（检测技术与自动化装置专业论文）数字控制逆变电源的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，逆变电源应用日益广泛。然而传统的逆变电源采用 模拟电路控制导致了诸如电路复杂、调试困难、元器件易老化、输出性能低等 固有缺点。随着高性能d s p 控制器的出现，逆变电源的全数字化控制成为现实。 数字控制系统具有集成度高、抗干扰能力强、控制灵活、可实现先进的控制算 法和便于实时控制等优点。采用d s p 作为逆变器的控制核心，可以用软件很容 易地实现灵活、准确的在线控制与全部故障检测。 本文研究了基于1 m s 3 2 0 u 您4 0 7 芯片的单相s p w m 逆变电源的数字控制技 术。文章首先对逆变系统基本结构和控制策略作了详细的介绍，在此基础上选 择了重复控制作为本信号电源逆变器的数字控制方式，对重复控制逆变器的稳 定性、稳态误差进行了分析。阐述了逆变系统的工作原理，分析了逆变系统中 最常用的正弦脉宽调制方法及其产生办法，以及模拟、数字控制电路控制方法 的优缺点。接着对双极性s p w m 控制方式和单极性s p w m 控制方式作了比较。 经过比较，选用了实际滤波效果较好的单极性s p w m 控制策略，并详细论述了 其单边与双边s p w m 的产生方法以及各自的控制方法。 然后，根据逆变电源的技术要求，提出了硬件电路中各部分的设计方案，完 成了系统的软硬件设计，硬件系统包括全桥主电路设计、以d s p 为核心的逆变 控制系统、采样调理、驱动保护等，给出了各单元电路设计。控制系统软件则 重点阐述逆变器数字控制系统主要环节的设计，给出了软件的总体结构、s p w m 波形的实现，生成数字正弦基准，实现逆变器逻辑控制功能，即对逆变器的保 护、监测进行控制等。 最后利用m a t i a b 和s i m u l i n k 仿真软件建立了逆变器的仿真模型， 用以验证控制方案的可行性和有效性。其研究和分析的结果为逆变器的数字化 控制的研究、完善和应用建立了基础。利用仿真工具软件对所设计的电力电子 设备进行仿真，有利于缩短产品的设计时间，有利于提高产品的可靠性。 关键词：逆变器，数字化控制，s p w m 武汉理工大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n v e r t e rp o w e rs u p p l i e sa r e w i d e l yu s e d a n a l o gc i r c u i t sa r eu s e di nt r a d i t i o n a li n v e r t e rp o w e rs u p p l i e st op r o d u c e t h eo u t p u tw a v e f o r m s , b u tt h i sc u r s e ss u c hd e f a u l t sa sc o m p l e xc i r c u i t s ，d i f f i c u l tt e s t m e t h o da n db a do u t p u tw a v e f o r m s f u i id i g i t a lc e n t r e lc a nb er e a l i z e dw h e nh i g h p e r f o r m a n c ed s p c o n t r o l l e r sa r ep r o d u c e d t h cd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sa d v a n t a g e s o ff l e x i b l ec o n t r o l ，h i g hi n t e g r a t i o n , s t r o n ga n t i d i s t u r ba b i f i t y t h er e a l i z a t i o no f a d v a n c e da r i t h m e t i ca n dt h ec o n v e n i e n c eo fr e a l - t i m ec o n t r 0 1 t h es y s t e r nb a s e dd s p c a nr e a l i z ef l e x i b l ea n dp r e c i s er e a l - t i m ec o n t r o la sw e l ia sm a l f u n c t i o nm o n i t o rb y s o f t w a r e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g i e so fas i n g i e - p h a s es p w m i n v e a e rh a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 f i r s t l y , t h eb a s i cs l r u e t u r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y o ft h ei n v e r t e rs y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e d , t h e ns e l e c t sr e p e t i t i v ec e n t r e ls t r a t e g ya s t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t h ei n v e r t e r s y s t e ms t a b i l i t y , s t e a d ys t a t ee r r o ri sa n a l y z e dt o d e s i g n i n gt h er e p e t i t i v ec o n t r o l l e r a n dp r e s e n t st h em na p p l i c a t i o nt h e o r y , a n d a n a l y s e st h es p w mt h e o r yi n c l u d i n gt h ec r e a t i n gm e t h o d s s e c o n d l y , t h eb i p o l a r s p w mc o n t r o ls t r a t e ：g ya n dt h eu n i v o c a ls p w m c o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e nc o m p a r e d a f t e rc o m p a r e d , t h eu n i v o c u ls p w mc o n t r o ls t r a t e g yi ss e l e c t e d ，a