馬榮，藍(lán)彬恒，程蕊，農(nóng)媛，蔣濤，廖敏樂(lè)，李璨

(廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

1 引言

當(dāng)今世界，隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，能源的消耗越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是諸如石油、煤和天然氣等主要能源的大量使用，造成了現(xiàn)今人類(lèi)面臨的能源危機(jī)。于是新能源的開(kāi)發(fā)和利用就越來(lái)越得到人們的重視。逆變技術(shù)作為利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)，能很有效的將新能源如太陽(yáng)能、蓄電池以及燃料電池等能源轉(zhuǎn)化的非交流電能變換成交流電能，并且能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在現(xiàn)代有著至關(guān)重要的地位。同時(shí)，隨著人們生活中各行業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的不斷提高，逆變技術(shù)還可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等國(guó)防領(lǐng)域以及交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、郵電通信等民用領(lǐng)域。因此，想實(shí)現(xiàn)逆變技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必須更好地分析研究現(xiàn)有各種逆變技術(shù)、逆變控制技術(shù)和功率變換技術(shù)等相關(guān)問(wèn)題。

2 逆變的分類(lèi)

如今逆變技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。太陽(yáng)能電池、蓄電池、干電池等電源是目前現(xiàn)有的各種電源中應(yīng)用得最廣泛的直流電源，若想把這些直流電源應(yīng)用于交流負(fù)載或向電網(wǎng)供電時(shí)，就需要用逆變電路將這些直流電源變換成交流電源。另外，變頻器、交流電機(jī)調(diào)速、不間斷電源(UPS)、有源濾波器(APF)和感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都應(yīng)用到逆變電路。因此，為了能更系統(tǒng)地了解逆變技術(shù)，本文從以下不同的角度對(duì)逆變電路進(jìn)行分類(lèi):

①按照逆變輸入端直流電源的性質(zhì)可分為電流源逆變和電壓源逆變;

②按照逆變輸出端交流的相數(shù)多少可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變;

③按照逆變輸出端交流的頻率大小可分為工頻(低頻)逆變、中頻逆變和高頻逆變;

④按照逆變輸出端交流能量的流向可分為無(wú)源逆變和有源逆變;

⑤按照逆變輸出端電壓的電平數(shù)可分為二電平逆變和多電平逆變;

⑥按照逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半橋式逆變、推挽式逆變、全橋式逆變等;

⑦按照逆變電路的控制方式可分為脈寬調(diào)制逆變(PWM)、脈頻調(diào)制(PFM)逆變和數(shù)字逆變等;

⑧按照逆變功率開(kāi)關(guān)器件的種類(lèi)可分為晶閘管(SCR)逆變、大功率晶體管(GTR)逆變、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)逆變、可關(guān)斷晶閘管(GTO)逆變和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變;

本文著重對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件－晶閘管(SCR)逆變和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的PWM逆變進(jìn)行分析研究。

3 晶閘管(SCR)逆變

晶閘管(SCR)逆變技術(shù)是20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的一門(mén)新興技術(shù)。1966年世界上第一臺(tái)SCR逆變器由瑞士試制成功，它的功率為 750kW，頻率為1000Hz。而在我國(guó)，SCR逆變技術(shù)的研究開(kāi)始于文化大革命后期，這幾十年來(lái)我國(guó)在SCR逆變理論和應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)展。下面以單相橋式SCR逆變電路為例，來(lái)介紹SCR逆變的基本工作原理。

圖1 單相橋式SCR逆變電路圖和工作波形圖

如圖1所示，VT1～VT4是單相橋式電路的4個(gè)橋臂，由電力電子器件晶閘管(SCR)和其他輔助電路構(gòu)成。當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止時(shí)，負(fù)載的電壓Uo為正;當(dāng) VT1、VT4截止，VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載的電壓Uo為負(fù)，這樣就把直流電變換成了交流電。如果想改變輸出交流電的頻率，只要改變兩組控制開(kāi)關(guān)的切換頻率就可以了。

