【正文】 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為信息社會的主流。隨著高性能的 DSP控制器的出現(xiàn)，逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實。 DSP能夠?qū)崟r地讀取逆變電源的輸出，并實時地計算出 PWM輸出值，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于逆變電源的控制成為可能?？蓪τ谀孀冸娫创罅糠蔷€性電子負(fù)載動態(tài)變化產(chǎn)生的諧波，進(jìn)行動態(tài)的補償從而使得輸出諧波達(dá)到可接受的水平。 逆變器的現(xiàn)狀 電源系統(tǒng)是現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的重要組成部分。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用2 也越來越廣泛，對電源性能的要求越來越高。主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢：高頻化；模塊化；數(shù)字化；綠色化。 對于逆變電源以上的要求， DSP的出現(xiàn)加快了該趨勢的發(fā)展。由于 DSP使得芯片功能得到大大的加強(qiáng)，它特點在于采用并行體系的哈佛結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)吞吐能力；流水線減少了指令執(zhí)行時間；專用硬件乘法器；特殊 DSP指令；快速的指令執(zhí)行周期，最快的已經(jīng)達(dá)到 20ns以下，為通常微處理器芯片數(shù)據(jù)處理速度的十倍以上。采用 DSP控制的逆變電源系統(tǒng)主要有以下的優(yōu)點： (1)系統(tǒng)可以采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變器的智能化程度更高，性能更加完善； (2)控制靈活、系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必對硬件電路做改動，這給逆變器系統(tǒng)的開發(fā)帶來了很大的方便，即系統(tǒng)升級更新?lián)Q代所需的周期短，成本低，而且維護(hù)起來也很方便； (3)減少控制元件數(shù)量，提高系統(tǒng)抗干擾能力； (4)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化； (5)系統(tǒng)維護(hù)方便。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，通過接口進(jìn)行調(diào)試即可，而且可以通過查詢歷史記錄來進(jìn)行修復(fù)； (6)系統(tǒng)一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便； (7)易于組成并聯(lián)運行系統(tǒng)。 逆變器的發(fā)展趨勢 影響逆變技術(shù)未來發(fā)展的主要因素是 ： (1)PWM軟開關(guān)技術(shù) 逆變器的脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)早在晶閘管時代就已經(jīng)出現(xiàn)了，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在全控型器件出現(xiàn)以后得到了迅速的發(fā)展，這種技術(shù)是用一種參考波 (通常是正弦波，有時也用階梯波或方波等 )為“調(diào)制波”，而以 N倍于調(diào)制波頻率的正三角波或鋸齒波為“載波 ” 。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列來等效調(diào)制波。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。因為當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數(shù)規(guī)律變化，因此，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈3 寬調(diào)制 (SPWM)技術(shù)。 隨著大功率高頻全控開關(guān)器件大量出現(xiàn)，逆變器的 PWM控制技術(shù)受到了人們的高度重視并且得到了飛速的發(fā)展。尤其是最近幾年，微處理器用于實現(xiàn) PWM控制技術(shù)后，使得現(xiàn)代控制理論的控制方法能夠應(yīng)用于逆變器的 PWM控制，大大提高了現(xiàn)代逆變器的性能。而且由于采用了數(shù)字電路實現(xiàn) PWM控制，使得逆變器的控制電路簡化，穩(wěn)定性提高，逆變器的數(shù)字化控制已成為逆變器發(fā)展的主流。 PWM軟開關(guān)逆變技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究內(nèi)容之一，是實現(xiàn)電力電子技術(shù)高頻化的最佳途徑，也是一項理論性很強(qiáng)的研究工作。它的研究對于逆變器性能的提高和 進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。但這里必須指出，軟開關(guān)并不是沒有損耗的，它只是把開關(guān)器件本身的一部分開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到了為實現(xiàn)軟開關(guān)而附加的諧振電路中的諧振元件上，總量上可能有所減少。 軟開關(guān)逆變技術(shù)研究的重要目的之一是實現(xiàn) PWM軟開關(guān)技術(shù)，也就是將軟開關(guān)技術(shù)引進(jìn)到 PWM逆變器中，使它既能保持原來的優(yōu)點，又能實現(xiàn)軟開關(guān)工作。