（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊控制的中频发电机逆变电源的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文以中频汽油发电机为背景，研制了种新型的单极性调制的恒频恒压逆变 电源。这种电源与中频发电机配合工作，为需要备用电源和流动作业的场合提供 了方便的电能。论文首先对现代电源一些技术的发展作了综合性的表述；同时根 据中频汽油发电机的工作特性，进行了各种设计方案的对比，确定了电源主电路 的拓扑结构和控制方案；由于系统的模型难以建立，采用了功能强大的电力电子 仿真软件s a b e r 对方案的可行性进行仿真分析；然后详细介绍了电路的设计过程， 包括降压环节和逆变环节的原理与设计；针对汽油机工作过程中具有明显的时变 性、非线性和不确定性，很难建立精确数学模型的情况下，提出了汽油机的模糊 控制调速方法，并详细介绍了汽油机模糊控制器的设计过程；随后讨论了辅助电 源、散热系统等电源辅助电路的设计；最后给出了电源的实验结果并进行了分析。 在控制电路的设计过程中，采用脉宽调制集成芯片和p i 调节技术相结合构成 了b u c k 降压电路的电压模式闭环控制器，实现了无差调节，并运用集成度较高 的p i c 单片机设计了s p w m 专用控制器，实现了逆变电路的全数字控制。通过对 p w m 控制技术的深入了解，采用单极性调制方式实现了逆变桥的s p w m 输出， 降低了功率管的开关损耗，减少了死区时间的影响，提高了输出波形的质量。 模糊控制是近来得到成功应用的一种智能控制方法，可以对数学模型难以求 取、动态性能不易掌握的汽油机进行有效控制。通过对化油器节气门的模糊控制， 汽油机的燃油消耗率大大降低，系统的鲁棒性得到加强，使逆变电源在稳定、快 速的基础上达到了节能降耗的目的。 最后设计完成了1 k v a 的电源装置一套，与中频汽油发电机并联运行安全可 靠，较好的满足了设计任务书的要求。同类型的产品还有2 k v a 和5 k v a 等几种 规格，它们的控制器设计方案与此相同，只是在主电路的器件设计上略有差别。 关键词：逆变电源；b u c k 降压；脉宽调制；s p w m ；单片机：模糊控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fan e wt y p eo fc o n s t a n t f r e q u e n c ya n dc o n s t a n tv o l t a g ei n v e r t i n gp o w e rs u p p l yt a k i n gt h ei n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yg a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o ra sb a c k g r o u n d t h ep o w e rs u p p l yc a np r o v i d e e l e c t r i ce n e r g yf o rt h ep l a c et h a tn e e d ss t a n d b yp o w e rs u p p l ya n do u t w o r kt h r o u g h w o r k i n gt o g e t h e rw i t hg e n e r a t o r f i r s t l y , t h et e x td e s c r i b e st h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t a b o u tt h em o d e mp o w e rs o u r c e a c c o r d i n g l yt ot h ep r i n c i p l eo fw o r ko ft h e i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yg a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o r , t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d c o n ，t r o l s c h e m eo ft h em a i nc i r c u i ti ss e l e c t e dt h r o u g ht h ec o n t r a s to fv a r i o u sp r o j e c t s a n d a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n gt h a tt h es y s t e mm o d e li sh a r de s t a b l i s h e d ，t h ed i s s e r t a t i o n c a r r i e so ns i m u l a t i o na n a l y s i sa n dp o s s i b i l i t