【文章內(nèi)容簡介】 、反向積分各一次。在這種控制方式下，逆變器的四個開關均處于高頻狀態(tài)，開關損耗較大，并且由于單周期控制在一個時鐘周期內(nèi)認為參考電壓不變化，所以在這種調制方式下電壓波形質量不理想。圖27 單相全橋逆變器單周期控制原理框圖我們再介紹一下控制參考電壓Vref為正和負的兩種穩(wěn)態(tài)時的波形。如下圖28所示，為控制參考電壓Vref為正和負的兩種穩(wěn)態(tài)時的波形圖。圖28 控制參考電壓Vref為正和負的兩種穩(wěn)態(tài)時的波形圖通過這樣的控制，圖28中在T1T3內(nèi)開關變量Vp的平均值與Vref成正比。在穩(wěn)定狀態(tài)下，T1T2時間間隔等于T3T4時間間隔，因此，在開關周期中，Vp的平均值與Vref成正比，因為這個規(guī)律是重復循環(huán)的，所以Vp的平均值在每一個開關周期中都與Vref成正比。控制可概括為： （25）其中RI和C1分別為電阻值和電容值。 （26）其中，k = R1C1／Ts ，Ts為開關周期。 K是電壓從Vref到Vp的增益。 當Vref是一個大型的交流信號，沒有直流穩(wěn)定狀態(tài)，因此從T1到T2的時間間隔不一定等于T3到T4的時間間隔。不過，當Vref頻率遠低于開關頻率時，這是通常情況下，臨近周期的（T2T1）是非常接近的（T4 T3）的，因此，本控制技術是有效的。單周期控制的新擴展可以適用于任何雙極型開關轉換器，如半橋、全橋、或四象限Cuk變換器等。 本章小結本章先介紹了單相全橋逆變器的基本原理，再簡單介紹了buck變換器的工作過程及單周期控制技術在buck變換器中的應用，引出了一種新型的控制方式——單周期控制技術的基本原理，并將在雙極性調制方式下運用在單相全橋逆變器之中，從而有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺陷，同時也不必考慮電流模式控制中的人為補償，證實了單周期控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。第3章 單相全橋逆變器單周期控制的參數(shù)與器件設計 第3章 單相全橋逆變器單周期控制的參數(shù)與器件設計 引言上一章重點討論了單周期控制技術與單相全橋逆變器的相關原理，并將該控制方法運用到單相全橋逆變電路中，從而得出該控制方法的優(yōu)點和該種控制方法適用于多種情況，比如：恒導通時間、恒關斷時間、變導通時間和變關斷時間等。本章將以恒定開關頻率為例，來論述單周期控制技術在單相全橋逆變器中應用的具體參數(shù)的計算與器件的選取。 主電路參數(shù)設計 本次設計的實驗條件如下： 輸出電壓有效值：200V 輸入直流電壓：400V 輸出功率：1kw 開關頻率：20kHz 輸出濾波器的設計對于CVCF一類電源，由于負載對輸出電壓的失真度要求比較嚴格，實際輸出電壓失真度往往高于允許值，因此需要進一步抑制諧波含量；另外，CVCF電源的輸出頻率是恒定的，因此在逆變輸出和負載之間附加輸出濾波器是常用措施。在交流逆變電源中，逆變器輸出的濾波器是必不可少的重要組成部分，它的作用在于減少逆變器輸出電壓中的諧波，使輸出電壓波形正弦化。一般對濾波器的要求如下：1）使輸出電壓的單次諧波及總諧波含量降到指標允許范圍內(nèi)；2）在直流側欠壓且滿載時，輸出電壓仍能達到額定值且不出現(xiàn)低次諧波；3）不過分影響逆變電源帶非線性負載的能力；4）空載時濾波器輸入電流要小；5）成本低、體積小、重量輕、原件少。為了減少損耗，輸出濾波器都是由電感和電容組成的，不含有電阻。常見的濾波器有串聯(lián)諧振濾波器、并聯(lián)諧振濾波器、τ 型濾波器、m 型濾波器等。在逆變電源中，雖然加入初衷是為了衰減諧波，但 LC 濾波器的加入也給逆變電源帶來了一些負面的影響，主要表現(xiàn)如下：1）增大了逆變器開關器件的負擔；2）影響逆變電源的帶負載能力，當直流側欠壓或者負載過大時，輸出電壓可能達不到額定值，即使能達到額定值，輸出電壓也可能因為過調制而出現(xiàn)低次諧波畸變；3）影響逆變電源系統(tǒng)的輸出阻抗，如果 LC 參數(shù)選擇不當，使系統(tǒng)的輸出阻抗過大，不僅會使逆變電源對非線性負載的適應性減小，而且會使系統(tǒng)的動態(tài)特性變壞。