【正文】 計(jì)（論文） 5 2 直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變 SPWM脈寬調(diào)制技術(shù) SPWM正弦脈寬調(diào)制法 (Sinusioidal PWM)是調(diào)制波為正弦波 、載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法，由于三角載波的頻率通常較高，因而理論上其輸出電壓波形的諧波頻率主要集中在較高的頻率段上，所以經(jīng)過很小的濾波器就可以得到比較理想的 正 弦波輸出電壓。 SPWM正弦脈寬調(diào)制根據(jù)每發(fā)生一次開關(guān)過程中，橋臂輸出電壓的脈沖極性的變化不同可分為雙極性脈寬調(diào) 制 (bipolar PWM)方式和單極性脈寬調(diào) 制 (unipolar PWM)方式 [6]。圖 21(a)是用兩個(gè)極性相反的參考正弦波與雙向三角形載波交截產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號。 圖 21(c)是直 接用參考正弦波與單向三角形載波交截 產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號。即 +1/一 1(一 1/+1)切換方式，整個(gè)輸出電壓周期內(nèi)所得到的是兩態(tài)輸出電壓波形。 [3] 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （ a） （ b） （ c） 圖 21 單極性調(diào)制 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 雙極性調(diào)制 直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變 直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變 器 是逆變器技術(shù)中的新概念，它由直流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆變橋級聯(lián)而成。該電路結(jié)構(gòu)由單向 DC/DC變換器、濾波器、極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、單向功率流、直流變換級工作在 SPWM(輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬 )、極性反轉(zhuǎn)逆變橋功率開關(guān)電壓應(yīng)力低且為 ZVS、輸出濾波器負(fù)擔(dān)減輕、適用于可再生能源的有源逆變以及阻性滿載時(shí)的無源逆變場合。 （ a）阻性滿載 （ b）輕載或空載 （ c）額定電容性負(fù)載 （ d）預(yù)定感性負(fù)載 圖 24 逆變器不同負(fù)載時(shí)的電壓仿真波形 雙 向 直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變 雙向直流變換器型高頻 環(huán)節(jié)逆變器 如圖 25所示， 它由 雙向 DC/DC變換器、濾波電路、極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流、直流變換級工作在 SPWM(輸出電壓范圍寬 )、逆變橋功率開關(guān)電壓應(yīng)力低且為 ZVS，輸出電壓波形質(zhì)量高、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)．適用于無源逆變場合 。雙向直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的電路結(jié)構(gòu)，由雙向直流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆交橋構(gòu)成，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流，輸出電壓波形質(zhì)量高、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地克服了單向直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的固有缺陷。這種電路結(jié)構(gòu)即 BUCK逆變器應(yīng)用在 400Hz逆變電源中。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3 直流 /交流變換器 直流 /交流電功率變換器稱為 逆變。交流輸出電壓基波頻率和幅值都應(yīng)能調(diào)節(jié)控制，輸出電壓中除基波成分外，還可能含有一定頻率和幅值的諧波。電壓型逆變電路的輸入為直流電壓源，逆變器講輸入的直流電壓逆變輸出交流電壓，因此也稱它為電壓源型逆變器 VSI；電流型逆變電路的輸入端串接有大電感，形成平穩(wěn)的直流電流源，逆變器將輸入的直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏鬏敵?