(yáng)能逆變電源中的核心部分，將太陽(yáng)能電池通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能，進(jìn)而用蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲(chǔ)能蓄電池一般為鉛酸電池，有12V和24V這兩種，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。本設(shè)計(jì)采用24V鉛酸電池。

2逆變電路設(shè)計(jì)

逆變主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全橋、半橋、推挽等結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的逆變電源采用全橋結(jié)構(gòu)，電路如下圖2所示。

逆變電源結(jié)構(gòu)由全橋逆變電路、升壓變壓器及LC濾波電路構(gòu)成。其中，全橋逆變電路的每個(gè)橋臂由可控器件MOSFET以及反并聯(lián)的二極管組成，橋臂VT1、VT4為一對(duì)，橋臂VT2、VT3為一對(duì)，對(duì)角橋臂輪流控制導(dǎo)通，二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用；升壓變壓器可將電壓升高到系統(tǒng)所需的電壓等級(jí)，具有電氣隔離、升壓和儲(chǔ)能的作用；濾波電路由電感Lf和電容Cf構(gòu)成，濾除輸出電壓中的高次諧波分量， 實(shí)現(xiàn)正弦波輸出。

3保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為保證電路正常工作，除了主電路之外，還需設(shè)計(jì)必要的保護(hù)電路。

3.1蓄電池反接保護(hù)

蓄電池反接保護(hù)如圖3所示， D0為防反二極管，F(xiàn)U為保險(xiǎn)絲。二極管D0及保險(xiǎn)絲FU構(gòu)成蓄電池反接保護(hù)電路，當(dāng)蓄電池反接時(shí)，二極管D0及保險(xiǎn)絲FU構(gòu)成短路回路，過(guò)大的短路電流使保險(xiǎn)絲L1快速熔斷，從而保護(hù)了蓄電池充電電路中的其它元器件。

3.2 MOSFRT過(guò)壓保護(hù)

為了抑制MOSFET關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓并減小其關(guān)斷損耗，需設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。常見(jiàn)的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型兩類。而充放電型的吸收效果好于放電阻止型，本設(shè)計(jì)采用RCD充放電型關(guān)斷緩沖吸收電路，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

RCD吸收電路并聯(lián)在MOSFET的漏極和源極兩端，關(guān)斷時(shí)吸收電容C的電壓從零開始充電上升，具有較好的過(guò)電壓吸收效果。但電容C從零電壓開始充放電的電流通過(guò)電阻R，造成其功耗較大，當(dāng)運(yùn)行頻率較高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響裝置的運(yùn)行效率。

4小結(jié)

隨著電力電子器件的進(jìn)步及各種新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，太陽(yáng)能逆變電源的應(yīng)用將有更為廣闊的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)中的太陽(yáng)能逆變電源還有值得改進(jìn)的地方，在調(diào)試中將進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

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逆變電源范文第4篇

關(guān)鍵詞：逆變電源；重復(fù)控制；PID控制

中圖分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 引言

PID 控制方法對(duì)階躍信號(hào)可以做到無(wú)靜差跟隨，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性，但將其數(shù)字化后應(yīng)用到正弦波逆變電源系統(tǒng)中，由于各種因素的影響，其穩(wěn)態(tài)輸出特性差。

