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4、现代逆变电源的发展概况-小型发电机逆变器专

发布时间2020-05-23 17:29  来源:汽油发电机   作者:萨登 查看:
现代逆变电源的发展概况
逆变技术的原理早在1931年就在有关的文献中提到过。但直到1948年,美国 西屋电气公司(Westinghouse)用汞弧整流器生产了第一只频率为3000Hz的感应加 热用逆变器网叫
1947年,随着世界第一支晶体管诞生,固态电力电子学随之诞生。1956年, 第一支晶闸管问世,标志着电力电子学的诞生,并且开始进入传统发展时期。在这 个时期,逆变器(逆变)继整流器(顺变)之后开始发展。首先出现的是SCR电压 型逆变器。1961年,W.McMurray与B.D.Bedibrd提出了改进型强迫式换相式逆变 器,为当时SCR逆变器的发展奠定了基础。1960年以后,人们开始注意到改善逆 变器输岀电压波形的重要性,并且开始进行研究。1962年,A.Kernick提出了 “谐 波中和消除法”,即后来常用的“多重叠加法”,标志着正弦波逆变技术的诞生。1963 年,F.GTurnbull提出了 “消除特定滤波法”,为后来的优化PWM发奠定了基础, 以实现特定的优化目标,如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。
20世界70年代后期,可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实 用化。20实际80年代以后,电力电子技术与微电子技术相结合,产生了各种高频 化的全控开关器件,并得到了迅速发展,如功率场效应管Power MOSFET.绝缘门 极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管 MCT,以及MOS晶体管MGT等。这就是电力电子技术有传统发展时期进入到高频 化时期。在这个时期,具有小型化和高性能特点的新型逆变电源层出不穷,特别是 脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展"L
1964年,有A.Schonung和H.Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到逆变 技术中的正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM ,SPWM),由于当时开关器件的速 度慢而未得到及时推广,直到1975年才有Bristol大学的S.R.Bowes等人把SPWM 技术正式应用到逆变电源中,是逆变电源的性能大大提高,并且得到了广泛的应用 和发展,也是正弦波逆变技术达到了一个新的高度。此后,各种不同的PWM技术 相继出现,如注入三次谐波的PWM、空间向量调制(SVM),随机PWM、电流滞 环PWM等,称为高速开关器件逆变电源的主导控制方式。至此,正弦波逆变电源 的理论发展已经基本完善。
根据以上介绍,一般认为,逆变电源的发展可以分成如下三个阶段:
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, 逆变电源的开关频率较低,输岀电压波形改善以多重叠加法为主,体积重量较大, 逆变效率较低,正弦波逆变技术开始出现。
1981-2000年为高频化新技术阶段,这个阶段的逆变电源的特点是,开关器件 以高速器件为主,逆变电源的开关频率较高,波形改善以PWM方式为主,体积重 量小,逆变器效率高,正弦波逆变技术的理论发展日期完善。
2000年至今为高效低污染阶段,这个阶段的特点是以提高逆变电源的综合性能 为主,低速与高速开关器件并用,多重叠加法与PWM法并用,不在偏向追求高速 开关器件与高开关频率,高效环保的逆变技术开始出现。
在当今的PWM逆变电源中,输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。 为了减小输出变压器的交流滤波器的体积重量、提高逆变电源的功率密度,高频化 仍然是主要发展方向之一,如提高SPWM逆变电源的开关频率,釆用交流传动用变 频器的内高频环(Frequency Link)等。提高SPWM逆变电源开关频率可以减小交 流滤波器的体积重量,内高频环可以减小变压器的体积重量。但变频器的高频化也 存在一些问题,并使开关损耗增加,电磁干扰增大。此外,导体的集肤效应与临近 效应,电容的ESR及此元件的寄生参数等问题都需要解决,其中最重要的是开关损 耗和电磁干扰问题。解决这么问题最有效的办法有两个,一是提高开关器件的速度, 二是谐振或者准谐振的方式使逆变电源开关工作在软开关状态。这就是人们对谐振 的研究产生了兴趣。1970年,F.C.Schwarz提出了电流谐振技术;1975年,N.O.Sokal 提出了电压谐振技术,这两项技术都是用LC与开关器件共同组成一个串联或并联 谐振回路,利用回路在一个开关周期中的全谐振使器件工作在电流转换(并联谐振)

或者零电压转换(串联谐振)的软开关状态,从而把开关损耗降为零。这就是最早 的软开关方式。这种方式虽然有效,当时不能按照PWM方式进行工作。20实际80 年代初,美国弗吉尼亚电力电子研究中心(VPEC)对谐振技术进行了改进,提出 了准谐振变换技术,即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改成半谐振或部分谐 振,这才使得软开关与PWM技术的完美的结合成为可能。由此掀起了一场准谐振 变换器热,并在DC/DC变换器中普遍釆用。在此基础上,美国威斯康星(Wisconsin) 大学的D.M.Divin教授于1986年提出了直流谐振环软开关技术,1987年, O.D.Patterson, D.M.Divan 教授又提出 了伪谐振支路(Pseudo-Resonant Pole)软开 关技术,受到了电力电子学界的普遍关注,D.M.Divan教授也因提出这项新技术而 获得IEEE工业应用分支优秀论文一等奖。此后,掀起了全球性研究软开关逆变技 术的热潮。软开关技术研究的最终目的,是实现PWM软开关技术,也就是将软开 关技术引进到PWM逆变器中,使它既能保持原来PWM调制的优点,又能实现软 开关工作。为此,必须把LC与开关器件组成一个谐振网络,使PWM只有在开关 转换过程中才产生谐振,实现软开关转换,平时则不谐振,以保持PWM逆变器的 特点。
PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一,是实现 电力电子技术高频化的最佳途径,也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于 逆变电源性能的提高和进一步推广应用,以及对电力电子学技术的发展,都有十分 重要的意义,是当前逆变电源的发展方向之一。


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