，因此也稱它為電流源型逆變器 CSI。晶閘管逆變器也可利用負(fù)載側(cè)交流電源電壓換流，負(fù)載反電動(dòng)勢換流或負(fù)載諧振換流 [5]。同一橋臂上、下兩管 1T 、 2T 或 3T 、4T 關(guān)斷信號與開通信號之間的間隔時(shí)間稱為死區(qū)時(shí) 間，在死區(qū)時(shí)間中， 1T 、 2T 或 3T 、 4T 均無信號 。每個(gè)單相逆變器可以是半橋式也可以是全橋式電路。三相電壓型逆變電路任何時(shí)刻一個(gè)橋臂只有一個(gè)開關(guān)管被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，上、下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)。本文提出了一種新的簡單 SPWM控制方法。這一級要保證功率因數(shù)為 1，同 時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的 功 能 。 圖 43 B 部分電路圖 原邊的開關(guān)作用相當(dāng)于把輸入直流信號調(diào)制為交流的方波信號，副邊二極管 則把該信 解調(diào)為直流電壓輸出，由于 V1及 V4和 V2及 V3的脈寬均為 T/2(T為開關(guān)周期 )， Uab(變壓器副邊的電壓波形 )正半波和負(fù)半波經(jīng)歷時(shí)間均為 T/2， abU 經(jīng)過副邊整流之后可得到最大的輸出電壓，從而完成了從 360V 直流電壓到 180V 直流電壓的隔離及變換。該逆變電路實(shí)際上是一種 Buck逆變器，即上一章所提到雙向直流變換器，它是雙向直流變換器的一種應(yīng)用，這種 Buck逆變器可以看作由兩個(gè)部分組成： (1)具有雙向電流導(dǎo)通能力的 Buck變換器。在逆變器中，控制電路通過 SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制開關(guān)管 M1的占空比 D，把輸入的直流電壓調(diào)制成相應(yīng)電壓波形輸出，使得 Buck變換器在濾波電容 c上的輸出電壓 cdU 為一系列的正弦全波整流電壓，即單極性的饅頭波，再通過后一級的全橋變換電路使一系列的單極性 的正弦饅頭波在負(fù)載上展開成標(biāo)準(zhǔn)的詎弦波。直流側(cè)的電壓采用單極性 SPWM 調(diào)制通過 DC/DC在電感后面生成單極性饅頭波，即頻率為 800HZ。由雙向直 流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成，具有 電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流、輸出電壓波形質(zhì)量高、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等特 點(diǎn)，有效地克服了單向直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的固有缺陷。 （ 3） 傳統(tǒng)的全橋逆變器存在一些不足，逆變器的輸出電壓幅值只能低于直流電 壓的幅值。如果采樣電壓為正負(fù)電壓，采樣電路就會復(fù)雜，經(jīng)過一些調(diào)理電路，影響采樣的精度。有功功率與幅值有關(guān)，無功功率與相位有關(guān)。 [8] 主電路的參數(shù)設(shè)計(jì) 主電路元器件設(shè)計(jì)包括功率開關(guān)管的選擇 、濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)。功率 MOSFET具有優(yōu)良的開關(guān)特性、開關(guān)時(shí)間短、開關(guān)損耗低、可以工作在超聲頻脈沖情況下。 IGBT絕緣柵晶體管是一種利用 MOS柵極進(jìn)行開通 /關(guān)斷的雙極型晶體管器件，具有 MOSFET高輸入阻抗和類似于雙極型晶體管的低通態(tài)壓降，并且有 像 晶體管似的反相電壓阻斷能力。分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路元件多，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性欠佳和使用 不便，有大規(guī)模集成化基極驅(qū)動(dòng)電路芯片供選擇使用。 IGBT可選用三菱、東芝、西門子、富士生產(chǎn)的產(chǎn)品，如富士公司的 EXB841和 IGBT可容易的構(gòu)成單相變頻器 回路。考慮 到 系 統(tǒng)的過 載系 數(shù)為AK =，安全系統(tǒng) RK =，系統(tǒng)在輸出功率為 2KVA時(shí) 的 MOSFET器件峰值約為 55A。因此，選擇濾波器參數(shù)時(shí)，要綜合考 慮這兩方面的因素。