（电力电子与电力传动专业论文）基于锁相技术的幅值相位可调的正弦电源的研制.pdf

上海交通大学硕士论文 d e slg no fsln ep o w e rs o u r c ewlt ha d j u s t a b l ev o l t a g ea n d p h a s eb a s e do np h a s e - l o o kin gt e c h n o l o g y a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ee v e ri n c r e a s i n gd e m a n df r o mc o n s u m e rm a r k e tf o r e v e rh i g h e rq u a l i t yp o w e rs u p p l y , s o m ec u s t o m e r ss t a r tt oe x p e c tt og e tt h e p o w e rs u p p l y w i t hc o n s t a n tv o l t a g ea n dn or e s o n a n c ei n t e r f e r e n c e c u r r e n tc o n v e n t i o n a lp o w e rs u p p l yi si nn op o s i t i o nt os a t i s f yt h e s e d e m a n d s t h e r e f o r et h e r ee x i s t sa nu r g e n tn e e df o rt h ep o w e rr e g u l a t o r w i t he x t r e m eh i g hd y n a m i cr e s p o n s e i nr e s p o n s et ot h i sn e e d ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e f e r e n c e ss t a t e o f - t h e - a r t a cs o u r c ed e s i g n sa r o u n dt h ew o r l d ，a n dp r e s e n t san o v e la p p r o a c ht o p r o d u c ea na cs o u r c eb a s e do np h a s e - l o c k i n gt e c h n o l o g y t h ed e s i g n e n a b l e se a s ya d ju s t m e n tf o rt h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t s i g n a l s ，a n da d j u s t m e n tf o rt h eo u t p u tv o l t a g e t h es i g n a lp o r t st h a te n a b l e t h e s ea d j u s t m e n t so fv o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s ed i f f e r e n c ef o ro u t s i d e s i g n a l sc a nf a c i l i t a t ec o n n e c t i o n st oo t h e ri n s t r u m e n t sa n do f f e re a s eo f u s e m o r es p e c i f i c a l l y , t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n p u ta n do u t p u ts i g n a lc a n b es e tt oa r b i t r a r yv a l u e ，a n dt h i si sa c h ie v e db yt h ep r o p o s e dc d 4 0 4 6 p h a s e l o c k i n g a n dp h a s ec o n t r o lc i r c u i t si nt h ed e s i g nt h a tu t i l i z e st h e 上海交通大学硕士论文 d y n a m i cp h a s et r a c i n g c h a r a c t e r i s t i c s o nt h eo t h e rh a n d ，t h e e a s y a d j u s t m e n to fv o l t a g eo ft h es y s t e mi sa c h i e v e db ys p w m t e c h n o l o g y h e r et h ea d ju s t m e n to fo u t p u tv o l t a g ei st h r o