所以 LC 濾波器參數(shù)的設計應當重視。由于τ型濾波器原件少，又有低通濾波特性，所以不僅適用于中小功率的逆變電源，且適合在大功率逆變電源中應用。本文所采用的 LC 濾波器就是τ型濾波器。基于單周控制技術的逆變電源，單周控制技術屬于瞬時值反饋控制技術，當載波比足夠大且不出現(xiàn)過調制時，一旦輸出電壓中出現(xiàn)較大的低次諧波時，無論是死區(qū)時間還是非線性負載引起的，通過控制，最終可使得輸出電壓中的低次諧波很小，所以在設計濾波器時，主要考慮高次諧波的衰減。 常用輸出濾波器屬無源濾波電路，是一種具有選頻特性的端網(wǎng)絡，按其頻帶分布可分為低通、高通和帶通型；按其結構可分為電感輸入型和電容輸入型兩種。作為電壓源逆變電路輸出濾波器最常見的是電感輸入型的低通濾波器如圖，當外加角頻率滿足 （31）有 （32）與此相應的頻率為 （33）式中，為濾波電路的截止頻率。設逆變電路的輸出頻率為f，其最低次諧波電壓Uk的頻率為，他們與應保持： （34）因為只有這樣，濾波電路對逆變輸出電壓基波分量的分壓比最大，而對諧波電壓的分壓比最小，從而保證基波無衰減傳輸，而諧波（含最低次諧波）被抑制在規(guī)定范圍內(nèi)。圖31 τ型濾波器本次設計中，f取50Hz，取開關頻率20kHz，因此的取值可以是1000Hz。 濾波器參數(shù)選擇（1）的選擇 將根據(jù)濾波器的濾波能力選擇，所謂濾波器的濾波能力Bo指諧波電壓通過濾波器的衰減率，也就是濾波器對諧波的分壓比。 （35）式中，和分別是濾波器出端和入端最低次諧波電壓幅值。Bo與的關系是 （36） （37）因此，可按要求求出Bo值和滿足要求的從而確定相應的。（2）濾波電路特征阻抗Zo的選擇 LC型濾波電路的特征阻抗Zo可表示為 （38）而Zo與負載電阻Ro應保持如下關系 （39）（3）濾波電路參數(shù)選擇 由式38和式39有 （310）由式有 （311） 根據(jù)給定的Ro和確定的聯(lián)解上面兩個式子，設計中可取較大的Lo和較小的Co；也可取較小的Lo和較大的Co，使其乘積不變，但Lo和Co的選取還要考慮下列因素： （1） 對負載電壓和逆變電路輸出電流的影響：串聯(lián)電感Lo上的基波壓降（即負載電流的基波分量在Lo上的壓降）將是負載基波電壓產(chǎn)生變化；而并聯(lián)電容Co的基波電流與負載電流相加將改變逆變電路的輸出電流。 （2） 對負載側功率因數(shù)的影響：在純阻負載時，Co中的基波電流將使逆變橋輸出電流增大；但在感性負載下，由于Co中的容性電流與負載中的感性電流方向相反，因此，若Co并不過大時，逆變橋電流反而減小。經(jīng)計算可知，Co可取18uf。 負載電阻的參數(shù)設計設計條件給出的輸出功率為P=1kw，而輸出電壓的有效值為U=200v，從而根據(jù)公式有 （312）因此，主電路輸出側負載電阻Ro可知 （313） 主開關(MOSFET)的選擇主開關的選擇應考慮電流最大值和電壓最大值的1．5～2倍的裕量。MOSFET允許的最大電壓考慮到輸入側直流電源的電壓E（400V）～2倍裕量，即為400*2=800V。電路中的輸出電流為Io=P/Uo=1000/200=5A,因此所選用的MOSFET能夠承受的電流為5*2=10A。 驅動器件的設計圖32 IR2110外圍管腳圖本次設計的驅動器件為IR2110。如上圖所示為IR2110引腳圖。 控制電路參數(shù)設計 積分器參數(shù)設計積分器是控制電路中極為重要的一個部分，積分器電路參數(shù)主要就是時間常數(shù)τ=RiCi電阻Ri和電容Ci的選擇。根據(jù)前面的分析，選擇積分器的時間常數(shù)等于開關周期，則有： （314）式中，k為從Vref到Vd的增益。如此可見，開關頻率為20kHz，于是有開關周期為50us，k的取值一般為1/4～1/6,經(jīng)過計算可取Ri=，Ci=。本次選取的積分器是由運算放大器LM358構建而成的，如圖所示。圖33 LM358引腳圖 比較器設計本次設計中選用的比較器為LM339，如圖所示。圖34 LM339引腳圖圖中，1為輸出端，2為負輸入端，3為正輸入端，4接地，5接正電源。 觸發(fā)器的設計本次設計選用的觸發(fā)器為CD4013，如圖所示為CD4013引腳圖。圖35 CD4013引腳圖 雙向電子開關的設計本次設計選擇的雙向電子開關為CD4016，如圖36所示。