pwm控制的單相逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)lc濾波電路(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。一般根據(jù)三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。 單極性PWM控制原理方式如果三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的PWM波形也是在方向變化的，這時(shí)稱為雙極性PWM控制方式。 雙極性PWM控制原理方式?jīng)_量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。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(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。 面積等效原理（RL電路）上。其輸出電流i(t)[2]。 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。上述原理可以稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波。，就可以把正弦半波看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。 用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM逆變電路及控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。電壓型逆變電路的特點(diǎn)[3]：(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)；(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。半橋逆變電路（a）所示。V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VDVD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。 半橋逆變電路單相半橋電壓型逆變電路簡(jiǎn)單，使用器件少。但是交流電壓幅值Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。全橋逆變電路(a)，兩個(gè)半橋電路的組合。1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180176。uo波形同下圖。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和下圖中的io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級(jí)數(shù) （）基波幅值 （）基波有效值 （）uo為正負(fù)各180186。時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實(shí)現(xiàn)。（b）。可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號(hào)為180186。正偏，180186。反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3的基極信號(hào)只比V1落后q ( 0q 180186。)，VV4的柵極信號(hào)分別比VV1的前移180186。q，uo成為正負(fù)各為q 的脈沖，改變q 即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路—電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源。單相電流型逆變電路：(1) 直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。(3) 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流[4]。單相橋式（并聯(lián)諧振式）。 單相橋式（并聯(lián)諧振式）電流型逆變電路4橋臂，每橋臂晶閘管各串一個(gè)電抗器LT限制晶閘管開通時(shí)的di/dt。4和3以1000～2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流超前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，加熱線圈內(nèi)的鋼料，RL串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù)很低，故并聯(lián)C。C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對(duì)基波呈高阻抗，對(duì)諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。 并聯(lián)諧振式逆變電路主要工作波形一周期內(nèi)，兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。t1t2：VT1和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，io=Id，t2時(shí)刻前在C上建立了左正右負(fù)的電壓。t2t4：t2時(shí)觸發(fā)VT2和VT3開通，進(jìn)入換流階段。LT使VTVT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個(gè)減小過程。VTVT3電流有一個(gè)增大過程。4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。t2時(shí)刻后，LTVTVTLT3到C；另一個(gè)經(jīng)LTVTVTLT4到C。t=t4時(shí)，VTVT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2=tg稱為換流時(shí)間。io在t3時(shí)刻，即iVT1=iVT2時(shí)刻過零，t3時(shí)刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。保證晶閘管的可靠關(guān)斷：晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使VTVT4承受一段反壓時(shí)間tβ，tβ=t5t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。為保證可靠換流應(yīng)在uo過零前td= t5t2時(shí)刻觸發(fā)VTVT3。td為觸發(fā)引前時(shí)間 （）io超前于uo的時(shí)間為 （）表示為電角度 （）ω為電路工作角頻率；γ、β分別是tγ、tβ對(duì)應(yīng)的電角度。數(shù)量分析：忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級(jí)數(shù)。 （）基波電流有效值 （）負(fù)載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關(guān)系 （）實(shí)際工作過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整，這種控制方式稱為自勵(lì)方式。固定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問題，解決方法：一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng)電路。 Boost升壓電路T he boost converter，或者叫stepup converter，是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高。，電感的作用是將電能和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)MOS開關(guān)管閉合后，電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)開關(guān)器件斷開后電感將儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，且這個(gè)能量在和輸入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波后得到平滑的直流電壓提供給負(fù)載，由于這個(gè)電壓是輸入電源電壓和電感的磁碭能轉(zhuǎn)換為電能的疊加后形成的，所以輸出電壓高于輸入電壓，既升壓過程的完成；假定那個(gè)開關(guān)（三極管或者mos管）已經(jīng)斷開了很長(zhǎng)時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。下面要分充電和放電兩個(gè)部分來說明這個(gè)電路[5]。 boost升壓電路（1）充電過程在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管或MOS管導(dǎo)通），開關(guān)（三極管或MOS管）處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。 充電過程等效電路圖（2）放電過程放電過程中，這是當(dāng)開關(guān)閉合（三極管或MOS管截止）時(shí)的等效電路。當(dāng)開關(guān)閉合（三極管或MOS管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了，升壓完畢。 放電過程等效電路圖選用升壓斬波電路原因是為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，并且該電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，損耗較小，效率較高。不僅能起調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制諧波電流噪聲的作用。 系統(tǒng)可行方案和選擇方案一：半橋式逆變電路。在驅(qū)動(dòng)電壓的輪流開關(guān)作用下，半橋電路兩只晶體管交替導(dǎo)通