畢業論文---單相逆變電源的設計含外文翻譯(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 0%）。 3. 額定輸出頻率 逆變器輸出交流地那英的頻率應是一個相對穩定的值，通常為工頻 50HZ。正常工作條件下其值應在177。 1%以內。 1）過電壓保護：對與沒電壓穩定措施的逆變器，應有輸出過電壓防護措施，以使負載免受輸出過電壓的損害。 2）過電流保護：逆變器的過電路保護，應能保證在負載發生短路或電流過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。 逆變器帶負載啟動的能力和動態工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。 電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過 80DB,小型逆變器的噪聲應不超過 65DB. 逆變器的 DSP 控制 總體來說，逆變器就是利用數字控制器的定時器的操作產生一種 PWM波，進而控制晶閘管的導 通與關斷，為了使輸出波形在帶載時更加精確，在現在控制中一般采用閉環控制方法。逆變電源的控制方法有傳統的 PID控制，模糊控制、滯環控制、狀態反饋控制、無差拍控制和重復控制。與模擬控制電路相比，逆變電源采用微機數字化控制具有以下優勢 :① 溫度漂移小，抗干擾能力強，可靠性高，穩定性好。 ② 數字式部件結構牢固，體積小，重量輕，耗能少，易于標準化。 ③ 提高了信息存儲、監控、診斷以及分級控制的能力，使系統更趨于智能化，系統維護方便 。 ④ 控制策略靈活，可以方便實現許多復雜、智能的算法提高性能。但同時也有如下問題： ① 信號反饋中的量化誤差使系統精度有所下降。 ② 數字處理器采樣、計算延時帶來的變頻電源最大占空比受限問題，對環境溫度要求較高等等，這些問題使得數字控制在變頻電源性能提高的發揮中受到了阻礙，但是這些問題依然不能阻擋微機控制在電力電子中的使用，逆變電源微機控制技術也日趨成熟。 1）單閉環 PID 控制 早期的逆變控制器多為模擬 PID 控制，單純 采用輸出電壓的瞬時值反饋。采用模擬 PID控制器進行調節，其動態性能特別是非線性負載的時候，不能令人滿意。對于要求較高的系統，還沒有做到滿足系統要求的動態特性和穩態精度。隨著 DSP 的出現，逆變器的瞬時值反饋數字 PID 控制成為可能。但是，數字 PID 控制不可避免地存在一些局限性。 PID 控制的精度取決于比例項和積分項，這兩項越大控制精度越高，一方面逆變器空載時振蕩性很強，積分項易產生相位滯后，另一方面離散化系統的量化誤差也對穩定性產生影響，因此比例項和積分項不能取得太大。由于數字控制的采樣、計算延時的影響，引入了相 位滯后，減小了最大可得到的脈寬，結果勢必造成穩態誤差大，輸出電壓波形畸變高。采用高速 A/D 和高速處理器以及提高開關頻率可以一定程度上改善數字 PID 控制的效果，但實現起來有一定困難。并且 PID 控制無法實現對正弦指令的無靜差跟蹤，逆變器系統實際上往往增設外環均值反饋以保證系統的穩態精度。 2）模糊控制 與傳統的控制方式相比，智能控制最大的好處是不依賴控制對象的數學模型。模糊控制器的設計不需要被控對象的精確數學模型，有著較強的魯棒性和自適應能力；查找模糊控制制表只需要占用處理器很少的時間，因而可以 采用較高的采樣率來補償模糊控制規則和實際經驗的偏差。模糊控制在理論上可以任意逼近任何非線性函數，但是模糊控制的分檔和模糊控制規則需要進一步的研究，并且隸屬函數較難確定，因此模糊控制的精度有待遇進一步提高。 3） bangbang 控制 bangbang 控制方面的研究始于 20 世紀 50 年代。在過去的 20 年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂 “ 魯棒性 ” ，是指控制系統在一定（結構，大小）的參數攝動下，維持某些性能的特性。根據對性能的不同定義，可分為穩定魯棒性和性能魯棒性。以閉環系統的魯棒性作為目標設 計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。 由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實際工業過程的精確模型很難得到，而系統的各種故障也將導致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制系統中廣泛存在。如何設計一個固定的控制器，使具有不確定性的對象滿足控制品質，也就是魯棒控制，成為國內外科研人員的研究課題。 