n di n t r o d u c e dt h e t h e i rr e s p e c t i v ec o n t r o lt e c h n i q u eo ft h eb i p o l a ra n du n i v o c a ls p w mi n v e r t e m t h i r d l y , a c c o r d i n gt o t h et e c h n i q u er e q u e s to ft h ei n v e r t e rp o w e rs u p p l y , t h e p a p e rp u tf o r w a r dt h ep r o j e c to ft h eh a r d w a r ee l e c t d cc i r c u i ta n dt h ec o n t r o le l e c t r i c c i r c u i tt h a ti se x o e p t i o n a l l yi n t r o d u c e d ，a c c o m p l i s h e st h ed e s i g n so fs y s t e ms o f t w a r e a n dh a r d w a r e t h es y s t e m m a i np a r ti se x p a t i a t e da n dt h et o t a ls t r u c t u r ei so f f e r e di n t h es o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r ec a r r i e so u to u t p i u tw a v ec o n t r o l ，c r e a t e sd i g i h a l s i n u s o i d a lh o r n la n di m p l e m e n t s1 0 9 i c a lc o n t r o lf u n c t i o n so fi n v e r t e rt h a ti s ，i n v e r t e r p r o t e c t i n g ，m o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n ta n d s oo n l a s t l y , t h ei u v e r t e rs i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yt h es i m l l l a t i o ns o f t w a r eo f m 舡l a ba n ds i m u ij n k w h i c hi su s e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fe v e r yc o n t r o l s t r a t e g y t h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o n ，t os o m ee x t e n d , h a sp a v e daw a y f o rt h e f i i r t h e rr e s e a r c h , i m p r o v e m e n ta n da p p l i c a t i o ni ut h ed i g h a tc o n t r o lo fi n v e r t e r p u t t i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei n t ou s ei n t h ep r o c e s so ft h ee l e c t r i ce q u i p m e n t s d e s i g n ，i ti sg o o dt or e d u c i n gt h et i m eo ft h ep r o d u c t sd e s i g n ，a n di t i sa l s ob e n e f i tt o i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c t s k e yw o r d s ：i n v e r t e f ，v i g i t a tc o n t r o l ，s p w m 丑 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着人们生活水平的日益提高，经济的迅猛发展，对能源的需求也越来越 大，同时不可再生一次性能源的不断减少，节约能源及环境保护日益为人们所 重视。电源是节约能源的重要环节，逆变电源技术在保持节约能源的同时还必 须环保无污染。 随着网络技术的发展，对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。高性 能的逆变电源必须满足；高的输入功率因数，低的输出阻抗；快速的暂态响应， 稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高；低的电磁干扰；智能化；完善的 网络功能。随着高性能的d s p 控制器的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。 d s p 采用了先进的哈佛结构，内部采用多总线结构和流水线的工作方式， 从而大大地提高了系统的运行速度和数字信号的处理能力，还在片内集成了如 a i ) 转换器、p w m 发生器、脉冲死区发生器等外设电路，使其可以方便的应用 于逆变电源的控制。采用d s p 作为逆变电源的控制核心，可用软件实现逆变器 灵活、精确的在线控制与全部故障监测。 1 1 现代逆变技术的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类 方式如下： ( 1 ) 按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。 工频逆变一般指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0 h z 到十几k h z ； 高频逆变器的频率则一般为十几k h z 到m h z 。这里需要一说明的是，在现代高 频开关电源领域，5 0 0k h z 以上才算是高频，但是在逆变领域，有时功率比较大， 2 0 k h z 的超音频被认为是高频。 ( 2 ) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 ( 3 ) 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 ( 4 ) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 ( 5 ) 逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管 武汉理工大学硕士学位论文 逆变等等。 ( 6 ) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆交和电流型逆变。 ( 7 ) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆 变。 ( 8 ) 按控制方式，可分为调频式( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 逆交。 ( 9 ) 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变 和定频软开关式逆变。 1 2 逆变技术现状与发展趋势 1 2 1p w m 软开关技术 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一【1 】，是 实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作1 2 】。它的 研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展， 都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。但这里必须指出，软开 关并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实 现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。 软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现p w m 软开关技术，也就是 将软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开 关工作。为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络，使p w m 逆变器只有 在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况 下则不发生谐振，以保持p w m 逆变器工作特点。 1 2 2 多电平技术 随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置应用的日益广泛， 电力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数电力电子装置功率因数较 低，也给电网带来额外负担，并影响了供电质量。因此抑制谐波和提高功率因 数已成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到 越来越多的关注例。 解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题不外乎两种途径：一 武汉理工大学硕士学位论文 种是加装补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制 和对无功进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波 也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法需要对现 有电力电子设备进行大规模更新，代价较大，并且只适用于作为主要谐波源的 电力电子装置，因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低 功率因数设备，并且方法简单，已得到广泛应用州。 1 2 3 并联技术 电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统 m 。和集中式电源系统相比，分布式电源具有以下优点：提高系统的灵活性， 可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了模块的功率密度，使电源系统 的体积、重量下降；各个模块的功率半导体的电流应力减小，提高了系统的可 靠性；分布系统可方便的实现冗余；减少产品种类，便于标准化。 1 2 4 低谐波、高精度输出技术 开关电源技术近年来发展迅速，对低谐波、高精密电源需求也越来越多嗍。 高精度、低谐波电源对保护用电设备、减小对电网的污染等方面都具有很大的 作用。 1 2 5 数字化控制 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势 7 1 ，也是现代逆变技术发 展的趋势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字控制极大 地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，但数控变换器 在实际使用中还存在许多待解决的问题，例如：变换器开关动作对采样的严重 干扰；检测的量化误差导致控制精度显著下降；高速运行下数字化脉宽调制时 间分辨率的下降1 8 j ；开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。在很多 实际应用的场合，往往采用模拟控制和数字界面。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 数字控制的优越性 根据电压调节器的实现方式，可以将逆变器的控制策略分为模拟控制和数 字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能 优良，成本较低，但模拟控制也存在一些缺陷1 9 j ： ( 1 ) 控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂。 ( 2 ) 灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变。 ( 3 ) 调试比较麻烦，由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟 器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。 ( 4 ) 模拟控制方式比较单一，较难实现先进的复杂控制算法。 ( 5 ) 很难实现逆变器的网络化、智能化管理维护。 数字化是逆变电源发展的主要方向，逆变电源采用数字控制，具有以下明显 优点： 1 0 1 1 1 】 ( 1 ) 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度 更高，性能更完美。 ( 2 ) 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬 件线路。 ( 3 ) 控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一 的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 ( 4 ) 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接口或u s b 接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复， 甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过m o d e m 远程操作。 ( 5 ) 系统的一致性较好，成本低，生产制造方便由于控制软件不像模拟器件 那样存在差异，其一致性很好，由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小， 生产成本下降。 ( 6 ) 易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统，为了得到高性能的并 联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制， 易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制 算法，从而实现高可靠性，高冗余度的逆变电源并联运行系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 逆变电源数字控制方案 逆变电源的数字控制方法已成为当今电源研究领域的一个热点，与数字化 相对应，各种各样的离散控制方法也纷纷涌现，包括数字p i d 控制、无差拍控 制、数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。从而有力地推动逆变电 源控制技术的发展。下面介绍逆变电源的主要控制策略： ( 1 ) 单闭环p ( 比例积分微分) j 空制 p i d 控制1 1 2 1 概念明晰，实施容易，是工程实际中应用最广的一类控制器。 在数字控制中，该方法分为全量式和增量式，它同样也可用于逆变器的控制。 由于空载的逆变器近似于一个临界振荡环节，积分控制又增加了相位滞后，这 样一来，为保证系统稳定，对控制器比例必须有所限制。因此，p i d 控制的快 速性虽相对平均值反馈有较大的改进，但仍是有限的，系统对非线性负载扰动 的抑制效果不佳。p i d 控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的稳 态精度不容易满足要求。实际系统往往在p i d 控制基础上增设平均值反馈以保 证稳态精度。 ( 2 ) 无差拍控制 无差拍【1 3 l ( d e a d b e a t ) 是数字控制特有的一种控制效果，它是在控制对象离 散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个 采样周期时间内得到纠正。早期的无差拍波形控制是基于阻性负载假设，负载 适应性较差。采用扰动观测器t 1 4 】可以实时预测负载电流，显著增强了负载适应 性，是无差拍控制的一大改进。无差拍最显著的优势是动态响应快，缺点是对 依赖于精确数学模型。 ( 3 ) 状态反馈控制 状态反馈控制1 1 5 】可以任意配置闭环系统的极点，有利于改善系统的动态品 质。但在建立逆变状态模型时很难考虑到负载的动态特性，所以状态反馈控制 只能针对空载和假定的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依 赖性很强，使得系统在参数和负载发生变化时易出现稳态偏差及动态特性的改 变。 ( 4 ) 重复控制 重复控制【1 6 1 1 7 1 的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用 于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。逆 5 武汉理工大学硕士学位论文 变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。 其基本思想是控制量的周期重复。 重复控制能使逆交器获得低t h d 的稳态输出波形，其主要缺点是动态性 能差，是基于周期的控制。为此提出了自适应重复控制伺服控制器和重复控制 器组成的复合控制等多种方案改善系统的动态特性。 ( 5 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制【嘲【1 9 1 ( s l i d i n g - m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) 最大的优点 是其对参数变化及外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其固有的开关特性， 特别适用于电力电子的闭环控制之中。早期的逆变电源的滑模变结构控制多采 用模拟控制技术，这存在控制硬件电路特别复杂、控制功能有限的弱点。微处 理器的应用能够减小滑模变结构控制器的复杂性，但是连续滑模控制器的设计 方法不能直接用于离散滑模控制器的设计，微处理器的离散采样可能会导致系 统的震动或系统的不稳定。所以，需要离散滑模控制技术，它完全不同于常规 的连续滑模控制理论。 滑模控制有着明显的优点：快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效 果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。 ( 6 ) 自适应控制 自适应控制【冽有效的消除由于周期性的未知的系统特性参数变化而对系统 输出造成的影响，误差收敛速度较快，大负载扰动下系统稳定不必知道控制系 统的数学模型；反馈控制设计较复杂，系统模型及稳定性分析也非常困难。适 合于系统模型未知或运行过程中会发生变化的情况。 ( 7 ) 模糊控制i “j 复杂的电力电子装置是一个多变量，非线性，时变的系统，系统的复杂性和 模型的精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有 效地对复杂事物做出判断和处理，近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人 们的重视。对于高性能的逆变电源的设计，模糊控制器有着以下优点： 模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，模糊控制器 有着较强的鲁棒性和自适应性； 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少的时间，因而可以采用较高采 样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。文献【2 2 1 采用输出电压和电感电流反馈， 即把电压误差和电感电流作为输入模糊变量，实现了逆变电源的模糊控制，在整 武汉理工大学硕士学位论文 流性负载的状态下，系统能够保证输出的t h i ) 小于5 。文献【墨】将模糊控制与无 差拍控制相结合，模糊控制用来补偿由于非线性负载导致的电压跌落。 