【正文】 電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內(nèi)阻上的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補償控制可以較好地解決這一問題，其是在逆變橋輸出 PWM波中加入特定的諧波，抵消負(fù)載電流中的諧波對輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。目前這種方法只能由高速的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。 (2)無差拍控制 1959年 ， Kalman首次提出了狀態(tài)變量的無差拍控制理論。 1985年， Gokhale在 PESC年會上提出將無差拍控制應(yīng)用于逆變器控制。逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。無差拍控制是一種基于微機實現(xiàn)的控制方法。這種控制方法根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來推算下一個采樣周期的開關(guān)時間，使輸出電壓在每個采樣點上與給定信號相等。無差拍控制的缺點是算法比較復(fù)雜，實現(xiàn)起來不太容易，它對系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性要求較高，對負(fù)載大小的變化及負(fù)載的性質(zhì)變化比較敏感，當(dāng)負(fù)載大小變化及負(fù)載的性質(zhì)變化時不易獲得理想的正弦波輸出。 (3)重復(fù)控制 為了消除非線性負(fù)載對逆變器輸出的影響，在 UPS逆變器控制中引入了重復(fù)控制技術(shù)。 Haneyoshi及 Kawamura等人首先在 PWM逆變器中采用重復(fù)控制消除周期性畸變。后來，鄒應(yīng)嶼等人進一步完善了逆變器的重復(fù)控制理論，給出了一種重蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校 3 復(fù)控制器的設(shè)計方法，提出了自適應(yīng)重復(fù)控制的理論。重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它將一個基波周期的偏差存儲起來，用于下一個基波周期的控制，經(jīng)過幾個基波周期的重復(fù)可達到很高的控制精度。在這種控制方法中，加到控制對象的輸入信號除偏差信號外，還迭加了一個“過去的控制偏差 ”，這個“過去的控制偏差”是上一個基波周期中的控制偏差，把上一個基波周期的偏差反映到現(xiàn)在和“現(xiàn)在的偏差”一起加到控制對象進行控制，這種控制方式，偏差好像在被重復(fù)使用，所以稱為重復(fù)控制。它的突出特點是穩(wěn)態(tài)特性好，控制魯棒性強。但重復(fù)控制的控制實時性差，動態(tài)響應(yīng)速度慢。因此，重復(fù)控制一般都不單獨使用來完成逆變器的控制，而是與其它控制方式相結(jié)合，共同來提高整個系統(tǒng)的性能。 (4)滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論起于 20世紀(jì) 50年代，它最顯著的特點是對參數(shù)變動和外部擾動不敏感，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換 器。早期的滑模變結(jié)構(gòu)控制器采用模擬電路實現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于電力拖動系統(tǒng)中。 20世紀(jì) 90年代中后期。臺灣的鄒應(yīng)嶼和香港大學(xué)的 L． K． Wang等人將離散滑模變結(jié)構(gòu)控制理論應(yīng)用到 UPS逆變器中，獲得了良好的控制效果。滑模變結(jié)構(gòu)控制實質(zhì)上是一種非連續(xù)的開關(guān)控制方法，它強迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動及外部擾動無關(guān)，因此系統(tǒng)有極強的魯棒性。但是，就波形跟蹤質(zhì)量來說，滑?？刂撇患爸貜?fù)控制和無差拍控制。 (5)單一的電壓瞬時值反饋控制 這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時反饋值 與給定正弦波進行比較，用瞬時偏差作為控制量，對逆變橋輸出 PWM波進行動態(tài)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng) PWM控制方法相比，由于該方法能對 PWM波進行動態(tài)調(diào)整，故系統(tǒng)的快速性、抗擾性、對非線性負(fù)載的適應(yīng)性、輸出電壓的波形品質(zhì)等都比傳統(tǒng) PWM控制方法有所提高。這種方法的缺點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，特別是空載時，輸出電壓容易振蕩。系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題限制了電壓調(diào)節(jié)器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質(zhì)還不是很好。 (6)帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時值反饋控制方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。在這 種方法中，不但引入輸出電壓的瞬時值反饋，還引入濾波電容電流或濾波電感電流的瞬時值反饋。電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。電流環(huán)具有將濾波電容電流或濾波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成了具有單極點的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時值反饋控制系統(tǒng)空載容易振蕩的缺點。