【摘 要】随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。现代逆变系统就是一种通过整流和逆变组合电路，来实现逆变功能的电源系统。
【关键词】可逆变电源，等离子技术
1．基本概念及工作原理
逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它由逆变桥、控制逻辑和滤波等电路组成，将低压的直流或交流输入电转变成高压（或低压）的恒压恒频交流电的装置，此技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。
图1-1所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成:
图1-1
从图1-1中可以看出。逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流信号SPWM波，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经输出变压器隔离。再由LC滤波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为AC-DC-AC。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构与图1-1基本相同，只是不再需要输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为DC-AC。在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心。
2．逆变技术的历史发展
人们最早一直用旋转型变流机组产生交流电，旋转型变流机组它是由同轴联接的原动机和发电机组成的，其中原动机可以是油机，也可以是电动机， 输出交流电压是发电机发出的。但旋转型变流机组存在噪声大、输出电压的动态特性差、机械损耗和电能损耗较大、效率较低、设备庞大笨重、操作不够灵活等诸多弊病。于是人们一直寻求新型产生交流电的装置，逆变电源就是其中一种。
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60多年历史了，其发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，电力电子器件的发展带动着逆变电源的发展。
第一代逆变电源是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，成为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR是一种没有自关断能力器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。
第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20世纪70年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用关断器件的好处是：（1）简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；（2）提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件，现已成为中小型逆变电源的主流。
第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的SPWM控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：（1）对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；（2）死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；（3）动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；（4）给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大。在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120°要求。
第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种：（1）重复控制；（2）谐波补偿控制；（3）无差拍控制；（4）单一的电压瞬时值控制；（5）带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。
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。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，随着逆变技术复杂程度的增加，所需要处理的信息量越来越大，而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。
目前，逆变电源因体积小、重量轻、节材、节能、转换效果高等特点，已得到了广泛应用。其各种保护功能均可在较低电压下实现，运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强，它具有以下优点：（1）变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；（2）变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；（3）逆变电源能将直流电转换为交流电；（4）逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。
尤其近几年，逆变电源的设计及应用越来越普遍，使得原来普遍使用的可控硅电源从原有效率低、能耗高、体积大、重量重的现状中逐步转为节能、高效的逆变电源。其设计结构合理，安装维修及使用方便，操作灵活，工作安全可靠，适应潮湿、多尘、频繁强烈的冲击震动及电网电压大幅度波动等恶劣环境。
3．逆变电源在等离子点火行业中的应用
3.1等离子的应用现状
