DC AC 50HZ電流源031020233

1、 編號 南京航空航天大學(xué)電氣工程綜合設(shè)計報告題目DC AC 50HZ電流源設(shè)計學(xué)生姓名班級學(xué)號成績吳亞奇0310202031020233學(xué) 院 自動化學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化指導(dǎo)老師龔春英 教授二一四年一月十二日 電氣工程綜合設(shè)計(論文)報告紙DC AC 50HZ電流源設(shè)計摘 要本課題研究對象是航空二次電源DC/AC 50HZ電流源。本課題要設(shè)計的研究內(nèi)容為電流源逆變器的拓?fù)渑c控制策略。首先研究逆變器的電路工作原理，對于低壓大電流電流源型逆變器的并聯(lián)控制策略有一定的了解，先對單臺逆變器進(jìn)行調(diào)試，每臺正常工作后再進(jìn)行多臺并聯(lián)的工作。最后通過仿真和實驗驗證控制策略的有效性。由于電源系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

2、的日益推廣和擴(kuò)大，對供電系統(tǒng)的要求也越來越高，大功率容量、高可靠性、模塊化等逐漸成為各領(lǐng)域?qū)╇娤到y(tǒng)性能的新要求，傳統(tǒng)的集中式供電方式已經(jīng)不能滿足這些要求。集中式供電方式的擴(kuò)容采用的是擴(kuò)大單臺變換器的功率，這種方式由于其造價高、體積重量大、可靠性差，單點故障就會使整個系統(tǒng)癱瘓等原因使得單模塊大功率系統(tǒng)越來越不實用。分布式供電方式中的多模塊并聯(lián)實現(xiàn)大容量供電電源被公認(rèn)為當(dāng)今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。多個電源模塊并聯(lián)實現(xiàn)擴(kuò)容可大大提高系統(tǒng)的靈活性，使電源系統(tǒng)的體積重量大為降低，各個模塊處于均流運行時，其主開關(guān)器件的電流應(yīng)力也可大大減少，從根本上提高可靠性、降低成本。由于系統(tǒng)可由標(biāo)準(zhǔn)的模塊組合

3、而成，因而電源產(chǎn)品的種類也可減少，便于規(guī)范化，這樣一方面可降低不同容量電源的設(shè)計成本和重復(fù)投資，另一方面還可減少生產(chǎn)和維護(hù)費用。由于該逆變器的輸出是低壓大電流，所以逆變器部分采用多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生態(tài)度認(rèn)真、工作踏實，對電力電子變換有比較扎實的理論基礎(chǔ)，有一定的模電、數(shù)電基礎(chǔ)。通過閱讀現(xiàn)有文獻(xiàn)，了解逆變器的工作原理，并對其控制方法及主電路和控制電路參數(shù)設(shè)計有一定的掌握。對電力電子專業(yè)仿真軟件Saber以及Matlab有一定的使用基礎(chǔ)，可用其進(jìn)行基本電路的仿真。我航空電源重點實驗室對航空電源系統(tǒng)有較厚的理論和實踐基礎(chǔ)，并成功設(shè)計很多相關(guān)項目，擁有各種實驗調(diào)試設(shè)備，課題組所在航空電源航空科技重

4、點實驗室，不僅具有齊全的通用儀器設(shè)備和多種EDA軟件(如Saber、Matlab等)，而且具有開展該類課題研究所需的專用設(shè)備。 可為課題的研究提供便利條件。對于DC/AC變換技術(shù)有相關(guān)研究，并成功設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品?？蔀楸菊n題的研究提供相關(guān)理論、實驗指導(dǎo)，確保課題順利完成。目錄摘 要- 1 -第一章 概述- 4 -1.1課題背景- 4 -1.2 逆變器基本知識- 4 -1.3逆變技術(shù)的發(fā)展- 2 -1.4逆變控制技術(shù)- 3 -1.5逆變器并聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展- 5 -第二章 逆變器的工作原理及輸出控制- 7 -2.1逆變器的設(shè)計方法- 7 -2.2輸出濾波器- 10 -2.3逆變器輸出控制- 12

5、-2.3.1雙極性SPWM控制- 12 -2.3.2單極性SPWM控制- 14 -2.3.3單極性倍頻SPWM控制- 17 -第三章 逆變器的并聯(lián)- 19 -3.1逆變器并聯(lián)的意義- 19 -3.2逆變電源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢- 19 -3.3逆變器并聯(lián)的基本原理- 20 -第四章 電路及參數(shù)設(shè)計- 24 -4.1仿真電路及參數(shù)設(shè)計- 24 -第五章總結(jié)與展望- 28 -5.1 總結(jié)本文主要完成的工作- 28 -5.2展望進(jìn)一步的工作- 28 - 29 - 第一章 概述1.1課題背景隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電源，

