【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0%）。 3. 額定輸出頻率 逆變器輸出交流地那英的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻 50HZ。正常工作條件下其值應(yīng)在177。 1%以內(nèi)。 1）過(guò)電壓保護(hù)：對(duì)與沒(méi)電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過(guò)電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受輸出過(guò)電壓的損害。 2）過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電路保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。 逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。 電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開(kāi)關(guān)等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過(guò) 80DB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過(guò) 65DB. 逆變器的 DSP 控制 總體來(lái)說(shuō)，逆變器就是利用數(shù)字控制器的定時(shí)器的操作產(chǎn)生一種 PWM波，進(jìn)而控制晶閘管的導(dǎo) 通與關(guān)斷，為了使輸出波形在帶載時(shí)更加精確，在現(xiàn)在控制中一般采用閉環(huán)控制方法。逆變電源的控制方法有傳統(tǒng)的 PID控制，模糊控制、滯環(huán)控制、狀態(tài)反饋控制、無(wú)差拍控制和重復(fù)控制。與模擬控制電路相比，逆變電源采用微機(jī)數(shù)字化控制具有以下優(yōu)勢(shì) :① 溫度漂移小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好。 ② 數(shù)字式部件結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，耗能少，易于標(biāo)準(zhǔn)化。 ③ 提高了信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、診斷以及分級(jí)控制的能力，使系統(tǒng)更趨于智能化，系統(tǒng)維護(hù)方便 。 ④ 控制策略靈活，可以方便實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜、智能的算法提高性能。但同時(shí)也有如下問(wèn)題： ① 信號(hào)反饋中的量化誤差使系統(tǒng)精度有所下降。 ② 數(shù)字處理器采樣、計(jì)算延時(shí)帶來(lái)的變頻電源最大占空比受限問(wèn)題，對(duì)環(huán)境溫度要求較高等等，這些問(wèn)題使得數(shù)字控制在變頻電源性能提高的發(fā)揮中受到了阻礙，但是這些問(wèn)題依然不能阻擋微機(jī)控制在電力電子中的使用，逆變電源微機(jī)控制技術(shù)也日趨成熟。 1）單閉環(huán) PID 控制 早期的逆變控制器多為模擬 PID 控制，單純 采用輸出電壓的瞬時(shí)值反饋。采用模擬 PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其動(dòng)態(tài)性能特別是非線性負(fù)載的時(shí)候，不能令人滿意。對(duì)于要求較高的系統(tǒng)，還沒(méi)有做到滿足系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。隨著 DSP 的出現(xiàn)，逆變器的瞬時(shí)值反饋數(shù)字 PID 控制成為可能。但是，數(shù)字 PID 控制不可避免地存在一些局限性。 PID 控制的精度取決于比例項(xiàng)和積分項(xiàng)，這兩項(xiàng)越大控制精度越高，一方面逆變器空載時(shí)振蕩性很強(qiáng)，積分項(xiàng)易產(chǎn)生相位滯后，另一方面離散化系統(tǒng)的量化誤差也對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此比例項(xiàng)和積分項(xiàng)不能取得太大。由于數(shù)字控制的采樣、計(jì)算延時(shí)的影響，引入了相 位滯后，減小了最大可得到的脈寬，結(jié)果勢(shì)必造成穩(wěn)態(tài)誤差大，輸出電壓波形畸變高。采用高速 A/D 和高速處理器以及提高開(kāi)關(guān)頻率可以一定程度上改善數(shù)字 PID 控制的效果，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定困難。并且 PID 控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦指令的無(wú)靜差跟蹤，逆變器系統(tǒng)實(shí)際上往往增設(shè)外環(huán)均值反饋以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 2）模糊控制 與傳統(tǒng)的控制方式相比，智能控制最大的好處是不依賴控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，有著較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力；查找模糊控制制表只需要占用處理器很少的時(shí)間，因而可以 采用較高的采樣率來(lái)補(bǔ)償模糊控制規(guī)則和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的偏差。模糊控制在理論上可以任意逼近任何非線性函數(shù)，但是模糊控制的分檔和模糊控制規(guī)則需要進(jìn)一步的研究，并且隸屬函數(shù)較難確定，因此模糊控制的精度有待遇進(jìn)一步提高。 3） bangbang 控制 bangbang 控制方面的研究始于 20 世紀(jì) 50 年代。在過(guò)去的 20 年中，魯棒控制一直是國(guó)際自控界的研究熱點(diǎn)。所謂 “ 魯棒性 ” ，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè) 計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。 由于工作狀況變動(dòng)、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過(guò)程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說(shuō)模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國(guó)內(nèi)外科研人員的研究課題。 現(xiàn)代魯棒控制是一個(gè)著重控制算法可靠性研究的控制器設(shè)計(jì)方法。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是找到在實(shí)際環(huán)境中為保證安全要求控制系統(tǒng)最小必須滿足的要求。