模糊控制属于智能控制的范畴。与传统的控制方式相比，智能控制最大的好 处是不依赖控制对象的数学模型；模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人 的模糊信息处理能力。理论上已经证明，模糊控制可以任意精度逼近任何非线性 函数，但受到当前技术水平的限制。模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的 限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊 控制的精度有待于进一步提高。 模糊逻辑，神经网络和专家系统出现融合的趋势，展示了模糊逻辑，神经网 络和专家系统相辅相成，优势互补的强大生命力。采用神经网络确定隶属函数， 记忆模糊规则和进行模糊推理等研究已取得一定的成果，各种模糊神经网络的 拓扑结构和算法不断涌现，模糊逻辑和专家系统结合，可充分利用专家系统知识 推理机制和知识抽取能力。可见，未来模糊控制必将成为逆变电源的核心控制技 术之一。 ( 8 ) 实时消谐p w m 控制【硼 实时消谐p w m 控制是一种经过计算的p 删控制技术。需要较少的开关脉 冲即可消除容量较大的低阶高次谐波、开关频率低、开关损耗小、电压利用率 高、滤波容量小等许多优点。和其它p 删控制技术相比，既能克服高频p w m 技 术为消除低次谐波而导致开关频率高的缺点，又能克服大功率逆变电源中运用 的波行重构技术降低谐波含量而导致主电路和控制电路复杂的缺点；但此方法 要求实时求解消谐模型，对控制器的运算速度要求极高，目前还未实际应用。 逆变电源输出谐波含量的多少是衡量其性能优劣的重要指标之一，最有效降低 电源输出谐波含量的方法是采用谐波消除技术。实时消谐技术由于对控制器运 算速度要求极高而难于实现，目前还停留在理论探讨阶段。 1 5 本文研究的主要内容 本文针对现有逆变器结构及控制策略进行了详细的分析与对比，经过比较， 选用实际滤波效果较好的单相全桥逆变电路作为主电路拓扑结构，详细介绍了 逆变器硬件控制各单元电路设计，给出了软件系统流程图及产生s p w m 波形方法， 最后利用m a t l a b 软件建立了系统仿真平台，分析其有效性和可行性。主要内容 7 武汉理工大学硕士学位论文 分为以下六章： 第l 章主要介绍了逆变电源技术现状与发展、逆变电源数字化控制的优越 性，着重介绍逆变电源的现有数字控制策略，分析其优缺点。 第2 章重点介绍了逆变系统基本结构，具体分析了s p 删单相全桥逆变电路 的工作原理及双极性、单极性和单极性倍频控制方式，给出了s p 喇控制脉冲的 实现方法，探讨了逆变电源系统的重复控制技术，分析了系统的稳定性和稳态 误差。 第3 章对整个硬件系统平台进行了详细的设计。主要包括系统主电路、 r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 最小系统设计及外围接口电路、驱动电路、保护电路的实现。 第4 章具体介绍了系统软件设计和实现方案。给出了系统软件总体结构、 各模块流程图，详细介绍了生成s p 删波形的方法及流程，分析了p i d 算法。 第5 章给出了逆变系统主电路、控制电路及s p 删驱动发生器仿真模型，并 利用m a t l a b 的电力仿真工具箱s i m p o w e r s y s t e m s 对各仿真模型进行了仿真分 析，验证了其可行性。 第6 章对全文的工作进行了总结，并就下一步工作进行了展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章逆变系统基本结构及控制策略 2 1 现代逆变系统基本结构 逆变的直接功能是将直流电变换成交流电1 2 5 l 。逆变系统的核心就是逆变开 关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。 电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个 电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路( 或控制回路) 。逆 变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入 电路、输出电路等等，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 逆变系统结构图 下面对各个部分做一些简单介绍： ( 1 ) 输入电路 逆变主电路输入为直流电，若是直流电网( 如煤矿，矿山，电车等) 、蓄电 池贮存的电，或者是直流发电机发出的电，或者直流电动机和变频调速交流电 动机制动时再生直流电，则输入电路包括滤波电路和e m i 对策电路。若是交流 电网，除了滤波和e m i 对策电路外，首先还要有整流电路。 ( 2 ) 输出电路 输出电路一般都包括输出滤波电路和e m i 对策电路，对直流输出的逆变系 统还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。 对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变 系统，输出量还要反馈到控制电路。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制电路 控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管 的一导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路 和逆变主电路同样重要。 ( 4 ) 辅助电源和保护电路 辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电 压。若是直流输入，则是一个或几个d c d c 变换器：若是交流输入，则可以采 用工频降压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用d c d c 变换器。 保护电路主要包括： 输入过压、欠压保护。因为是电网问题，一般是可以自恢复的。 输出过压、欠压保护。一般是故障问题，最好是不可自恢复。 过载保护。有时是瞬间过载，所以应是可自恢复的。 过流和短路保护。属于故障，所以应该是不可自恢复的。 过热保护。当环境温度过高或长时间超负荷运行，逆变器会出现过热自 动保护，但冷却系统应继续工作，在温度降到一定值后，应能自动恢复工作。 ( 5 ) 逆变主电路 逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离 式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开 关电源、u p s 、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括逆 变变压器。非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式， 用它们也可以组成各种隔离式逆交主电路。 