yi d e n t i f i c a t i o no ft h ep r o j e c tv i at h es a b e r a p p l i c a t i o n s e c o n d l y , t h et e x te x p l a i n st h ed e s i g np r o c e s so ft h ec i r c u i ti nd e t a i l i n c l u d i n gb u c kc i r c u i ta n di n v e r t e rc i r c u i t t h i r d l y , b e c a u s et h ew o r kp r o c e s so ft h e g a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o ri st i m e d e p e n d e n t ，n o n l i n e a ra n du n c e r t a i ni t sa c c u r a t e m a t h e m a t i c sm o d e li sh a r de s t a b l i s h e d t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o dc a nr e s o l v et h i s p r o b l e m t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e s i g np r o c e s so ft h e g a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o rf u z z yc o n t r o l l e r a n dt h e nt h ed e s i g no fa u x i l i a r yc i r c u i ti s i n t r o d u c e d a tl a s tt h et e s tw a v e f o r m si sg i v e na n da n a l y z e d i nt h ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i t ，t h eb u c kc i r c u i ts e l e c t sv o l t a g ec l o s e dl o o pm o d e i t sc o n t r o l l e rc o m p o s e sw i t hp u l s ew i d t hm o d u l a t o ra n da d o p t sp im o d u l a t i o na s r e g u l a t i v et e c h n o l o g y t h eo u t p u tv o l t a g er e a l i z e sn o n - d i f f e r e n c er e g u l a t i o n t h e s p w mm o d u l a t o rb a s e do np i es i n g l e c h i pi sd e s i g n e d t h i ss p e c i a lc o n t r o l l e rr e a l i z e s a b s o l u t e d i g i t a lc o n t r o l o ft h ei n v e r t e rc i r c u i t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp w m t e c h n i q u e ，as i n g l ep o l a r i t ym e t h o di s s e l e c t e da ss p w mi n v e r s i o nb r i d g ec o n t r o l s t r a t e g y t h i sm e t h o dd e c r e a s e st h es w i t c h i n gl o s s e s ，r e d u c e st h ee f f e c to ft h ed e a d t i m ea n di m p r o v e st h eq u a l i t yo fo u t p u tw a v e f o r m t h ef u z z yc o n t r o li sak i n do fi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d r e c e n t l yi th a sb e e nu s e d s u c c e s s f u l l yf o rm a n yf i e l d s t h eg a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o rt h a tm a t h e m a t i c sm o d e li s h a r de s