單相全橋逆變器控制技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)資料

1、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44.PID5SPWM控制用PWM波代替正弦半波 將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線(xiàn)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(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)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(duì)于正弦波的負(fù)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(chēng)SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 6SPWM控制計(jì)算

2、法 根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱(chēng)之為計(jì)算法。 計(jì)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(shí)，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(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)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(shí)現(xiàn)7SPWM控制urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式 調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三

3、角波，在ur的負(fù)半周為負(fù)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(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開(kāi)關(guān)器件的通斷。 在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)，在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有Ud兩種電平。 在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)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(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱(chēng)為自然采樣法。 規(guī)則采樣法 是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。 方法說(shuō)明

4、 取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對(duì)稱(chēng)。 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線(xiàn)和三角波分別交于A(yíng)點(diǎn)和B點(diǎn)，在A(yíng)點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開(kāi)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(hào)波為 taurrwsin 式中，a稱(chēng)為調(diào)制度，0a1；wr為正弦信號(hào)波角頻率，從圖中可得如下關(guān)系式 2/22/sin1cDTtarw因此可得)sin1 (2DtaTrcwDsin

5、 1/ )201 (2) 12(taUTUSUurdcdidABwciTVVVVS/ )201 (4, 302, 11導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)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(zhǔn)信號(hào)i*與電感電流i進(jìn)行比較得到電流誤差信號(hào)i*-i,電流誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器生成開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào),從而控制變換器輸出電流的變化趨勢(shì),使其紋波始終處在設(shè)定的正負(fù)環(huán)寬內(nèi),以達(dá)到準(zhǔn)確跟蹤基準(zhǔn)電流的目標(biāo)。tOiii*+D Ii*-D Ii*滯環(huán)控制 當(dāng)電感電流i大于電流基準(zhǔn)信號(hào)i*，且大于環(huán)寬H時(shí)，

6、此時(shí)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(fù)電壓，電感電流下降; 當(dāng)電感電流i小于電流基準(zhǔn)信號(hào)i*，且小于環(huán)寬-H時(shí)，此時(shí)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(zhǔn)信號(hào)i*，且小于環(huán)寬-H時(shí)，此時(shí)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(zhǔn)信號(hào)i*，且大于環(huán)寬H時(shí)，此時(shí)導(dǎo)通S2，逆變器橋臂間的輸出電壓為0，濾波電感承受負(fù)電壓，電感電流下降; 當(dāng)處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)，可作類(lèi)似分析， 逆變器橋臂間的輸出電壓為

7、-Ud 和 0。雙極性滯環(huán)控制滯環(huán)控制 根據(jù)電流在一個(gè)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(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)頻率為： 傳統(tǒng)傳統(tǒng)滯環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：滯環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)： 滯環(huán)電流控制的滯環(huán)電流控制的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)就是就是控制簡(jiǎn)單控制簡(jiǎn)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(shí)時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤參考電流的變化跟蹤參考電流的變化,且對(duì)且對(duì)負(fù)載和電路參數(shù)的變化不敏感。負(fù)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(shí)變化時(shí),逆變電源的逆變電源的開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率f也會(huì)隨之變化也會(huì)隨之變化,開(kāi)關(guān)頻率的不固定增加了逆變器開(kāi)關(guān)頻率的不固定增加了逆變器輸出濾波

8、電路的輸出濾波電路的設(shè)計(jì)難度設(shè)計(jì)難度。 環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。 L大時(shí)，大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。高。滯環(huán)控制 缺點(diǎn)：需要增加參考電流信號(hào)過(guò)零比較器； 優(yōu)點(diǎn)：與 4 個(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)工作于高頻狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗明顯減小，提高了逆變器效率。另外，諧波含量也得以減少。單極性與雙極性滯環(huán)控制性能對(duì)比滯環(huán)控制 固定

9、開(kāi)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(gè)一個(gè)兩倍網(wǎng)側(cè)電兩倍網(wǎng)側(cè)電壓頻率波動(dòng)的余弦分量壓頻率波動(dòng)的余弦分量,式中和式中和Kt1、Kt2可以由電路自身參數(shù)來(lái)可以由電路自身參數(shù)來(lái)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和所設(shè)定的和所設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率F。變環(huán)寬滯環(huán)控制17雙閉環(huán)控制 對(duì)逆變器的輸出進(jìn)行對(duì)逆變器的輸出進(jìn)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(jìn)行的正弦波，為什么需進(jìn)行閉環(huán)控制呢？閉環(huán)控制呢？ 開(kāi)關(guān)器件非理想 死區(qū)時(shí)間 負(fù)載擾動(dòng) 非線(xiàn)性負(fù)載 直流

10、側(cè)電壓波動(dòng)為什么要進(jìn)行閉環(huán)控制？18雙閉環(huán)控制多環(huán)控制單環(huán)控制瞬時(shí)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(shì)逆變器控制方法發(fā)展趨勢(shì)數(shù)字控制模擬控制非線(xiàn)性控制、智能控制線(xiàn)性控制雙閉環(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(jì)。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(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)加快， 負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)，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(duì)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(shí),電容電

11、流成為被控對(duì)象，電容電流的微分作用會(huì)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(diǎn)是對(duì)線(xiàn)性和非線(xiàn)性負(fù)載均有很好的動(dòng)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(fù)載電流和電感電流則不受其約束，所以這種控制的缺點(diǎn)是無(wú)法做到對(duì)電路的限流保護(hù)。 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(shí)，可以通過(guò)限制濾波電感電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的過(guò)流保護(hù)，但是這種雙閉環(huán)控制抑制負(fù)載擾動(dòng)的能力不如以電容電流為反饋量的雙閉環(huán)控制。22雙閉環(huán)控制 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遠(yuǎn)小于其開(kāi)關(guān)頻率,即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),可以使用電路中變量的平均值來(lái)代

12、替其瞬時(shí)值。經(jīng)過(guò)狀態(tài)空間平均法處理后,可方便采用經(jīng)典理論對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析和研究。單相全橋逆變器建模23雙閉環(huán)控制逆變電源的負(fù)載電流io，對(duì)于其輸出電壓uo。來(lái)說(shuō)是一個(gè)擾動(dòng)量單相全橋逆變器建模雙閉環(huán)控制 電壓給定信號(hào)Uref與反饋信號(hào)Uo相減得到電壓誤差,電壓誤差經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)；得到電流環(huán)的給定信號(hào)iL，iL與電感電流瞬時(shí)值iL相減得到電流環(huán)的誤差，再經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器Gi(s)得到控制逆變器開(kāi)關(guān)所需的控制信號(hào)。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(yuǎn)小于載波頻率,且調(diào)制波的幅值小于載波幅值時(shí),逆變橋和后續(xù)的PWM環(huán)節(jié)一起可以簡(jiǎn)化為一個(gè)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(gè)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(gè)P控制，可得逆變器輸出傳遞函數(shù)為G(s)體現(xiàn)了變換器系統(tǒng)的輸出