【正文】 缺圖題 三相逆變器輸出電壓 本章小結(jié) 通過上述分析可知，本章對蓄電池的充電和放電的方案做出了合理的仿真 驗證。根據(jù)實際的技術(shù)指標(biāo)要求，論證了所采用蓄電池充電方案的原因，對蓄電池的充電和放電方案均采用了閉環(huán)設(shè)計方案，仿真得出的效果較好。對蓄電池的充放電的轉(zhuǎn)化，在做出合理設(shè)計和闡述的同時，將控制方案仿真驗證其合理性，仿真結(jié)果表明，參數(shù)滿足計算指標(biāo)的要求。第五章 27第 5章 逆變器和輸出濾波器設(shè)計方案 逆變器是整個 UPS的核心，其性能決定 UPS輸出電能的質(zhì)量，所以逆變器的設(shè)計是 UPS研制的關(guān)鍵之處。本章主要論述了逆變器工作原理、主電路器件的參數(shù)選擇，設(shè)計了輸出濾波器。 逆變器工作原理 輸出電壓質(zhì)量是逆變器的一項重要 指標(biāo)，通常要求逆變器輸出電壓諧波換量很小的正弦波。尤其在非線性負(fù)載作用下，如何抑制諧波，調(diào)高輸出電壓品質(zhì)，目前依然是逆變器研究的一個熱點。采用正弦波脈沖（ SPWM）控制策略和后級 LC濾波電路可以獲得較好的正弦波電壓輸出。 三相半橋逆變器比其他逆變器具有獨特優(yōu)勢，其具體優(yōu)勢在前面提到過，其電路給夠原理圖 調(diào) 調(diào)調(diào) 調(diào)調(diào) 調(diào)1V 2V3V 5V4V 6V 1VD2VD3VD6VD4VD5VDrUurVCurW 三相四線式電路的每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個輸出電壓互差 120 度的單相半橋逆變器組合在一起。由于三相之間沒 有禍、耦合關(guān)系，因而控制相對簡單，單相逆變器的控制方法可以直接用在這里?？紤]到三相之間的獨立性，下面分析以單相半橋逆變器為對象。 半橋電路控制電壓及輸出電壓波形如圖所示， V01 、 V02分別為開關(guān)管 TT2 的驅(qū)動電壓波形，分壓電容器 C1=C2且足夠大，以致電路工作過程中 C1和C2兩端電壓幾乎不變，即有 VC1= VC2=E/2。在 t1t2期間， VG VG20， T1導(dǎo)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 通 T2截止，電流流經(jīng)路徑為 C+T1LCC，輸出電壓 Vab=E/2；在 t2～ t3都期間， VG VG20， T2導(dǎo)通 T1截 至，無電流輸出：在 t3～ t4期間， VG10， VG20，T2導(dǎo)通 T1截止，電流流經(jīng)路徑為 C+CLT2C；輸出電壓 Vab=E/2。 D1和 D2分別是 T1和 T2反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負(fù)載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過高的瞬態(tài)電壓。輸出電壓平均值如圖中的虛線所示，它跟驅(qū)動波形的占空比有關(guān)，通過改變占空比，可以得到平均輸出為正弦的電壓波形。 由上圖可以看出， T1導(dǎo)通， T2截止時， T2承受的電壓 Uce2為： Uce2=E （ 51） 逆變器控制技術(shù) 相比于 SPWM而言，點空間矢量脈沖調(diào)制（ SVPWM）具有更低的高次諧波和電壓利用率高等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。 本為在介紹 SPWM 原理的同時，采用 SVPWM 技術(shù)，采用一種基于電壓電流雙環(huán)控制的 SVPWM 三相逆變器，通過建立其兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，利用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對輸出電流的控制。由于電壓環(huán)包含了負(fù)載電流前饋及輸出濾波電容電流解耦，電流環(huán)包含了輸出電壓前饋及輸出濾波電感電壓解耦，因此有效地改 善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)及抗擾能力。 三相 SVPWM逆變器數(shù)學(xué)模型 考慮圖 1所示的三相 SVPWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)，考慮三相平衡，根據(jù)變換前后功率不變的原則，有三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換關(guān)系式如下 ???????????????????????????????iCiBiAwtwtwtwtwtwtiiqd)32s i n ()32c o s ()32s i n ()32c o s (c o sc o s32???? （ 52） 第五章 29???????????????????????????????uCuBuAwtwtwtwtwtwtuuqd)32s i n()32c o s ()32s i n()32c o s (c o sc o s32???? （ 53）利用式中方程得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和電流狀態(tài)方程： qLdddi iLuudtdL 11111 ?????? ? （ 54）qLqqq iLuudtdiL11111 ????? ? （ 55） LqLddLd uCiidtduC ?????? 