t a b l i s h e da n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci su n c e r t a i nc a nb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y t h r o u g hf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h ef u z z yc o n t r o l l e rt h a tm a yb eu s e dt or e g u l a t e 山东大学硕士学位论文 t h r o t t l eo p e n i n go fc a r b u r e t o rc a nc u td o w nf u e lr a t eo ft h eg a s o l i n ee n g i n eg e n e r a t o r a n di m p r o v et h es y s t e mr o b u s t n e s s t h ew h o l es y s t e ma c h i e v e si t sg o a l st h a tr u n q u i c k l ya n ds t e a d i l y a tl a s tt h ep o w e rs u p p l yu n i tt h a tt h ep o w e ri s1k v ah a sb e e nc o m p l e t e d a n dt h e p o w e rs u p p l yw o r k sr e l i a b l ya n ds t e a d i l yw i t ht h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yg e n e r a t o r ， s a t i s f i e st h et a r g e to fd e s i g nt a s k ，a n dw i l lb ep u ti n t op r a c t i c a lp r o d u c e t h es i s t e r p r o d u c t i o n ss t i l lh a v eaf e wm o d e l ss u c ha s2 k v aa n d5 k v ae t c t h ed e s i g np r o j e c to f t h e i rc o n t r o l l e ri su n i f o r me x c e p tf o rt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：t h ei n v e r s i o np o w e rs u p p l y ，b u c kc i r c u i t ，p u l s ew i d t hm o d u l a t o r ，s p w m m c u ，f u z z yc o n t r o l i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：堡虚重 日期：一：盈 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堡盥导师签名：鱼! 堡垒日期：竺：i ：! ：! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 在实际生产和生活中，许多用电设备由于受行业特点的限制以及市电故障、户 外临时用电等情况的影响都不能够直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能 源。汽油发电机作为一项重要的电能源，在需要备用电源和流动性作业的场合具 有独特的优点，特别适用于野外、矿山施工作业，企事业单位备用电源，具有简 单可靠，便于维修等特点。常用的独立电源还有蓄电池和工频发电机等。但蓄电 池容量较小，供电时间较短；传统使用的工频发电机一般体积较大而且笨重，移 动携带很不方便而且噪声较大。如果使用中频汽油发电机则可以大大减小体积和 重量，携带方便，噪声也较小。 本设计所用的汽油发电机为山东某企业集团研发的便携式中频汽油发电机，它 采用先进的中频发电技术和变频控制技术，具有体积小、重量轻，相对功率大等 优点。采用单缸4 冲程发动机，手拉启动方便，容易移动携带，有1 k v a 、2 k v a 和5 k v a 等几种规格，可以输出三相中频交流电和一路1 3 5 v 左右的交流信号， 同时带有步进电机，可以控制发电机油门的大小。汽油发电机输出三相电压的频 率为3 5 0 6 4 0 h z ，电压值为3 0 0 5 0 0 v ，两者的变化范围比较大，不适合大多 数设备的用电要求，需要通过电力电子变换和控制技术，将发电机输出的变化的 交流电变换为负载所能使用的电压。 1 2 现代电源技术的发展 本文所设计的电源属于一类新颖的独立式逆变电源，要想实现电压变换功能和 产品的各项优点必须应用现代电源的技术和设计方法。