允許通過的信號頻率范圍稱為通帶， 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 不允許通過的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶與阻帶交界的頻率 Cf 稱為截止頻率。 ? L=1/(? C)所對應(yīng)的頻率為截止頻率 Cf ， Cf 與 L、 C的關(guān)系如下： LCCL CCC /1,/1 ?? ??? (41) )2/(1 LCf C ?? (42) 圖 49 濾波電路 假設(shè)逆變器輸出電壓中基波頻率 f1為 400HZ：最低次諧波頻率 Kf 為 40KHZ；截止頻率 Cf 為 4KHZ。 (1)特性阻抗 P的選擇 特性阻抗 ? 與負(fù)載阻抗的關(guān)系是 ? =(～ )RL (2)截至頻率 cf 的選擇 截止頻率 cf 與最低次諧波頻率 Kf 的關(guān)系是 chbff KC /? 式中 b稱為濾波器 的衰減系數(shù)，它是濾波器的諧波輸入電壓與諧波輸出電壓的比值對數(shù)。 L的計(jì)算可由下式求得： 其中 :E為直流側(cè)的電壓 180V 0V 為輸出電壓的瞬時(shí)值 D為輸出電壓的占空比 Ts為開關(guān)周期，即 1/ Kf SL DTLEtLui ??????? 0/ ? ED??0? 當(dāng) D為 1/2時(shí)， Li? 取最大值，可求得 L約為 370uH． 綜合以上因素， 并考慮 L、 C的體積及其它因素等，最后我們選取 L的值是 H?270 ， C為 F?4 。 [15] 本電路采用了光耦隔離技術(shù)，然而不是簡單的使用光耦，而是使用了光耦隔離的通用驅(qū)動(dòng)集成塊 TLP 圖 410 驅(qū)動(dòng)電路 對于光耦的驅(qū)動(dòng)電路，導(dǎo)線不宜過長，否則會受干擾。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生， 在柵 源極 間務(wù) 必并接一 只柵源電阻 3R ，如圖 410所示。輸出的電壓和電流經(jīng)過傳感 器，轉(zhuǎn)換為可測量的電 壓、進(jìn)入信號調(diào)理電路，得到滿足片內(nèi) A/D轉(zhuǎn)換要求的被測信號，送入片內(nèi) A/D轉(zhuǎn)換器。 圖 411所示為霍爾電壓傳感器的連接電路，采樣輸出電阻上的電壓 ,采用 LEM公司的LV28P電壓霍爾模塊。磁平衡式電流和電壓傳感器模塊測量的輸出信號為電流形式，若要獲得電壓輸出形式，則需要在輸出端和電源零點(diǎn)之間串聯(lián)一只測量電阻，取電阻上的電壓，即可獲得電壓輸出形式。 采樣電壓輸出的關(guān)系： VOUT /V采樣 =（ 10mA? 20K） /(25mA? 120)。對于本采樣電路如下圖 412所示，結(jié)構(gòu)更簡單。出現(xiàn)輸出過壓時(shí) ,采樣電壓高于過壓基準(zhǔn) ,則比較器輸出低電壓 ,過壓保護(hù)立刻動(dòng)作封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。過流保護(hù)也是可恢復(fù)的。 圖 412 采樣電路 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 5 改進(jìn)型重復(fù)控制 逆變電源控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大都采用反饋控制技術(shù)。離散時(shí)間控制策略即數(shù)字化控制，可以克服模擬控制的一些不足。無差拍控制是一種基于電路方程的控制方法，80年代末期引入到正弦波逆變電源控制系統(tǒng)中來。重復(fù)控制是近幾年才發(fā)展起來的一種新型逆變電源控制方案。本文詳細(xì)分析了數(shù) 字 PID控制和重復(fù)控制兩種控制方法，并將它們結(jié)合在一起，形成了一種新的改進(jìn)行型重復(fù)控制方案 [11]。積分 J代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 圖 51 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 以和式代替積分，以增量代替微分，將式離散化， 得到 (53)式 ?? ?????KjP kekekdjekikeKkU 0 )]1()([)()()( （ 53） (1)跟蹤信號為 快速變化的 J下弦波，理論上系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng) ,不可能做到無靜差跟蹤。 重復(fù)控制技術(shù) 重復(fù)控制的基本思想 重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制策略，內(nèi)模原理指出：如果希望控制系統(tǒng)對某一參考指令實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，則產(chǎn)生該參考指令的模型必須包含在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部。