u g ht h ec h a n g eo fr e f e r e n c e v o l t a g eo fad ac o n v e r t e r , w h i c hi n d u c e sc h a n g ei na m p l i t u d eo fb a s e s i n ew a v ea sw e l la st h em o d u l a t i o nr a t i o m o r e o v e r , t h es y s t e ms t a b i l i z e s a n dr e g u l a t e st h eo u t p u tv o l t a g et h r o u g ht w ov o l t a g ec l o s e d l o o pf e e d b a c k s y s t e m s ，a n di t a l s or e a l i z e so v e r v a l u e dc u r r e n tp r o t e c t i o na n dv o l t a g e c o m p e n s a t i o nv i aa c u r r e n tc l o s e d l o o ps y s t e m t h es y s t e mp r o d u c e so u t p u tw i t he x c e l l e n tw a v e f o r ma n ds t a b l e p h a s et r a c i n g i ti sa l s ov e r ye a s yt ou s ea n da d j u s t i t sa p p l i c a t i o ni n c l u d e s c o n t i n u o u sc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g er e g u l a t o rs o u r c e w i t hh i g hs e n s i b l yd y n a m i cc h a r a c t e r is t ic s ，a n dt h r e e - p h a s eo u t p u t sw i t h s i n g l e p h a s ei n p u tv i at h r e ea cs o u r c e s t h ed e s i g n i d e a sf o rp h a s e c o n t r o l l i n gh e r eh a v ep r o f o u n di m p l i c a t i o na n dv a l u ei nu p sd e s i g n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u tw a v e so ft h i sa cs o u r c e a r es a t i s f a c t o r y , p h a s et r a c i n ga r es t e a d ya n dt h ev o l t a g ec o u l db ea d j u s t e d e a s i l y o u r l a ba n a l y s i so ft h ec i r c u i t s p r o v e d t h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：s p w m ，p l l ，p h a s ec o n t r o l l i n g ，v o l t a g es o u r c e 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并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。本人授权上海交通大学可以将本学 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叫在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 姗躲榉 日期：渺涛月移日 讧屉 日繁奶 名 事 獬 婢 教 够 撒 孵 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲参荔 日期：俨年f 月疹日 上海交通大学硕士学位论文 第一章前言 帚一早刖 舌 1 1 开关电源技术的发展趋势 随着科技的发展，开关电源趋向是：应用技术的智能化；硬件结构的模块 化；软件控制的数字化；产品性能的绿色化，使产品性能可靠、成熟、经济、实 用作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的开关电源，它的产 品展现了广阔的市场前景例如，发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态 无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、 中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等北京电力电子新技术 研究开发中心的研究人员经过对美、日、欧电力电子技术和产业的考察3 以及 国家科委电力电子技术发展战略课题组的报告心1 又让我们看到了新的市场 1 电动汽车。