2 2s p w m 控制技术及其原理 2 2 1s p w m 控制的基本原理 如图2 - 2 ( a ) 所示，我们将一个正弦波半波电压分成n 等分，并把正弦曲 线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩 形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图2 2 ( b ) 所示得脉冲列，这 就是s p w m 波形。正弦波的另外半波可以用相同得办法来等效。可以看出，该 p w m 波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为s p w m 波形。 2 6 1 2 7 】 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 s p w m 波形 根据采样控制理论，脉冲频率越高，s p w m 波形便越接近正弦波。逆变器的 输出电压为s p 删波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能 很容易滤去，从而可得到崎变率极低的正弦波输出电压。 s p w m 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要 的波形。 从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉 冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各 开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正 弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑 曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种 方法称为调制方法。希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载 波。当调制信号是正弦波时，所得到的便是s p 删波形。当调制信号不是正弦 波时，也能得到与调制信号等效的p 州波形。 2 2 2p w m 型逆变电路的调制方式 在p w m 逆变电路中，载波f c 与调制信号频率f r 之比n = f 。f ，称为载波比。根 据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，p v n , i 逆变电路可以有异步调制和 同步调制两种控制方式。i 瑚 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率f ，变化时，通常保持载波频率f c 固定不变，因而载波 比n 是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉 冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1 4 周期的 脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时，载波比n 较大，半周期内的脉冲数较多，正负半 周期脉冲不对称和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称的影响较小，输出波形接 近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比n 减小，半周期内的脉冲数量减少， 输出不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波形 之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相p 嘲型逆变电路来说，三相 输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率， 以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。 ( 2 ) 同步调制 载波比n 等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方 式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比n 不变。 调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相p w l 4 逆变电路中，通常公用一个三角波载波信号，且取载波比n 为3 的整数倍，以 使三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜对称，n 应取为 奇数。 当逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的， 所以由p w m 调制而产生的f c 附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波 通常不易滤除，如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电动 机的正常工作带来不利影响。 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把逆变电路的输 出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比n 恒定，不同频段的 载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以便载波频率不致过高， 在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比， 以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取3 的 整数倍且为奇数。 在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，f c 大约在1 4 2 k h z 武汉理工大学硕士学位论文 之间。提高载波频率可以使输出波形更接近正弦波，但载波频率的提高受到功 率开关器件允许最高频率的限制。另外，在采用微机进行控制时，载波频率还 受到微机计算速度和控制算法计算量的限制。 同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但使用微机控制时还是容易实现 的。也有的电路在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步 调制方式，这种方式可把两者的优点结合起来，和分段同步调制方式的效果接 近。 2 2 3 全桥逆变器的控制方式 全桥逆变器的控制脉冲按s p 嘲调制方式，有单极性、双极性和单极性倍频 调制三种1 2 9 1 1 3 0 1 3 1 1 ( 1 ) 双极性s p w m 调制 全桥逆变器采用双极性p 咖控制方式时，见图2 3 ，载波为全波三角波。