【正文】 PWM 波形，也稱為SPWM(Sinusoidal PWM)波形。以上介紹的是 PWM 控制的基本原理， 按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后， PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。較為實用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是 SPWM 波形。三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的 PWM 波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性 PWM 控制方式，如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個方向 變化的，所得到的 PWM 波形也是在兩個方向變化的，這時稱為雙極性 PWM 控制方式。 自然法生成 SPWM 自然法生成 SPWM波又稱模擬電路法生成 SPWM波，通常用模擬比較器比較生成 SPWM波，如果用信號正弦波作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 28頁 較器的反相端輸入信號，便實現(xiàn)了自然法生成 SPWM波，如圖 ，比較器輸出經(jīng)死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的 SPWM波。 圖 自然法生成 SPWM 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 29頁 規(guī)則采樣法 生成 SPWM 波 規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波 (實際上是階梯波 )與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。 逆變主電路架構(gòu)及功能 逆變主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全橋、半橋、推挽等結(jié)構(gòu)。綜合考慮，本文所設(shè)計的太陽能逆變電源采用全橋 結(jié)構(gòu)。 全橋式逆變電路原理圖如圖 ： 圖 全橋逆變電路 全橋式逆變器由四個開關(guān)管元件 TA+、 TA、 TB+、 TB以及二極管 DA+、 DA、 DB+、B組成，電感 L和電容 c為濾波用。 =+Vd)，負(fù)載電流方向是由電流流經(jīng) TA+、 TB來決定，同理當(dāng) TA、 TB同時導(dǎo)通時 (V。 全橋逆變器數(shù)學(xué)模型 對逆變器在理想情況下進(jìn)行電路分析，得出電路模型。 (2)忽略開關(guān)空白時間。 小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等效電路圖，我們將單極性正弦脈寬調(diào)制方式的功率開關(guān)切換方式分成正半軸和負(fù)半軸，其中負(fù)半軸只有圪 8 的電壓極性與正半軸相反，其余動作原理與正半軸相同，所以我們只對正半軸的情況進(jìn)行分析。 狀態(tài) 1： TA+、 TB導(dǎo)通 圖 狀態(tài) 1等效電路圖 狀態(tài) 2： TA+、 TB+或者 TA、 TB導(dǎo)通 圖 狀態(tài) 2等效圖 Vd和 d分別表示逆交器的輸入電壓和開關(guān)切換的工作周期。我們需要一個獨立的 50Hz 正弦波信號，用作逆變器的輸出電壓的參考信號，控制回路就是要控制輸出電壓的波形保持和參 考電壓一致。 三角形波產(chǎn)生電路 傳統(tǒng)的電壓單環(huán)控制 DC/AC 逆變電路中，輸出電壓與輸入電壓存在一定的線形關(guān)系。為了使輸出電壓保持穩(wěn)定，一般要采集電壓輸出量進(jìn)行反饋閉環(huán)控制。而且當(dāng)直流供電電源電壓大范圍波動時，輸出電壓幅值波動大，諧波分量大，動態(tài)響應(yīng)慢等缺點。 (1)前饋三角波電路的設(shè)計與實現(xiàn) DC/AC 逆變器的控制電路可由分立元件或集成元件構(gòu)成。采用調(diào)制法控制時三角載波的頻率是遠(yuǎn)大于正弦調(diào)制波的頻率，所以在三角波的一個開關(guān)周期中可以近似的認(rèn)為正弦波電壓值 Vc為常量如圖 ，因此在一個三角波開關(guān)周期中占空比 D=T1/T=Vc/Vr 形，其中 Tc為正弦波電壓值， Vr 為三角波峰值。當(dāng)三角波由 Vr 變?yōu)?Vr*時，占空比大小由T1/T 變?yōu)?T2/T。