6、而是通過各種形式對其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化方式因用電設(shè)備的不同而不盡相同，如通信電源、電弧焊電源、電動機(jī)變領(lǐng)調(diào)速器、加熱電源、化工電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進(jìn)行變換后得到的。1.2 逆變器基本知識通常，把交流電變成直流電的過程叫做整流，完成整流功能的電路叫做整流電路。與之相對應(yīng)，把將直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的電路則稱為逆變電路，而實現(xiàn)逆變過程的裝置叫做逆變設(shè)備或逆變器?，F(xiàn)代逆變技術(shù)就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計方法的一門科學(xué)。這門學(xué)科

7、是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體交流技術(shù)、脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實用技術(shù)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)主要包括三部分內(nèi)容：半導(dǎo)體功率集成器件及應(yīng)用、功率變換電路和逆變控制技術(shù)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，可以按照不同的形式進(jìn)行分類。其主要的分類方式如下：1)按逆變器輸出交流的頻率，可以分為工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變。工頻逆變一船指50Hz到60Hz的逆變器；中頻逆變的頻率一般為400Hz到十幾KHz，高頻逆變器的頻率則一般為十幾KHz到MHz。這里需要說明的是，在現(xiàn)代高頻開關(guān)電源領(lǐng)域，500 KHz以上才算是高頻，但是在逆變領(lǐng)域，有時功率

8、比較大，20kHz的超音頻算做高額。2)按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。3)按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。4)按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。5)按逆變主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應(yīng)管逆變、IGBT逆變，等等。6)按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。7)按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。8)按控制方式，可分為調(diào)頻式(PFM)逆變和調(diào)脈寬式(PWM)逆變。9)按逆變開關(guān)電路的工作方式，可分為諧振式逆變、定頻硬開關(guān)式逆變和定頻軟開關(guān)式逆變。1.3逆變技術(shù)的發(fā)展

9、 所謂逆變器，是指整流器的逆向變換裝置。其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件(例如SCR, GTO, GTR, IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，是一種電能變換裝置。正弦波逆變器的主要用途是用于交流傳動，靜止變頻和UPS電源。常用逆變器主電路的基本形式有兩種分類方法：1、按照相數(shù)分類，可以分為單相和三相；2、按照直流側(cè)波形和交流側(cè)波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。逆變器的原理早在1931年就在文獻(xiàn)中提到過。1956年，第一只晶體管問世，標(biāo)志著電力電子學(xué)的誕生，并開始進(jìn)入傳統(tǒng)發(fā)展階段。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開始進(jìn)行研

10、究。1962年，A. Kernick提出了“諧波中和消除法”，即常用的“多重疊加法”，這標(biāo)志著正弦波逆變器的誕生。1963年，F(xiàn). G. Turnbul 1提出了“消除特定諧波法”，為后來的優(yōu)化PWM法奠定了基礎(chǔ)，以實現(xiàn)特定的優(yōu)化目標(biāo)，如諧波最小，效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最小等。1964年，由人.Schonung和H. Stemmler提出的把通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中的正弦波脈寬調(diào)制技(Sinusoids-PWM，簡稱SPWM)，由于當(dāng)時開關(guān)器件的速度慢而未能推廣，直到1975年才由Bristol大學(xué)的S. R. Bowes等把SPWM技術(shù)正式應(yīng)用到逆變技術(shù)中，使逆變器的性能大大提高，并得到

11、了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，也使正弦波逆變技術(shù)達(dá)到了一個新高度。此后，各種不同的PWM技術(shù)相繼出現(xiàn)，例如：注入三次諧波的PWM、空間矢量調(diào)制、隨機(jī)PWM、電流滯環(huán)PWM等，成為高速器件逆變器的主導(dǎo)控制方式。至此，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)基本完善。在PWM逆變器中，輸出變壓器和交流濾波電感的體積重量占主要部分。為了減小輸出變壓器和交流濾波器的體積重量，提高逆變器的功率密度，高頻化是主要發(fā)展方向之一。但逆變器的高頻化也存在一些問題，如開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大等。為了解決這些問題，最有效的方法有兩個，一是提高開關(guān)器件的速度，二是用諧振或準(zhǔn)諧振的方式使逆變開關(guān)工作在軟開關(guān)狀態(tài)。軟開關(guān)逆變技術(shù)研究的最終目的是