對(duì)于輸出端所帶的負(fù)載不同，其輸出交流電的波形相位也有所差異。當(dāng)輸出端是純電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和負(fù)載電壓Uo的波形相同，相位也相同;而當(dāng)輸出端是阻感負(fù)載時(shí)，電流io滯后于電壓Uo，波形也相應(yīng)地改變。

t1前:VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止，電壓 Uo和電流io均為正。

t1時(shí):截止 VT1、VT4，導(dǎo)通 VT2、VT3，電壓 Uo立刻變負(fù)，但電流io不能立刻反向。電流從直流電源負(fù)極流出來(lái)，然后經(jīng)VT2、負(fù)載和VT3流回到直流電源正極，負(fù)載電感的能量向直流電源反饋，電流io逐漸減小，到t2時(shí)刻正好降為零，隨后電流io才反向并逐漸增大。

由于SCR是關(guān)斷不可控的器件，所以必須增加換流電路來(lái)強(qiáng)迫其關(guān)斷。本文采用負(fù)載并聯(lián)諧振式換流方法。主要由電容和串聯(lián)后的電阻、電感并聯(lián)，使其工作在接近于并聯(lián)諧振狀態(tài)而又略呈容性。電容略呈容性是作為改善負(fù)載功率因數(shù)而接入的，直流側(cè)串接入大電感Ld，電流id基本沒(méi)有脈動(dòng)。

其工作過(guò)程為:

4個(gè)橋臂的SCR切換僅使電流的路徑改變，負(fù)載電流基本呈現(xiàn)矩形波。負(fù)載工作于對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，它對(duì)基波的阻抗很大，而對(duì)諧波的阻抗很小，電壓Uo波形接近正弦。

t1前:VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止，電壓 Uo、電流io均為正，則VT2、VT3的電壓即為Uo。

t1時(shí):觸發(fā) VT2、VT3使其導(dǎo)通，電壓Uo加到 VT1、VT4上使其承受反向壓降而截止，電流則從VT1、VT4切換到 VT2、VT3。

這樣就完成了換流電路對(duì)SCR的切換和關(guān)斷。但需注意，t1時(shí)刻必須在電壓U0過(guò)零之前并且要留有足夠的裕量，才能夠使換流順利地完成。

基于SCR逆變的工作原理以及它的換流方式，本文用MATLAB/Simulink仿真軟件，造建此單相橋式SCR逆變電路，進(jìn)行仿真。

電路圖如圖2所示。

結(jié)果分析:

從仿真結(jié)果和基本理論分析可知，SCR逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn):①整體電路的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其所采用的功率開(kāi)關(guān)器件SCR的數(shù)目較少;② 功率開(kāi)關(guān)器件SCR的工作頻率相對(duì)較低，因此其變換效率高，輸入輸出電壓相差無(wú)幾;③由于SCR應(yīng)用得較早，因此，其控制技術(shù)也應(yīng)用得較為成熟等。

圖2 單相橋式SCR逆變電路

仿真結(jié)果如下:

圖3 單相橋式SCR逆變仿真輸出波形

但在這種逆變器中，同樣地也存在其不足之處:①功率開(kāi)關(guān)器件SCR只能將單相逆變橋的輸出端交替地連接到直流電壓端的正極或負(fù)極，輸出的相電壓只能有正、負(fù)電壓值，SCR逆變器輸出電壓中的基波分量值僅取決于輸入直流電壓Ud的大小，難以對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制;② 由仿真波形圖可以明顯地看出，此逆變器輸出電壓的諧波含量很大，其波形畸變相當(dāng)嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足電能質(zhì)量的要求;③ 對(duì)加入濾波裝置而言，所加入的濾波器的體積和重量都相當(dāng)大，并且音頻噪聲也大;④另外，該逆變方式對(duì)于負(fù)載的波動(dòng)、電網(wǎng)的電壓、和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也很不理想。

