【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 保護(hù)電路、輔助電源、輸入電路、輸出電路等。 下面對(duì)各個(gè)部分做一些簡(jiǎn)單介紹 : (1)輸入電路 逆變主電路輸入為直流電，若是直流電網(wǎng) (如煤礦，礦山，電車等 )、蓄電池貯存的電，或者是直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，或者直流電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)再生直流電，則輸入電路包括濾波電路和 EMI 對(duì)策電路。若是交流電網(wǎng)，除了濾波和 EMI 對(duì)策電路外，首先還要有整流電路。 (2)輸出電路 輸出電路一般都包括輸出濾波電路和 EMI對(duì)策電路，對(duì)直流輸出的逆變系 統(tǒng)還包括輸出整流電路。對(duì)隔離式逆變器，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)控制逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。 (3)控制電路 控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的一導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路同樣重要。 (4)輔助電源和保護(hù)電路 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。若是直流輸入，則是一個(gè)或幾個(gè) DC/DC 變換器 :若是交流輸入，則可以采用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓的方式，當(dāng)然也可以采用 DC/DC 變換器。 (5)逆變主電路 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 逆變主電路就是由逆變開(kāi)關(guān)器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式兩大類。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的，逆變焊接電源、通信基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)電源、UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。隔離式逆變主電路還應(yīng)包括逆變變壓器。非隔離式電壓變換電路形式有多種，是組成逆變主電路的基本形式，用它們也可以組成各種隔離式逆變主電路。 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生方式 按照 SPWM控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。如果采用自然采樣法，會(huì)增加硬件的復(fù)雜度，但因該系統(tǒng)是以 FPGA為控制核心，可方便地實(shí)現(xiàn)。把正弦波波形表存人存儲(chǔ)器中，同時(shí)利用加法器和減法器生成三角形載波，再通過(guò)數(shù)字比較器產(chǎn)生所需要的波形。 該方案具有可靠性高，可重復(fù)編程，響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn) 。 SPWM 控制技術(shù)及其原理 SPWM 控制的基本原理 SPWM控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代 替正弦波或者其他所需要的波形。 從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來(lái)確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得 到的便是 SPWM 波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號(hào)等效的 PWM波形。 全橋逆變器的控制方式 全橋逆變器的控制脈沖按 SPWM 調(diào)制方式，有單極性、雙極性和單極性倍頻調(diào)制三種 。 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 (1)雙極性 SPWM 調(diào)制 全橋逆變器采用雙極性 PWM 控制方式時(shí) ,載波為全波三角波。用正弦波與三角波進(jìn)行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負(fù)脈沖。在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，負(fù)載端電壓極性非正即負(fù)，電流變化率較大，對(duì)外部干擾較強(qiáng)。負(fù)載端電壓脈沖列是由不同寬度調(diào)制的正負(fù)直流電壓組成。 (2)單極性 SPWM 調(diào)制 采用單極性控制時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)，其電壓輸出幅值為單極性，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，負(fù)載端電壓先變?yōu)榱?