DCAC逆变器装置综述

DC/AC 逆变器装置综述1.使用背景DC/AC 逆变器是应用功率半导体器件 ,将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置 ,供交流负载用电或与交流电网并网发电。随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用 ,新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术 -逆变技术能将蓄电池、 太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。因此 ,逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。2.逆变技术传统的 DC/AC 逆变器采用低频环节逆变技术 ,主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制 SPWM 逆变器。1 方波逆变器 方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成 ,如图 1a所示。 推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。一种调压方法是调节功率开关 S1、 S2 驱动信号占空比 ,从而改变输出电压 uAB 即 uCD 的脉宽 ,如图 1b所示。但这种调压方法存在明显缺点 ,即感性负载储能回馈到电网时 ,变压器 T副边绕组感应有阴影部分电压 ,这部分电压随感性负载电感分量加大而加宽 ,纯电感负载时有效脉宽调节范围为 0～ Ts/4,而纯电阻负载时有效脉宽调节范围为 0～ Ts/2。另一种调压方法是在变压器副边与输出交流滤波器之间加交流调压开关 S3,调节功率开关 S3 驱动信号占空比 ,即可调节输出矩形波脉宽 ,交流开关将方波电压变成脉宽可调的矩形波电压。2 阶梯波合成逆变器 为了减小方波逆变器输出波形谐波含量 ,可采用 DC/DC 变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路结构 ,如图2a所示。 阶梯波的阶高按正弦规律变化 ,如果每个周期阶梯波的阶梯数为 2N,则需要 N 台单相逆变器或 N/3 台三相逆变器。 每个单相功率电路相同 ,可采用推挽、桥式或三相桥式电路。大功率逆变器阶梯波合成常用的方法是移相迭加法 ,即将 N 个依次相移 P/N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成 ,最大限度地将某些低次谐波互相抵消 ,使合成波的谐波含量最小。因此 ,阶梯波合成逆变器又称为应用“谐波抵消”Har-monic cancellation的逆变器。 每相输出变压器变比和绕组的联接方式由“谐波抵消”理论确定 ,N6 时变压器绕组联接方式及阶梯波合成波形 ,如图 2b、 c所示。图 2 阶梯波合成逆变器电路结构及其原理波形3 正弦脉宽调制 SPWM 逆变器 将正弦波 调制波 与高频载波 三角波 相交生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥功率开关 ,便可得到脉宽宽度按正弦规律分布的 SPWM 波 uAB,如图 3 所示。 图 3b为单极性正弦脉宽调制波 ,图 3c为双极性正弦脉宽调制波。 正弦脉宽调制 SPWM 逆变器电路的特点为 1变压器仍工作在工频 ,体积大且笨重 ,体积与重量仅和输出电压频率有关 ,与逆变器开关频率无关 ,提高逆变器开关频率并不能减小变压器体积和重量 ; 2输出滤波器体积、重量小 ; 3对于输入电压和负载的波动 ,系统的动态响应特性好 ; 4变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善 ; 5功率器件开关频率高 ,开关损耗增加 ,降低了系统变换效率。在低频环节 DC/AC 逆变技术中 ,由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关 ,只和输出电压的频率有关。为克服此缺点 ,必须采用高频环节逆变技术。图 3 正弦脉宽调制逆变器电路拓扑及其原理波形3.发展现状DC/AC 逆变器具有广泛的应用前景 ,可应用到如下领域 （ 1）以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的场合 ,如航空静止变流器 27V 或 70VDC/115V400HzAC 、通讯静止变流器 48VDC/220V50HzAC; （ 2）以变频或恒频交流电为主交流电源且采用交 -直 -交变换方案的场合 ,如飞机变速恒频电源 变频交流电 /115V400HzAC 、新型风力发 电 电 源 变 频 交 流 电 /220V50HzAC 和 变 频 电 源 220V50HzAC/115V400HzAC 或 115V400HzAC/220V50HzAC; （ 3）不间断电源 UPS 中的核心环节 -逆变器 ; （ 4）作为校表台产品的电压、电流标准源 -电压功率放大器、电流功率放大器。4.未来趋势1.太阳能发系统太阳能发电系统在资源贫乏的国家利用取之不尽的大阳能是很重要的。但是以前由于太阳能电池等价格高 ,一般来说还没有普及。最近 ,为了促进普及在系统中因被认为是反潮流的可不要蓄电池。 采用逆变器技术可以将太阳能电池发出的直流变成交流后返回系统。2.有源滤波器近年来 ,以电视摄像机和个人计算机为代表的电子设备增加了由于这些设负是依靠直流电源工作的因此需将系统电源的交流变成直流来利用。 为此流向系统的低高次谐波增加了针。 对这一点需确定抑制高次皆波的控制线并制定规范。在国外也在进行这一工作。 特别是欧洲的规范更严。 因此用户必须对导线采用对应措施。另外在进相电容与系统变压器等的电感之问 ,由于低高次波共振引起的过大电压和过大电流问题 ,在电源侧应有必要的措施。 为改善电源质鱼仅采用无源滤波器并不能满足要求必须采用有源滤波器。所以需要检测流过系统的高次谐波电流用逆变器技术使补偿电流通过系统。5.总结DC/AC 逆变技术具有广泛的应用前景。 DC/AC 逆变技术可分为低频环节逆变技术和高频环节逆变技术 ,后者取代前者是发展的必然趋势。 高频逆变环节是实现高功率密度、 高变换效率逆变器的合理方案。参考文献[1] 张友军、陈道炼 .UC3875 在正弦脉位调制高频交流环节逆变器中的应用研究 .电工技术杂志 [J],2001,No.12,pp.30～ 32. [2] 张友军 .高频脉冲交流环节航空静止变流器研究 .南京航空航天大学硕士学位论文 ,2002.