11 ? （ 56） LqLqqLq uCiidtduC ?????11 ? （ 57） 檢測三相負(fù)載電壓 uL,三相負(fù)載電流 iL及三相輸出電流 i1，由式可以得到對應(yīng)的 d， q 軸分量，電壓控制器和輸出電壓反饋構(gòu)成電壓外環(huán)，其輸出為電流指令 i1d， i1q。令電壓指令 VLd=VR(輸出額定相電壓峰值 )， VLq=0，則在電壓外環(huán)的作 用下實現(xiàn)對的輸出電壓的穩(wěn)定控制。電流控制器和輸出電流反饋構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，其輸出為 ini 便器速出電壓空間矢量 V1q， V1d。系統(tǒng)中負(fù)載電流及輸出電壓前饋量的引入，以及電容解耦電流和電感解耦電壓的引入，減輕了調(diào)節(jié)器的負(fù)擔(dān)，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了逆變器帶非線性負(fù)載的能力。利用輸出電壓空間矢量 V1d， V1q，在電壓空間矢量SVPWM 控制技術(shù)的調(diào)節(jié)器下，得到逆變器 6 個開關(guān)器件的 PWM 驅(qū)動信號，從而得逆變器在電壓電流雙環(huán)控制下，輸出額定正玄波電壓。 控制策略 式中表明，系統(tǒng) d， q 軸輸出電流 i1d， i1q 除受控量 u1d， u1q 的影響外，還受耦合電壓ω L1i1q,wL1i1d 擾動和輸出電壓 u1d， u1q 擾動的影響。同理，式中表明，系統(tǒng) d， q 軸輸出電壓 u1d， u1q 除受輸出電流 i1d， i1q 控制外，還厚耦合電流ω C1u1q， wC1u1d和輸出負(fù)載電流 i1d， i1q的擾動影響。如果控制燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 系統(tǒng)中包含這些擾動量，則可以消除它們的影響。 式中得到逆變器輸出電流控制量 u1d， u1q 為： qdLdd iLdtdiLuu 11111 ???? (58) dqLqq iLdtdiLuu 11111 ????? ? (59) dtduCuCii LdLqLdd ????? ?1 (510) dtduCuCii LqLqLdq ????? ?1 (511) SVPWM 的原理介紹 SVPWM，即空間電壓矢量控制法，它的主要思想是以三相對稱正玄波電壓供電時三相對稱電動機(jī)定子理想磁鏈圈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不通開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成 PWM 波，以形成的實際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫆?zhǔn)確地磁鏈圓。傳統(tǒng)的 SPWM 從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正玄波電源，而空間電壓矢量控制法將逆變系統(tǒng)和異步電動機(jī)看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微 處理器的實時控制。 相比于傳統(tǒng)的 SPWM 法， SVPWM 有如下的特點 : （ 1）在每個小區(qū)間雖多次開關(guān)切換，但每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗小。 （ 2）利用電壓空間矢量直接生成三相 PWM 波，計算簡單。 （ 3）逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的 SPWM 逆變器輸出電壓高 15％。 SVPWM 控制的實現(xiàn)通常有一下幾步： （ 1）坐標(biāo)變換 三相逆變器系統(tǒng)有三組橋臂，設(shè) a， b， c 分別表示三組橋臂的開關(guān)狀態(tài)，上橋臂導(dǎo)通下橋臂關(guān)斷時其值為 1，反之為 0。那么可以得到三相逆變器輸出的相電壓和線電壓之間的關(guān)系 如下： 第五章 31?????????????????????????????????????cbaVVVVdccba2111211123 （ 512） 其中， Vdc為逆變器直流電壓，令 U=? ?cba , 表示一個矢量，當(dāng) a， b， c分別取 1 和 0 的時候，該矢量就有 8 中工作狀態(tài)，分別為 ? ?0,0,0 ， ? ?1,0,0 ，? ?0,1,0 ， ? ?1,1,0 ， ? ?0,0,1 ， ? ?1,0,1 ， ? ?0,1,1 ， ? ?1,1,1 ，如果我們用 Uo和 U7 表示零矢量，就可以得到 6 個扇區(qū)，三相控制可以用一個角速度 fw ?2? 