12、實現(xiàn)PWM軟開關(guān)技術(shù)，也就是將軟開關(guān)技術(shù)引入到PWM逆變器中，使它既能保持原來的優(yōu)點，又能實現(xiàn)軟開關(guān)工作。為此，必須把LC與開關(guān)器件組成一個諧振網(wǎng)絡(luò)，使PWM逆變器只有在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中才產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)軟開關(guān)轉(zhuǎn)換，平時則不產(chǎn)生諧振，以保持PWM逆變器的特點。PWM軟開關(guān)技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究內(nèi)容之一，是實現(xiàn)電力電子技術(shù)高頻化的最佳途徑，也是一項理論性最強(qiáng)的研究工作。它的研究對于逆變器性能的提高和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對電力電子技術(shù)的發(fā)展都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。1.4逆變控制技術(shù)傳統(tǒng)的電力電子變流裝置多采用PID模擬控制，其主要的缺點是溫漂大，調(diào)整不方便，難以實

13、現(xiàn)復(fù)雜的算法?，F(xiàn)在已引入16位和32位微機(jī)或?qū)Ｓ玫臄?shù)字集成電路，使控制的精度大大提高。自適應(yīng)控制、多變量控制和分布控制是變流系統(tǒng)控制發(fā)展的方向，其優(yōu)點是可將多種控制功能集成在一個系統(tǒng)中或者把系統(tǒng)簡化。智能控制和模糊控制也是變流裝置控制的發(fā)展趨勢正弦波輸出的方式使逆變器實現(xiàn)波形正弦化的技術(shù)有兩個：一個是采用階梯波來逼近正弦波的脈沖幅值調(diào)制法(脈幅調(diào)制Pulse-Amplitude Modulation，簡稱PAM )；另一種是采用等幅脈沖序列逼近正弦波的脈沖寬度調(diào)制法(脈寬調(diào)制Pulse-WidthModulation，簡稱PWM) .1.疊加法多重疊加法對于低速開關(guān)器件如SCR, GTO等是非

14、常適合的。多重疊加法的基本原理是，把兩個以上完全相同的方波，按一定的相位差疊加起來，使它們的低次諧波相位差180度而相互抵消，以得到諧波含量較少的準(zhǔn)正弦階梯波多重疊加法又分為等幅疊加和變幅疊加，從改善輸出量波形的角度看，后者比前者效果好。電壓型逆變器與電流型逆變器所使用的多重疊加法是不同的，前者多用串聯(lián)疊加，后者多用并聯(lián)疊加。2、脈寬調(diào)制法逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)PWM是用一種參考波(通常是正弦波，有時也用梯形波或方波等)為“調(diào)制波”(modulating wave)，而以N倍于調(diào)制波頻率的正三角波(有時也用鋸齒波)為“載波”(carrier wave)。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的

15、波形，因此它與調(diào)制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數(shù)規(guī)律變化，這種技術(shù)就是正弦脈寬調(diào)制(Sinusoida PWM)技術(shù)。PWM與PAM多重疊加法的不同點是要通過載波與調(diào)制波的比較進(jìn)行調(diào)制，因此根據(jù)載波與調(diào)制波角頻率的關(guān)系不同，分為同步PWM調(diào)制和異步PWM調(diào)制。同步PWM調(diào)制是使載波角頻率(決定開關(guān)工作頻率)和調(diào)制波角頻載波脈沖數(shù)是定植(即載波比恒定)；異步PWM調(diào)制是使載波角頻率和調(diào)制波角頻率不同步的調(diào)制法。調(diào)

16、制波半個周期內(nèi)所包含的載波脈沖數(shù)不是定植(即載波比不恒定)。一般說來載波角頻率是保持恒定的，但有時也根據(jù)工作情況而變化。3、消除特定諧波的同步式PWM逆變器在電壓波形特定的位置上設(shè)置“缺口”，通過每半個波形中逆變器的多次換向恰當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤鞯拿}寬調(diào)制電壓波形，通過脈寬平均法把逆變器的輸出方波電壓轉(zhuǎn)換成等效的正弦波以消除某些特定諧波，每設(shè)置一個“缺口”就可以消除一種諧波，一般每半個周期中的“缺口”數(shù)是偶數(shù)的情況較多。4、優(yōu)化同步式PWM技術(shù)該技術(shù)基本原理是根據(jù)某一特定的優(yōu)化目標(biāo)(評價函數(shù)為最小)，在離線狀態(tài)下計算出在所有工作頻率范圍內(nèi)的開關(guān)模式(開關(guān)角位置)，使得某個評價函數(shù)為最小(優(yōu)化目標(biāo)最佳