由于穩(wěn)定性的蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 4 提高使得電壓調(diào)節(jié)器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負(fù)載時輸出電壓的動態(tài)特性大大提高，抗擾性大大提高，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性也大大提高。 逆變電源的發(fā)展趨勢 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā) 展和各行各業(yè)對逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發(fā)展，目前，逆變電源的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面： (1)高頻化 提高逆變電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時改善了輸入電壓的動態(tài)響應(yīng)能力。此外，為了進一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實現(xiàn)：①在整流器與逆變器之間加一級高頻隔離的 DC— DC變換器；②采用高頻鏈逆變技術(shù)。高頻化僅限于小容量逆變電源。在大容量逆變電源中，由于工頻變壓器引起的 矛盾相對不如小容量 UPS突出，而且大容量的高頻逆變器、整流器和高頻變壓器的制作也分別受到高頻開關(guān)器件的容量和高頻磁性材料的限制。 (2)高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時輸出電壓有效值要穩(wěn)定；②波形質(zhì)量高，不但要求空載時的波形好，帶載時波形也要好，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強；③突加突減負(fù)載時輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；④電壓調(diào)制量??；⑤輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；⑥對于三相電源，帶不平衡負(fù)載時相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對逆變電源的要求，控制 方式的改進是逆變電源達到高性能的主要手段。 (3)并聯(lián)及模塊化 當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千千伏安的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合，但是，這樣整個系統(tǒng)的可靠性完全由單臺電源決定，無論如何是不可能達到很高的。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實現(xiàn)模塊化。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個較大容量的逆變電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，逆變電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補償、通斷控制等多方面的問題。但是 ，逆變電源的并聯(lián)運行可以帶來以下幾個方面的好處： 1)可以用來靈活地擴大電源系統(tǒng)的容量； 2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運行的可靠性； 3)具有極高的系統(tǒng)可維修性。當(dāng)單臺電源出現(xiàn)故障時，可以很方便地通過熱插拔方式進行更換和維修。 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校 5 (4)小型化 在逆變電源中，決定整個裝置體積和重量的部分是變壓器和 LC濾波器，變壓器可能放在輸入部分，也可能放在輸出部分，起電壓隔離或電壓匹配的作用； LC濾波器用于濾除 PWM波中的高次諧波，濾波器的尺寸與 PWM波的頻譜特性有關(guān)。要使逆變電源小型化，可以采用的方法有三種： 1)提高開關(guān)頻率， 使濾波器小型化；2)采用新的 PWM控制方式，優(yōu)化逆變橋輸出 PWM波的頻譜，使濾波器小型化； 3)用高頻變壓器實現(xiàn)電壓的隔離及匹配，替代輸入或輸出的低頻變壓器，實現(xiàn)變壓器的小型化。 (5)高輸入功率因數(shù)化 對于交流輸入的逆變電源，中間環(huán)節(jié)直流電源一般由二極管整流獲得，其輸入電流成尖脈沖狀，因此，輸入功率因數(shù)不高。提高整流側(cè)的輸入功率因數(shù)不僅可大大提高逆變電源對輸入電能的利用率，而且可以克服逆變電源對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染的缺點。 (6)數(shù)字化 逆變電源的數(shù)字化并不是簡單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機及FPGA等 ，而是指整個系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計算能力和離散控制方法來完成，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展．處理器計算速度的提高，必然促使逆變電源向數(shù)字化方向發(fā)展。 (7)智能化 一個智能化的逆變電源除了能夠完成普通逆變電源的所有功能外，還應(yīng)具有以下功能： 1)對運行中的逆變電源進行監(jiān)測，隨時將采樣點的狀態(tài)信息送入計算機進行處理，一方面獲取電源工作時的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的各部分工作是否正常； 2)在逆變電源發(fā)生故障時，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，進行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法； 3)自動顯示所監(jiān)測的 參數(shù)，有異常或發(fā)生故障時，可以自動記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔ⅲ?4)按照技術(shù)說明書給出的指標(biāo)，自動定期地進行自檢，并形成自檢記錄文件； 5)能夠用程序控制逆變電源的啟動和停止，實現(xiàn)無人值守的自動操作； 6)具有信息交換功能，可以隨時向上位機輸入信息，或從上位機獲取信息。