出于环境保护和节能的需要，也是鉴于石油资源逐步减少 近于枯竭，电动汽车在国际上的研究开发日益深化，虽然远未达到成熟定型，但 趋势已经肯定以燃料电池提供能源，以永磁无刷电机为原动机的动力牵引系统 可能是一种比较有前途的方案于是，在燃料电池与永磁无刷电机之间既有一个 功率变换使二者匹配的问题，更有一个使后者实现精密调速的问题这两个问题 属于电力电子的范畴，一个是电源变换，一个是运动控制未来的电动汽车将成 为一个“微电子一电力电子一计算机 系统为主的行进中的电子实验室它将和 现在的内燃汽车从原理到结构有很大的不同，许多机械的部分将压缩乃至消失， 许多新的安全保护、驾驶牵引功能将补充完善这将是可调开关电源的巨大市场 2 超导电感储能。发电机发出的交流电是一种无法储存的能源从电 能消费来讲，白天和晚上有峰谷之别晚上的发电得不到利用，反而危及电网的 稳定安全从社会整体看，大幅度地拉开峰谷电价，将引导社会尽量利用晚间电 力，充分利用全社会发电机的装机容量，这是必要条件，因为大容量储能是要花 大钱的，利用水库的蓄能电站是其中一例，白天放水发电，晚上耗电上水，但效 率较低台湾在开发较大容量的畜电池网组储能，晚上把交流电变成直流电储进 上海交通大学硕士学位论文 电池，白天再把储在电池中的直流电能逆变成交流电，供给大楼用电这一进一 出都是电力电子的任务最近，在美国弗吉尼亚电力电子中心，正在开发超导电 感储能系统随着超导技术的实用化进展，把大量的电能以直流大电流形式储于 超导电感中，晚间储入，白天送出使用，这一进出也是开关电源的课题 3 高速机车。我国铁路机车行速从60 k1 t 1 时速提高到120 km 左 右，使运力有很大提高日本的新干线车时速达27 o km ，最近采用igbt 的新车时速突破300km ；法国的高速行车采用了igbt 实现大功率牵引， 时速已达到45 0km 无论城市内电车采用的直流电动机车斩波调速，还是城 市间采用的高速交流电动机变频调速，以至于正在开发试运行的直线电动机轻轨 架空机车和磁悬浮机车，无不采用可调开关电源新技术 4 能量贮存设备。为了调节发电厂的短期用电量，人们开始注意研究 能量贮存系统变速抽水贮能发电设备已引起人们的重视，利用这种设备发电厂 可根据负载的大小调节供电系统的输出容量在这种贮能系统中，大型电机的起 动和调速均需要电力电子变流装置相配合，因此，贮能发电系统使电力电子技术 又找到一个新的应用领域 5 电子化汽车在21 世纪将有更大的发展，未来的汽车是一种机电一 体化的产品，它是微电子技术与电力电子相结合的改造传统产业的一个典型例 子一部高级汽车需要多个电机控制，需要众多参数进行检测、诊断、调节和优 化控制，此外还需要通讯、电话、传真、电视等系统所有这些功能均通过斩波 器、逆变器或专用功率集成电路来实现由此可见，电力电子是实现汽车电子化 的一项重要技术 6 小型化开关电源。目前电源装置几乎占据了计算机的1 3 空间， 所以开关电源的小型化十分重要提高开关频率是解决小型化的一个主要办法， 例如将工作频率从20 khz 提高至1m hz ，电源所用dc dc 变换器的体 积只有原来的l 7 近几年利用谐振变流器研制成的高功率密度的片型开关电 源称为卡片型电源，这种电源利用高效率的功率集成电路使其变得越来越薄，越 来越轻，在私人计算机和办公自动化设备中将会有很大的市场 2 上海交通大学硕士学位论文 7 家用电器家用电器。未来的发展必须借助于电力电子技术，家庭用 的通用取暖设备、微波炉、电子光源以及众多的电动机驱动设备都离不开开关电 源技术各种pw m 变流设备以及专用功率集成电路将广泛地被用于每一个现代 化家庭中开关电源是一种普适性、渗透性的基础技术，它在国民经济以及国防， 高科技发展中都有广泛的应用前景在这种应用推广进程中，开关电源技术还会 得到不断的改进和完善，以更好地服务于社会 当前，开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展3 ：应用技术 的高频化；硬件结构的模块化；软件控制的数字化；产品性能的绿色化由此， 新一代开关电源产品的技术含量大大提高，使之更加可靠、成熟、经济、实用 1 2 本电源在无功连续补偿技术中的应用 电力电子技术在近十几年里得到了长足的发展，己成为信息产业和传统产 业之间的重要接口，弱电与被控强电之间的桥梁。它不仅是机电一体化中的一项 关键技术，而且也是在广泛应用领域内支持多项高新技术发展的基础技术，是当 今社会发展最快的学科之一。电力电子技术的最终发展将为大幅度节约电能、改 善用电质量、降低材料消耗、提高生产效率提供重要的手段。 在改善用电质量方面，无功补偿是一个很重要的手段。目前国内外对电网无 功功率进行补偿主要采用两种方法：1 、将电容直接并联在电网相线一相线或相 线一中线之间，通过改变电网并联电容值，达到改变补偿电流的目的3 。这种传 统的无功补偿技术，由于电容的切投是分级进行的，故产生的补偿电流也是阶跃 式的，使电网经常处于过补偿或欠补偿状态，功率因数不能接近l ，供电设备的 能力得不到充分地利用，供电线路的线损也不能降到最小值。