的空間矢量電壓 U 表示，當(dāng) U 遍圓軌跡時，形成三相瞬時輸出電壓，理論證明，當(dāng)U 落入某一扇區(qū)之后，用改扇區(qū)兩邊界矢量和零矢量去合成 U 可以得到最佳合成效果。 SVPWM 需要將三相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換兩相坐標(biāo)進(jìn)行控制，于是需要引進(jìn) PARK 閉環(huán)和 CLARK變換。其中， CLARK變換的母的是將三相靜止坐標(biāo)變換為兩相靜止坐 標(biāo)，其變換公式如下： ?????????? ??????????2 212 210132??ii （ 513） 而 PARK 的目的是將兩相靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，其變換公式如下： ?????????????? ???????? ???? ?? iitt ttii qd c oss i n s i nc os （ 514） 于是我們可以講上文所說的 6 個扇區(qū)看成是在 ),( ?? 平面上的正六邊形，對于任意的給定矢量我們都可以用與其相鄰的兩個有效作用矢量來合成，然后再把這兩個有效矢量轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)，通過 PI 調(diào)節(jié)器變?yōu)殡妷嚎刂屏窟M(jìn)行控制。 （ 2）扇區(qū)的計算： 定義三個變量： Ur1=Uβ， Ur2=Uα Uβ /， Ur3=Uα Uβ /，在定義： 當(dāng) Ur1〉 0， A=1，否則 A=0。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 當(dāng) Ur2〉 0， B=1，否則 B=0。 當(dāng) Ur3〉 0， C=1，否則 C=0。 由已知公式 N=4179。 C＋ 2179。 B＋ A與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系可以的到，則 N=1時，對應(yīng)扇區(qū)為 2， N等于 2時，對應(yīng)扇區(qū)為 6， N=3時，對應(yīng)扇區(qū)為 1， N=4時，對應(yīng)扇區(qū)為 4， N=5 時，對應(yīng)扇區(qū)為 3， N=6時，對應(yīng)扇區(qū)為 5。于是由此，我們便可以得出開關(guān)狀態(tài)矢量所處的扇區(qū)位置了。 （ 3）設(shè) VFF在第 IV扇區(qū)，則 VFF在一個 PWM控制周期內(nèi)應(yīng)由臨近的非零有效作用矢量和零矢量共同作用而成。在一個控制周期內(nèi)有下式成立： VFFdt=T1VS+ T2VS177。 60176。 因 VFF在第四扇區(qū)， Vx =V（ 0 1 1）， T1 ,T2 表示個有效矢量作用時間，則有零矢量作用時間為 To=TsT1 – T2 ，因為開關(guān)平率即 PWM 波的頻率遠(yuǎn)大于駛?cè)腚妷旱幕l率，所以可以認(rèn)為一個 PWM 波周期 VFF 大小是恒定的，于是我們可以得到： VFFdt=T1VS+ T2VS177。 60176。 又由正弦定理，可以得到 : T1 =Tsmisn(60γ ) T2 = Tsmisn(γ ) To=Ts T1 T2 其中 m表示 SVPWM 的調(diào)制系數(shù)，并且 m=179。 VFF/Vdc 綜上所述， SVPWM 法控制的具體過程就是先將三相電流 ia， ib， ic，轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)電流 id， iq，然后將 id， iq進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)變成電壓信號，以便達(dá)到輸出電壓大小的精確控制目的。然后經(jīng)過 PARK 反變換，將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變?yōu)閮上囔o止坐標(biāo) Uα和 Uβ，接著通過兩個電壓值計算電壓空間矢量所在的扇區(qū)數(shù)以及各橋臂的工作狀態(tài)，然后利用扇區(qū)數(shù)和橋臂工作狀態(tài)計算出所在扇區(qū)的有效矢量作用時間，從而計算出各組橋臂的開通關(guān)斷時 間，隨后給功率器件送出脈沖，以實現(xiàn)理想波形的輸出。 2 仿真的具體過程 第五章 33 本為采用了 MATLAB的 Simulink 組建立了 SVPWM 控制模型，模型主要包括扇區(qū)計算模塊，功率器件開關(guān)狀態(tài)模塊，有效矢量作用時間模塊，三相橋臂開通時間計算模塊和脈沖生成模塊，而 CLARK 變換和 PARK 變化則用封裝的 S函數(shù)代替。其具體仿真結(jié)構(gòu)分析如下： （ 1）做出扇區(qū)計算模塊，由上文 SVPWM 的具體實現(xiàn)過程可知，N=1+2B+4C。其模塊如上圖所示： （ 2） SVPWM 的實現(xiàn)方法計算出功