單相全橋逆變器控制技術(shù)基礎(chǔ)

1、 目錄目錄1231. spwm控制2.滯環(huán)控制 3. 電壓電流雙閉環(huán)控制144.pid1spwm控制單相全橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)逆變器的兩種調(diào)制技術(shù)3開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計方便。和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。spwm 滯環(huán)調(diào)制采用瞬時值比較方式，雖存在開關(guān)頻率不固定的缺點使濾波器設(shè)計困難(可設(shè)計可變環(huán)寬控制策略使開關(guān)頻率固定; 但它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴負載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點。滯環(huán)控制3spwm控制4面積等效原理 是pwm(脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)

2、節(jié)上時，其效果基本相同。 沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 4spwm控制5用pwm波代替正弦半波 將正弦半波看成是由n個彼此相連的脈沖寬度為/n，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。 把上述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，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是pwm波形。 對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到pwm波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形，也稱s

3、pwm（sinusoidal pwm）波形。 6spwm控制計算法 根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將pwm波形中各脈沖的寬度和間隔準確計算出來，按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的pwm波形，這種方法稱之為計算法。 計算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。 調(diào)制法 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的pwm波形。 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。 spwm實現(xiàn)7spwm控制urucuowtowtuouofuoud-ud單極性pwm控

4、制方式 調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波。 在電流的正半周，v1始終導(dǎo)通 8spwm控制雙極性pwm控制方式 在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。 在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的pwm波也是有正有負，在ur的一個周期內(nèi)，輸出的pwm波只有ud兩種電平。 在ur的正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。 urucuowtowtuouofuoud-ud9spwm控制在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成spwm波形的方法稱為自然采樣法。 規(guī)則采樣法 是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法

5、，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。 方法說明 取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期tc，使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點（即負峰點）為對稱。 在三角波的負峰時刻td對正弦信號波采樣而得到d點，過d點作一水平直線和三角波分別交于a點和b點，在a點時刻ta和b點時刻tb控制功率開關(guān)器件的通斷。 可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 ucuoturtcadbotuotatdtb 2210spwm控制和的確定 設(shè)正弦調(diào)制信號波為 taurrwsin 式中，a稱為調(diào)制度，0a1；wr為正弦信號波角頻率，從圖中可得如下關(guān)系式 2/22/si

6、n1cdttarw因此可得)sin1 (2dtatrcwdsin 1/ )201 (2) 12(tautusuurdcdidabwcitvvvvs/ )201 (4, 302, 11導(dǎo)通時導(dǎo)通時滯環(huán)控制滯環(huán)比較方式有單極性滯環(huán)控制和雙極性滯環(huán)跟蹤控制，變環(huán)寬滯環(huán)控制等三種。 滯環(huán)控制也分為電流型和電壓型兩種，電流滯環(huán)跟蹤控制應(yīng)用最多。 電流滯環(huán)跟蹤控制原理：電流基準信號i*與電感電流i進行比較得到電流誤差信號i*-i,電流誤差信號經(jīng)過滯環(huán)比較器生成開關(guān)管的控制信號,從而控制變換器輸出電流的變化趨勢,使其紋波始終處在設(shè)定的正負環(huán)寬內(nèi),以達到準確跟蹤基準電流的目標。toiii*+d ii*-d i

7、i*滯環(huán)控制 當(dāng)電感電流i大于電流基準信號i*，且大于環(huán)寬h時，此時導(dǎo)通s2、s3，逆變器橋臂間的輸出電壓為-ud，濾波電感承受負電壓，電感電流下降; 當(dāng)電感電流i小于電流基準信號i*，且小于環(huán)寬-h時，此時導(dǎo)通s1、s4，逆變器橋臂間的輸出電壓為ud，濾波電感承受正電壓，電感電流上升。單極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制在電流的正半周，s1始終導(dǎo)通 當(dāng)電感電流i小于電流基準信號i*，且小于環(huán)寬-h時，此時導(dǎo)通s4，逆變器橋臂間的輸出電壓為ud，濾波電感承受正電壓，電感電流上升。 當(dāng)電感電流i大于電流基準信號i*，且大于環(huán)寬h時，此時導(dǎo)通s2，逆變器橋臂間的輸出電壓為0，濾波電感承受負電壓，電感電流下降;

8、當(dāng)處于電網(wǎng)電壓負半周時，可作類似分析， 逆變器橋臂間的輸出電壓為-ud 和 0。雙極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制 根據(jù)電流在一個周期內(nèi)增加的數(shù)值和減少的數(shù)值近似相等的原理，可以推導(dǎo)出逆變器開關(guān)管的瞬時頻率為： 傳統(tǒng)傳統(tǒng)滯環(huán)控制的優(yōu)缺點：滯環(huán)控制的優(yōu)缺點： 滯環(huán)電流控制的滯環(huán)電流控制的優(yōu)點優(yōu)點就是就是控制簡單控制簡單,系統(tǒng)的系統(tǒng)的響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快,可以可以實時實時跟蹤參考電流的變化跟蹤參考電流的變化,且對且對負載和電路參數(shù)的變化不敏感。負載和電路參數(shù)的變化不敏感。 滯環(huán)環(huán)寬滯環(huán)環(huán)寬h固定不變固定不變,當(dāng)輸出電壓當(dāng)輸出電壓ug變化時變化時,逆變電源的逆變電源的開關(guān)頻率開關(guān)頻率f也會隨之變化也會隨之變化,

