船用小型三相逆变电源系统设计文献综述

东海科学技术学院毕业论文（设计）文献综述题目：船用小型三相逆变电源系统设计系：机电系学生姓名：黄利斌专业：电气工程及自动化班级：C06电气（1）指导教师：聂振宇起止日期：2009.11.15_--2009.12.152009年11月15日“船用小型三相逆变电源系统设计”文献综述前言：利用晶闸管电路把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车，当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行，机车的位能转变成电能，反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机，要使它迅速制动，也可让电动机作发电机运行，把电动机的动能转变为电能，反送到电网中去。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下，同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去,叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。主题：逆变技术的原理早在1931年就有人研究过，从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需按输入直流电源性质分类）电压源型逆变器电流源型逆变器推挽逆变器半桥逆变器（按主电路拓朴结构分类）全桥逆变器（按功率流动方向分类）单向逆变器双向逆变器（按负载是否有源分类）有源逆变器无源逆变器低频逆变器工频逆变器（按输出交流电的频率分类）中频逆变器高频逆变器（按直流环节特性分类）低频环节逆变器高频环节逆变器5要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到16位单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较好的应用[3]。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。逆变器为完成DC一AC变换的装置，通过控制系统中电子开关的开通和关断来进行完成电能的变换。按照冲量一样而形状各异的窄脉冲加在具有惯性的环节上时的效果基本相同，即采样控制理论的冲量等效原理，PWM(PulseWidthModulation)一脉宽调制技术通过限定开关周期而更改导通比以实现输出电压控制[2]。逆变器的输出可为单相或多相，目前实际系统中大都仅仅使用单相或三相，不论怎样复杂逆变电路，其基本组成单元仍然是单相半桥逆变[1]。PWM逆变器具有很广泛的应用范围。它的应用不仅体现在明显的需要DC一AC变换，而且还应用在一些AC一AC变换的情况。在很多的AC一AC变换的情况是需要通过DC一AC变换来作为中介的变换装置。资源日益短缺的严酷的现实迫使我们对可再生的能源的研发和利用，风能和太阳能、地热、海洋潮汐等新能源被更加地重视，SPWM逆变器是将这些能源变换成电能的关键设备。软开关技术、多电平技术、并联技术、数字化控制等技术近年来被SPWM逆变器越来越多地应用。其中数字化己成为当今逆变器发展的主流。SPWM逆变器的数字控制技术：随着数字信号处理技术不断前进，逆变器数字控制越来越广泛地被应用，模拟控制存在许多自身固有的缺点，由于硬件上主要采用了大量的分立元件和电路板，势必会存在因为器件的老化、温度引起的漂移问题而造成系统的可靠性下降，而且调试硬件的繁琐;在产品换代、标准化、模拟控制的逆变电源监控功等存在麻烦等等。数字控制比较于模拟控制而言，具有控制灵活，系统升级容易，数字控制的微处理器通常片内外资源丰富，在设定硬件的配置后仅仅通过修改控制软件就可以用高级的控制方法和智能策略以提高原控制系统的性能;控制系统在可靠性和标准化方面以及智能监控系统、远程监控的实现等方面比模拟控制系统具有的明显优势，此外，数字控制还带来的诸多好处如系统的一致性较高，成本低，生产制造方便以及易组成大规模的可靠性高的逆变电源并联系统等。逆变电源运行可靠性的提高和增大电力供应容量的有效途径之一是逆变电源的并联技术。逆变电源单元模块的数字化控制是为了得到高性能的并联运行的逆变电源系统的重要基础之一。在每个并联运行的逆变电源单元模块实现了数字化后，可更方便自如地进行模块之间环流抑制的控制和多个逆变器模块之间的通讯或者在每一个模块中完成复杂的均流控制算法，从而实现高可靠性、高冗余度的可实际应用的逆变电源并联运行系统。数字控制技术的发展一方面表现在应用高性能的控制芯片，目前占市场份额较大的像TEXASINSTRUMENTS，MOTOROLA，ADI等知名公司，都有宜于逆变电源控制的DSP(数字信号处理器)芯片，在功能、性能也不断地提升，中大功率电力电子应用场合下，DSP已成为主流控制芯片。