17、)，然后把這個結(jié)果存儲起來，通過查表或其他方式輸出，形成優(yōu)化PWM波形。另外還有跟蹤型兩態(tài)調(diào)制逆變器、電流型PWM逆變器和軟開關(guān)逆變器1.5逆變器并聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展當(dāng)今供電系統(tǒng)的要求趨勢一個是高可靠性，一個是大功率化，這兩者都與逆變電源的并聯(lián)(逆變電源之間或與公共電網(wǎng)之間)運行控制密切相關(guān)。逆變電源的并聯(lián)運行主要有以下三個好處：第一、可以用來靈活的擴(kuò)大逆變電源系統(tǒng)的容量；第二、可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運行的可靠性；第三、具有極高的系統(tǒng)可維修性能，在單逆變器出現(xiàn)故障時，可以很方便的進(jìn)行熱插拔更換或維修。然而逆變電源的并聯(lián)不同于直流電源的并聯(lián)，逆變電源輸出的是時變的、交變的正弦波，并聯(lián)時需要同

18、時控制輸出正弦波的幅值和相角，即同頻率、同相位、同幅值。在并聯(lián)的逆變電源系統(tǒng)中，如果逆變電源單元的頻率、幅值完全相同，但存在一定的相位差，這樣在逆變電源單元之間會有較大的環(huán)流，主要為有功環(huán)流，這時，其中的部分逆變電源單元工作在整流狀態(tài)；如果逆變電源單元的頻率和相位一致，而幅值有差異，這時的環(huán)流表現(xiàn)為：部分逆變電源單元吸收無功功率，其他部分逆變電源單元輸出無功功率。另外，即使各個逆變電源單元的輸出為同頻率、同相位、同幅值的正弦波，但各自輸出正弦波的諧波含量有著較大差異，這時，各個逆變電源單元之間存在諧波環(huán)流。因此，交流逆變電源的并聯(lián)控制比直流電源要復(fù)雜的多，由于上述原因使得對于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的運

19、行控制和設(shè)計仍具有相當(dāng)大的難度。目前，世界上許多發(fā)達(dá)國家，如日本、美國、荷蘭和法國等等的逆變器公司在逆變電源的并聯(lián)控制技術(shù)方面作了大量的工作。國外品脾的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的在并聯(lián)控制技術(shù)方面主要有下面一些特點：1)采用高頻鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)為完成逆變器的并聯(lián)、提高逆變器的性能和減少逆變器模塊的體積，大多采用高頻鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)，逆變器內(nèi)減少了工頻變壓器，裝置的體積重量大為減輕，同時也節(jié)約了成本，減少了裝置復(fù)雜性。2)采用新型的逆變電源控制技術(shù)以往對逆變器模塊的研究側(cè)重于采用新型功率器件實現(xiàn)高頻開關(guān)和SPWM控制，減少濾波器尺寸，通過濾波器的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)其輸出低阻抗，從而達(dá)到抑制輸出波形失真和改善負(fù)載適應(yīng)性的

20、目的。在新型功率開關(guān)器件技術(shù)逐漸成熟之后，為了進(jìn)一步提高逆變器的動態(tài)和靜態(tài)特性，相應(yīng)提出了許多新的控制方法，如瞬時電壓控制基礎(chǔ)上的電流前饋控制、滯環(huán)電流控制、無差拍控制等等，這些新型控制方法在很大程度上提高了逆變器的各項性能指標(biāo)。3)采用數(shù)字化控制技術(shù)為了提高系統(tǒng)的控制性能和完成并聯(lián)控制的復(fù)雜算法，逆變電源的控制最好多采用數(shù)字化控制方案，如應(yīng)用單片機(jī)或數(shù)字信號處理器DSP完成系統(tǒng)的檢測、運算和控制。先進(jìn)的控制技術(shù)對改進(jìn)變流電路的效率和性能是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，以往主要應(yīng)用模擬控制技術(shù)，模擬控制中參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生較大的飄移，致使不斷的需要人為調(diào)節(jié)控制參數(shù)。與此不同的是，數(shù)字控制卻又許多的優(yōu)點

21、，硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化，成本低，可靠性高；控制軟件靈活，更改容易；提高了信息存儲、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力；微處理器芯片運算速度和存儲容量的不斷提高，性能優(yōu)異的算法而復(fù)雜的控制策略有了實現(xiàn)的可能，如美國德克薩斯州儀器公司(TI)研制的數(shù)字信號處理器(DSP) TMS320系列產(chǎn)pCl具有快速的運算能力完善的中斷處理機(jī)制?？傊?，數(shù)字控制使得各種復(fù)雜的控制策略容易實現(xiàn)，而且使設(shè)備的體積、重量進(jìn)一步減小，性能更為提高。國內(nèi)一些單位也正在研究此技術(shù)，并己經(jīng)取得了一定的成果，但還沒有出現(xiàn)國產(chǎn)系列化產(chǎn)品，大多以合資的形式投放市場，因而，在逆變電流的并聯(lián)理論和控制策略等方面還需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究，付出更大的