9、開關(guān)頻率的不固定增加了逆變器開關(guān)頻率的不固定增加了逆變器輸出濾波電路的輸出濾波電路的設(shè)計難度設(shè)計難度。 環(huán)寬過寬時，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差環(huán)寬過寬時，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。 l大時，大時，i的變化率小，跟蹤慢；的變化率小，跟蹤慢；l小時，小時，i的變化率大，開關(guān)頻率過的變化率大，開關(guān)頻率過高。高。滯環(huán)控制 缺點：需要增加參考電流信號過零比較器； 優(yōu)點：與 4 個開關(guān)管均工作于高頻狀態(tài)的單極性滯環(huán)控制相比，本控制方式只需2個開關(guān)工作于高頻狀態(tài)，開關(guān)損耗明顯減小，提高了逆變器效率。另外，

10、諧波含量也得以減少。單極性與雙極性滯環(huán)控制性能對比滯環(huán)控制 固定開關(guān)頻率，令f=f： 滯環(huán)控制的環(huán)寬滯環(huán)控制的環(huán)寬由兩部分構(gòu)成由兩部分構(gòu)成,固定直流分量和固定直流分量和一個一個兩倍網(wǎng)側(cè)電兩倍網(wǎng)側(cè)電壓頻率波動的余弦分量壓頻率波動的余弦分量,式中和式中和kt1、kt2可以由電路自身參數(shù)來可以由電路自身參數(shù)來確定確定,這些參數(shù)包括直流側(cè)這些參數(shù)包括直流側(cè)電源電壓電源電壓ud、濾波電感、濾波電感l(wèi)和所設(shè)定的和所設(shè)定的開關(guān)頻率開關(guān)頻率f。變環(huán)寬滯環(huán)控制雙閉環(huán)控制17 對逆變器的輸出進行對逆變器的輸出進行高頻濾波，即可得到理想高頻濾波，即可得到理想的正弦波，為什么需進行的正弦波，為什么需進行閉環(huán)控制呢？閉

11、環(huán)控制呢？ 開關(guān)器件非理想 死區(qū)時間 負載擾動 非線性負載 直流側(cè)電壓波動為什么要進行閉環(huán)控制？17雙閉環(huán)控制18多環(huán)控制單環(huán)控制瞬時值反饋控制有效值恒定反饋控制逆變器控制方法發(fā)展趨勢逆變器控制方法發(fā)展趨勢數(shù)字控制模擬控制非線性控制、智能控制線性控制18雙閉環(huán)控制電壓電流雙閉環(huán)控制即電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計。電壓電流雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制 電壓環(huán)的作用是跟蹤和穩(wěn)定輸出電壓，它的設(shè)計大多采取 pi 調(diào)節(jié)器模式。 電流環(huán)的作用是使逆變器的動態(tài)響應(yīng)加快， 負載適應(yīng)能力加強，并具有輸出電流限制能力，提高系統(tǒng)的可靠性。雙閉環(huán)控制根據(jù)內(nèi)環(huán)電流反饋釆樣對象的不同,逆變器的雙閉環(huán)控制可分為兩種:電容電流內(nèi)環(huán)、電

12、壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)：釆用濾波電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋量時,電容電流成為被控對象，電容電流的微分作用會使得電容輸出電壓得到提前矯正，這種雙閉環(huán)控制的優(yōu)點是對線性和非線性負載均有很好的動態(tài)抑制作用。在這種雙閉環(huán)控制中電流限幅環(huán)節(jié)只能限制電容電流的大小，負載電流和電感電流則不受其約束，所以這種控制的缺點是無法做到對電路的限流保護。電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)：以電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋量時，可以通過限制濾波電感電流來實現(xiàn)對逆變器的過流保護，但是這種雙閉環(huán)控制抑制負載擾動的能力不如以電容電流為反饋量的雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制22 應(yīng)用狀態(tài)空間平均法處理逆變器的前提條件是逆變器的輸出頻率

13、遠小于其開關(guān)頻率,即在一個開關(guān)周期內(nèi),可以使用電路中變量的平均值來代替其瞬時值。經(jīng)過狀態(tài)空間平均法處理后,可方便采用經(jīng)典理論對被控對象進行分析和研究。單相全橋逆變器建模22雙閉環(huán)控制23逆變電源的負載電流io，對于其輸出電壓uo。來說是一個擾動量單相全橋逆變器建模23雙閉環(huán)控制 電壓給定信號uref與反饋信號uo相減得到電壓誤差,電壓誤差經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器gv(s)；得到電流環(huán)的給定信號il，il與電感電流瞬時值il相減得到電流環(huán)的誤差，再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器gi(s)得到控制逆變器開關(guān)所需的控制信號。電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制 當(dāng)逆變器的調(diào)制波頻率和輸出濾波器截止頻率遠小于載波頻率,且調(diào)制波的幅值小于載波幅值時,逆變橋和后續(xù)的pwm環(huán)節(jié)一起可以簡化為一個比例放大器,其放大系數(shù)為n=ud/um，逆變器雙閉環(huán)控制采用電壓外環(huán)pi控制,電流內(nèi)環(huán)僅為一個p控制。電感電流內(nèi)環(huán)、輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖雙閉環(huán)控制 逆變器雙閉環(huán)控制采用電壓外環(huán)pi控制,電流內(nèi)環(huán)僅為一個p控制，可得逆變器輸出傳遞函數(shù)