现代电源技术是综合了电 力电子、电子与电磁技术、自动控制及微处理器技术的一门多学科技术，近些年 由于新技术的不断发展，数字化、智能化控制成为逆变电源发展的必然。一些新 的控制算法如无差拍控制、模糊控制、重复控制和滑模变结构控制等得以在数字 控制中实现。在高效率、高功率因数、高可靠性的前提下实现低谐波污染、低电 磁干扰、低环境污染和小型化、轻量化也将是现代电源发展的必然。本设计在应 用整流技术、逆变技术、d c d c 变换的基础上引入了一些智能控制方法，可以方 山东大学硕士学位论文 便的获得需要的电能形式。 1 2 1 整流技术 利用半导体电力开关器件的通断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。整 流器是最早得到广泛应用的电力电子变换器。它的类型很多，电路形式也很多。 按整流电压的波形可分为半波整流和全波整流；按交流电源的相数分为单相整流、 三相六脉波整流和六相十二脉波整流；按所使用的器件及结构的不同可分为不控、 半控和全控三种形式，按控制原理不同分为相控整流和高频整流。 各种整流电路都是交流到直流的变换，但其性能差别较大。传统的整流方式一 般采用不可控整流和相控整流方式。以二极管为开关器件的不控整流结构简单， 可靠性高，但其直流输出电压只依赖于交流输入电压的大小而不能调控。相控整 流靠改变晶闸管的触发角n 调控直流输出电压，最常用的为单相桥式和三相桥式 整流电路。晶闸管触发电路是相控整流的关键技术，要求触发电路的准确度高、 对称度好，一般包括模拟电路触发和数字触发两种形式。模拟触发电路结构简单 可靠，但易受电网电压影响，精度低，在精度要求较高的场合一般采用数字触发 电路，它既可以应用专用芯片如t c a 7 8 5 等，也可以采用单片机等编程实现，电 路功能完备，触发脉冲的对称度较好。但使用晶闸管作开关器件的相控整流也存 在许多缺点，它能产生有害的交流谐波电流，使电网电压发生畸变，在深控时又 使功率因数很低，整个电路动态响应速度较慢。 随着全控型器件的出现和用电设备谐波标准日益严格，采用高功率因数、低谐 波的高频开关模式p w m 整流器s m r 替代传统的二极管不控整流和晶闸管相控 整流装置是大势所趋，和传统整流器相比，p w m s m r 可以控制交流电源电流为 畸变很小的正弦化电流，且功率因数为1 。此外，s m r 和传统相控整流器相比较， 体积和重量可以大大的减少，动态响应速度显著提高。由于上述优点，高频p w m 整流正在成为交直流变换的最佳控制方式，根据电路的拓扑结构和外特性，一般 可分为电压型和电流型，按是否具有能量回馈功能，可分为无能量回馈的整流器 ( p f c ) 和具有能量回馈功能的开关模式整流器( r e v e r s i b l es m r ) 。能量回馈 型的p w m 整流器均采用全控型开关器件，它比p f c 电路具有更快的动态响应和 更好的输入电流波形，可以把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实现交直 流侧的双向能量流动。今后，p w m 高频整流技术总的发展趋势是与软开关技术 相结合，简化控制策略，降低总谐波系数( t h d ) 和电磁干扰( e m i ) ，减少成本， 山东大学硕士学位论文 提高效率，为得到普遍的工程应用创造条件。 1 2 2d c d c 变换技术 d c d c 变换即直流一直流变换主要有四种基本电路：b u c k 降压电路，b o o s t 升压电路，b u c k - - b o o s t 降、升压电路以及b o o s t - - b u c k 升、降压电路或c u k 电路。其中b u c k 电路和b o o s t 电路是最基本的d c d c 变换电路，利用这两种 电路可以组合成两象限和四象限复合型d c d c 变换电路，它对具有反电动势的 负载如直流电机供电时，可以实现负载的四象限运行，使能量在电机和电源之间 双向流动。在这些变换器中插入隔离变压器，可以构成单端正激、单端反激和隔 离型c u k 三种d o d o 变换器，带隔离变压器的d c ，d c 变换器不仅因电源和负 载之间电气隔离提高了工作安全可靠性，而且电压变换比更灵活，此外还可以同 时获得几个不同数值的输出电压。单端正激、单端反激变换器已经得到了广泛的 应用。本课题的主回路和辅助电源的设计就用到了d c d c 变换器的一些设计方 法。为了减小功率变换器的体积、重量和开关损耗，提高开关频率，可以在d c d c 变换器中采用软开关技术，以实现主开关管的零电压( 零电流) 开通或关断。具 体的方法有四种：零电压准谐振变换器( z v s q r c ) 、零电压多谐振变换器 ( z v s m r c ) 、零电流关断( z c s ) p w m 变换器和零电压开通( z v s ) p w m 。变 换器。 d c d c 控制技术的发展是整个d c d c 变换技术发展的关键，总的来说可以分 成电压模式控制和电流控制模式两大类。无论是电压模式控制还是电流模式控制， 都有输出电压反馈和调节器，所不同的是电压模式控制系统中，仅有一个电压反 馈控制环；而电流模式控制系统中，除电压反馈控制环外，还存在电流控制内环， 形成了双环控制系统，使得电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有 所提高，是目前较为理想的一种控制方式。