綜上所述，這種逆變器比較適用于高變換效率和低成本，而對(duì)重量和體積要求不是很高的場(chǎng)合。傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)就是采用這種逆變方式的，它適用于遠(yuǎn)距離、高電壓等級(jí)輸電的場(chǎng)合，而不能用于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)或中低壓等級(jí)的供電，而且在受端的交流系統(tǒng)中必須配有相應(yīng)的同步調(diào)相機(jī)或者發(fā)電機(jī)。由此分析可知，SCR逆變技術(shù)有很大的應(yīng)用缺陷，所以，比它更優(yōu)的逆變技術(shù)－IGBT的PWM逆變技術(shù)隨之產(chǎn)生。

4 PWM逆變技術(shù)

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了第一代絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因其具有良好的特性:高輸入阻抗，可采用邏輯電平來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電壓控制，開(kāi)關(guān)頻率高，飽和壓降低，電流、電壓容量大，抗浪涌電流能力強(qiáng)等。因此，自1986年開(kāi)始投入市場(chǎng)，IGBT就迅速擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是在逆變技術(shù)方面得到更廣泛的應(yīng)用，為PWM逆變技術(shù)提供了硬件基礎(chǔ)。

4.1 SPWM基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，也就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，最后等效地獲得所需要的波形。SPWM波形(Sinusoidal PWM)就是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形。

生成SPWM波形的基本原理是:用一組等腰三角形(載波)與一個(gè)正弦波(調(diào)制波)進(jìn)行比較，把兩者相交的時(shí)刻作為開(kāi)關(guān)管IGBT“開(kāi)通”或“關(guān)斷”的時(shí)刻。正弦波(調(diào)制波)的頻率和幅值是可以控制的，改變它的頻率，就可以相應(yīng)地改變逆變電源輸出電壓的頻率;而改變正弦波的幅值，也就相應(yīng)地改變了正弦波與等腰三角波的交點(diǎn)，使輸出的脈沖序列寬度發(fā)生變化，從而改變逆變電源輸出電壓的幅值大小。

4.2 單極性脈寬調(diào)制

SPWM分單極性和雙極性脈寬調(diào)制，單極性SPWM控制技術(shù)是用等腰三角波作為載波，與作為調(diào)制波的正弦波進(jìn)行比較，取它們的交點(diǎn)，就分別得到各個(gè)橋臂功率開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，如圖4所示。

圖4 單極性正弦脈寬調(diào)制原理圖

當(dāng)調(diào)制波正弦波的基波電壓的瞬時(shí)絕對(duì)值大于載波三角波的電壓值時(shí)，逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件IGBT導(dǎo)通，反之IGBT截止。各個(gè)橋臂是獨(dú)立控制的，但同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)IGBT在控制上仍然是互補(bǔ)的。由于在輸出電壓的一個(gè)半周期內(nèi)，電壓的極性只在一個(gè)極性方向上變化，故稱(chēng)為單極性脈寬調(diào)制控制。調(diào)制波和載波的交點(diǎn)，決定了單極性SPWM脈沖系列的寬度和兩脈沖間的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。

單極性SPWM的波形為奇對(duì)稱(chēng)的周期函數(shù)，假設(shè)SPWM脈沖序列周期為2π，設(shè)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為f(t)，它在(0，π)內(nèi)的函數(shù)里。將f(t)按傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)可得下式:

由于輸出SPWM波形為奇函數(shù)，所以an=0。則

由此可得總的諧波失真度為:

其中，n為第n次諧波;bn為第n次諧波的幅值;b1為基波的幅值;ton為逆變器開(kāi)通時(shí)間;toff為逆變器關(guān)斷時(shí)間。由諧波失真度公式可知道，THD值越小，說(shuō)明諧波含量越小，逆變器抑制諧波的能力則越強(qiáng)。