因此在 DC/AC逆變電路中，輸入輸出值有如下的數(shù)量關(guān)系：輸出電壓的基波有效值 Uo正比于調(diào)度值 a及輸入電壓 U1，即 U。于是，當(dāng) UI變?yōu)樵瓉淼?N倍時，要保持輸出電壓穩(wěn)定，三角波峰值電壓也要相應(yīng)的變?yōu)樵瓉淼?N 倍。 圖 前饋調(diào)節(jié)原理圖 根據(jù)此原理本文設(shè)計了系統(tǒng)原理圖如圖 ，其中與傳統(tǒng)分立元件逆變器不同的是三角波的產(chǎn)生原理。這時三角波的幅值是不能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此利用輸入電壓的變化來調(diào)節(jié)三角波幅值的前饋控制思想無法實現(xiàn)。 本文所設(shè)計逆變電源采用分立元件構(gòu)成。積分前后的電壓波形如圖所示。 圖 由此電路產(chǎn)生的三角波形如圖 ： 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 35頁 圖 標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生電路 本文利用晶振產(chǎn)生的 3． 2768MHz 脈沖信號經(jīng)過分頻器 CD4060 進(jìn)行 14 分頻后得到 200Hz的脈沖信號，然后再經(jīng)過兩個 D觸發(fā)器 CD4013進(jìn)行分頻后得到 50Hz的方波信號，此信號經(jīng)過推挽結(jié)構(gòu)后得到標(biāo)準(zhǔn) 50Hz 方波，此方波在送到正弦波發(fā)生電路即可得到基準(zhǔn) 50Hz 的正弦波。其內(nèi)部框 圖如圖 所示。 (缺少 Q14)輸出二進(jìn)制分大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 36頁 頻信號；另一部分是振蕩器，由內(nèi)含兩個串接的反相器和外接電阻電容構(gòu)成，因此該集成電路可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。 其全橋逆變器結(jié)構(gòu)如圖 ，采用單級性 PWM控制方式時，四個開關(guān)元件組成兩個橋臂，分別為 (TA+、 TA)稱為 A臂，和 (TB+、 TB)稱為 B臂。 根據(jù)以上控制原理可得到： 蓄電池＋－負(fù)載波形產(chǎn)生電路驅(qū)動電路2 2 0V5 0 HZT1T2B1T3T4大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 38頁 圖 單極性 PWM控制方式 A臂 ： Vtrol Vtri ： TA+處于 ON狀態(tài)，并且 VAN=Vd Vtrol Vtri ： TA處于 ON狀態(tài)，并且 VAN=0 B臂： Vtrol Vtri ： TB+處于 ON狀態(tài)，并且 VBN=Vd Vtrol Vtri ： TB處于 ON狀態(tài)，并且 VBN=0 根據(jù)四個開關(guān)管的 ON及 OFF 狀態(tài)，有四種輸出電壓的組合： 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 39頁 1. TA+,TB處于 ON狀態(tài)： VAN=Vd,VNB=0。V0=Vd 3. TA+,TB+處于 ON狀態(tài)： VAN=Vd,VNB= Vd。V0=0 由于輸出電壓在 0及 + Vd或 O及一 Vd間切換，因此我們稱這種控制方式為單極性 PWM控制方式。考慮到開關(guān)元件的非理想因素，即元件的導(dǎo)通與截止過程均需要一定的時間．因此同一臂上的兩個開關(guān)切換時必須錯開一小段時間，以避免兩個開關(guān)同時在非完全導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生短路的情況。 一般來說這段時間的大小必須配合開關(guān)的切換速度，我們只需調(diào)整 IXDPP630的外部 RC值，就能調(diào)整這段時間的大小 。采用電壓瞬時值反饋控制，在一個周期內(nèi)采樣一次輸出電壓，與輸入基準(zhǔn)進(jìn)行比較，誤差用以調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸入脈沖波形，而開關(guān)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于逆變器的輸出周期，所以占空比在一個周期內(nèi)就會發(fā)生變化，系統(tǒng)的動態(tài)性能可以得到很大的提高。