22、努力，做大量的工作。4)選題意義和主要內(nèi)容實現(xiàn)多個逆變器模塊的并聯(lián)供電電源系統(tǒng)，以滿足不同的負(fù)載功率及供電可靠性要求。逆變電源的模塊化及其并聯(lián)控制技術(shù)，是交流電源系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中式供電向分布式供電乃至全功能電源系統(tǒng)供電模式發(fā)展過程中必須解決的一個關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)今，使用特種電源供電的裝備日趨增多，用逆變器并聯(lián)電源系統(tǒng)供電，對于改善供電質(zhì)量、提高供電效率、防止供電污染和這一技術(shù)來說，相關(guān)資料顯示：逆變電源并聯(lián)技術(shù)在國外的發(fā)展也有相當(dāng)一段時間，但仍存在許多不足之處；在我國逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)的研究起步甚晚，近兩年來，許多科研單位和院校也開始涉足這一領(lǐng)域，因此，逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的社會影

23、響和社會效應(yīng)。第二章 逆變器的工作原理及輸出控制2.1逆變器的設(shè)計方法主電路建模圖 2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)忽略濾波電感的等效電阻簡化為進(jìn)行雙極性調(diào)制，可以表示為：其中，S為開關(guān)函數(shù)。當(dāng)S1(或D1). S4(或D4)導(dǎo)通時，S=0；當(dāng)S2(或D2 ). S3(或D3)導(dǎo)通時，S=l；顯然，由于開關(guān)函數(shù)S的存在，式中Vi不連續(xù)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，采用狀態(tài)空間平均法，用Vi的平均值代替其瞬時值。Vi的平均值可以表示為：采用SPWM調(diào)制，D可以表示為：其中Vm為參考正弦波信號，M為調(diào)制比，代入得最后聯(lián)立各個等式可得到這就是逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)Go (s)，根據(jù)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，可以得到其等效方

24、框圖如圖2. 2所示。圖2.2 單相逆變器等效框圖正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWMSPWM的控制是根據(jù)三角載波與正弦調(diào)制波的交點來確定逆變器功率開關(guān)器件的開關(guān)時刻。用DSP通過軟件生成SPWM波形可以采用自然采樣法、規(guī)則采樣法和指定諧波消除法。本系統(tǒng)采用規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣的原理如圖2.3所示。在三角載波每一周期的負(fù)峰值時刻找到正弦調(diào)制波上的對應(yīng)點，即圖中的E點，求得電壓值氣，。用此電壓值對三角載波進(jìn)行采樣，得A. B兩點，從而確定脈寬時間t2。由于每個周期的采樣時刻都是確定的，它所產(chǎn)生的SPWM脈沖寬度和位置都可預(yù)先計算出來。根據(jù)脈沖電壓對三角載波的對稱性，可得下面的計算公式：其中為正弦調(diào)制波的頻

25、率，即逆變器輸出頻率。圖2.3 生成SPWM波形的規(guī)則采樣法逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波時，諧波主要分布在開關(guān)頻率及其倍頻附近，諧波頻率fh為：其中關(guān)為開關(guān)頻率，f為逆變器輸出電壓頻率，m, n為整數(shù)。當(dāng)輸入電壓不變時，逆變器輸出電壓的基波分量以及各次諧波分量滿足下式：所以當(dāng)調(diào)制度變小，即輸出電壓基波分量變小時，諧波電壓將有較大程度的提高，特別是在開關(guān)頻率及其附近。2.2輸出濾波器從上面分析可知，逆變器的輸出電壓中不僅包含了50Hz正弦波，還包含了開關(guān)頻率分量及其倍數(shù)諧波。為了得到50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，需要在逆變器的輸出端加低通濾波器，濾掉高次諧波而得到純正的50Hz的正弦波電壓。濾波器的種類很