我们曾对山西省某 企业进行调查，该企业在6 k v 电网共安装三组电容器组，每组可产生1 5 0 0 k v a r 的无功，由于无功不能连续调节，每月由于无功超标被供电部门罚款相当于3 0 万度电的电费。2 、采用晶闸管相控电抗器和并联滤波装置( t c r + f c ) 的静止型 无功补偿装置( s v c ) 拍，该方法只能产生感性无功，不仅体积大、成本高，且由 - 3 - 上海交通大学硕士学位论文 于是通过控制双向可控硅的导通角达到连续改变感性无功大小的目的，因此将向 电网注入谐波，故一般又要配置昂贵的滤波装置。 鉴于对电网无功实现最佳的补偿具有重大的经济价值，故各种无功补偿技术 的研究直是国内外电力系统的研究热点。如我国的清华大学研究的3 0 0 k v a r 的a s v g 装置是我国这一领域的一项标志性成果之一哺1 。 但a s v g 装置技术复杂，价格昂贵，短期内难以在我国电力系统普遍推广使用。 因此，为了保证电网的稳定运行，最大限度发挥供电线路和电力设备的潜力， 同时尽早帮助企业避免因无功超标造成的重大经济损失，研究与探索电网无功其 他补偿技术具有重要的理论价值和社会经济价值。 为此，提出了一项基于可变电压源的混合式电网无功功率连续补偿新方案口3 。 为简单，以单相为例，设电网相电压值为u ，要求提供补偿的最大无功功率 为q ，根据本方案，最大无功将由n 级实现，每级提供的最大无功值为q n ，如 果使第级提供的无功为0 一q n 连续可调，而其他( n 一1 ) 级为固定值q n ，则 通过对第一级的连续调节与对其它级的分级投切便可实现无功o p 的连续调 节。为此，将阻抗值为z = n u2 q 的固定电容器和电感分级接入电网，但第一级 使z 与电网电压矽同相位、同频率的可变电压源d 矿相串连，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 f i g 1 - 1 s ， z 0 l 1 41 2 3 4 图1 2 f i g 1 2 u 1 r 乞 显然，第一级产生的无功q ，= ( 1 一u u ) 2q n ，当u p = u 时，q ，= 0 ，当u y = 0 上海交通大学硕士学位论文 时q = q n = m a x 。q l 随可变f g 压, nu ，的变化曲线如图卜2 所示。从理论上可以 证明，可变电压源的容量为q 4 n 。仍以山西某国企为例，其所要提供的最大无功 q = 4 5 0 0 k v a r 、聆= 3 ，则可调电压源容量为3 7 5 k v a r ，仅为补偿容量的1 i 2 ，增 加 ，可进一步减小其容量。对无功补偿动态响应要求较低的电网，可变电压源u 矿 拟采用由单相或三相自耦调压器产生。仍以单相为例，对低压电网，可直接将自 耦调压器b 的滑动触头的输出端与固定电容( 电感) 串联后接入电网。对于高压 电网，自耦变压器滑动触头的输出电压将通过一升压变压器升压后与电容( 电感) 串联后接入高压电网，具体如图卜3 、图卜4 所示。 b 图卜3 1 奎 1 4 f i g 1 3 f i g 1 - 4 通过合适的控制电路以改变自耦变压器滑动触头的位置即可获得所需的可变 电压u p 值，使电网获得最佳的无功补偿。 对电网无功功率需要进行快速动态补偿的情况，可变电压源以拟采用由变压 器、控制器、直流电源及逆变器产生，具体如图卜5 所示。控制器采样主电路电 压及电流信息，以保持逆变器输出电压与电网同步并使之幅值不断变化，以达到 动态最佳补偿的目的。 上海交通大学硕士学位论文 图1 5 f i g 1 - 5 该方法能够得以实现的关键之一就是与电源电压同频率、同相位、在理想情 况内阻接近零的可调电压源即幅值可调同步电源的获得，而本电源为幅值相位皆 可调的交流电源，并且具有良好的相位跟踪特性，所以可以作为跟踪电源电压并 与之同频率、同相位的幅值可调同步电源应用于该无功补偿方案当中。 1 3 本电源在高动态响应稳压电源中的应用 图1 - 6稳压器原理图 f i g 1 6t h es c h e m eo fr e g u l a t o r 如图卜6 所示，因为( j o = 【j i - 0 。，所以调节o v 的相位与幅值就可以调节o o 电压， 这样就可以实现稳压输出。如果通过对0 。的跟踪来自动调节( j v 的相位与幅值就 可以达到自动稳定i ：j 。电压的目的。由于本电源设有外接相位调节的接口和电压幅 值调节接口，调压平滑并具有良好的相位调节动态特性，所以它可以为高动态响应 6 上海交通大学硕士学位论文 的稳压电源提供u v 。另外，本电源中锁相及相位控制技术对于u p s 电源的研制也 具有一定价值。 上海交通大学硕士学位论文 第二章方案的比较与选择 2 1 常用的逆变器控制技术 目前在逆变器等电力电子变换器中广泛采用脉宽调制( p w m ) 技术。由于p w m 技术可以极其有效地进行谐波抑制，而且它的动态响应好，在频率、效率诸方面 有着明显的优点，因而应用领域极其广泛，应用技术也日臻完善。 所谓p w m 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变为一定形状的 脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波的目标的一门技术。