重復(fù)控制的思想是基于內(nèi)模原理的一種控制方法。它含有正弦的內(nèi)模，不管什么形式的信號(hào)，只要其頻率是基波頻率的倍數(shù)，則該輸出就會(huì)對(duì)其進(jìn)行逐周期累加。既便輸入信號(hào)衰減為零，該內(nèi)模仍然會(huì)逐周期輸出與上周期相同的信號(hào)。因而可以看出該重復(fù)控制與積分環(huán)節(jié)的區(qū)別在于：積分是對(duì)誤差進(jìn)行連續(xù)時(shí)間的累加，而重復(fù)控制是對(duì)誤差以周期為步長(zhǎng)的累加。重復(fù)控制雖然對(duì)周期性擾動(dòng)有很好的抑制能力，但是對(duì)非周期的擾動(dòng)的響應(yīng)速度慢，因此，抑制能力較差。在很多情況下，如突加負(fù)載、突減負(fù)載時(shí)，擾動(dòng)是階躍的、非周期的，但是重復(fù)控制器仍然將擾動(dòng)周期出現(xiàn)的誤差在隨后的周期中試圖來(lái)糾正，但是在隨后的周期中擾動(dòng)并不存在，因此導(dǎo)致控制錯(cuò)誤。與此相反PID控制含有的積分環(huán)節(jié)1/s 是描述階躍信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，因此含有積分環(huán)節(jié)1/s 的系統(tǒng)對(duì)階躍指令可以做到無(wú)靜差跟蹤。本文提出了一種基于重復(fù)控制與PID控制相結(jié)合的控制方法，該控制方法集成了兩種控制方法優(yōu)點(diǎn)，既具有高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形，又具有對(duì)非周期負(fù)載擾動(dòng)有較快的響應(yīng)速度。

2 工作原理

理想的重復(fù)控制器其極點(diǎn)分布在虛軸上，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。為了保證穩(wěn)定性，重復(fù)控制通常采用改進(jìn)型內(nèi)模，如圖1 所示的重復(fù)控制器模塊。圖1中：S（z）為補(bǔ)償器，用來(lái)對(duì)功率級(jí)的特性進(jìn)行補(bǔ)償；Q（z）重復(fù)發(fā)生器的衰減因子，通常|Q（z）|

圖1 重復(fù)控制器

由傳遞函數(shù)可以看出重復(fù)控制的誤差信號(hào)，在經(jīng)過(guò)N個(gè)時(shí)鐘周期的延遲才會(huì)反映到輸出的控制信號(hào)上，因此其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性差。因?yàn)樘岣叻侵芷跀_動(dòng)是重復(fù)控制必須解決的問(wèn)題，根據(jù)內(nèi)模原理，要完全消除階躍信號(hào)擾動(dòng)，則在控制傳遞函數(shù)中必須包含1/s 傳遞函數(shù)?？梢钥紤]將PID控制器或者零極點(diǎn)配置控制器融合到重復(fù)控制中以提高對(duì)非周期擾動(dòng)的響應(yīng)速度。因此，考慮采用如圖2 所示的控制策略。

圖2 復(fù)合控制框圖

這樣反饋控制信號(hào)由兩種控制方法共同產(chǎn)生，因此，控制效果會(huì)兼有兩種控制方法的各自特點(diǎn)。由于控制信號(hào)始終都是由兩個(gè)控制器共同產(chǎn)生的，因此，在非周期擾動(dòng)下重復(fù)控制器產(chǎn)生的錯(cuò)誤的控制信號(hào)仍然會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。同理，我們可以想象到在周期性負(fù)載沖擊下PID控制器也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的控制信號(hào)，但是該錯(cuò)誤信號(hào)可以在重復(fù)控制器多個(gè)周期識(shí)別后給予抵消，因此，影響相對(duì)較小。通過(guò)以上分析可知，在周期性或者非周期性兩種不同的負(fù)載擾動(dòng)沖擊下，如果可以僅使其中正確的一種控制信號(hào)輸出給受控目標(biāo)，則可以避免錯(cuò)誤的控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響，如圖3 所示。這其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是控制器對(duì)周期性和非周期性兩種擾動(dòng)信號(hào)的識(shí)別問(wèn)題，如果可以做到正確識(shí)別，以上的控制思想就可以實(shí)現(xiàn)了。