26、多，有一階、二階以及多階濾波器。設(shè)計中選用的為二階LC低通濾波器，如圖所示。在圖中，忽略電感電阻，濾波器輸出電壓相對于濾波器輸入電壓的傳遞函數(shù)為：這是一個典型二階震蕩系統(tǒng)，幅相頻率特性為：圖 2.4濾波器傳遞函數(shù)伯德圖可以求得對數(shù)幅頻特性為：低頻段漸近線是一條零分貝的水平線，而高頻漸近線是一條斜率為一40dB的直線。這兩條線相交處的交接頻率為在交接頻率附近，幅頻特性與漸近線之間存在一定的誤差，其值取決于阻尼比屯的值，阻尼比愈小，則誤差愈大。當(dāng)<0.707時，在對數(shù)幅頻特性上出現(xiàn)峰值，其伯德圖如圖2.4所示。濾波器的選擇標(biāo)準(zhǔn)是保證有合理的噪聲抑制能力，輸出阻抗和合適的逆變電流應(yīng)力。從式可以

27、看出，影響濾波效果的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)折角頻率和阻尼比選擇SPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，它對開關(guān)頻率以及開關(guān)頻率附近基波的倍次頻具有明顯的衰減作用。由濾波器傳遞函數(shù)的伯德圖可以看出，當(dāng)諧波頻率為轉(zhuǎn)折頻率的100倍時，諧波電壓被衰減到原來的0.01。在一定范圍內(nèi)，選擇的濾波器轉(zhuǎn)折頻率較低可以減小輸出波形的THD。但是，濾波器轉(zhuǎn)折頻率也不能過低，因為當(dāng)濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取的太低的情況下：（1）重載時，也即阻尼比屯較大時，輸出基波將有較大的衰減；（2）輕載時，也即阻尼比乙較小時，輸出基波越靠近濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，輸出基波被放大的倍數(shù)越大，系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩，不易實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)補(bǔ)償。2.

28、3逆變器輸出控制2.3.1雙極性SPWM控制圖 2.5 全橋逆變器主電路如圖(2.5)所示是電壓型全橋逆變電路的主電路,輸入直流母線電壓為ud,經(jīng)一個全橋結(jié)構(gòu)的逆變器,在a、b兩點輸出逆變器的SPWM電壓波形。SPWM電壓經(jīng)過由電感L和電容C所組成的濾波器得到輸出基波電壓。圖2.6 雙極性SPWM圖(2.6)中(a)是雙極性SPWM門極脈沖的分布及產(chǎn)生機(jī)制圖,其中載波信號電壓uc為對稱三角波,頻率為fc,幅值為Ucm認(rèn)用；調(diào)制波信號電壓us為正弦波,頻率為f,幅值為Usm。圖2.7雙極性電壓輸出頻譜2.3.2單極性SPWM控制圖(2.8)中(a)為單極性SPWM控制方法的脈沖分布圖,從圖中可以

29、看出,單極性SPWM控制方法中,Ql和Q2的門極控制信號與上述雙極性SPWM控制方法的Q1和Q2是相同的,控制信號發(fā)生的邏輯如圖2.8(b)所示。但Q1和Q2的門極控制信號與雙極性的控制信號有很大的差別,如圖(2.8)所示,Q3和Qe門極控制信號的頻率為f,與正弦調(diào)制波的頻率相等,它們的邏輯產(chǎn)生如圖(2.8)中(b)所示。圖2.8單極性SPWM調(diào)制與雙極性SPWM調(diào)制方法相比,單極性SPWM調(diào)制方式下,由于Q3和Q4兩個開關(guān)管的工作頻率為低頻(調(diào)制波頻率),所以可以選擇要求較低的低頻開關(guān)管,同時這一組橋臂的開關(guān)損耗也比雙極性調(diào)制方式下的要低很多。圖2.9單極性SPWM輸出電壓頻譜對于逆變橋輸出

30、電壓的諧波含量,通過計算機(jī)數(shù)值分析可得：單極性調(diào)制小于雙極性調(diào)制。圖(2.5)是單極性SPWM調(diào)制輸出電壓的頻譜,對比圖(2.3)可以看出,雖然最低次諧波都在開關(guān)頻率處,但是單極性調(diào)制諧波分量的幅度比雙極性調(diào)制的諧波分量要小很多。不過值得注意的是,在單極性調(diào)制的工作方式下,當(dāng)負(fù)載比較輕的時候,可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象,而在雙極性調(diào)制方式下不會出現(xiàn)電流斷續(xù)。2.3.3單極性倍頻SPWM控制圖2.10 單極性倍頻SPWM控制由于對于所有的負(fù)載來說,逆變電源輸出電壓中的諧波分量都是有害的,因此為了滿足負(fù)載的需要,逆變器輸出端的LC濾波器是必不可少的。對于濾波器而言,開關(guān)頻率越高,濾波越容易,LC濾波