為此，必須把 LC與開關(guān)器件組成一個諧振網(wǎng)絡(luò)，使 PWM逆變器只有在開關(guān)切換過程中才產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)開關(guān)的零電壓開通和關(guān)斷，一般工作情況下則不發(fā)生諧振，以保持 PWM逆變器工作特點。 (2)數(shù)字化控制技術(shù) 逆變電源的數(shù)字化并不是簡單地指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA（ 現(xiàn)場可編程門陣列 ） 等，而是指整個系統(tǒng)的控制都由數(shù)字器件 (主要指微處理器 )的計算算法和控制算法實現(xiàn)，極大地簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和控制精度，這是現(xiàn)代逆變技術(shù)發(fā)展的趨勢。 與數(shù)字化相適應(yīng)，各種各樣的逆變電源離散控制方法紛紛涌現(xiàn)，包括數(shù)字 PID控制 （ 比例 積分 微分 控制器 ） 、無差拍控制、數(shù)字滑變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，有力地推動逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展。 數(shù)字控制變換器在實際使用中還存在許多待解決的問題，例如：變換器開關(guān)動作對采樣的嚴(yán)重干擾；檢測的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；開關(guān)功率變換器數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型研究不夠深入等。因此，逆變器的數(shù)字控制技術(shù)仍處于不斷改進(jìn)完善的過程中，仍然是逆變電源領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究內(nèi)容。 4 第 2 章 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及控制策略 逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變系統(tǒng)的核心就是逆變開關(guān)電路，或者叫逆變電路，通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動脈沖，這些脈沖可以通過改變一個電壓信號來調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路通常稱為控制電路 (或控制回路 )。逆變電路中，除了逆變電路和控制電路之外，還要有保護(hù)電路、輔助電源、輸入電路、輸出電路等等。 SPWM 控制技術(shù)及其原理 逆變系統(tǒng)的原理 本文所研究的電源是為了在輸出得到穩(wěn)壓 恒頻的交流電壓信號，故采用電壓型逆變電路。在同一直流電壓輸入情況下，全橋逆變電路輸出電壓是半橋逆變電路輸出電壓的二倍，故文中逆變電源逆變器部分采用全橋逆變電路。 下面介紹電壓型全橋逆變電路：電路原理圖見圖 。 圖 電壓型全橋逆變電路 它共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂 1和 4作為一對，橋臂 2和 3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 8 ，即 4導(dǎo)通時關(guān)斷 3； 3導(dǎo)通時，關(guān)斷 4。負(fù)載為阻感負(fù)載時，其輸出波形如圖。圖中 ， ， ， 相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對應(yīng)與圖中的 和 ， 和 ， 和 ， 和 相繼導(dǎo)通的區(qū)間。值得注意的是，功率管的驅(qū)動信號5 雖然為 8 互補驅(qū)動模式，但是功率管的實際導(dǎo)通角則與負(fù)載電流 電壓相位角有關(guān)。當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載即逆變器的輸出電流、電壓相位角為零時，在電壓正半周功率管 、 導(dǎo)通，而在電壓負(fù)半周功率管 、 導(dǎo)通，即逆變器中的續(xù)流二極管不工作；而當(dāng)負(fù)載電流、電壓相位角不為零時，在電流正半周功率管由兩種導(dǎo)通組合，即電壓正半周時 、 導(dǎo)通或電壓負(fù)半周時 、 導(dǎo)通，在電流負(fù)半周功率管也相應(yīng)由兩種導(dǎo)通組合，即電壓負(fù)半周時 、 導(dǎo)通或電壓正半周時 、 導(dǎo)通，顯然當(dāng)負(fù)載電流、電壓相位角不為零時續(xù)流二極管工作，以緩沖負(fù)載與逆變器直流側(cè)電容間的無功能量交換。 圖 電壓型全橋逆變電路輸出波形 對其電壓波形進(jìn)行定量分析，把幅值為 的矩形波 展開成傅立葉級數(shù)得： ∑ ( ) (式 ) 其中基波的幅值 和基波有效值 分別為 7 (式 ) √ 9 (式 ) 6 于是由逆變原理可知，如果控制 IGBT的開通與關(guān)斷的頻率，那么輸出電壓的頻率和 IGBT的開關(guān)頻率便存在一定的對應(yīng)關(guān)系：控制 IGBT的開通與關(guān)斷的占空比，那么輸出電壓的有效值也和 IGBT的開關(guān)占空比便存在一定的對應(yīng)關(guān)系，因此產(chǎn)生精確控制 IGBT開關(guān)驅(qū)動信號 SPWM便成為了本文研究的重點。 SPWM控制基礎(chǔ) 在分析 SPWM之前，必須要了解 PWM(Pulse Width Modulation， PWM)及其相關(guān)知識，這是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需波形包含形狀和幅值的。 (1)沖量 沖量 (指窄脈沖的面積 )相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，即具有慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 (低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異 )，如圖 ，其中 u(t)為電路的輸入信號， i(t)為輸出信號。 (a) 沖量脈沖產(chǎn)生電路圖 (b) u/i圖 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 (2)面積等效原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即是窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖 a， b所示的三個窄 脈沖形狀不同，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)時，其輸出響應(yīng)基本相同。上述被稱為面積等效原理，它是7 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 PWM 波形的基本原理 逆變器的種類很多，各自的具體工作原理、工作過程不盡相同，但是最基本的逆變過程是相同的。下面以最簡單的單相橋式逆變電路為例，具體說明逆變器的“逆變”過程。單相橋式逆變原理見圖 (a)。該圖中輸入直流電壓為 E， R代表逆變器的純電阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān) S ， S 接通后 ， 電流流過 S ， R 和 S 時，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù)；當(dāng)開關(guān) S ， S 斷開， S ， S 接通后，電流流過 S ， R 和 S ，負(fù)載上的電壓極性反向。若兩組開關(guān) S ， S ， S ， S 以頻率 f交替切換工作時，負(fù)載 R 上便可得到頻率為 f 的交變電壓 U0，其波形見圖 (b)，該波形為一方波，其周期 T=1/f。圖示的電路和波形只是逆變過程基本原理的示意描述，實際上要構(gòu)成一臺實用型逆變器，還需要增加許多重要功能電路和輔助電路。 (a) 單相橋式逆變原理 (b) 單相橋式逆變波形圖 圖 單相橋式逆變電路及其輸出波形 8 單相正弦逆變電源中，逆變器要把市電經(jīng)整流濾波后得到的直流電或者由蓄電池提供的直流電，重新轉(zhuǎn)化為頻率非常穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓受負(fù)載影響小的，波形畸變因數(shù)滿足負(fù)載要求的交流正弦波。 SPWM 采樣方法對比分析 近年來，正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)技術(shù)以其優(yōu)良的傳輸特性成為電力電子裝置中調(diào)制技術(shù)的基本方式。 采 樣 實現(xiàn) SPWM調(diào)制方式可分為自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)劃采樣法三種。下面對這幾種方法律簡要的分析： (1)自然采樣法。 用一個基波正弦波與一個三角載波相比較，由兩者的交點確定逆變器開關(guān)模式。 圖 自然采樣法 圖 ， tT 為三角波的周期， rU 為三角波的幅值，正弦波為 tUc ?sin ， sT稱為采樣周期， 2/ts TT ? ， 1t 及 2t 為正弦波與三角波兩個相鄰交點的時刻。由圖 ? ?1s in12 tMTt sof f ??? ? ?1s in12 tMTt son ??? ? ?2s in12 tMTt son ???? 9 ? ?2s in12 tMTstof f ???? (式 ） (式 )中， M 為調(diào)制度 ， rc UUM /? (即為正弦波幅值與三角波幅值之比 ) 0M 1， M 的值越大 ， 則輸出電壓越高； ω為正弦波角頻率，ω變化時， PWM脈沖序列基波頻率也隨之改變。 pt 為脈沖寬度 ， ? ??????? ?????? 211 s i ns i n212 ttMTttt ononp ?? (式 ） (式 )中 ， 和 不但與載波比 tTTN /? (T為正弦波的周期 )有關(guān) ， 而且是幅度調(diào)制比 M的函數(shù)，求解 、 與 M的關(guān)系比較復(fù)雜。 由此可知，自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型并不適合由微處理器實現(xiàn)實時控制。 (2)對稱規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法就是將自然采樣法中的正弦調(diào)制波以階梯調(diào)制波進(jìn)行擬合后一種簡化的 SPWM 脈沖信號發(fā)生方法，如圖 。 圖 SPWM脈沖信號規(guī)則采樣法生成原理 值得注意的是，每個載波周期中，原正弦調(diào)制波與三角載波周期中心線的交點就是階梯波水平線段的中點。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點 A， B兩點就分別落在正弦調(diào)制波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。另外，由于 A， B兩點對于三角載波周期中心線對稱，因而使 SPWM 脈沖信號發(fā)生得以簡化。由圖 ，并根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法 SPWM 脈寬 以及脈沖間隙時間 ， 的表達(dá)式分別為 (式 ) (式 ) 1