圖3 新型復(fù)合控制框圖

如圖4所示，為突加、突減負(fù)載時(shí)輸出電壓、輸出電流和控制輸出的響應(yīng)波形。由圖4 可以看出，擾動(dòng)是非周期的、一次性的，但是重復(fù)控制器仍然將擾動(dòng)周期出現(xiàn)的誤差在隨后的周期中試圖來(lái)糾正，但是在隨后的周期中擾動(dòng)并不存在，因此，導(dǎo)致輸出的波形動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差。實(shí)現(xiàn)周期性和非周期性兩種擾動(dòng)信號(hào)識(shí)別的最簡(jiǎn)單方法是做如下判斷，即|e(n)-e(n-N)|＞emax

即當(dāng)前的誤差信號(hào)與上一個(gè)周期的誤差信號(hào)的差值的絕對(duì)值是否大于給定的某個(gè)值emax，當(dāng)大于emax時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)了非周期性擾動(dòng)，在隨后的一個(gè)周期內(nèi)采用PID 控制器輸出的控制信號(hào)，同時(shí)將重復(fù)控制器的輸出信號(hào)置零；否則將PID控制器的輸出置零，僅采用重復(fù)控制器進(jìn)行控制。采用本控制方法的通過(guò)仿真得出PID控制可以在短時(shí)間內(nèi)將非周期擾動(dòng)的影響消除，并且從檢測(cè)到非周期擾動(dòng)出現(xiàn)隨后的一個(gè)周期內(nèi)由PID控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，而在此時(shí)間段內(nèi)重復(fù)控制器需將以前重復(fù)積累的誤差信號(hào)清除，而僅采用PID控制的這個(gè)周期的信號(hào)開始重新積累誤差，從而完全消除了目前不存在的以前積累的誤差的影響。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可看到輸出波形的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，由圖4可以看出重復(fù)控制在負(fù)載移除后，波形需要經(jīng)過(guò)多個(gè)周期調(diào)整才能恢復(fù)正常。而PID 控制在短時(shí)間內(nèi)就可以將擾動(dòng)的影響消除，并不會(huì)影響隨后的輸出波形，但輸出波形品質(zhì)較差。采用復(fù)合控制在移除負(fù)載時(shí)響應(yīng)波形，從圖中可看出在瞬態(tài)時(shí)PID 控制可以在短時(shí)間內(nèi)（與輸出電壓的周期相比，時(shí)間很短）將非周期擾動(dòng)的影響消除，在穩(wěn)態(tài)時(shí)重復(fù)控制可以保證輸出高質(zhì)量的正弦波形，使輸出波形達(dá)到最優(yōu)效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，本文對(duì)數(shù)字PID 控制、重復(fù)控制以及新型復(fù)合控制進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)參數(shù)如下：輸入直流電壓380V，輸出額定功率2kVA 電壓115V，400Hz，開關(guān)頻率25.6kHz，輸出濾波電感0.8mH，輸出濾波電容30μF，負(fù)載電阻7Ω?？刂菩酒捎酶咚傩盘?hào)處理器TMS320F240。實(shí)驗(yàn)波形如圖4－圖9，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 樣機(jī)測(cè)試性能

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,僅有PID 控制時(shí),系統(tǒng)輸出電壓畸變較大,總諧波畸變率超過(guò)5 % ,但系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)波動(dòng)較小。只有重復(fù)控制時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量好,總諧波畸變率小于1% ,但系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)輸出電壓波動(dòng)大、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。采用新型復(fù)合控制方案后,系統(tǒng)同時(shí)得到了滿意的穩(wěn)態(tài)輸出波形和動(dòng)態(tài)效果。

4 結(jié)論

新型復(fù)合控制策略吸取了PID 控制和重復(fù)控制的長(zhǎng)處,克服了它們各自的不足,使系統(tǒng)得到了較為理想的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該控制策略是一種實(shí)用的正弦波逆變電源控制方案,可廣泛應(yīng)用到各種逆變電源系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

逆變電源范文第5篇

關(guān)鍵詞：高頻逆變；電除塵；電源優(yōu)化；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)： TE08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

Abstract: It has been difficult for the old ESP to meet the new dust emission standards, but the update of the equipment costs a lot of money, therefore, how to reach a higher cost performance becomes the focus of attention . After researches we found that the replacement of the industrial frequency power with the high-frequency inverter of the ESP power can greatly improve the collection efficiency, with a high cost performance and a good prospect of application.