以此類推，如果系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對正弦信號的無靜差跟蹤，那么正弦函數(shù)模型必須包含在穩(wěn)定的系統(tǒng)傳遞函數(shù)內(nèi) 。這所以稱其為重復(fù)信號發(fā)生器，是因?yàn)榧词馆敵鏊p至零，該內(nèi)模仍然會持續(xù)不斷的逐周期重復(fù)輸出與上周期波形相同的信號。與積分控制機(jī)理類似，包含重復(fù)信號發(fā)生器的逆變電源波形控制系統(tǒng)，當(dāng)指令波形和反饋波形不一致時(shí)，控制量 (即 SPWM調(diào)制信號 )幅度會逐周期、無限制的變化 (暫不考慮限幅的作用 )。 圖 53 重復(fù)信號發(fā)生器（ Z域形式） 重復(fù)控制器的結(jié)構(gòu) 重復(fù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 54如圖所示，其中虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)即為重復(fù)控制 器。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 54 重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖 （ 1） Q(z)濾波器 圖 54所示為離散化的重復(fù)信號發(fā)生器 ,可視為以周期為步長的純積分環(huán)節(jié)。在獲知了上一周期的誤差信息后 ,到了下一周期該如何給出合適的控制量 ,這就是補(bǔ)償器 S(z)要解決的任務(wù)。由此可知 ,S(z)的作用就是提供相位補(bǔ)償和幅值補(bǔ)償，以保證重復(fù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上改善波形校正效果。通過前面分析，我們知道控制對象逆變器 PB(z)是一個(gè)二階線性系統(tǒng)，具有相位滯后的特性，利用超前環(huán)節(jié) KZ 的超 前 相位特性來補(bǔ)償控制對象的相位滯后?？偟恼f來，補(bǔ)償器 S(z)要達(dá)到的目的是使校正后的對象中低增益接近于 l。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。干擾出現(xiàn)后的一個(gè)參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對干擾并不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一個(gè)周期系統(tǒng)近乎處于開環(huán)控制狀態(tài)。數(shù)字 PID控制對跟蹤誤差立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，響應(yīng)速度較快，但由于 前 述因素的影響，跟蹤精度不高，波形畸變嚴(yán)重。該方案中，PID調(diào)節(jié)器和重復(fù)控制器并聯(lián)在控制系統(tǒng)的前向通道中，共同對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響。一個(gè)周期過后，重復(fù)控制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用使跟蹤誤差減小。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 55 改進(jìn)型重復(fù)控制器 改進(jìn)型重復(fù)控制器參數(shù)設(shè)定 改進(jìn)型重復(fù)控制器參數(shù)的設(shè)定可以分為兩部分，即 PID的參數(shù)設(shè)定和重復(fù)控制參數(shù)的設(shè)定，在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中這兩部分可分別設(shè)計(jì)，即先設(shè)計(jì) PID控制器各參數(shù)，然后加入重復(fù)控制器并調(diào)整各個(gè)參數(shù)。這是到目 前 為止應(yīng)用最為廣泛，最為有效的一種 PID參數(shù)調(diào)整方法。開始時(shí)把參數(shù) iK 設(shè)的小一些，然后反復(fù)調(diào)整 PK 、 iK ，直到達(dá)到滿意的性能為止，在本設(shè)計(jì)中采用 PI控制能達(dá)較好的動(dòng)態(tài)性能。對于相位的補(bǔ)償十分重要，它決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相位的補(bǔ)償即加入超前環(huán)節(jié)，在控制周期內(nèi)提前發(fā)出控制指令，從而補(bǔ)償控制對象的相位滯后，在程序當(dāng)中補(bǔ)償量以 p來表示