等离子体点火技术是通过电源设备产生的直流电在介质气体中接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气（这些空气中含有大量的化学活性粒子，可加速热化学转换），能促进煤粉燃烧甚至完全燃烧，这对于点燃煤粉强化燃烧有着特别重要的意义。
应用等离子体点火技术或微油点火技术可以大大降低锅炉燃油用量，经济效益显著，并且提高了电厂的安全效益和环保效益，是我国目前重点推广的节油技术。它的效益主要体现在三个方面：
（1）成本效益：节省了燃油系统的建设费，基建期间可以取消油库，输油设备及炉前油系统，降低工程造价和油库占地，在机组调试和投产后的节油效益，运行成本仅为燃油点火10%-20%；
（2）安全效益：采用等离子体无燃油电厂技术，取消了油库这种大火灾隐患，提高了电厂消防安全性；
（3）环保效益：在机组试运行期间投入等离子点火系统，电除尘器可在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘等污染物的排放，避免了环境污染，给电厂带来了显著的环境效益。
3.2逆变电源在等离子技术中的应用
在电源装置里加入逆变过程，能提高供电可靠性，供电安全性，同时节约电能，而且逆变电源带载能力强，具备完善的保护功能，能为等离子体发生器提供一种可靠的供电电源。逆变电源在等离子技术中的应用有以下两种方案：
第一种是在有交流电源输入时，逆变设备包括了主电路、控制电路、保护电路、辅助电源、检测设备，工作过程系统框图如下3-1：
图3-1
（1）主电路：完成交流电输入到直流输出的全过程，是逆变电源的主要部分，具体工作过程如下：
1）交流输入滤波：处于整流模块的输入端，包括低通滤波器、浪涌抑制等电路。其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍杂音反馈到其他设备。
2）整流滤波：整流电路就是利用整流开关器件，如半导体二极管、晶闸管(可控硅)和自关断开关器件等，将交流电变换为直流电。除此之外，整流电路还应具有抑制电流谐波和功率因数调整功能。
3）功率因数校正：位于整流滤波和逆变之间，为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗来提升功率因数。
4）逆变电路：将直流电变为高频交流电，这是逆变电源的核心部分，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。
5）输出整流滤波：这部分是由整流滤波及抗电磁干扰等电路组成，给负载提供稳定可靠的直流电源。
（2）控制电路：控制电路的功能是按照产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变电路，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
（3）保护电路：保护电路要实现的功能主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。
（4）辅助电源：提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源（交直流各种等级的电压电源）。可将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作需要的直流电压。对于交流电网输入，采用工频降压、整流、线性稳压等方式。
（5）检测设备：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种仪表显示数据、视频监视等供值班人员记录、观察。
第二种方式是采用蓄电池供电：在没有交流电输入的时候，可采用蓄电池供电。这种方法能实现不间断电源供电，工作过程是由蓄电池经逆变装置逆变后直接向负载正常供电，也就是省去交流输入电的整流过程，绝不会影响正常工作，这种方法可做备用。
4．逆变电源在推广中遇到的问题及对策
目前逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分，虽然自关断器件的产生简化了主电路，但它的开关频率和功率仍受一定的限制，于是逆变电源输出波形正弦度仍不是很理想。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但有些控制方法实现起来仍很困难。再加上可逆变电源本身是个谐波干扰源，对微机保护产生的干扰很大。而且工作可靠性有一定的局限，可靠性高会带来高成本，有的重要变电站为了提高可靠性，不惜采用逆变电源模块备份方式，这样会使成本大大增加。所以目前控制技术的发展对其性能要求也不断提高，特别是当前“绿色”电源的呼声越来越高，因此对逆变电源技术进行深入的研究仍有很大的现实意义。
还有现存的一些可靠性和质量问题，究其原因主要有：（1）技术不成熟，新产品开发力量不足；（2）结构设计和制造工艺结构安排和布线不合理，保护环节没有达到优化配合；（3）质量保证体系不完善，检测测试手段落后；（4）原材料元器件（如IGBT、MOSFYT、磁芯材料等）制造质量不可靠；（5）生产规模小，未能使用生产线和模具进行组装调试。
为此建议有如下对策来解决：（1）抓紧人才开发和国外信息收集，加强专用、成套设备科研测试基地的建设，以确保产品质量和性能；（2）理论计算和试验校正相结合，使决定可靠性和质量高低的关键性主电路设计和保护环节优化配合尽可能合理，最好采用计算机仿真，这样既可节省设计和制造调试逆变器的时间，又可减少逆变主电路元器件的烧损；（3）提高职工队伍素质，完善检测手段。通过电子功率器件的特性测试仪，对关键性的器件（IGBT|、快速二极管等）进行认真检测和挑选、匹配。利用电路板专用测试仪对元器件和整机进行老化和测试试验；（4）尽可能扩大生产规模，以便使用生产线、自动操作机、模具等先进手段，确保产品制造工艺的一致性和准确性，从而确保产品质量的一致性和可靠性。
5． 结束语
逆向技术正向着频率更高、功率更大、功率更高、体积更小的方向发展，尤其近几年，在我们生活中，逆变电源的应用随处可见，利用逆变电源可以实现车载电源，手机充电，笔记本电脑供电，打印机供电，医院救护车上的一些医疗应急设备，还有通信车上的发射机和接收机等都要用到逆变电源，偏远山区的家用太阳能系统也需要逆变电源给家用电器供电，另外火车上和飞机上以及轮船航母也都用到逆变电源。这使得逆变电源系统具有了更广阔的应用前景。
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