【正文】 逆變電源除這些要求外，還必須環(huán)保無污染，即綠色環(huán)保逆變電源。顯然這些要求的實(shí)現(xiàn)都離不開數(shù)字化控制技術(shù)。但是由于微處理器的速度問題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進(jìn)行。隨著高性能的 DSP控制器的出現(xiàn)，逆變電源的全數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)?？蓪?duì)于逆變電源大量非線性電子負(fù)載動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生的諧波，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償從而使得輸出諧波達(dá)到可接受的水平。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)電源性能的要求越來越高。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 對(duì)于逆變電源以上的要求， DSP的出現(xiàn)加快了該趨勢的發(fā)展。正因?yàn)?DSP的強(qiáng)大、高速數(shù)據(jù)處理功能，逆變電源的數(shù)字化產(chǎn)品才越來越受到用戶的青睞。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，通過接口進(jìn)行調(diào)試即可，而且可以通過查詢歷史記錄來進(jìn)行修復(fù)； (6)系統(tǒng)一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便； (7)易于組成 并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。 （ 1)PWM軟開關(guān)技術(shù) 逆變器的脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)早在晶閘管時(shí)代就已經(jīng)出現(xiàn)了，正弦脈寬調(diào)制 (SPWM)在全控型器件出現(xiàn)以后得到了迅速的發(fā)展，這種技術(shù)是用一種參考波(通常是正弦波，有時(shí)也用階梯波或方波等 )為“調(diào)制波”，而以 N倍于調(diào)制波頻率的正三角波或鋸齒波為“載波 。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對(duì)逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。 隨著大功率高頻全控開關(guān)器件大量出現(xiàn)，逆變器的 PWM控制技術(shù)受到了人們的高度重視并且得到了飛速的發(fā)展。而且由于采用了數(shù)字電路實(shí)現(xiàn) PWM控制，使得逆變安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 器的控制電路簡化，穩(wěn)定性提高，逆變器的數(shù)字化控制已成為逆變器發(fā)展的主流。它的研究對(duì)于逆變器性能的提高和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對(duì)電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。 軟開關(guān)逆變技術(shù)研究的重要目的之一是實(shí)現(xiàn) PWM軟開關(guān)技術(shù)，也就是將軟開關(guān)技術(shù)引進(jìn)到 PWM逆變器中，使它既能保持原來的優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作。 (2)數(shù)字化控制技術(shù) 逆變電源的數(shù)字化并不是簡單地指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA等，而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制都由數(shù)字器件 (主要指微處理器 )的計(jì)算算法和控制算法實(shí)現(xiàn)，極大地簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和控制精度，這是現(xiàn)代逆變技術(shù)發(fā)展的趨勢。下面簡述逆變電源的主要控制策略： ① PD控制是一種傳統(tǒng)控制方法，由于其算法簡單成熟，設(shè)計(jì)過程中不過分依賴系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性好、可靠性高，在模擬控制的正弦波逆變電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 ② 無差拍控制是一種基于精確的 PWM逆變器模型的控制方法，它主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零極點(diǎn)對(duì)消。 1985年， Gokhale在 PESC年會(huì)上提出將無差拍控制應(yīng)用于逆變器控制 。 ③ 狀態(tài)反饋控制是由臺(tái)灣鄒應(yīng)嶼等人于 1944年提出的。此控制方法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)極點(diǎn)的配置，所以克服了無差拍控制空載時(shí)振蕩的缺點(diǎn)，逆變器工作在一種穩(wěn)定狀態(tài)。此控制方法近年來在 UPS逆變電源的波形控制中得到應(yīng)用并獲得了良好的控制安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 效果。系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性都很好，但是由于存在一個(gè)周期輪空不調(diào)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差。但是，變結(jié)構(gòu)控制中存在抖動(dòng)問 題，使得波形跟蹤質(zhì)量較差，輸出波形不及重復(fù)控制和無差拍控制。它首先將輸入的精確量 (一般為跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù) )轉(zhuǎn)換為模糊量，然后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，根據(jù)推理結(jié)果確定當(dāng)前情況下最適合的 PD控制器參數(shù)，能改善系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力。1999年，香港大學(xué)的 Xiao Sun及浙大的 Frank Leung等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到逆變器輸出波形控制上。 數(shù) 字控制 變換器在實(shí)際使用中還存在許多待解決的問題，例如：變換器開關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的嚴(yán)重干擾；檢測的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降；高速運(yùn)行下數(shù)字化脈寬調(diào)制時(shí)間分辨率的下降；開關(guān)功率變換器數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型研究不夠深入等。 主要內(nèi)容和章節(jié)安排 本文的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于 DSP 控制的低成本、多功能、易維護(hù)、升級(jí)方便的三相逆變電源系統(tǒng)。 第二章深入研究了 SPWM 控制 原理與模式 ，并針對(duì)諧波問題，采用優(yōu)良的SPWM 波形采樣方案，使其 諧波 含量大大降低。 第四章具體 介紹 基于 TMS320LF2407A 芯片 的 數(shù)字 逆變電源軟件系統(tǒng) 及系統(tǒng)流程圖的設(shè)計(jì) 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過改變一個(gè)電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路通常稱為控制電路 (或控制回路 )。 下面對(duì)各個(gè)部分做一些簡單介紹： (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。 (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)于開環(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。