基于多重化技术的逆变电源质量改进研究

 0 引言

随着世界能源日益紧张，绿色环保浪潮的来临，无害能源急剧增多，诸如风能、水能、太阳能的出现对新一轮的能源利用技术提出了更多的要求。这些能源往往要通过蓄电池储存起来，使用的时候通过逆变器转换成所需要的交流电源形式。交流电源的最佳波形是正弦波，而简单逆变电源电路的输出波形和正弦波相去甚远，这种不规则的波形在使用时会产生大量的谐波，而谐波对公用电网和其他应用系统的危害较大，具体表现在：

(1)使公用电网中的元器件产牛谐波损耗，降低效率，容易使中线发热，引起火灾；
(2)谐波引起的噪声机械振动使得电机和变压器局部过热，绝缘老化，降低寿命；
(3)产生的谐振使得继电保护误动作和测量准确性能降低；
(4)强电产生的干扰信号使得附近的通信系统无法正常工作。

上述理由使简单逆变电源电路的进一步推广使用遇到了瓶颈，而使用较为复杂的电路将会增加成本。本文以单相逆变电源电路为例，将简单逆变电路做成多重化结构，并采用NI公司的仿真软件multism 10对各逆变电路进行仿真分析，得到较为理想的正弦波形。

1 基本单相桥式逆变电路

基本单相桥式逆变电路如图1所示。S1～S4是逆变电路的四个臂，由电力电子器件及其辅助电路构成。当开关S1，S4闭合，S2，S3断开时，负载电压为正；当开关S1，S4断开，S2，S3闭合时，负载电压为负，即把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率，可改变输出交流电的频率。



2 一重单相桥式逆变电路

把基本单相桥式电路中的S1～S4用大功率器件代替，采用变压器输出，可构成电压式一重单相桥式逆变电路，其仿真电路和仿真结果如图2所示。具体参数选择如下：Q1～Q4采用大功率器件IRG4BC40W，D1～D4为续流二极管1N4007GP，V1为100 V直流电源，V2、V4为15 V、50 Hz开关信号。其中V3相位滞后V290°。由输出波形可知该波形周期约为20 ms(频率50 Hz，与开关信号频率相同)，最大值11．407 V，显然输出波形谐波分量较多，与理想正弦波相去甚远。为得到更好的波形输出，下面采用多重化技术搭建二重单相桥式逆变电路。

3 二重单相桥式逆变电路

运用多重化技术，对一重单相逆变电路进行二重化构造。具体方法如下：首先搭建两个单相逆变电路，每个单相逆变电路的元器件选择同图2。并使并使开关信号V4滞后V290°，V5滞后V390°，再使V3滞后V260°，V5滞后V460°，最后将其输出通过变压器T1和T2串联。这样设置参数可使两个一重单相逆变电路所含的某些主要谐波分量相互抵消，仿真电路和输出波形如图3所示。由输出波形可知周期约为20 ms，最大值为17．704 V，可见输出波形已经比较接近正弦波。虽然其逆变效果优于单重逆变电路，但是与理想正弦波仍有一定距离，下一步构造三重单项桥式逆变电路。


4 三重单相桥式逆变电路

将三个结构完全相同的单相全控桥式电路的开关信号按一定的相位差连接起来，并把三个输出变压器T1，T2，T3串联可构成三重单相桥式逆变电路。开关信号参数设置如下：使V4滞后V290°，V5滞后V390°，V7滞后V690°，再使V3滞后V260°，V6滞后V360°，仿真电路和输出波形如图4所示。由输出波形可知周期约为20 ms，最大值为17．704 V。显然该波形已非常接近正弦波，如果加上适当的滤波电路，即可得到非常理想的正弦波形。


5 结语

由以上分析可知，采用多重逆变电路，只要合理设置开关信号的相位差，就可获得较好的逆变效果，且重数越多，逆变效果越好。多重逆变电路有串联多重和并联多重，电压型逆变电路多用串联多重方式；电流型逆变电路多用并联多重方式。本文采用的是串联连接方式，实际使用时可根据需要采用不同的连接方式。以此类推，三相电路也可以根据需要进行多重串联或多重化并联连接，只需在变压器的连接方式上加以变化即可适应不同场合的要求。