一旦設(shè)計(jì)好這個(gè)控制器，它的參數(shù)不能改變而且控制性能能夠保證。 魯棒控制方法適 用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)用，同時(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估 ，對(duì)于有太多不確定因素的被控對(duì)象，魯棒控制就不適應(yīng)了。 (4) 無(wú)差拍控制 無(wú)差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的 PWM 方案，是數(shù)字控制特有的一種控制方案。它根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)來(lái)計(jì)算逆變器在下一個(gè)采樣周期的脈沖寬度，控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作使下一個(gè)采樣時(shí)刻的輸出準(zhǔn)確跟蹤參考指令。由負(fù)載擾動(dòng)引起的輸出電壓偏差可在一個(gè)采樣周期內(nèi)得到修正。無(wú)差拍控制有著非?？斓膭?dòng)態(tài)響應(yīng)，波形畸變率小，即使開(kāi)關(guān)頻率不是很高，也能得到較好 的輸出波形品質(zhì)。但是，無(wú)差拍控制的自身缺點(diǎn)也十分明顯 :無(wú)差拍控制效果取決于模型估計(jì)的準(zhǔn)確程度，實(shí)際上無(wú)法對(duì)電路模型做出非常精確的估計(jì)，而且系統(tǒng)模型隨負(fù)載不同而變化，系統(tǒng)魯棒性不強(qiáng) 。其次，無(wú)差拍控制極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)即是其優(yōu)勢(shì)，又導(dǎo)致了其不足，為了在一個(gè)采樣周期內(nèi)消除誤差控制器瞬態(tài)調(diào)節(jié)量較大，一旦系統(tǒng)模型不準(zhǔn)，很容易使系統(tǒng)輸出振蕩，不利于逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行。 (5) 重復(fù)控制 重復(fù)控制的基本思想源于控制理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理是把作用于系統(tǒng)的外部信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器以構(gòu)成高精度的反饋控制系統(tǒng)。由內(nèi)模 原理可知，除非針對(duì)每一種指令或擾動(dòng)信號(hào)均設(shè)置一個(gè)正弦函數(shù)內(nèi)模，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，重復(fù)控制利用“重復(fù)信號(hào)發(fā)生器”內(nèi)模巧妙地解決了這一問(wèn)題。重復(fù)控制采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。逆變器重復(fù)控制的目的是為了克服死區(qū)、非線性負(fù)載引起的輸出波形周期性畸變。其基本思想是假定前一基波周期中出現(xiàn)的畸變將在下一基波周期的同一時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期給定與反饋信號(hào)的誤差來(lái)確定所需的校正信號(hào)，然后在下一基波周期同一時(shí)間將此信號(hào)疊加在原控制信號(hào)上，以消除以后各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)性畸變。重復(fù)控制能使逆變器獲得低 THD 的穩(wěn)態(tài)輸出波形 。但其主要弱點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能差，干擾出現(xiàn)后的一個(gè)參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)干擾不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一周期系統(tǒng)近乎處于開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)，消除干擾對(duì)輸出的影響至少要一個(gè)參考周期。此提出了自適應(yīng)重復(fù)控制、伺服控制器和重復(fù)控制器組成的復(fù)合控制、狀態(tài)反饋控制與重復(fù)控制組成的雙環(huán)控制等多種方案改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 (6) 滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制最大的優(yōu)勢(shì)是對(duì)參數(shù)變動(dòng)和外部擾動(dòng)不敏感，系統(tǒng)的魯棒性特別強(qiáng)。早期逆變器采用模擬控制實(shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制，存在電路復(fù)雜、控制功能有限的弱點(diǎn)?；谖⑻幚砥鞯幕Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制完全不同于常 規(guī)的連續(xù)滑?？刂评碚摚枰x散滑?？刂萍夹g(shù)，有些文獻(xiàn)引入前饋改善離散滑?？刂频姆€(wěn)態(tài)性能，有些通過(guò)自矯正措施改善負(fù)載擾動(dòng)的影響。但是滑?？刂拼嬖诶硐牖Ｇ袚Q面難以選取、控制效果受采樣率的影響等弱點(diǎn)，它還存在高頻抖動(dòng)現(xiàn)象且設(shè)計(jì)中需知道系統(tǒng)不確定性參數(shù)和擾動(dòng)的界限，抖動(dòng)使系統(tǒng)無(wú)法精確定位，測(cè)定系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)的界限則影響了系統(tǒng)魯棒性進(jìn)一步發(fā)揮。 本文研究?jī)?nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容如下： ⑴ 掌握單相電壓型 PWM 逆變器的工作原理 。 ⑵ 建立單相電壓型逆變器的數(shù)學(xué)模型 。 ⑶ 完成單相電壓型 PWM 逆變器的諧波分析 。 ⑷ 完成單相電壓型逆變器反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)控制規(guī)律研究 。 ⑸ 完成單相電壓型 PWM 逆變器系統(tǒng)仿真 。 ⑹ 完成系統(tǒng)調(diào)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 。 第二章 逆變電源的工作原理 逆變電源結(jié)構(gòu)分析 逆變電源基本結(jié)構(gòu) 逆變電源采用 AC－ DC－ AC（交－直－交）的結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，主要由輸入、整流、逆變、輸出、驅(qū)動(dòng)與控制以及保護(hù)等電路組成。 