用 正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部 分，输出负脉冲。在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大， 对外部干扰较强。负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。 一八 vvvv 、产七槲7 厂 厂 厂 厂 r r 几几nr i juuuuuuu uuu 7 图2 3 双极性s p w m 原理波形 ( 2 ) 单极性s p w m 调制 采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性， 在开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压下自然续流衰减， 武汉理工大学硕士学位论文 在控制时间到时再恢复输出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正( 负) 直流 电压组成。该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率 小，功耗也要小，因此对系统及外部设备干扰小。 ( 3 ) 单极性倍频s p w m 调制 图2 - 4 正弦波单相全桥逆变电路 图2 - 6 示出了单极性倍频s p w g 调制脉冲生成原理。在图2 - 4 所示电压型全 桥逆变电路中，q l ，q 2 ，q 3 ，q 4 循环导通一次的控制脉冲如图2 - 5 所示。其中 图2 5 所示的“p 路脉冲”控制左半桥两个开关管q 1 ，q 2 ，“n 路脉冲”控制右 半桥两个开关管q 3 ，q 4 。在这样的s p 嘲脉冲的控制下，逆变器输出电压频率为 功率器件开关频率的两倍，按图2 - 6 所示的s p 删调制原理即可得到图2 - 5 所示 的单极性倍频s p m , t 调制脉冲。 q 1 ： q 2 ： q 3 q 4 磁豳豳磁缀鳓黼 l i l il ； ； 圈 目 隧翻圈 图2 - 5 逆变器h 桥开关管的p 和n 两路控制脉冲 1 4 p 路脉冲 控制左半 桥q l q 2 n 路脉冲 控制左半 桥q 3 q 4 武汉理工大学硕士学位论文 八入八八八。 、vvvvvvw “掣朋7 厂 厂 厂 厂 厂 厂 几门n几几厂。 juuu u uuuuuuu 7 入八八八八￥，7 州。 w 惮掣mvvvvvv 7 n几几几几几厂 厂 厂 厂 厂 厂一 _ jl _ jl _ jl _ jl jl jl _ 】uuuul j 一 0 惭册0 。 悱u uu 酣m 7 c c 图2 - 6 单极性倍频s p w m 调制原理图( u s - 正弦调制波； u c ：三角载波) 单极性倍频s p 喇调制原理分析如下： 两路脉冲如图2 6 的( a ) ( b ) 所示，占空比为： 1 d p 正= ( 1 + 肘s i n o ) 二 1 d n 正= ( 1 一ms i n o ) 二 对p 路调制波：当调制波电压高于载波电压时控制左桥臂上管导通，下管 关闭，反之相反。同样，对n 路调制波：当调制波电压高于载波电压时控制右 桥臂上管导通，下管关闭。若以“1 ”来表示开关管导通，“0 ”表示关断，则： q l q 2 q 3 q 4 = 1 0 0 1 _ + 输出s p w m 波u 曲正半波 q 1 q 2 q 3 0 4 = 0 1 1 0 + 输出s p w m 波u a b 负半波 武汉理工大学硕士学位论文 两路调制波及载波如图2 7 所示。图中一周内p 路调制波生成的s p b ! 脉冲 如图2 - 6 的( a ) 所示：n 路调制波生成的s p b t 脉冲如图2 - 6 的( b ) 所示。 图2 7 完整周期内p 路、n 路调制波与载波 a 图2 8 单极性倍频s p w m 调制脉冲占空比分析图 结合图2 6 、2 8 ，根据三角形的相似性，在a c b a a o p 中，根据 规则采样法的特点，对于p 路正脉冲，在时间上，b c , = t c d 2 , m n = 昙t c 为采样周期， 即三角载波的周期，d 是输出脉冲宽度，d 是输出脉宽相对采样周期的占空比。 由 6 2 t 2 c - 一 + u r s i i i 口) “2 u c ) 得到脉宽 6 一孚( 1 + 嫠础 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 占空比d 为 d ，旦! ( 1 + m s h e ) z t c2 m = u r u c ，代表调制度。 以上是0 石内p 路正脉冲的占空比，同样可得o 石内n 路正脉冲的脉宽为 6 - 孚( 1 一瓦u r s i n 8 ) 于是占空比d 为 d - 去一争m i s i n 8 d 对应于同一个载波周期，在o 石内，由图2 - 6 的( c ) 容易知道， 输出有效s p 嘲波u a b 正半波+ p 前正一n 前负 输出有效s p w 4 波u a b 正半波p 前正一n 前负 因为在每个调制波周期( 如图2 - 7 ) ，p 正脉冲总对应于n 正脉冲，而在前半 周内，p 前正的脉冲宽度恒大于n 前正的脉冲宽度。于是p 前正脉冲跟与之相对 应n 前正脉冲首尾的n 前负脉冲相差而得到有效s p 咖波u a b 正半波的两个脉冲， 并且此相邻二脉冲宽度相等( 规则采样的特点：每个脉冲在载波周期中点处两端 等宽) 。 同理，容易得到输出有效s p w m 波u a b 负半波为p 后负一n 后正 在一个调制波周期内，p 路调制波前半周( 也即n 路调制波前半周，p 、n 正负两路正弦调制波严格反相) 时间段内，两路正脉冲的占空比分别为： 1 d p 正= 妄( 1 + ms i n o ) 二 1 d , t - - 0 - ms i n o ) 二 1 1 且：d 舻d p i e d , t - - 0 + m s i n e ) 一言( 1 一m s i n s ) = m s i n 0 二二 称d o f f 为有效占空比( 即同一个载波周期内两个等宽的有效脉冲的占空比之 和) 。由上式可知，双重s p w m 调制方式所得到的正弦脉冲与普通s p w m 方式得到 的正弦脉冲在效能上完全一样。 从以上分析可以看到：此种单极性倍频s p w m 调制方式得到的是由一对一对 等宽脉冲组成，而脉冲的宽度是按正弦规律变化，在这样的s p w m 脉冲的控制下， 逆变器输出电压频率较普通单极性s p w m 调制方式提高了一倍【3 2 l 【3 3 】，为功率器件 开关频率的两倍，单极性倍频s p w m 调制有时也称为双重s p w m 调制。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 单极性倍频s p 删调制方式与双极性s p i n i 调制方式相比，它能够在开关频 率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有