Key words: high-frequency inverter; ESP; power optimization; energy saving and emission reduction

0 引言

電除塵器(ESP)是利用電力將氣體中的粉塵分離出來(lái)，從而大幅度降低排入大氣層中的煙塵量，這是改善環(huán)境污染，提高空氣質(zhì)量的重要環(huán)保設(shè)備。在我國(guó)，各類發(fā)電廠，燃煤鍋爐，堿回收鍋爐，水泥廠，垃圾發(fā)電廠，以及有色冶金工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等行業(yè)，都不可缺少地需要配備電除塵器。它具有除塵效率高、阻力損失小、耐高溫、煙氣處理量大、操作自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

我國(guó)的煤炭消耗占總體能源消費(fèi)的60%以上，由此引起的煙塵和SO2污染日趨嚴(yán)重。上個(gè)世紀(jì)80-90年用的電除塵器因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)環(huán)保要求不高，設(shè)計(jì)余地不大，急需更新?lián)Q代。電除塵器供電電源是電除塵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是重要的能耗設(shè)備。提升電除塵設(shè)備供電電源的效率就成為了提高電除塵器效率，達(dá)到國(guó)家環(huán)保的新標(biāo)準(zhǔn)的最有效手段。

1 高頻逆變電源原理及特點(diǎn)

高頻逆變電源電除塵器的核心思想是把三相工頻電轉(zhuǎn)變成直流電，然后再利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)將直流電逆變成高頻交流加以控制，高頻逆變的拓?fù)湫问饺鐖D1所示：

圖1 高頻逆變電除塵電源框圖

其主要特點(diǎn)是：(l)三相整流器把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電，逆變器再把直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交變的方波，這種方式在控制上具有很大的靈活性，主要體現(xiàn)在逆變器可以采用PWM(pulse width modulation)、PS-PWM(phase-shift pulse width modulation)、PDM(pulse density modulation)和PFM(pulse frequency modulation)等多種控制方式或多種控制方式的組合。由于采用了高頻控制，輸出電壓的紋波小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，從而顯著地提高了除塵效率。另外，由于控制方式的靈活性，高頻逆變電除塵電源可以產(chǎn)生特定的高壓輸出波形，以適應(yīng)不同的除塵工況。

(2)逆變器高頻交變方波的輸出形式使得升壓變壓器同時(shí)可為高頻變壓器。在保持升壓比不變的情況下，高頻變壓器的高、低壓繞組匝數(shù)相比于工頻變壓器明顯減少。變壓器體積的明顯減小，相應(yīng)制作變壓器的原材料，如纏繞變壓器的銅、制作油箱的鐵、絕緣用的油等材料的使用都會(huì)大幅度減少。高頻電除塵電源的重量只有傳統(tǒng)工頻電除塵電源的1/5左右。

(3)與傳統(tǒng)的可控硅工頻相控電除塵電源相比，高頻逆變電除塵電源應(yīng)用了全控型功率器件IGBT，開關(guān)速度快，電除塵器發(fā)生閃絡(luò)時(shí)能夠立即關(guān)斷。高頻逆變電除塵電源的上述特點(diǎn)使其具有比工頻電除塵電源更加優(yōu)越的性能。傳統(tǒng)工頻電除塵電源的功率因數(shù)約為0.7，效率約為75%；而高頻逆變電除塵電源的功率因數(shù)達(dá)0.9以上，效率可高達(dá)95%以上，節(jié)能效果非常明顯。

2 高頻逆變電除塵器的先進(jìn)性分析

2.1典型穩(wěn)態(tài)輸出波形對(duì)比

電源的輸出電壓和電流越大，除塵效率越高。而電除塵器工作電壓受閃絡(luò)電壓限制存在上限值，因此，在相同閃絡(luò)電壓下，電除塵電源輸出電流越大，除塵效率將越高。圖2是穩(wěn)態(tài)工作時(shí)高頻逆變電除塵電源與工頻電除塵電源的典型波形對(duì)比圖。