31、器的體積也可以做的更小。提高載波頻率可以將輸出電壓中諧波頻率提高以利于濾波,但是提高載波頻率是以提高開關(guān)頻率為代價的。而單極性倍頻調(diào)制可以在不提高開關(guān)頻率的前提下提高開關(guān)帶的諧波頻率。圖(2.6)是單極性倍頻SPWM調(diào)制的脈沖分布及產(chǎn)生原理。由于逆變器輸出電壓Uab的脈動頻率是逆變器開關(guān)頻率的兩倍,因此稱此種調(diào)制方法為倍頻調(diào)制。由于開關(guān)頻率相對于一般的單極性調(diào)制是不變的,因此單個開關(guān)管的開關(guān)損耗也是不變的。圖(2.7)是單極性倍頻SPWM控制的輸出電壓頻譜。圖2.11 單極性倍頻SPWM控制對比圖(2.7)、(2.5)、(2.3)可以看出,采用單極性倍頻調(diào)制方法,輸出電壓的諧波分量得到了有效的

32、控制,輸出電壓中最低次諧波帶的中心頻率是開關(guān)頻率的兩倍,這對于輸出濾波器的設(shè)計是十分有利的。這里值得注意的是,如對于半橋電路而言,以上的調(diào)制方法也不是對任何的拓?fù)潆娐范伎梢圆捎脝螛O性SPWM控制和單極性倍頻SPWM控制就不適用而只能采用雙極性SPWM控制。本文中的全橋逆變器采用單極性倍頻調(diào)制。第三章 逆變器的并聯(lián)3.1逆變器并聯(lián)的意義單臺的逆變器能夠提供高質(zhì)量的電源,但是它還是存在一旦單臺電源發(fā)生故障,整個供電設(shè)備就癱瘓的致命弱點。而現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展對供電系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求,電源系統(tǒng)己成為通訊系統(tǒng)中最大的故障源。據(jù)1996年美國電源學(xué)會的統(tǒng)計資料表明,美國計算機(jī)系統(tǒng)中45%以上的數(shù)

33、據(jù)丟失是由于電源故障引起的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2%的硬件故障、軟件錯誤和3%的人為故障,因此如何保電源系統(tǒng)的可靠性成為一個重要的課題。提高電源系統(tǒng)的可靠性振蕩,不利于逆變器的安全穩(wěn)定運行。滑模變結(jié)構(gòu)控制是利用不連續(xù)的開關(guān)控制策略來強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著相平面中某一預(yù)先設(shè)計好的滑動模態(tài)軌跡運動。從原理上講,滑模變結(jié)構(gòu)控制的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)性能對參數(shù)變化和外部擾動不敏感,具有較強(qiáng)的魯棒性,這是它的主要優(yōu)點。但是對于實際的逆變電源系統(tǒng),確定一個理想的滑模切面是很困難的。以上的這些數(shù)字控制技術(shù),一些己經(jīng)在實際的產(chǎn)品中得到了應(yīng)用,另一些還處于技術(shù)研究階段。但是從電源的發(fā)展方向來看,數(shù)字化是整個電源系統(tǒng)的一個發(fā)展方向

34、,因此逆變器的數(shù)字化控制是今后逆變器控制的一個可以通過采用并聯(lián)冗余的方式來解決,所謂并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指參與并聯(lián)運行的各逆變器單機(jī)在系統(tǒng)中具有同等的地位,共同分擔(dān)負(fù)荷,其中任意一臺單機(jī)出現(xiàn)故障,其它單機(jī)能自動均擔(dān)多出來的負(fù)荷,而故障單機(jī)能自動從負(fù)載母線上脫開,從而保證整個系統(tǒng)的可靠運行。并聯(lián)系統(tǒng)相比于集中式電源系統(tǒng),具有以下的一些優(yōu)點：1.可以組成更大容量的交流電源供電系統(tǒng)；2.可以組成冗余系統(tǒng),以提高供電系統(tǒng)的可靠性；3.可以靈活配置系統(tǒng)的容量,以便擴(kuò)容；4.系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性,單臺電源模塊可以短時的退出運行,保證系統(tǒng)的帶電維護(hù)。3.2逆變電源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢由于逆變器并聯(lián)對供電系統(tǒng)可以帶來