，?fù)載電流在零電壓下自然續(xù)流衰減， 在控制時(shí)間到時(shí)再恢復(fù)輸出直流電壓，其半周期的脈沖列是由零和正 (負(fù) )直流電壓組成。該控制方式的特點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較小，電流變化率小，功耗也要小，因此對(duì)系統(tǒng)及外部設(shè)備干擾小。 (3)單極性倍頻 SPWM 調(diào)制 UiS1S2 S3S4Cf ZLfTUcUAB 圖 21 正弦波單相全橋逆變電路 在圖 21 所示電壓型全橋逆變電路中， Ql, Q2, Q3, Q4 循環(huán)導(dǎo)通一次的控 制脈沖。 單極性倍頻 SPWM調(diào)制原理分析如下 : 兩路脈沖占空比為 : ? ?1 1 sin2pDM ??正 = （ 21） ? ?1 1 sin2nDM ??正 = （ 22） 對(duì) P 路調(diào)制波 :當(dāng)調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)控制左橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 閉，反之相反 .同樣，對(duì) N 路調(diào)制波 :當(dāng)調(diào) 制波電壓高于載波電壓時(shí)控制右橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)閉。若以 “ 1”來(lái)表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通， 0”表示關(guān)斷，則 : 1 2 3 4 a b100 1 S P W M UQ Q Q Q ?? 輸 出 波 正 半 波 1 2 3 4 a b011 0 S P W M UQ Q Q Q ?? 輸 出 波 負(fù) 半 波 根據(jù)三角形的相似性，根據(jù)規(guī)則采樣法的特點(diǎn)，對(duì)于 P路正脈沖，在時(shí)間上， BC=Tc/2,MN=旦 Tc 為采樣周期，即三角載波的周期， d 是輸出脈沖寬度， D 是輸出脈寬相對(duì)采樣周期的占空比。由 ? ? ? ?ccrT U U si n 222 cU? ?? ? ? ? （ 23） 得到脈寬 1 s in2c rcT UU????? ? ????? （ 24） 占空比 D為 ? ?1 1 s in2cDMT? ?? ? ? ? （ 25） M=Ur/Uc，代表調(diào)制度。 以上是 0r內(nèi) P路正脈沖的占空比，同樣可得 0n 內(nèi) N路正脈沖的脈寬為 (1 sin )2c rcT UU??? ? ? （ 26） 于是占空比 D為 ? ?1 1 s in2cDMT? ?? ? ? ? （ 27） 在每個(gè)調(diào)制波周期 , P 正脈沖總對(duì)應(yīng)于 N 正脈沖，而在前半周內(nèi)， P 前正的脈沖寬度恒大于 N前正的脈沖寬度。于是 P前正脈沖跟與之相對(duì)應(yīng) N前正脈沖首尾的N 前負(fù)脈沖相差而得到有效 SPWM 波 Uab 正半波的兩 個(gè)脈沖，并且此相鄰二脈沖寬度相等 (規(guī)則采樣的特點(diǎn) :每個(gè)脈沖在載波周期中點(diǎn)處兩端等寬 )。 同理，容易得到輸出有效 SPWM 波 Uab 負(fù)半波為 P 后負(fù) N 后正在一個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)， P 路調(diào)制波前半周 (也即 N 路調(diào)制波前半周， P、 N 正負(fù)兩路正弦調(diào)制波嚴(yán)格反相 )時(shí)間段內(nèi)，兩路正脈沖的占空比分別為 : 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 ? ?1 1 M sin2PD ???正 （ 28） ? ?1 1 M sin2D ???N正 （ 29） 且： ? ?1 1 M s in M s in2o ffD D D ??? ? ? ? ?P 正 N 正 （ 210） 稱 offD 為有效占空比 (即同一個(gè)載波周期內(nèi)兩個(gè)等寬的有效脈沖的占空比之和 )。由上式可知，雙重 SPWM 調(diào)制方式所得到的正弦脈沖與普通 SPWM 方式得到的正弦脈沖在效能上完全一樣。 SPWM 控制脈沖的實(shí)現(xiàn)方法 以 SPWM為控制方式構(gòu)成 的逆變器，其輸入為恒定不變的直流電壓，通過(guò) SPWM技術(shù)在逆變電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻。因此，該控制方案可簡(jiǎn)化主回路和控制回路結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。很適合蓄電池或太陽(yáng)能電池等直流電源供電的高頻鏈逆變器的控制。因此，綜合考慮之后，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制 DCAC正弦波電源可采用 SPWM 控制策略。生成 SPWM 控制波形的方法主要有兩類 :一是采用模擬電路，二是采用微處理器由程序生成。 (1)利用模擬電路生成 SPWM 脈沖 首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波產(chǎn)生電路分別產(chǎn)生三角載波信號(hào) tU 和正弦波參考信號(hào) rU ，然后送入電壓比較器，從而產(chǎn)生 SPWM 序列，這種利用模擬電路調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是完成 tU 與 rU 信號(hào)的比較和確定脈沖所用的時(shí)間短， 幾乎是瞬間完成的。