但在电流模式控制电路中需要准确高 效的测量电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要问题，它将增加电路的 复杂性。另外，此类电路还有容易发生高频次谐波震荡、抗噪声差、电路拓扑受 限制等缺点。电压控制模式采用脉冲宽度调制法来得到当时的输出脉冲宽度，具 有抗噪声裕量大、占空比不受限制、单闭环设计和调试比较容易等优点，但它的 动态响应较慢，补偿网络设计复杂。 d c d c 变换的总发展趋势就是与软开关和谐振技术相结合，采用先进的控制 方式构成双环和多环反馈系统，实现稳压、稳流和保持功率恒定的目的，进一步 山东大学硕士学位论文 提高电源的响应速度和稳定性，在损耗低、效率高、电路简洁的优势下，更广泛 的应用于电源设计之中。 1 2 3 逆变技术 在电力电子变换和控制领域中，逆变器的应用非常广泛，不仅变频变压、变速 传动的交流电动机和恒频恒压交流负载等需要逆变器供电，在风力发电、太阳能 电池、燃料电池、超导磁体储能等新能源系统，以及直流输电系统中，逆变器都 是其中重要的环节。逆变器的类型很多，最常用的是单相和三相桥式逆变器。对 于中功率和小功率的逆变器，一般采用每半个周期中多个脉冲的各种p w m 控制， 这样既能调节输出电压的大小，又能消除一些低次谐波。对于高压大容量逆变器， 通常采用多个三相桥逆变器通过变压器适当的组合输出。直流电压较高，开关器 件额定电压不够时可以采用三电平和五电平逆变器。采用电压空间矢量控制策略， 以微处理器和数字信号处理器d s p 为基础，可以构成特性优良的逆变器控制系 统，改进逆变器的静态和动态特性。在高效节能的基础上，提高逆变器的开关频 率，灵活的调整输出电压的幅值和频率，使电源设备小型化，获得更好的稳定性 和调节性能，这将是今后逆变器的一个发展趋势。采用传统的模拟控制技术来实 现这些要求都很困难，因此一个必然的发展方向就是全数字控制手段，整个系统 的控制应用微处理器和离散控制方法来完成。作为当今逆变技术研究的一个热点， 出现了多种逆变器离散化控制方法，包括数字p i d 控制、状态反馈控制、无差拍 控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等，从而有力的 推动了逆变技术数字化的发展。 不管是现代电源哪种设计技术，采用的控制方案都正在由模拟控制向数字控制 转变，采用数字化控制不仅可以大大减小控制电路的复杂程度，提高电源设计和 制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高电源系统的输出波形 质量和可靠性。因此，由模拟控制向数字控制的转变，是电力电子装置发展的必 然趋势，对现有逆变电源进行数字化改造和逆变电源的并联运行技术将是我们今 后的研究重点。 现代电源技术的快速发展及其在工业、家电、电力系统以及新能源系统等领域 越来越广泛的应用，大大提高了人们的工作和生活质量，促进了社会的发展和进 步。太阳能发电、风力发电、光伏发电等，能源的来源是多种多样的，但我们的 目的是相同的，就是转化为工业和生活中可以直接使用的电能，利用自然界我们 4 山东大学硕士学位论文 可以得到的有限能源，为人类提供更优质的能量。 1 3 课题来源和本文所作的工作 本课题为导师与企业的合作课题，课题名称为中频汽油发电机全数字逆变电源 的研制，中频汽油发电机发出的交流电电压和频率都与市电不同，不符合大多数 设备的用电要求，需要我们通过电力电子变换和控制技术，设计成符合大多数设 备用电要求的一类高性能正弦波逆变电源。下面是详细的设计要求： 1 逆变器产生一个恒压、恒频的2 2 0 v 5 0 h z 的标准正弦波形，正弦波总谐波失 真率小于3 ，频率波动小于2 。 2 系统分为两个模式，即节油模式和满载模式，在节油模式下，当负载变化时， 要求运行转速和输出电压能自动调整，调整时间在3 秒之内；在满载模式下， 系统以5 5 0 0 r m i n 稳定运行。 3 整个系统具有故障自检测功能，能对系统的过压、过载、过流等进行保护， 并在故障排除之后的恢复功能。 4 尽量解决管子的发热问题，使开关损耗降到允许的水平。 全文的主要内容安排如下： 1 介绍课题的来源以及背景意义，对现代电源一些技术的发展作综合性的表述。 2 简要了解中频汽油发电机的工作原理，通过各种方案的对比，确定系统主电 路的拓扑结构，并针对系统模型难以建立的缺点，用电力电子仿真软件s a b e r 对方案的可行性进行仿真验证，并可在后面的实际电路设计中，运用此软件 进行仿真分析，选择各种元件参数。 3 详细介绍系统降压电路设计 4 系统逆变电路的设计 5 汽油机模糊控制器的设计 6 系统辅助电路设计，包括辅助电源设计、电路抗干扰设计以及电源的散热设 计等。 7 实验结果及分析 5 山东大学硕士学位论文 第二章电源主电路结构原理及控制方案 2 1 概述 本章在简要介绍中频汽油发电机工作原理的基础上，通过几种方案的对比选择 了合适的主电路拓扑结构，并根据主电路结构确定了相应的控制方案。针对汽油 发电机工作过程复杂，数学模型难以建立的缺点，采用强大的电力电子仿真软件 s a b e r 进行仿真分析，波形输出和实验结果表明，此方案是简单有效、性价比较高 的控制方案。 