1 9 6 4 年 a 。s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 在( ( b b c 评论中发表文章，把通讯系统中的调制技 术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制变频变压的思想。从那时起，p w m 控 制技术不断创新和发展，目前已经提出并得到应用的p w m 控制方案不下十种，本 节将介绍几种常用的逆变器p w m 技术。 2 1 1 单脉冲调制法 单脉冲调制法应用于单相逆变器中，它是p w m 技术中最简单的一种阳1 ，它可 产生一串输出幅度稳定而脉冲宽度可调的单脉冲序列。 - 8 上海交通大学硕士学位论文 v 八 v 2 t t t t t t 图2 - 1 单脉冲序列产生原理波形图 f i g w a v e f o r mo fs i n g l ep u l s es e r i e sg e n e r a t i o n 其产生原理波形如图2 1 所示。v ，是频率为1 0 0 h z 、脉冲幅度恒定的三角波， v 。是直流电压。两者进行比较，若v z v ”则比较器输出高电平；反之，若v 。 v ，所以v a 为高电 平；而在t 。- t ：期间，由于v ， v ：，所以v 。为低电平。以此类推，v 。为一串宽度为 t = t 。= t 。一t ：= 的矩形电压脉冲。显而易见，只要改变v 。的幅度，则电压脉冲v 。 的宽度将随之变化。这样就可以通过调节反馈电压幅度的大小的方法来实现对输 出电压有效值的调节。三角波v 。还同时送至触发器，在触发器的q 和q - 缅1 - t l l 分别形 成脉冲宽度为1 0 m s 、频率为5 0 h z 的一串矩形波v 。和v s 。对v 。和v 。进行“与非 运算，得到一串脉宽a t = t 、频率为5 0 h z 的正脉冲v e 。对v 。和vs 进行“与非” 运算，一串相位与v 。相差1 8 0 度的负脉冲，其脉宽也是a t = t 。，频率同为5 0 h z 。 上海交通大学硕士学位论文 图2 - i 中的6 和巾分别表示单脉冲的宽度和正负脉冲之间的间隔。适当调节巾的 值，不仅可以起到调节输出电压的幅值，而且还可以起到消除某些特定谐波分量 的作用。例如，当中= 6 0 0 时，在输出电压中就不包含三次谐波，当然也不包含9 、 l5 、2 l 、2 7 、次谐波分量。当巾= 3 6 0 时，不包含5 、l5 、2 5 、5 5 、6 5 次谐波分量。 当中= 2 5 7 0 时，不包含7 次谐波分量。当巾= 0 0 时，基波幅值达到最大。 利用单脉冲调制法完全可以满足逆变器实现方波输出的要求，只要适当改变 脉冲宽度就可以方便地调节输出电压中基波( 5 0 h z ) 分量的有效值。实现电压控 制的目的。方波输出具有线路简单，成本低，易于实现闭环控制，输出电压稳定 度较高的特点。但是，由于在方波输出中仍包含大量的低次谐波分量，致使方波 输出的波形畸变大。因为在通过改变脉宽来调节输出电压基波幅度的同时，其它 谐波分量的幅度也在变化。虽然可以采取精确调节脉冲宽度的办法来消除特定谐 波分量，但每一次调整只能消除一种谐波分量。特别是输出电压基波幅度的同时， 在客观上就迫使我们必须重新调整脉冲宽度6 ，以维持输出电压的稳定性。但这 样调整，势必造成方波输出中各次谐波分量相互之间比率的变化。由此可见，利 用方波输出法很难同时解决好调整输出电压幅度与调整各次谐波分量相互关系 的矛盾。而且要想从方波输出中滤掉三次和五次谐波分量，必然会使得逆变器的 滤波器尺寸变得很大，而滤波器尺寸的增大，又会使得整个输出电压的瞬态响应 特性变坏。输出中谐波分量的增大还将极大地降低逆变器的转换效率。 2 1 2 多脉冲调制法 为了改善单脉冲调制法的缺点，人们采用多脉冲调制法来改进输出电压的波 形畸变。所谓多脉冲调制法，是指在逆变器每个半工作周期中，脉冲的数量i 应 为整数。假定输出电压的基波为f ，调整电压脉冲的重复频率为f ；，则多脉冲市 制的载波比n 为： ， n = 之= 偶数 1 0 上海交通大学硕士学位论文 + e - e l v 口罔阳平2 ，。 uuu 7t 图2 - 2 多脉冲调制法n = 2 i 时输出电压波形 f i g 2 - 2wa v e f o mo f o u t p u t v 0 1 r a g eo f mu l t i - p u t s emo d u l a o o nme l i h o d 稍= 2 d 这是因为在图2 - 2 所示的0 2 兀区间内有2 i 个脉冲，故n = 2 i 。若脉冲数目i 固定不变时，为了使输出电压从零变大到它的最大值，脉冲宽度的可调范围应该 是从零增加到k = 每，即0 万s 靠双。即是说，在维持多脉冲序列的载波比n l 不变的条件下，改变6 不仅可以得到不同的基波电压值，而且随之出现的各次谐 波分量的比例也会随之而变化。当n = 6 上升至n = 2 0 时，当调制脉冲宽度6 8 从 零逐渐增大时，基波分量的幅值变化很小。但对于输出中所包含的3 、5 、7 、次 谐波分量来说，随着载波比n 的增大，它们都有相当明显的下降。