圖2 穩(wěn)態(tài)時(shí)高頻逆變和傳統(tǒng)工頻典型波形對(duì)比

由圖可見(jiàn)，工頻電除塵電源輸出電壓具有較大的紋波，當(dāng)閃絡(luò)電壓為約80kV時(shí)，平均輸出電壓約為60kV，只有閃絡(luò)電壓的75%。而高頻電除塵電源輸出電壓較平穩(wěn)，接近閃絡(luò)電壓。因此，高頻逆變電除塵電源具有比工頻電源更大的輸出電流能力，除塵效率更高。

2.2動(dòng)態(tài)輸出波形對(duì)比

高頻逆變電除塵電源不僅在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有突出優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能同樣優(yōu)異。圖3為高頻逆變電除塵電源和工頻電除塵電源在電除塵器發(fā)生閃絡(luò)和重新啟動(dòng)時(shí)的典型對(duì)比波形。

從上圖中可以看出，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，兩者的輸出電壓都迅速下降，不同的是高頻逆變電除塵電源能夠迅速響應(yīng)，封鎖電源輸出，所以輸出電流也隨之迅速下降至零。而工頻電除塵電源由于不能立即關(guān)斷晶閘管，導(dǎo)致輸出電流存在較大過(guò)流，且要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才逐漸下降至零，在這個(gè)過(guò)程中，大量能量消耗在電除塵器中，并給電源造成很大沖擊。

從圖3中還可以得出結(jié)論，高頻逆變電除塵電源閃絡(luò)持續(xù)時(shí)間短，經(jīng)過(guò)較短的退電離時(shí)間，系統(tǒng)就可以再次重新啟動(dòng)；而工頻電除塵電源由于閃絡(luò)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，火花放電嚴(yán)重，電除塵器產(chǎn)生了大量的空間電荷，所以需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的退電離時(shí)間，系統(tǒng)才可以重新啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，由于高頻逆變電除塵電源的響應(yīng)速度快，因此輸出電壓能夠迅速達(dá)到預(yù)定電壓，而工頻電除塵電源則需要多個(gè)工頻周期后才能達(dá)到。上述兩點(diǎn)表明，高頻逆變電除塵電源的有效除塵時(shí)間將高于工頻電除塵電源，除塵效率更高。

3 高頻電源的應(yīng)用實(shí)例

表1給出了各種工業(yè)應(yīng)用采用高頻電除塵電源后，粉塵排放量相對(duì)于傳統(tǒng)工頻電除塵電源下降的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[9]。

表1 各種工業(yè)采用高頻電除塵電源后排放量下降數(shù)據(jù)

應(yīng)用場(chǎng)合 地點(diǎn) 安裝高頻電除塵電源裝置數(shù)量（臺(tái)） 排放量減少比例

燃煤鍋爐 世界各地 195 ～60%

堿回收爐 Baltic,Canada,South America 143 40-60%

濕式電除塵器 世界各地 103 40-85%

水泥和石灰 Europe 95 ～75%

垃圾 Japan,Europe 51 20-50%

生物鍋爐 Baltic 121 10-40%

玻璃制造 USA, Europe 52 ～60%

從表1可見(jiàn)，高頻電除塵電源在減小粉塵排放量上的效果顯著，平均可高達(dá)50%左右。

4 總結(jié)

從本文的研究可以看出，高頻電源在電除塵器上的使用具有很大的應(yīng)用空間。高頻電源不但可以大大降低電除塵電氣設(shè)備的電耗，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排和應(yīng)對(duì)排放新標(biāo)準(zhǔn)都能起到極大作用。而且高頻電源的改造性價(jià)比高，對(duì)于不方便大規(guī)模更換電除塵設(shè)備的企業(yè)有著很大的吸引力。

參 考 文 獻(xiàn)

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