但前向通道的增益不能取的過大，否則系統(tǒng)容易不穩(wěn)定；而前向通道的增益如果取得過小又導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬很窄，對系統(tǒng)的快速性產(chǎn)生影響。而逆變器中的電感電流包含了輸出電壓的微分成分，因此控制系統(tǒng)中引入電感電流，可以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 電流環(huán)框圖 由系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻特性曲線，可以看出，校正前開環(huán)系統(tǒng)的相頻特性小于900，所以它恒有大于 900的相位寬度，此時系統(tǒng)對于任何開環(huán)增益都是 穩(wěn)定的 因此，為了使電流閉環(huán)以后的系統(tǒng)不增加階次，不增加相角滯后，通常電流環(huán)的補償器設(shè)計比電壓外環(huán)簡單，只需要取一個簡單的比例調(diào)節(jié)器硒。由圖可見，通過調(diào)節(jié)系數(shù)瞄可以擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬，但對系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生影響，大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 41頁 選擇比例系數(shù)要適當(dāng)綜合兩種因素。 由系統(tǒng)的幅相頻特性曲線可知，系統(tǒng)的開環(huán)增益很小，輸出的穩(wěn)態(tài)誤差很大，因此應(yīng)增加適當(dāng)?shù)难a償環(huán)節(jié)。 校正后的電壓閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 圖 電壓環(huán)框圖 (3)電壓電流雙閉環(huán)控制 通過上述分析，電壓電流雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖 。為改善控制的效果，也可以將電流環(huán)調(diào)節(jié)器部分換成比例．積分控制器 PI，通過增加一個積分環(huán)節(jié)來增加輸出波形的控制精度。 本文所用雙閉環(huán)控制框圖如圖 ： 圖 電壓電流雙閉環(huán)原理圖 電壓電流反饋電路圖： 圖 電壓電流雙閉環(huán)電路圖 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 43頁 PI 調(diào)節(jié)器電路圖： 圖 PI調(diào)節(jié)器 實際中常在 R2C兩端并聯(lián)一個數(shù)值較大的電阻 R0，如圖所示，因為在靜態(tài)時，積分電容 C相當(dāng)于開路，若不存在 RO，則輸出就不再反饋，放大器就開環(huán)運行，由于開環(huán)放大倍數(shù)一般極大，故容易引起自激振蕩。另一方面，當(dāng)逆變電源起動或停止時，對應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸入信號出現(xiàn)很大偏差，如不加 R0， PI調(diào)節(jié)器會因偏差過大而積分飽和，從而使系統(tǒng)振蕩，引入 R0后，剛開始瞬間，電容 C上的電荷不能突變， C相當(dāng)于短路，反饋回路可看成僅由 R0組成的負(fù)反饋，此時系統(tǒng)的放大倍數(shù)降低很多，因此系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)得以改善，當(dāng)偏差減小 后，反饋減弱，放大倍數(shù)回升，又保證了靜態(tài)時的精度。本文通過研究光伏電池的特性， 通過選擇合適最大功率跟蹤方發(fā)進(jìn)而選擇了光伏電池的充電方法。本文分析并設(shè)計了太陽能逆變電源，電路主要采用了單相全橋逆變 電路，不對其電路進(jìn)行了理論分析。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 45頁 致 謝 短短的四年大學(xué)生活，給我提供了一個寶貴的完善自我的學(xué)習(xí)機(jī)會。衷心感謝 學(xué)校對 我 的培養(yǎng)。在章老師 悉心指導(dǎo)下 ，我的 畢業(yè)設(shè)計順利的完成 。 由衷 的感謝我的父母和其他親朋好友對我的支持、理解和關(guān)心，他們永遠(yuǎn)是我最強的后盾。 Energy Conference: PECon 2020, Proceedings， 2020:8893. 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