而且当n 2 0 以上时，在整个调压过程中( 即改变每个单独的脉冲宽度6 很小时) ，其谐波分 量与相应的基波分量的比值u r n ( n ) v 删，也不会有明显的增大。这样就从根本上解决 了用单脉冲调制法所产生的通过改变脉冲来调压时所引起的谐波分量不能控制 的矛盾。这说明多脉冲法不仅能大大降低输出中各次谐波的幅值，而且还能抑制 住低电压输出时可能出现的较大谐波分量。此外它在改善波形畸变方面也明显地 优于单脉冲调制法，然而实现这种调制法需要复杂的控制线路，所以这种方法并 未得到广泛应用，而实际中用得较多的是正弦脉宽调制法。 2 1 3s p w m 法 s p w m 法是目前应用最为广泛的逆变器控制技术归3 。为了得到某一规定频率的 正弦电压波形，可用该频率的正弦控制信号与三角波相比较而得，控制与载波的 波形如图2 3 ( a ) 所示。 上海交通大学硕士学位论文 ( n 。) h 2 1 2 口，8 o 4 图2 - 3s p m 波形( a ) 控制信号与载波的波形( b ) 输出电压波形( c ) 谐波分量的幅度 f i g 2 - 3 w a v e f o r mo fs p w mm e t h o d ( a ) w a v e f o r mo fc o n t r o ls i g n a la n dc a r r i e rw a v ( b ) w a v e f o r mo fo u t p u tv o l t a g e ( c ) a m p l i t u d eo fh a r m o n i c s 图2 - 3 ( a ) 中三角波v 。，；的通断频率为f 。，f ；也称为载波频率。正弦规律变化 的控制电压波v 。用来调制开关的占空比，v 。的频率f ，为逆变器输出电压要求的基 波频- v - ，也称调制频率。逆变器输出电压中有频率f 。的多种谐波分量，因而需定 义幅度调制比m 。和频率调制比m ，。 幅度调制比m a 的定义为 毒 其中吃是正弦控制信号的峰值；矿，是三角波的峰值，通常其值维持不变。 频率调制比m r 的定义为肌r = 鲁 上海交通大学硕士学位论文 图2 - 4 半桥式逆变器电路 fi g 2 - 4l - ia t f b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t 半桥式逆变器的电路如图2 4 所示。其中开关t + 和t 一的工作状态是由v 。和 v 。的比较结果来控制的。当v 。 v 时，t + 导通，v o ：v 。2 。当v 。 v 川时，t a - 导通， v 产一v 。2 。由于两个开关不同时接通或关断，因此输出电压v 。在v 。2 和一v 。2 之 间变动，如图2 - 3 ( b ) 所示。 用标么值表示的谐波电压( v ) ( v 。2 ) 的幅度标在图2 3 ( c ) ，其中( v ) 是h 次谐波的幅值。该图说明以下三点： 1 ) 基波分量的幅度( v 缅) 。是( v 。2 ) 的m a 倍。在v 。不变的条件下，输出电压 v 加的平均值v o 与v 。和v 。m 的比值有关 巧。= ! _ 皂，1 ，。v ，删 ( 2 1 ) v t r l m 二 在一个通断周期内，v 。变化很小，即m ，比较大。式( 2 1 ) 表示从一个通断周期向 另一个通断周期变化时v 。的瞬时平均值。v 。和( v 。) 。可由下式表示： 1 ，。= s i n c o i ， 1 9 时，谐波幅度与i l l ，无关，谐 波频率可表示为以= u 聊，七眈 谐波次数k 为频率调制比m ，的j 倍，k 为边带，即h = ，m ，七 当h = 1 时即为基波频率，对于奇数j ，谐波中只有偶数的k ；而对于偶数j ，谐 波中只有奇数的k 。 3 ) m f 是奇数。选择m r ，使得p w m 波形具有奇函数对称l 厂( 一，) = 一厂o ) 和半波对 称 厂( ，) = 一( ，+ 三) 的性质，如图2 3 ( b ) 所示。该图对应m r = 1 5 的情况，所以波 形中仅有奇次谐波出现，而无偶次谐波。v 。在付立叶分析中仅包含正弦项，余弦 项为零。 由以上分析可以看到，s p w m 法能有效地抑制低次谐波分量，在脉宽调制输出 波中仅存在有较易滤除的高频谐波分量。本文所论及的逆变电源调制频率是 5 0 h z ，载波频率为2 0 k h z 。因此，采用s p w m 法该逆变电源电压输出波形中基本上 不包含低次谐波分量，它们所包含的最低次谐波分量的频率都在几千赫兹以上。 所以逆变器所需的滤波器尺寸可以大大减小。 但是s p w m 法也存在缺点。它是一种开环控制，在线性负载、不存在外部扰动 时控制效果很好，但在非线性负载或是存在扰动的情况下，s p w m 法就不能保证输 出电压的失真仍然很小。 2 1 4 谐波抑制p w m 法 在方波的某些角度上设置凹槽以抑制不需要的谐波，控制基波分量的大小， 这就是所谓谐波抑制方法。 上海交通大学硕士学位论文 + e 0 一e v 皿2丑 q 。、。 