而且 tU 與 rU 的交點(diǎn)精確，是兩列比較波的自然交點(diǎn)，未做過(guò)任何近似處理，然而，這種 方法的缺點(diǎn)是所需硬件較多，且難以實(shí)現(xiàn)三角波與正弦波的同步，而且模擬元件尤其是運(yùn)算放大器存在溫度漂移等不穩(wěn)定因素，使得系統(tǒng)調(diào)試麻煩，并且不易穩(wěn)定。 (2)利用軟件編程方法生成 SPWM 控制脈沖 在逆變器控制方法設(shè)計(jì)中，利用軟件編程實(shí)現(xiàn) SPWM 波的算法很多，通常使用較多的有自然采樣法、規(guī)則采樣法、低次諧波消去法等。 ①自然采樣法 該方法與采用模擬電路由硬件自然確定 SPWM 脈沖寬度的方法類似，只是這里是采用計(jì)算的方法尋找三角載波與正弦參考波的交點(diǎn)時(shí)刻，從而確定 SPWM 脈沖寬度。只要通過(guò)對(duì) tU 與 rU 的數(shù)學(xué)表達(dá)式聯(lián)立求解，找出其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻 0t , 1t ... 黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 6t 便可以確定相應(yīng) SPWM 波的脈沖寬度。雖然微處理器具有復(fù)雜運(yùn)算功能，但進(jìn)行計(jì)算需要一定的時(shí)間，而 SPWM 逆變器的輸出需采用實(shí)時(shí)控制，其運(yùn)算速度還滿足不了聯(lián)立求解方程的需要。實(shí)際采用的方法是先將參考正弦波的四分之一周期 內(nèi)各時(shí)刻的 tU 和 rU 值算好，以表格形式存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)控制需要計(jì)算某時(shí)刻的 tU和 rU 時(shí)，不用實(shí)時(shí)計(jì)算而采用查表的方法很快得到。由于波形的對(duì)稱性，只需要知道參考正弦波四分之一周期的 tU 和 rU 值即可，在一個(gè)周期內(nèi)其 它時(shí)刻的值可由對(duì)稱關(guān)系求得。 tU 和 rU 波形的交點(diǎn)求法可采用數(shù)值逼近法，規(guī)定一個(gè)允許誤差 ? ，通過(guò)修改 it值，當(dāng)滿足 ? ? ? ?t i r iU t U t ???時(shí)，則認(rèn)為找到了 tU 和 rU 波形的交點(diǎn)。根據(jù)求得的 0t , 1t , 2t ?便可確定 SPWM 的脈沖寬度。 采用自然采樣法，雖然可以準(zhǔn)確的確定 tU 和 rU 的交點(diǎn)，但是計(jì)算工作量很大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，便于在工程上使用，經(jīng)常采用規(guī)則采樣法。該方法的效果接近自然采樣法，但是卻大大簡(jiǎn)化了計(jì)算工作量。 ②規(guī)則采樣法 采用三 角波作為載波的規(guī)則采樣法示意圖如圖 22： MU tAA ’B ’Bt 2 39。t 2t 1t 3T tU r 圖 22 規(guī)則采樣示意圖 按自然采樣法求得的 tU 和 rU 的交點(diǎn)為 A’和 B39。，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波中點(diǎn)重合，對(duì)應(yīng)的 SPWM 脈寬為 2t 39。，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用近似的方法求 tU 和 rU 的黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 交點(diǎn)。 規(guī)則采樣法使脈沖中點(diǎn)和三角波中點(diǎn)重合，通過(guò)兩個(gè)三角波峰之間中線與 rU 的交點(diǎn) M做水平線與三角波分別交于 A 和 B點(diǎn)，由交點(diǎn) A 和 B確定的 SPWM 脈寬為 2t , 2t 和 2t ’ 的數(shù)值相近，兩個(gè)脈沖之間相差了一個(gè)很小的△ t 時(shí)間。規(guī)則采樣法就是利用 tU 和 rU 的近似交點(diǎn) A和 B代替實(shí)際的交點(diǎn) A39。和 B39。，用以確定 SPWM 脈沖信號(hào)。這種方法雖然有一定的誤差，但此誤差工程實(shí)踐證明是可以忽略的。因此， SPWM控制脈沖的實(shí)現(xiàn)算法就變?yōu)榍蠼夂?jiǎn)單的三角方程，大大減小了計(jì)算量 。 設(shè)三角波和正弦波的幅值分別是 tmU 和 rmU ，周期分別是 tT 和 st ，脈寬 2t 和間隙時(shí)間 it 和 3t 由下式計(jì)算 : ? ? ? ?? ?2 2 1 sin 2tst T T t??? ? ? ? ? (211) rm tmUU?? (212) ? ? ? ? ? ?? ?1 3 2 2 4 1 sin 2t t st t T t T T t??? ? ? ? ? ? ? ? (213) 由公式 211 和 212，可以很容易求得 1t 和 2t 值，從而確定相應(yīng)的脈沖寬度。 上面對(duì) PWM控制技術(shù)的原理進(jìn)行了分