2 2 中频汽油发电机的简要工作原理 汽油发电机常被作为移动式的独立电源来使用，主要由汽油机、同步交流发电 机和控制器组成。它们安装在同一底架上，汽油机与发电机之间通常采用钢性连 接，组成小型独立的移动电站。本文所用的汽油发电机结构与上述类似，汽油机 的气缸经过进气、压缩、膨胀( 做功) 和排气四个过程，发电机将热能转变成为 机械能，然后通过曲轴连杆机构带动同步交流发电机发电，发出的交流电电压为 3 0 0 5 0 0 v ，频率为3 5 0 6 4 0 h z ，最后通过电力电子技术和控制器的作用转换为 负载所能使用的交流电。本文选用的汽油发电机自带小型步进电动机作为执行器， 通过控制步进电机就可以实现对化油器节气门的控制，调节节气门的开度，可以 改变可燃混合气供入气缸的数量，从而达到调节汽油发电机输出转速和功率的目 的。整个系统的工作过程非常复杂，汽油机的热力参数、机械参数、液体动力参 数都在实时的变化，具有明显的时变性、非线性和不确定性，要想获得较好的调 速性能和波形输出，主电路拓扑结构和控制方案的选择就显得尤为重要。 2 3 主电路结构选择 要想满足大多数负载的用电要求，实现2 2 0 v 5 0 h z 的交流电输出，有三种主 电路方案可供我们选择，分别如下图所示。 山东大学硕士学位论文 匦狲薤匝狲毵 ( a )( b ) 匹珊霖斟珥阚 ( c ) 图2 1 主电路拓扑方案 方案a 是通过三相桥式不控整流电路和逆变电路获得我们需要的电压形式，这 种结构方案电路最简洁，但仔细分析之后就会发现，采用这种方案较难实现设计 要求。汽油机输出的电压为3 0 0 5 0 0 v ，经过三相整流和电容滤波之后，电压值 变为4 2 0 7 0 0 v ，如果要通过逆变电路获得单相工频正弦波交流电，需要的s p w m 调制比m = 五 。，h 。为整流桥输出电压，调制比的最小值m i n = 2 2 0 x - 2 7 0 0 = o 4 4 ， 在这种条件下，s p w m 调制方式计算出的最小脉冲占空比为d = 0 0 0 7 ，假设这时 我们的三角波调制频率为2 0 k h z ，则要求逆变器件的开通时间为 t = 0 0 0 7 2 0 0 0 0 = 0 3 5 t s ，无论是i g b t 还是m o s f e t ，在这么短的时间内都不可 能可靠导通，如果采用降低三角波调制频率的方法使开关管可靠导通，则输出的 正弦波交流电会因含有低次谐波而使波形质量变差，因此方案a 的拓扑结构不能 满足我们的设计要求。 方案b 是一种可行的方案，首先通过三相可控整流电路将电压降到3 7 0 v ，然 后通过逆变电路得到我们需要的电能形式，逆变桥的输入电压降低了，开关器件 在最小占空比条件下实现可靠导通，整个系统的设计要求都能得到实现。但这种 方案的电路较为复杂，可靠性差。三相可控整流电路一般分为三相半控和三相全 控整流电路，无论采用哪种电路，都要通过调节晶闸管的触发角来调节输出电压， 使用一般的分立元件和集成触发器，硬件电路复杂，元件易老化，调试困难，存 在温度漂移和抗干扰能力差等缺点，即使采用单片机组成的数字触发器，为了获 取同步信号和实现可靠的电气隔离，也需要变压器对输入电压进行变换，同时。 由于受输入电压频率和控制方法的限制，整流桥的输出电压存在较大的纹波，使 输出负载电压的波形质量降低，因此这种方案虽然能实现设计的控制要求，但由 于电路的复杂性和不可靠性，仍不是最优设计方案。 方案c 通过不控整流、降压和逆变获得负载所需要的电能输出，整个方案不需 要同步变压器，电路较简洁，控制容易，逆变器件导通可靠，调节速度快，输出 波形质量好，是一种性价比较高的结构。通过本章下面部分对方案中各部分的分 析和选择，可以看出这种方案的灵活性和优越性。 山东大学硕士学位论文 2 3 1 电容滤波的三相不控整流电路 在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的为三相桥式结构，我们主电路 中三相不可控整流电路就选用了这种结构。图2 2 给出了其电路和理想的工作波 形，电路在某一时刻总有一对二极管导通，输出直流电压等于导通两相电压向量 相减所得的线电压，该线电压既向电容充电也向负载供电。 空载时，输出电压平均值最大，为= , - 6 v ，：2 4 5 u 2 ，随着负载增加，输出 电压平均值减小，玑在2 3 4 2 4 5 以之间变化，二极管承受的最大反向电压 为线电压的峰值f 6 v ，这也是后面章节选择二极管型号的依据。 r “d翮 叉 x猃送燮： ( a ) 电路图( b ) 波形图 图2 - 2 电容滤波的三相桥式不可控整流电路 2 3 2 降压部分主电路选择 d c d c 降压变换电路分为隔离型和非隔离型两种形式。带隔离变压器的 d c d c 变换器不仅因电源和负载之间电气隔离提高了工作的安全可靠性，而且电 压变换比更灵活，最常用的为全桥型电路，它输出功率大，效率高，能较好的实 现系统要求，但是主电路结构复杂，开关器件数量较多，而且需要高频隔离变压 器，增加了系统设计的难度和复杂性。为了使系统设计简洁，电路简单，系统选 用了非隔离型的b u c k 降压电路作为它的降压方案。实验结果表明，这种拓扑结 构不但电路简洁，设计容易，而且能较好的实现系统的各项参数设计要求，是一 种比隔离型全桥电路性价比更高的设计方案。 