丑 l 丑、- q1 q2丑一q3 l q2 t 图2 - 5 谐波抑制方法 fi g 2 - 5t h ei l le l h o do f h a mo ni ：ss u p p r e s s i n g 图2 - 5 中示出了采用谐波抑制方法的单相半桥式逆电路的输出波形，即半波 内奇函数对称的类型，其付立叶级数展开式为 v ( ，) = ( c o s n a g + b , s i n n a g ) n = l 丌 其中= o , b n = 昙f 1 ，( f ) s i n 力倒姒。假定波形幅度为1 ，即v ( ，) = l ，则b n 表 不为 瓦= 叭+ 1 ) s i n n c o t d c o t + ( 一1 ) s i n n c o t d o o t + e ( + 1 ) s i n n c o t d c o t + + 。( 1 ) s i n 船c o t d o o t + 1 2 ( + 1 ) s i n n c o t d c o t 乜 ( 2 - 2 ) 由于fs m 以础= 去( c 。s 幺_ c o s 0 2 ) ( 2 刊 将式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 2 ) ，则式( 2 - 2 ) 的首项和末项为 r 1 ( + 1 ) s i n 胛纠砌= l ，2 ( 1 - c o s n 西) ( 2 4 ) i ( + 1 ) s i n n c o t d c o t = 一1c o s 咒 ( 2 5 ) “t，z 上海交通大学硕士学位论文 将式( 2 2 ) 中其余各分量积分，并将式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 代入式( 2 2 ) ，得 到 4 = 二 1 + 2 ( 一c o s n a l + c o s r 口2 一+ c o s p 口女) = + 2 善c 叫k c o s r 口k ， 沿6 ， 根据该式，可以用求解m 个联立方程的方法来抑制m 次谐波，并可控制基波电压 的大小。例如，在三相系统中，3 次及3 倍频次谐波能自然消除，于是只需将5 、 7 次谐波抑制掉。为了实现这一目的，可由式( 2 - 6 ) 中m ：3 时，列方程示解： b 1 ：4 ( 1 2 c 。s a l + 2 c 。s 口2 2 c o s c r 3 ) b 5 ：毒l ( 1 2 c 。s 5 口。+ 2 c 。s 5 口2 2 c 。s 5 a 3 ) b ，：二l ( 1 2 c o s 7 口。+ 2 c 。s 7 口：一2 c o s 7 a 3 ) 这是一组非线性超越方程，可用数值解法求出基波幅值和角度a 。、q ：、q 。 尽管谐波抑制p w m 法可以有效地抑制不需要的谐波，但它的实施需要大量的 查表操作和费时的插值运算，实时控制困难；另外，它也是一种开环控制，在非 线性负载、负载突变或是存在外部扰动时难以得到满意的控制效果。 2 1 5 具他p w m 法 其他的逆变器控制技术还有电流追踪型p w m 法，磁链追踪型p w m 法和随机p w m 法等等。 电流追踪型p w m 法的基本思路r i o 是将一个正弦波电流给定信号与电流实测 信号相比较，若实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小； 反之，则使之增加。使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，并 将偏差限制在一定范围内；与些同时，逆变器输出的电压波成为p w m 波。这种控 制方法很适合于高性能的单电动机交流电气传动，可以使电动机电流得到高品质 的动态控制。 1 6 上海交通大学硕士学位论文 磁链追踪型p w m 法是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定 的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想 磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通圆， 由它们比较的结果决定逆变器的开关模式，从而形成p w m 波。 随机p w m 法则是为了消除谐波电流引起的电机电磁噪音和机械共振，从改变 噪音的频谱分布入手，使逆变器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范 围内，以达到抑制噪音和机械共振的目的。 2 2 本电源所采用的整体设计方案n 2 ”1 s p w m 是工业应用中最流行的一种方法，本电源亦采用载波调制s p w m 的形 式。s p w m 有多种实现形式，主要有分立硬件产生的正弦波和三角波的直接比较产 生s p w m 波，单片微机产生的正弦波和三角波比较产生s p w m 波和微机直接产生 s p w m 波。 分立硬件产生正弦波。在e p r o m 中存放有正弦波一个周期的离散值， 用计数器产生地址信号，输入e p r o m 的地址端，在数据端得到数字形 式的正弦波值，经过d a 转换后生成正弦波。计数器的计数脉冲是由 专门的振荡电路产生的，所以改变正弦波的频率比较简单，只要改变 计数脉冲的频率即可。它的缺点是很明显的，单是正弦波发生电路就 已经很复杂，再加上三角波发生电路和比较器，整个s p w m 的生成系 统竟包括了七、八片集成电路，这给系统的制作和调试带来了不便。 