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 6 2 設(shè)計總體目標(biāo) 設(shè)計要求及系統(tǒng)指標(biāo) 車載逆變器是一種能夠?qū)? DC/12V 直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的 AC/220V 交流電，供一般電器使用，是一種方便的車用電源轉(zhuǎn)換器。 通常設(shè)備工作空間狹小，環(huán)境惡劣，干擾大。因此對電源的設(shè)計要 求也很高，除了具有良好的電氣性能外，還必須具備體積小，重量輕，成本低，可靠性高，抗干擾強等特點。 逆變電源質(zhì)量的好壞極大地影響著電子設(shè)備的可靠性，其轉(zhuǎn)換效率的高低和帶負(fù)載能力的強弱直接關(guān)系著它的應(yīng)用范圍，因而本設(shè)計要求輸出電壓波形為準(zhǔn)正弦波，以克服方波逆變器不能帶感性負(fù)載的特點。 本設(shè)計對逆變電源的要求有： 環(huán)境溫度： 25℃ +40℃ 海拔高度：≦ 3000m 輸入 12VDC 額定輸出電壓： Vo=220VAC 輸出有過壓保護 額定輸出功率： 200W 輸入有過壓保護和過熱保護 總體方案的選取 方案比較 在本逆變電源的設(shè)計中，我們的目的是將車載電瓶的 12V 直流電壓逆變?yōu)榻涣?220V/50Hz 的電壓，通過一段時間對資料的收集和分析，現(xiàn)總結(jié)出如下三種方案，分別介紹如下： 方案一：基于工頻變壓器的逆變電路 本方案設(shè)計的逆變電源是通過脈寬調(diào)制芯片產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號用來驅(qū)動半橋逆變電路，產(chǎn)生低壓交流信號，再經(jīng)過工頻變壓器的升壓，轉(zhuǎn)換為所需要的交流電壓。電路框圖如圖 21： 圖 21 基于工頻變壓器的逆變電路框圖 直流 電壓 脈寬調(diào)制芯片 半橋逆 變電路 交流電壓 工頻 變壓器 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 7 方案二：簡單推挽逆變電路 本方案設(shè)計的逆變器可以作為交流輔助電源。圖 22是本逆變器的電路框圖。它是通過在振蕩級產(chǎn)生所需要的 50Hz的交流信號，再經(jīng)過推動級的放大，然后把放大后的電壓信號送入推挽輸出級經(jīng)過放大、變壓器的升壓，從而得到所需要的 220V/50Hz的交流電壓。 圖 22 簡單推挽逆變電路框圖 方案三：車載 單相準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制逆變電路 圖 23 車載單相準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制逆變電路框圖 本方案是采用了比較典型的逆變電路的 變換方式把直流 12V 電壓變換成 220V的交流電壓，即第一級采用直流 /直流變換，通過脈寬調(diào)制和高頻變壓器把直流低壓升壓變成直流高壓，再通過第二級直流 /交流變換，通過對直流 /交流全橋逆變電路各個橋臂 MOS 管通斷的控制，把高壓直流逆變?yōu)榻涣麟妷?，然后通過濾波電路，濾出我們所需要的 50Hz 的頻率交流電壓，從而完成 12V 直流電壓逆變成220V/50Hz 的交流電壓。 方案論證 方案 1通過脈寬調(diào)制芯片把直流低壓信號調(diào)制成脈寬調(diào)制信號，形成脈寬調(diào)制波 PWM，并用其來驅(qū)動半橋逆變變換電路中的功率場效應(yīng)管，控制電路 中開關(guān)管的通斷，變成交流低壓信號，再把交流低壓信號經(jīng)過工頻變壓器的升壓變成220V 的交流電壓。 方案 2首先通過 555型集成電路和一些電阻和電容組成的振蕩級來選定我們所需要的 50Hz 的工作頻率的信號；再由幾個三極管組成的推動級來對 50Hz 的振蕩信號來進行放大，同時再由幾只復(fù)合管組成推挽放大電路的基極，進一步對其直流 電壓 直流 /直流 濾波 輸出 控制電路 驅(qū)動電路 交流 電壓 直流 /交流 直流 電壓 推動級 推挽輸 出級 振蕩級 交流電壓 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校 8 進行放大，以提高對功率輸出級的驅(qū)動電流；然后由幾只三極管和幾只二極管、輸出級變壓器組成推挽輸出級，它將推動級送來的激勵信號進行放大，并通過變壓器將初級電壓升高到 220V 送到輸出端。 方案 3 電路采用了比較 典型的兩級變換的方式，在第一級直流 /直流變換電路中利用了集成脈寬調(diào)制電路芯片調(diào)制出 PWM 波，通過 PWM 波信號來驅(qū)動 MOS管的通斷，把直流信號變換成交流低壓信號，再通過高頻變壓器把交流低壓方波信號升壓成交流高壓方波信號，然后通過整流濾波電路，把交流高壓信號變成350V 的直流高壓；在第二級中，用另一片脈寬調(diào)制芯片與一片正弦函數(shù)芯片做適當(dāng)?shù)倪B接產(chǎn)生 SPWM 波，用來對直流 /交流變換電路中的全橋逆變電路進行脈寬調(diào)制，從而把 350V 直流高壓逆變成 220V 的交流電壓，然后通過濾波電路，濾出我們所需要的 50Hz 的交流信號， 就得 220V/50Hz 的交流電壓；而且在本次整個逆變電路中采用了變壓器隔離的方法來保證主、控電路不受彼此的相互影響。 方案選擇 從上面的三個方案來分析看，方案 2的簡單推挽逆變電路沒有使用脈寬調(diào)制技術(shù)，電路簡單，而且此逆變器輸出為 50Hz 的方波信號，由于波形為方波，可能對電器設(shè)備造成干擾，不能滿足我們設(shè)計所需要的正弦波輸出。 方案 1的基于工頻變壓器的逆變電路過于簡單，而且經(jīng)過升壓變壓器后的交流輸出電壓沒