数字控制技术的发展体现的另一方面先进的控制策略的运用。一些先进的控制策略应用于逆变电源的控制正是有了应用高性能的控制芯片DSP作为硬件的基础[4]。在应用到SPWM逆变器的各种数字控制策略里，其中无差拍控制(deadbeat)具有对精确数学模型依赖的缺点，通过给出精确计算的控制量，使得受控量的偏差在一个采样周期时间内得到变更。逆变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载等引起的输出波形周期性畸变，但是其存在的显著缺点是其控制的实时性不好，动态响应速度慢以及排除干扰对输出的影响的时间要多于一个参考周期。滑模控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不够灵敏，系统的鲁棒性特别强。但是滑模控制不好确定理想滑模切换面、采样率会对控制效果有制约、高频抖动现象也是个突出的问题，另外还具有在研发过程中需了解系统不明了性参数和扰动的边际等缺陷。关于数字控制技术在逆变器中的应用文献和研发实践很多，除了上面介绍的技术以外，国内外文献中还讲到了神经网络控制、模糊控制等等，但这些技术尚未存在较成熟的应用在逆变器的数字控制中。数字控制与模拟控制相比有诸多的优势，但同时数字控制系统也存在其特有的问题，传统的PID控制技术以其算法明了、较强鲁棒性已经在模拟控制UPS逆变器系统中得到了较为宽广的应用，但其数字控制后的系统性能常常并不优于模拟控制。对这一问题，国内外文献中的研究成果较少，在研究逆变器的数字控制的固有的缺陷的研究里，文献中对此的分析包括:逆变器的数字控制因模拟数字采样和进行必须的量化处理带来的不可避免的误差;逆变器的数字控制因数字处理器采样、计算延时造成的SPWM逆变电源最大占空比受限;零阶保持器给逆变电源造成的性能的影响[5]。我国自1962年试制成功晶闸管以来，以普通晶闸管和硅整流管为主体的变注技术、逆变电源技术有了很大的发展，器件质量有较大的提高，派生型晶闸管，职快速、双向、可关断和逆变电源导器件有较快的发展，产品产量大幅度上升。近10多年来，经过精心设计，加上工艺、测试、可*性以及装备等方面的研究，器件容量定额大大提高，静、动态特性午到改善。我国已自行设计和研制出1000A，1200V，30μs的快速晶闸管；100A，600V以上的功率开关晶体管；40，60A，1000V以上的快速二极管。此外，50，100A的大功率场效应晶体管、IGBT在90年代初也开始试制生产。同时，在变频调速、稳压电源、不间尖、电镀电源、电阻焊、弧焊电源、电子束电源、中高频加热及热处理、电化学等方面已广泛应用逆变电源技术和产品，并拥有数十个系列和数百个规格的这类产品。其中包括单机容量为250，350kVA的晶闸管变频器；单机容量为1000kVA以上的不间断电源装置；250kVA的IGBT式电阻焊逆变电源器；33kVA的IGBT式弧焊逆变电源器；15，30kVA的场效应晶体管式的弧焊逆变电源等。目前市场的主要逆变电源产品有：YKDA-HT高频逆变系列与YKDA-WT工频逆变系列专为邮电通信行业设计，适用于有48V（或-48V）直流动力（直流屏）的程控交换机、计算机机房、网络、计费服务器及事帮照明等场所。YKDA-HD高频逆变系列与YKDA-WD工频逆变系列输入直流电压为110V/220VDC，输出为220VAC/50Hz纯净正弦波交流电源，主要用于发电厂、电力系统、铁路等重要场所。•供个性化应用的开放式软件400Hz小功率逆变电源简介：400Hz系列逆变电源，是为满足军事通信系统、航空通信导航系统的特殊要求而自主开发的新产品，具有高品质的正弦波输出和抗电磁干扰功能，具有优异的动态指标和极高的可靠性，适用于军事通信系统、航空通信导航系统、船舶通信等对交流电有特殊要求的各类负载。400Hz小功率逆变功能特点：1逆变电路采用高频SPWM脉宽调制技术、效率高、输出稳定、可靠性高。2输入与输出之间完全隔离。3主要器件采用优质进口产品，军品级控制芯片，保证了产品的可靠性。4智能化设计，数字型液晶显示面板，可清晰显示各项参数，随时了解电源的工作状态。5具有输出欠压、限流和短路保护功能，避免认为操作失误等带来的故障。6体积小、重量轻、安装简单、使用方便。7可根据用户的电池组定制逆变电源。总结：近年来，我国电力电子技术和市场显示出良好的发展势头，然而应用技术的深度研究尚存不足。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。参考文献：[1]杨晶琦．电力电子器件原理与设计：国防工业出版社，1999[2]高学民.电力电子与变流技术：山东科学技术出版社,2005[3]李序葆.电力电子器件及其应用：机械工业出版社,2000[4]孙进.电力电子技术：西安电力电子技术研究所，2002第36卷地6期[5]王兆安、黄俊．电力电子技术：机械工业出版社，2005.