35、眾多的好處,因此對逆變器并聯(lián)技術(shù)的研究也早已成為一個熱點。世界上許多國家(如日本、美國、德國等國家)的電源開發(fā)公司在逆變器的并聯(lián)冗余控制技術(shù)方面已經(jīng)做了大量的工作,并有一系列的產(chǎn)品投入了使用。目前逆變電源系統(tǒng)的并聯(lián)控制技術(shù)的特點及發(fā)展表現(xiàn)在以下的幾個方面：1)可并聯(lián)單元的數(shù)目增多,以多種途徑實現(xiàn)可靠并聯(lián)運行。目前,世界幾大知名品牌的逆變電源公司如梅蘭日蘭、EXDIE、西門子、三菱、東芝、APC等的產(chǎn)品可以實現(xiàn)并聯(lián)運行,但并聯(lián)的逆變器臺數(shù)不超過10臺,因此并聯(lián)單元的增多是逆變器并聯(lián)今后發(fā)展的一個趨勢。同時并聯(lián)的控制方式也將趨于多樣性,一些公司己經(jīng)推出了無互連線式的并聯(lián)方式。無互連線式獨立控制的并

36、聯(lián)方式可以很方便的解決不同結(jié)構(gòu)的電壓型逆變電源之間或電壓型逆變電源與公共電網(wǎng)之間的均流并聯(lián)運行控制,并且采用這種方式控制的電源系統(tǒng)將不受距離的限制,使得并聯(lián)供電系統(tǒng)更加靈活方便。雖然這種方式目前還存在一些技術(shù)問題,但是這種并聯(lián)方式的方便性、可靠性使得它成為并聯(lián)控制的一個發(fā)展方向。2)在小功率逆變電源中用較低的成本實現(xiàn)較好的并聯(lián)策略。目前可并聯(lián)逆變電源多為三相中、大功率逆變電源,因此為實現(xiàn)并聯(lián)運行,控制電路成本的增加對總成本的影響不是很大。而普通的小功率單相逆變電源的控制電路比較的簡單,特性也不如大功率逆變電源的好,因此要實現(xiàn)并聯(lián)運行,電路的設(shè)計要綜合考慮控制電路特性和成本的關(guān)系。因此在小功率的

37、逆變并聯(lián)系統(tǒng)中往往采用統(tǒng)一的電源模塊和控制電路以簡化并聯(lián)的控制要求,以適應(yīng)不同的用戶要求。3)采用高頻鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)為了完成逆變器的并聯(lián)、提高逆變器的性能和減小逆變器模塊的體積,現(xiàn)在的逆變器產(chǎn)品大多采用高頻鏈結(jié)構(gòu)技術(shù)。逆變器內(nèi)減少了工頻變壓器,裝置的體積重量大為減輕,同時節(jié)約了成本,降低了裝置的復(fù)雜性。4)采用全數(shù)字化控制技術(shù)。為了提高系統(tǒng)的控制性能和完成并聯(lián)控制的復(fù)雜算法,逆變電源的控制一般采用全數(shù)字控制方案,如應(yīng)用單片機(jī)或DSP來完成系統(tǒng)的檢測、運算和控制。3.3逆變器并聯(lián)的基本原理要實現(xiàn)逆變器的并聯(lián)運行，其關(guān)鍵的問題在于各臺逆變器要共同分擔(dān)負(fù)載電流，即要實現(xiàn)逆變器的均流運行。下面以兩臺逆變器

38、的并聯(lián)運行為例，簡單分析逆變器并聯(lián)的原理。圖3.1 兩臺逆變電源并聯(lián)運行等效電路其中：V1, V2代表兩個逆變電源的輸出PWM波形的基波電壓；L1, L2, C1, C2分別代表兩個逆變電源的輸出濾波器；r 1, r2表示兩臺逆變電源輸出引線的電阻(阻值很小可以忽略)；R為公共負(fù)載阻抗；根據(jù)圖(3.1)可以列出以下的電路方程：公式 (3-1)當(dāng)C1=C2=C L1=L2=L時，上述公式可簡化為：公式 (3-2)由上式得到：公式 (3-3)由以上的三個方程可以得到：公式 (3-4)由(3-4)可以看出,每臺逆變器電流有兩部分電流組成,一部分為負(fù)載電流分量,另一部分為環(huán)流分量；負(fù)載電流分量總是平衡的,但是環(huán)流分量的存在使得各臺逆變器輸出的總電流不相等。當(dāng)Vl,V2同相位時,電壓高的環(huán)流分量是感性的,電壓低的環(huán)流分量是容性的；當(dāng)V1,V2幅值相等時,相位超前的環(huán)流分量為正有功分量,相位滯后的環(huán)流分量為負(fù)有功分量；當(dāng)Vl,V2幅值、相位都不相同時,環(huán)流分量中既有有功分量,又有無功分量。從上面的分析中可以看出,對電壓型逆變電源來說,要實現(xiàn)并聯(lián)運行必須解決以下問題：1.并聯(lián)運行的各臺逆變電源的輸出電壓的頻率