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路同樣重要。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。因?yàn)槭请娋W(wǎng)問題，一般是可以自恢復(fù)的。一般是故障問題，最好是不可自恢復(fù)。有時(shí)是瞬間過載，所以應(yīng)是可自恢復(fù)的。屬于故障，所以應(yīng)該是不可自恢復(fù)的。當(dāng)環(huán)境溫度過高或長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，逆變器會(huì)出現(xiàn)過熱自動(dòng)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 保護(hù)，但冷卻系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)工作，在溫度降到一定值后，應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。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)開關(guān)電源、 UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。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交主電路。在同一直流電壓輸入情況下，全橋逆變電路輸出電壓是半橋逆變電路輸出電壓的二倍，故文中逆變電源逆變器部分采用全橋逆變電路。 圖 21電壓型全橋逆變電路 它共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，其輸出波形如圖22所示。 值得注意的是，功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)雖然為 8 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)模式，但是功率管的實(shí)際導(dǎo)通角則與負(fù)載電流 電壓相位角有關(guān)。 圖 22 電壓型全橋逆變 電路輸出波形 對(duì)其電壓波形進(jìn)行定量分析，把幅值為 ??的矩形波 展開成傅立葉級(jí)數(shù) 得： ∑ ( ) (21) 其中基波的幅值 和基波有效值 分別為 7 ?? (22) √ 9 ?? (23) 于 是 由 逆變?cè)砜芍?，?果控制 IGBT的 開 通與關(guān)斷的頻率，那么輸出電壓的頻率和 IGBT的開關(guān)頻率便 存在一 定的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ： 控制 IGBT的開通與關(guān)斷的 占空比，那么輸出電壓的有效值也和 IGBT的開關(guān)占空比便存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此 產(chǎn)生精確控制 IGBT開 關(guān)驅(qū) 動(dòng) 信號(hào) SPWM便成為了本文研究的重點(diǎn)。 (1)沖量 u dooi ottл2 лл 2 лV D 1V D 4V 1V 4V D 2V D 3V 2V 3安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 沖量 (指窄脈沖的面積 )相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，即具有慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 (低頻段非常 接近，僅在高頻段略有差異 )， 如圖 23所示，其中 u(t)為電路的輸 入信號(hào)， i(t)為輸出信號(hào)。沖量即是窄脈沖的面積。 如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 上述被稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 下面以最簡單的單相橋式逆變電路為例，具體說明逆變器的“逆變”過程。該圖中輸入直流電壓為 E,R代表逆變器的純電阻性負(fù)載。若兩組開關(guān) S1,S4,S2,S3 以頻率 f 交替切換工作時(shí)，負(fù)載 R 上便可得到頻率為 f 的交變電壓 U0， 其波形見圖 25(b)， 該波形為一方波， 其周期 T=1/f。 圖 25 單相橋式逆變電路及其輸出波形 單相正弦逆變電源中，逆變器要把市電經(jīng)整流濾波后得到的直流電或者由蓄電池提供的直流電，重新轉(zhuǎn)化為頻率非常穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓受負(fù)載影響小的，波形畸變因數(shù)滿足負(fù)載要求的交流正弦波。 采櫸實(shí)現(xiàn) SPWM調(diào)制方式可分為 自然 采樣法、對(duì)稱規(guī)則 采樣法和 不對(duì)稱規(guī) 劃采樣法三種。 自然采樣法原理如圖 26 所示，用一個(gè)基波正弦波與一個(gè)三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)模式。由圖25可知 （ 24） 式 (24)中， 為調(diào)制度 ， (即為正弦波幅值與三角波幅值之比 ) 0 1, 的值越大 ,則輸出電壓越高； ω為正弦波角頻率，ω變化時(shí)， PWM脈沖序列基波頻率也隨之改變。 由此可知，自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型并不適合由微處理器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 規(guī)則采樣法就是將自然采樣法中的正弦調(diào)制波以階梯調(diào)制 波進(jìn)行擬合后一種簡化的 SPWM 脈沖信號(hào)發(fā)生方法， 如圖 27所示 。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點(diǎn) A,B兩點(diǎn)就分別落在正弦調(diào)制波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。由圖 27，并根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法 SPWM 脈寬 t2 以及脈沖間隙時(shí)間 t1， t3 的表達(dá)式分別為 ?? (26) ?? (27) 式中， ??為三角載波周期中心的時(shí)間值。 （ 3）不對(duì)稱規(guī)則采樣法是既在三角波的頂點(diǎn)位置，又在底點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，由采樣值形成階梯波，階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個(gè)三角波的周期內(nèi)的位置不對(duì)稱的采樣方法，其原理如圖 28所示。 k為偶數(shù)時(shí)是頂點(diǎn)采樣； k為奇數(shù)時(shí)是底點(diǎn)采樣。不對(duì)稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型盡管略微復(fù)雜一些，但由于其階梯波更接近于正弦波，所以諧波分量的幅值更小，在實(shí)際中得到更多的使用。三條正弦波相位差 ，即 : （ 214） 采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，則頂點(diǎn)采樣時(shí)有： （ 215） 不對(duì)稱規(guī)則采樣法由于在一個(gè)載波周期里采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值能更加真實(shí)的反映實(shí)際的正弦波數(shù)值，其輸出電壓也高于對(duì)稱規(guī)則采樣法。而 DSP以其時(shí)鐘頻率可達(dá)到 40MHz的優(yōu)勢，,...)6,4,2,0(,21 ?? kkTt t,...)7,5,3,1(,22 ?? kkTt tfTffN t11 ??NkkTfftt t ???? ??? 222 11 ? ?22,4,2,0 ?? Nk ?NkkTfftt t ???? ??? 222 22 ? ?12,5,3,1 ?? Nk ??????? ?? NkMTt ton ?s in12 ? ?22,4,2,0 ?? Nk ??????? ??? NkMTt ton ?s in12 ? ?12,5,3,1 ?? N?tf?120??????? NkuC ?sin?????? ?? 32sin ??NkuB?????? ?? 34sin ??Nku A?????? ???????? NkMTt tCon ?s in12?????? ?????? ??? 32s i n12 ??NkMTt tBon ? ?22,4,2,0 ?? 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