現代魯棒控制是一個著重控制算法可靠性研究的控制器設計方法。其設計目標是找到在實際環境中為保證安全要求控制系統最小必須滿足的要求。一旦設計好這個控制器，它的參數不能改變而且控制性能能夠保證。 魯棒控制方法適 用于穩定性和可靠性作為首要目標的應用，同時過程的動態特性已知且不確定因素的變化范圍可以預估 ，對于有太多不確定因素的被控對象，魯棒控制就不適應了。 (4) 無差拍控制 無差拍控制是一種基于微機實現的 PWM 方案，是數字控制特有的一種控制方案。它根據逆變器的狀態方程和輸出反饋信號來計算逆變器在下一個采樣周期的脈沖寬度，控制開關動作使下一個采樣時刻的輸出準確跟蹤參考指令。由負載擾動引起的輸出電壓偏差可在一個采樣周期內得到修正。無差拍控制有著非常快的動態響應，波形畸變率小，即使開關頻率不是很高，也能得到較好 的輸出波形品質。但是，無差拍控制的自身缺點也十分明顯 :無差拍控制效果取決于模型估計的準確程度，實際上無法對電路模型做出非常精確的估計，而且系統模型隨負載不同而變化，系統魯棒性不強 。其次，無差拍控制極快的動態響應即是其優勢，又導致了其不足，為了在一個采樣周期內消除誤差控制器瞬態調節量較大，一旦系統模型不準，很容易使系統輸出振蕩，不利于逆變器的穩定運行。 (5) 重復控制 重復控制的基本思想源于控制理論中的內模原理，內模原理是把作用于系統的外部信號的動力學模型植入控制器以構成高精度的反饋控制系統。由內模 原理可知，除非針對每一種指令或擾動信號均設置一個正弦函數內模，否則無法實現無靜差，重復控制利用“重復信號發生器”內模巧妙地解決了這一問題。重復控制采用數字方式實現。逆變器重復控制的目的是為了克服死區、非線性負載引起的輸出波形周期性畸變。其基本思想是假定前一基波周期中出現的畸變將在下一基波周期的同一時間重復出現，控制器根據每個開關周期給定與反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后在下一基波周期同一時間將此信號疊加在原控制信號上，以消除以后各周期中將出現的重復性畸變。重復控制能使逆變器獲得低 THD 的穩態輸出波形 。但其主要弱點是動態性能差，干擾出現后的一個參考周期內，系統對干擾不產生任何調節作用，這一周期系統近乎處于開環控制狀態，消除干擾對輸出的影響至少要一個參考周期。此提出了自適應重復控制、伺服控制器和重復控制器組成的復合控制、狀態反饋控制與重復控制組成的雙環控制等多種方案改善系統的動態特性。 (6) 滑模變結構控制 滑模變結構控制最大的優勢是對參數變動和外部擾動不敏感，系統的魯棒性特別強。早期逆變器采用模擬控制實現滑模變結構控制，存在電路復雜、控制功能有限的弱點。基于微處理器的滑模變結構控制完全不同于常 規的連續滑模控制理論，需要離散滑模控制技術，有些文獻引入前饋改善離散滑模控制的穩態性能，有些通過自矯正措施改善負載擾動的影響。但是滑模控制存在理想滑模切換面難以選取、控制效果受采樣率的影響等弱點，它還存在高頻抖動現象且設計中需知道系統不確定性參數和擾動的界限，抖動使系統無法精確定位，測定系統不確定參數和擾動的界限則影響了系統魯棒性進一步發揮。 本文研究內容 本文研究的主要內容如下： ⑴ 掌握單相電壓型 PWM 逆變器的工作原理 。 ⑵ 建立單相電壓型逆變器的數學模型 。 ⑶ 完成單相電壓型 PWM 逆變器的諧波分析 。 ⑷ 完成單相電壓型逆變器反饋閉環控制系統控制規律研究 。 ⑸ 完成單相電壓型 PWM 逆變器系統仿真 。 ⑹ 完成系統調試，并對實驗結果進行分析 。 第二章 逆變電源的工作原理 逆變電源結構分析 逆變電源基本結構 逆變電源采用 AC－ DC－ AC（交－直－交）的結構形式，其基本結構如圖 21 所示，主要由輸入、整流、逆變、輸出、驅動與控制以及保護等電路組成。 圖 21 逆變電源的基本結構圖 (1) 輸入電路 逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經過整流電路轉換為直流，提供穩定 的直流電壓。 (2) 輸出電路 輸出電路主要是濾波電路。對于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還 有逆變變壓器；對于開環控制 的逆變系統，輸出量不用反饋到控制電路；而對于 閉環控制的逆變系統，輸出量還要反饋到控制電路。 (3) 驅動與控制電路 驅動與控制電路的功能就是按要求產生一系列的控制脈沖，來控制逆變開關 管的導通和關斷，并能調節其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統 中，控制電路與逆變主電路具有同樣的重要性。 (4) 輔助電源 輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電 壓。 (5) 保護電路 保護電路主要具有：輸入過壓保護、欠壓保護功能；輸出過壓保護、欠壓保 護功能；過載保護功能；過電流和短路 保護功能。 (6) 逆變主電路 逆變主電路主要是根據變化的驅動控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變。現普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。 逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理，圖（ a）中 S1~S4 是橋式電路的 4個臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當開關 S S4 斷開， S S3 閉合時， uo 為負，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的 最基本的工作原理。當負載為電阻時，負載電流 io 和電壓uo 波形形狀相同，相位也相同。當負載為阻感負載時， io 的基波相位滯后于 uo 的基波，兩者波形形狀也不同，圖（ b）給出的就是阻感負載時的 io 波形。 圖 22 逆變電路及其波 設 t1 時刻以前 S S4 導通， uo 和 io 均為正。在 t1 時刻斷開 S1 和 S4,同時合上 S S3 導通 ,則 uo 的極性立刻變為負。但是，因為負載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時負載電流從直流電源負極流出，經 S負載和 S3 流回正極，負載電感中儲存的能量向直流電源反饋，負載電流逐漸減小，到 t2 時刻降為零，之后 io 才反向并逐漸增大。S S3 斷開， S S4 閉合時的情況類似。 逆變電路的換流方式 在圖 22 的逆變電路工作過程中，在 t1 時刻出現了電流從 S1 到 S2,以及從 S3 到 S4 的轉移。電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為換流，也常被稱為換相。 換流方式的分類 ① 器件換流 利用全控型器件的自關能力進行換流。在采用 IGBT、電力 MOSFET、 GTO、 GTR 等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。 ② 電網換流 由電網提供換流電壓稱為電網換流。可控整流電路、交流調壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加元件。可控整流電路，無論其工作在整流狀態還是有源逆變狀態，都是借助于電網電壓實現換流的，都屬于電網換流。三相交流調壓電路和采 用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網換流。在換流時，只要把負的電網電壓施加在遇關斷的晶閘管上即可使其關斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網的無源逆變電路。 ③ 負載換流 由負載提供換流電壓稱為負載換流。負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可以實現負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現負載換流。另外，當負載 為同步電動機時，由于可以控制勵磁電流使負 載呈現容性，因而也可以實現負載換流。 圖 23 a 是基本的負載換流逆變電路，四個橋臂均由晶閘管組成。其負載是電阻電感串聯后再和電容并聯，整個負載工作在接近并聯諧振狀態而略呈容性。在實際電路中，電容往往是為改善負載功率因數，使其略呈容性而接入的。由于在直流側傳入了一個很大的電感dL ，因而在工作過程中可以認為 di 基本沒有脈動。 圖 23 負載換流電路及其工作波形 電路的工作波形如圖 23b 所示。因為直流電流近似為恒值，四個臂開關的切換使電流流通路徑改變，所以負載電流基本呈現為矩形波。 負載工作在對基波電流接近并聯諧振的狀態，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小， uo 波形接近正弦。 工作過程： t1 時刻前， S S4 為通態， S S3 為斷態， uo、 io 均為正， S S3 上施加的電壓即為 uo； t1 時刻時，觸發 S S3 使其開通， uo 通過 S S3 分別加到 S S1 上使其承受反壓而關斷，電流從