单片微机产生正弦波。振荡源、计数器和e p r o m 的功能由片内集成 e p r o m 的单片机来实现。这类单片机如8 9 c 5 1 系列，a v r 系列均获得 了很广泛的应用。单片机产生正弦波可以大大简化系统，由于计数和 查表均由软件来实现，所以实现起来比较简单。这种方法的“计数脉 冲”是由单片机的定时器实现的，所以在正弦波的频率固定时，定时 器里的初始值是固定的，所以是比较精确的。但是在可变频率时，定 - 1 7 上海交通人学硕士学位论文 时器的初始值要随频率而改变，所以系统的精度就会有损失了。更重 要的是单片机的主频必须很高才能满足要求。这是因为在单片机里， 一个周期的正弦波也是由2 5 6 个数据点生成的( 假设后部d a 为8 位) ， 所以要生成一个i o o h z 的正弦波，定时器就要每1 0 m s 2 5 6 = 4 0 u s 重装 一次，如果要生成4 0 0 h z 的正弦波就每1 0 u s 重装一次。对8 9 c 5 l 来 说，这样生成的正弦波已经相当不稳定。当然，这类系统也是比较复 杂的，三角波发生电路，比较电路仍然是需要的。更重要的是单片机 作为一个精密系统，它的抗干扰能力是很差的，在工业高温、潮湿、 粉尘的恶劣环境里，它经常很不稳定，不能够正常工作。在这一点上， 分立的t t l 或c m o s 电路要比它可靠的多。 单片机直接产生s p w m 波可以有两种实现形式。第一种是在e p r o m 中 直接存放s p w m 的时间值，单片机查表输出实现。第二种是用单片机 在线计算输出s p w m 波。第一种方式在输出固定频率时是比较好的方 式，频率可变时，就需要大量的r o m 空间存放各种频率的正弦时间表 值。假设每个频率有2 5 6 点，那么2 5 4 0 0 h z 就需要近l o o k 的空间， 这就不得不在外部扩展r o m ，大大增加了系统的复杂性。另一种方式 生成s p w m 简单可靠，变频的实现比较简单，但是采用在线计算需要 有很高的c p u 运算能力，这用简单的8 位单片机是无法实现的。特别 是当需要较高的载波频率时，比如2 0 k h z ，即使输出5 0 h z 的正弦波， 16 位的8 0 c 1 9 6 系列也无能为力。在这种情况下，只能采用专门的d s p 来实现。 比较以上的几种方案，在该a c 电源中，选择第一种方案。虽然系统比较复 杂，但是它的稳定性和抗干扰能力都比较强，适合工业场合的应用，而且它的成 本较小。它是一种精密的方案，因为采用微机实现，总要存在软件的不可预测性。 比如，进中断时程序位于不同类型的指令处将导致不同的进中断时间。当载波频 率和正弦波频率较大，计数器的装填值较小，这种影响尤其严重。 1 8 上海交通大学硕士学位论文 图2 - - 6 总体方案框图 f j g 2 - 6 s y s mb b c k d 细 基于锁相技术的幅值相位可调电源的总体方案框图如图2 6 所示，由正弦波 发生电路产生的与输入信号同频、同相、谐波含量很少正弦波信号，经相位控制电 路移相后与反馈信号比较产生基准正弦波。此基准正弦波和三角波发生器产生的 2 0 k h z 的三角波信号相比较生成两路互补的s p w m 波h4 1 ，送入隔离驱动芯片e x b 8 4 1 ， 驱动i g b t 功率开关管以脉宽调制方式工作。本电源的主电路采用由i g b t 构成的半 桥逆变电路n 引，i g b t 输出的功率s p w m 波通过两级l c 滤波器，滤除高频开关谐波。 滤波后的正弦波的有效值最大输出为9 0 v ，利用输出变压器将电压提升到所需要的 最大值并实现输出隔离。系统中采用了电压、电流的双环反馈，用以提供系统所需 的保护电路及提高输出的调整率，并采用温度传感器监测i g b t 的温度，当i g b t 上海交通大学硕士学位论文 温度过高时关断i g b t 。 本系统的直流总线及直流电源的提供是由输入的交流电经过单相全桥不控整 流电路和两组大电容整流后，得到正负峰值约为1 5 0 v 的纹波很小的直流电压，存 储在中性点接地的两组电容器中，作为逆变器工作的直流总线。控制电路中的直流 电源是由u c 3 8 4 4 芯片做成的稳压电源来提供。 一2 0 上海交通大学硕士学位论文 第三章正弦波发生电路 3 1 总体设计 如图2 6 所示，正弦波发生电路由相位采样电路、锁相环、计数器、内部存有 正弦表值的e e p r o m 、d a 和滤波器组成。相位采样电路采样输入电压的频率与相位， 形成与输入电压同频率、同相位的方波序列。锁相环把相位采样电路产生的方波信 号倍2 5 6 倍频作为计数器的输入，计数器的输出作为e e p r o m 的地址读取内置的正 弦表值送入d a 转换器，得到由2 5 6 个阶梯形成的正弦波，经滤波器后输出与输入 同频、同相、谐波含量很少的正弦波。 3 2 滤波器的设计 从正弦波发生电路的总体设计方案中我们可以看出，正弦波其实是由梯形波迭 加而成的。在频谱分析中可以清楚地看到，正弦波频率点的频谱是最大的，但是其 他谐波分量也是明显存在的。如果不进行任何处理就和三角波进行比较生成s p w m 波，必然会使比较器误动作，进而影响整个电路，由于此正弦波