圖36 CD4016引腳圖 本章小結本章主要以恒定開關頻率為例，來論述單周期控制技術在單相全橋逆變器中應用的具體參數(shù)的計算與器件的選取。在已給定的設計條件下，對主電路濾波器參數(shù)設計、輸出負載電阻及相應開關器件（如MOSFET）的設計、控制電路積分器的參數(shù)設計以及的選取工作進行了安排與落實，為下面的仿真實驗工作做好了理論基礎準備。第4章 基于單相全橋逆變器單周期控制的系統(tǒng)仿真 第4章 基于單相全橋逆變器的單周期控制的系統(tǒng)仿真 引言前幾章中對單相全橋逆變器單周期控制電路進行了理論分析，并給出了詳細的參數(shù)設計，分析和設計的結果都需要經(jīng)過計算機仿真和實驗進行驗證。下面我們先來介紹一下本次設計所用的電路仿真軟件PSIM，再對系統(tǒng)進行仿真驗證工作。 電路仿真軟件PSIM的概述 PSIM的仿真環(huán)境的介紹PSIM的全稱為Power Simulation，意為電力電子仿真軟件。它提供了強大的仿真環(huán)境，高效、便利的用戶接觸界面，為電力電子以及電動機驅動系統(tǒng)的設計、數(shù)字控制與數(shù)值分析帶來了諸多方便。PSIM是趨向于電力電子領域以及電機控制領域的仿真應用包軟件。 PSIM具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設計、電機驅動研究等有效提供強有力的仿真環(huán)境。 本仿真解析系統(tǒng)，不只是回路仿真單體，還可以和其他公司的仿真器連接，為用戶提供高開發(fā)效率的仿真環(huán)境。例如，在電機驅動開發(fā)領域，控制部分用MATLAB/Simulink實現(xiàn)，主回路部分以及其周邊回路用PSIM實現(xiàn)，電機部分用電磁界解析軟件JMAG實現(xiàn)，由此進行連成解析，實現(xiàn)更高精度的全面仿真系統(tǒng)。 PSIM仿真軟件的運行階段主要包括三個階段:PSIM電路示意性程序、PSIM仿真器、SIMVIEW波形形成過程項目。軟件運行時這三個部分依次進行，其流程圖如圖所示。不同的階段，有不同的文件類型:PSIM電路示意性程序的輸入文件類型為*.Sch。PSIM仿真器的輸入文件類型為*.cct、輸出文件類型為*.txt；SIMVIEW波形形成過程項目的輸入文件類型為*.txt。圖41 PSIM軟件運行流程圖 PSlM仿真軟件的電路結構電路結構分為四個部分:電力電子電路、開關控制器、控制電路和傳感器。這四部分之間的關系如圖所示:電力電子電路包括變壓器、轉換裝置、聯(lián)結感應器、諧振分支?？刂齐娐房梢钥刂聘鞣N元器件，例如:邏輯元器件(包括flip flop和邏輯門)、非線性元器件(包括乘法器和除法器)以及S域和Z域里的元器件?？刂崎_關的過程為:控制電路產(chǎn)生門信號，此信號通過開關控制器，最后反饋到電力電子電路來進行具體控制。傳感器的作用是測量電力電子電路的電流值或電壓值，并把所測信號傳入控制電路中。圖42 PSIM電路結構關系 系統(tǒng)仿真為了對系統(tǒng)的控制方案的可行性進行驗證，下面進行系統(tǒng)的仿真研究。 仿真參數(shù)如下：輸入直流電壓：V=400V輸出濾波電感：Lo=輸出濾波電容：Co=18uf輸出電阻：Ro=40積分電阻：Ri=積分電容：Ci=開關頻率：=20kHz仿真電路如圖所示，該電路的關鍵器件在于積分器和復位單元。積分器的時間常數(shù)由積分電阻Ri和積分電容Ci設定。積分器的復位信號由器件窄脈沖發(fā)生器和開關S構成，在下一周期前復位電路發(fā)出復位信號，使積分器復位。圖43 仿真電路 仿真結果現(xiàn)在我們來分析下面的波形。應用PSIM軟件對電路進行仿真，控制量跟隨給定信號波形圖如下：圖44 控制信號跟隨給定信號波形圖如上圖所示，紅色線為控制信號，藍色線為給定正弦信號。當藍色給定正弦信號為正時，開關變量被積分器積分達到給定值Vref后被復位，繼而反向積分至下一周期；當藍色給定正弦信號為負時，開關變量同樣被積分器積分到給定值被復位，從而反向積分至下一個開關周期。因此形成上面的波形圖。如圖45與46，分別為給定正弦信號大于零和小于零時的波形圖。圖45 給定信號為正時的積分曲線圖46 給定信號為負時的積分曲線如圖47為輸出交流正弦