山东大学硕士学位论文 凸锄r 确 ( a ) 全桥电路原理图 ( b ) b u c k o h 路原理图 图2 - 3 降压电路结构方案 b u c k 降压变换器有两种可能的运行情况，电感电流连续模式c c m 和电感电 流断续模式d c m 。电感电流连续模式是指图2 - 4 ( a ) q h 输出电感的电流在整个开关 周期t s 中都存在，电感电流断续是指在开关管阻断的t o 。期间后期一端时间内输 出电感的电流已降为零。处于这两种工作情况的l 临界点称为电感电流临界连续状 态，这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好为零。图2 - 4 ( e ) 、( d 分别示出了 电流连续和电流断续两种工作情况时的电压、电流波形图。 为了获得各类开关型变换器的基本工作特性而又能简化分析，在本章的分析中 除研究开关管开通、关断过渡过程而特别指明外，都假定电力电子变换器是理想 的。理想条件是： ( 1 ) 开关管t 和二极管d 开通和关断的时间为零，且通态压降为零，断态电流 为零； ( 2 ) 在一个开关周期中，输入电压和输出电压保持恒定不变。 ( 3 ) 电感和电容均为无损耗的理想储能元件。 ( 4 ) 线路阻抗为零。 山东大学硕士学位论文 ( c ) 开关状态2 ，t 阻断 v d 导通等值电路电路图 ( b ) 开关状态i ，t 导通 v d 截止等值电路电路图 ( d ) 开关状态3 ，t 阻断 v d 截止等值电路电路图 i 巨粥i 巨鞲 臻甜鞭饕 鲥酬 ( e ) 电感电流连续时主要波形( 0 电感电流断续时主要波形 图2 - 4b u c k 变换器的电路图及其主要波形 第一种情况为电流连续时的工作特性，它需要经过两种工作状态，分别为图 2 4 ( b ) 的开关状态1 ，( c ) 的开关状态2 。在开关状态1 时，开关管t 导通， v d 截止，流过开关管t 的电流是电源输入的电流，也就是电感电流；在开关状 态2 期间，t 截止，二极管v d 导通，流过二极管v d 的电流是f ，这时开关t 的电流和电源的输入电流为0 。稳态工作时电容电压平均值或负载电压平均值保 持不变，流入电容c 的平均电流应为零，因此电感电流的平均值i 就是负载电流 厶。输入输出的变压比用m 表示 m = v o 1 , = 愿= d( 2 - - 1 ) d 表示导通占空比，疋表示开关周期，理想的b u c k 变换器在电感电流连续情况 下变压比m 只与占空比d 有关，与负载电流大小无关。 1 0 毋础 山东大学硕士学位论文 输出电压的脉动量用a v o 表示，计算公式为： = 。一。；。= 专i 宅掣“1 ( z z ) ，为t 的开关频率，l 、c 分别为输出滤波电感和电容，由公式可以看出，增加 开关频率，、加大l 和c 都可以减小输出电压脉动。 第二种情况为电感电流断续时电路的工作特性，它需要经历三种开关状态，前 两种与电流连续时的工作特性相同，第三种开关状态为图2 - - 4 ( d ) 所表示的电 路，此时开关管t 和二极管v d 都截止，电感电流为零，负载由滤波电容供电。 变压比m 为： m ：堡。 旷 1 + 1 + 8 。l 1 v d 2r o 墨 ( 2 3 ) 由公式可以看出，变压比m 不仅和占空比d 有关，还与负载大小、开关频率、电 感有关。此时m d 电感电流临界连续工作时，v o = o v , ，m = d 的关系仍然成立，因此i 临界负载 电流表达式为： k = 量笋= 等毛半峨= 学。= 茜0 ( 1 - d m 叫 临界负载电流与输入电压、输出电压、电感、开关频率、以及开关管的占空比 都有关，实际工作时，我们要求电感电流尽量工作在连续状态。从公式可以看出， 开关频率越高、电感越大、临界电流越小、越容易实现电感电流连续工作情况。 2 3 3 逆变部分主电路选择 本系统的最终设计任务为得到一个稳定的单相2 2 0 v 5 0 h z 的正弦波电压，因 此对于逆变环节的主电路只需从单相逆变电路中选取即可。最常用的单相逆变电 路有半桥逆变电路、全桥逆变电路、带中心抽头变压器的推挽式逆变电路等。 1 电压型单相半桥逆变电路 单相半桥逆变电路原理图和工作波形图如图2 5 所示，它有两个桥臂，每个 桥臂由一个全控型开关器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串 联且足够大的电容组成，并且这两个电容的电容值是相等的。两个电容的连接点 1 1 山东大学硕士学位论文 便成为直流电源的中点，负载连接在两个电源中点和两个桥臂连接点之间。 ( a ) 电路图( b ) 波形图 图2 5 单相半桥逆变电路原理及波形图 t 1 和t 2 是全控型器件，它们交替的处于通、断状态，即t 1 、t 2 的驱动信号 是互补的。当负载为感性时，其工作波形如图2 5 ( b ) 所示，输出电压为矩形 波，幅值为：输出电流波形随负载变化。 t 1 和t 2 导通时，和t 同方向，直流侧向负载提供能量；d 1 和d 2 导通时， u o 和i o 反方向，电感中储能向直流侧反馈。d 1 和d 2 称为反馈二极管，还使i o 续 流，因此也称为续流二极管。 半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少，有较强的抗不平衡能力，其缺点为 电压利用率低，要输出同等功率大小的电能，主变压器原方电流要加大一倍，主 开关器件的电流定额也要加大一倍，以弥补电压利用率的不足。