圖 21 逆變電源的基本結(jié)構(gòu)圖 (1) 輸入電路 逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經(jīng)過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流，提供穩(wěn)定 的直流電壓。 (2) 輸出電路 輸出電路主要是濾波電路。對(duì)于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還 有逆變變壓器；對(duì)于開(kāi)環(huán)控制 的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路；而對(duì)于 閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。 (3) 驅(qū)動(dòng)與控制電路 驅(qū)動(dòng)與控制電路的功能就是按要求產(chǎn)生一系列的控制脈沖，來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān) 管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并能調(diào)節(jié)其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng) 中，控制電路與逆變主電路具有同樣的重要性。 (4) 輔助電源 輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電 壓。 (5) 保護(hù)電路 保護(hù)電路主要具有：輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能；輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓保 護(hù)功能；過(guò)載保護(hù)功能；過(guò)電流和短路 保護(hù)功能。 (6) 逆變主電路 逆變主電路主要是根據(jù)變化的驅(qū)動(dòng)控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩(wěn)定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變?，F(xiàn)普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。 逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明其最基本的工作原理，圖（ a）中 S1~S4 是橋式電路的 4個(gè)臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當(dāng)開(kāi)關(guān) S S4 斷開(kāi)， S S3 閉合時(shí)， uo 為負(fù)，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的 最基本的工作原理。當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流 io 和電壓uo 波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)， io 的基波相位滯后于 uo 的基波，兩者波形形狀也不同，圖（ b）給出的就是阻感負(fù)載時(shí)的 io 波形。 圖 22 逆變電路及其波 設(shè) t1 時(shí)刻以前 S S4 導(dǎo)通， uo 和 io 均為正。在 t1 時(shí)刻斷開(kāi) S1 和 S4,同時(shí)合上 S S3 導(dǎo)通 ,則 uo 的極性立刻變?yōu)樨?fù)。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng) S負(fù)載和 S3 流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到 t2 時(shí)刻降為零，之后 io 才反向并逐漸增大。S S3 斷開(kāi)， S S4 閉合時(shí)的情況類似。 逆變電路的換流方式 在圖 22 的逆變電路工作過(guò)程中，在 t1 時(shí)刻出現(xiàn)了電流從 S1 到 S2,以及從 S3 到 S4 的轉(zhuǎn)移。電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為換流，也常被稱為換相。 換流方式的分類 ① 器件換流 利用全控型器件的自關(guān)能力進(jìn)行換流。在采用 IGBT、電力 MOSFET、 GTO、 GTR 等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。 ② 電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件?？煽卣麟娐?，無(wú)論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)換流的，都屬于電網(wǎng)換流。三相交流調(diào)壓電路和采 用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網(wǎng)換流。在換流時(shí)，只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在遇關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。 ③ 負(fù)載換流 由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。另外，當(dāng)負(fù)載 為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于可以控制勵(lì)磁電流使負(fù) 載呈現(xiàn)容性，因而也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。 圖 23 a 是基本的負(fù)載換流逆變電路，四個(gè)橋臂均由晶閘管組成。其負(fù)載是電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實(shí)際電路中，電容往往是為改善負(fù)載功率因數(shù)，使其略呈容性而接入的。由于在直流側(cè)傳入了一個(gè)很大的電感dL ，因而在工作過(guò)程中可以認(rèn)為 di 基本沒(méi)有脈動(dòng)。 圖 23 負(fù)載換流電路及其工作波形 電路的工作波形如圖 23b 所示。因?yàn)橹绷麟娏鹘茷楹阒?，四個(gè)臂開(kāi)關(guān)的切換使電流流通路徑改變，所以負(fù)載電流基本呈現(xiàn)為矩形波。 負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小， uo 波形接近正弦。 工作過(guò)程： t1 時(shí)刻前， S S4 為通態(tài)， S S3 為斷態(tài)， uo、 io 均為正， S S3 上施加的電壓即為 uo； t1 時(shí)刻時(shí)，觸發(fā) S S3 使其開(kāi)通， uo 通過(guò) S S3 分別加到 S S1 上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從