4.3 雙極性脈寬調(diào)制

雙極性SPWM控制波形如圖5所示。

圖5 雙極性正弦脈寬調(diào)制原理圖

由調(diào)制正弦波與對(duì)稱(chēng)于橫坐標(biāo)的載波三角波相交后進(jìn)行比較，得到控制IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在雙極性SPWM控制方式中，同一橋臂上的兩個(gè)IGBT控制信號(hào)在相位上總是互補(bǔ)的。由于逆變器的輸出電壓Uo在其半個(gè)周期內(nèi)電壓極性在兩個(gè)極性間變化，所以稱(chēng)為雙極性SPWM控制。

綜合上述基本原理，本文用MATLAB/Simulink仿真軟件，對(duì)PWM控制的三相全橋逆變電路進(jìn)行仿真。仿真電路圖如圖6所示。

圖6 SPWM三相全橋逆變電路圖

仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 SPWM三相全橋逆變仿真輸出A相電壓和A相電流波形圖

結(jié)果分析:

由SPWM原理分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證可知，把SPWM控制技術(shù)應(yīng)用于IGBT逆變器中有以下優(yōu)點(diǎn):①它能很好地滿(mǎn)足逆變器的運(yùn)行特性要求，關(guān)鍵是能靈活地調(diào)節(jié)、控制逆變輸出電壓的頻率和幅值;② 由仿真輸出波形的諧波失真度分析可看出，該逆變技術(shù)的輸出波形的諧波含量相對(duì)較少，因此，可以消除中低次諧波而達(dá)到改善輸出波形目的;③由于開(kāi)關(guān)器件IGBT的開(kāi)關(guān)頻率很高，逆變輸出波形的諧波含有量大大地減少了，所以系統(tǒng)電路中所附加的濾波裝置的體積和重量都得到相應(yīng)的減小;④ 此外，該逆變方式對(duì)于負(fù)載的波動(dòng)、輸入電壓以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性都有很大的提高，所以噪音也得到了很大地改善。

圖8 SPWM三相全橋逆變仿真A相電流波形諧波分析圖

同樣地，這種控制方式也有它的局限性:① 電壓利用率低。由仿真結(jié)果可知，輸出電壓幅值只有輸入電壓幅值的左右，說(shuō)明直流電壓的能源利用率相對(duì)較小。這對(duì)節(jié)能降耗的理念很不符合，因此，SPWM控制方式的逆變器并不適用在大功率的輸電技術(shù)中。②由于開(kāi)關(guān)器件IGBT在多脈沖SPWM的控制下，其工作時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率非常的高，所以它的開(kāi)關(guān)損耗也很大，由此導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱升溫的問(wèn)題也很?chē)?yán)重;③由于在節(jié)能降耗和開(kāi)關(guān)損耗方面的限制，它僅適用于中小功率的逆變器中，而難以用于大功率的逆變器場(chǎng)合;④SPWM控制技術(shù)是一門(mén)高深的技術(shù)，用于逆變器控制致使它的控制系統(tǒng)變得相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致成本提高。

所以由以上綜合分析可得，SPWM逆變技術(shù)適用于對(duì)系統(tǒng)變換成本和能源利用效率要求不太高，而對(duì)裝置體積和重量有較高要求的場(chǎng)合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地介紹了晶閘管(SCR)逆變和SPWM控制的IGBT逆變的工作原理，并以MATLAB/Simulink仿真作為依據(jù)，詳細(xì)地分析了這兩種逆變方式的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。并且，隨著科技水平的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也會(huì)不斷地提高，同樣地，相應(yīng)逆變技術(shù)中的缺點(diǎn)也將會(huì)得到很大的改善。

[1]林忠岳.現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2007.

[2]陳國(guó)呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社，2007.

[3]王忠禮，段慧達(dá)，高玉峰著.MATLAB應(yīng)用技術(shù)——在電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2007，1.

[4]洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009，1.

[5]何伊妮，杭乃善，方柳.新型電磁耦合DC/AC電能傳輸方式研究[C]//第25屆中國(guó)高校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)年會(huì)，2009.

[6]張輝.光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變技術(shù)研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2009.