因此半桥电路常 用于小功率的逆变电源。 2 电压型单相全桥逆变电路 图2 - 6 ( a ) 是电压型单相全桥逆变电路，其中全控型开关器件t 1 、t 4 同时通 断；t 3 、t 2 同时通断。t 1 与t 2 的驱动信号互补，两对各交替导通1 8 0 度。 ( a ) 电路图( b ) 波形图 图2 6 单相全桥逆变电路原理及波形图 山东大学硕士学位论文 图2 6 ( b ) 表示电阻一电感负载时输出的电流波形和电压波形，形状与半桥 逆变电路输出的波形相同但输出电压幅值高出一倍，这也是全桥逆变电路的显著 优点，它的电压利用率较高，在控制上可以采用更灵活的方式，但相对于半桥电 路来说，它有不平衡问题存在。 综上所述，为了提高电压利用率和降低主开关器件的电流定额，在控制上采用 更加灵活的方式，本设计选用全桥电路作为逆变环节的主电路结构。 2 3 4 系统主电路结构 通过上面分别对系统的整流、降压、和逆变环节的选择，可以得到系统总的结 构如图2 7 所示。中频发电机发出的三相交流电经过不控整流之后变为直流电 压，为了使输出电压更加平稳，在整流之后加入了大电容滤波，然后经过b u c k 降压电路将电压变为3 7 0 v 直流电压，最后经过单相桥式s p w m 逆变电路和l c 滤波环节，得到标准的单相正弦波交流电。根据输出功率的不同，研制的逆变电 源可分为1 k v a ，2 k v a 和5 k v a 等几种规格。 、2lz 汕 、 ；黼 t z _ 一 汀 一 、z、 图2 7 主电路原理图 2 4 系统控制方案 i 了1 输出： 控制电路以单片机为中心，为使输出电压在负载变化时能够稳定，首先在降压 环节中引入了传统的p i d 控制算法，采用带负反馈的脉宽调制芯片将降压电路输 出电压稳定在3 7 0 v ，以使逆变器输出稳定的2 2 0 v 5 0 h z 的交流电，当降压环节 不能使输出电压达到稳定时，则根据反馈电压与给定电压的偏差及偏差的变化率 作为汽油机模糊控制器的输入量进行调节，得到合适的节气门开度，即可实现输 出电压的稳定和良好的动态性能。逆变电路采用固定s p w m 调制比的开环控制方 式，用p i c l 6 f 8 7 3 开发了专用的s p w m 控制器。整个控制框图如图2 8 所示。 山东大学硕士学位论文 黼b | 整流器刨等等刨逆姗酬负载 节气门 控制 茄翮l i 堂r m l - l 隔离驱动 t i 诫黼 l 隔离驱动 电路 数字s p w m 控制器 单片机主控电路 图2 - 8 系统控制框图 降压电路的控制选用b u c k 电路的电压模式控制方式，相对于电流控制方式， 它的响应速度较慢，但是不需要精确的电流检测电路，闭环设计、调试比较容易。 经过仿真和实验验证，它完全能够满足系统的要求，因此从提高电路可靠性和性 价比出发，我们选择了单闭环的电压模式控制。调节器的设计既可以采用单片机 也可以采用集成的p w m 调制芯片来实现，单片机构成的调节器控制算法灵活， 但外围电路复杂，本系统选用集成p w m 控制器构成b u c k 电路的闭环控制调节 器，电路简洁可靠，功能完备，达到了连续快速调节的目的。 逆变环节可以采用开环控制或闭环控制，开环控制虽有一些不足之处，如输出 波形质量和波形畸变率等性能指标都不如闭环控制。但后者需要对输出的交流电 压和电流等参数进行精确的采样检测，响应速度较慢，要满足调节要求需采用昂 贵的高速处理器如d s p 等，其次，如果它的算法和参数设计不好，容易造成逆变 器输出电压振荡不稳定，系统的可靠性降低，实验证明，本系统通过采用降压环 节和汽油机化油器的调节已经很好的满足了产品要求的性能指标。因此，从可靠 性和产品的性价比等综合考虑，逆变环节采用了开环控制方案。 逆变环节s p w m 控制器的实现有以下方式：( 1 ) 采用模拟器件实现，连续性 较好，但元件易老化，线路复杂( 2 ) s p w m 专用调制芯片，一般需要微处理器 进行控制，调节简单，只需对调制芯片的控制字进行修改和设定，但成本较高， 波形精度不高。( 3 ) c p u ) f p g a 可编程逻辑器件，一般与d s p 等处理器配合使 用，构成高速的s p w m 控制器，应用于精度要求较高的场合。( 4 ) 选用带有定时 器和p w m 输出方式的单片机，它的成本低，控制策略灵活，电路结构简单，精 度也能较好的满足要求，是一种性价比较高的方式。本设计就采用p i c 单片机开 发了一款专用的s p w m 控制器，具体的设计方法将在后面章节介绍。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 5 系统的仿真分析 在完成电源主电路和控制方案的论证后，可以采用计算机仿真对方案和控制策 略的可行性及系统参数性能进行分析验证，并能为后面章节系统的参数选择和软 硬件设计提供合适的参考。常用的电力电子仿真软件很多，有o r c a d p s p i c e 、 m u l t i s m 2 0 0 1 、m a t l a b 、s a b e r 等。针对中频汽油发电机工作工程复杂、数学模型 难以建立的缺点，选用了强大的仿真软件s a b e r 进