（电气工程专业论文）变电站数字控制逆变电源的研究与实现.pdf

工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e dt h eb a s i ct h e o r yo fs p w mi nd e t a i l s 。a n di n t r o d u c e st w o p w mc o n t r o lm e t h o do fs i n g l ev o l t a g ea n dt w ov o l t a g e ，a n a l y s e dt h ew a v eo f i n v e r t e r a n a l y s e dh a r m o m co fi n v e r t e r d i s c u s s e dt h ew a y o fe l i m i n a t i n g w ed i s c u s s e d t h ee f f e c to fd e a d - t i m eo l lo u t p u tw a v e f o r m , i n t r o d u c e d 也es c h e m eo fi n v e r t e ri n d e c t r i cp o w e r , b a s e do l l8 0 c 1 9 6 m c ，d e s i g n e dc o n 订o lc i r c u i t , s w i t c hm o d ep o w e r s y s t e m , d r i v ec i r c u i tr e l i a b l y , a l lk i n d so fp e r f e c ts a f e g u a r da n da n t i - j a m m i n gw e r e d e s i g n e da n dt e s t e d ，i m p r o v e dc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs y s t e mb yp 1w i t hf o r f e e d a d j u s t , d e v e l o p e dah i g h - q u a l i v ya n dh i g h - p e r f o r m a n c ei n v e r t e r 。 k e y w o r d s ：p w mc o n t r o l ，i n v e r t e r ，d r i v ec i r c u i t i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 塞互堑 2 和y 年，。月，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二垒址 2 酊年厂碉日 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 1 绪论 1 1 电力电子技术发展与应用概述 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制、转换的技术，也既是说 电力电子技术是电力处理技术。电力电子学( 或电力电子技术) 的理论建立在电 子工程、电气工程和控制理论与工程三个学科基础之上，已成为一个涉及领域广 阔的学科，可以说凡是涉及到电能应用的场合，便有其用武之地。时值今日，它 不仅已发展成为高科技的一个分支，而且还是许多高科技的支撑，成为现代电工 技术中最活跃的领域。 电力电子技术之所以和“电力”二字相连则是因为最初它的应用范围主要是 在电气工程中和电力系统中，根据负载的特殊要求，对强电进行控制与变换，以 使电气设备得到最佳的电能供给，使电力系统处于最佳的运行状态，从而使电气 设备和电力系统实现高效、安全、经济的运行。电力电子技术发展到今天，它不 仅仅只涉及到“电力”的变换与应用，而且也涉及到化学能电源( 电池) 、太阳 能电池电能的变换与应用。虽然已突破了当初单纯“电力”的界限，但是仍然是 在功率变换的范畴。 仅就电力电子技术本身而言，它主要包括二个方面，即电力半导体器件制造 技术和电力半导体变流技术。前者是电力电子技术的基础，后者是电力电子技术 的核心。二者相辅相成，相互依存，相互促进的关系，使得电力电子技术发展的 势头一浪高过一浪，使其在科技进步和经济建设中发挥着越来越重要的作用。随 着以p w m 控制为代表的、采用数字控制的电力电子装置性能日趋完善，电力电 子装置的应用范围也从传统的工业，交通、电力等部门扩大到信息及通信、家用 电器等各个领域。 1 2 电力半导体器件 半导体变流技术的发展，立足于电力半导体器件的发展。继电子离子器件之 后，电力半导体器件是以美国1 9 5 6 年生产硅整流管( s r ) 、1 9 5 8 年生产晶闸管 ( s c r ) 为起始点逐渐发展起来的。经过了4 0 多年的发展，在器件制造技术上 不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管( g t d ) 、巨 型晶体管( g t r ) 、功率m o s f e t 、绝缘栅双极性 晶体管( i g b t ) 为代表的功率集成器件( p m ) ，以及以智能化功率集成电 路( s p i c ) 、高压功率集成电路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个 发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到p i d 、p i c 通过门极 或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可 工程硕士论文 变电站敦字控制逆变电源的研究畸实现 控硅。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大 大降低了门极( 襁极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度， 从而使器件的工作频率由工频一中频一高频不断提高。在器件结构上，从分立 器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路 与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件 从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开发出具有智能化功能的模块 ( p m ) 。 以s p i c 、h v i c 等功率集成电路为代表的发展阶段，使电力电子技术与微 电子技术更紧密地结合在了一起，是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电 路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。 它实现了器件与电路的集成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电 之间的智能化接口，机电一体化的基础单元，预计p i c 的发展将会使电力电子技 术实现第二次革命，进入全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。 1 3 变流技术的发展与应用范围“瑚啪呻 电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式即所谓“变流”。变流技 术发展到今天，其按其实现的功能大致分为5 个方面： 1 ) 整流：实现a c d c 变换； 2 ) 逆变：实现d c a c 变换： 3 ) 变频：实现a c a c ( a c d c a c ) 变换； 4 ) 斩波：实现d c d c ( a c d c d c ) 变换； 5 ) 静止式固态断路器：实现无触点的开关、断路器的功能，控制电能的通 断。 变流技术的发展已经历了三个阶段。 第一阶段： 第一阶段是基于电子管、离子管( 闸流管、汞弧变流器、高压汞弧阀) 的发 展与应用，当时把这一学科称作工业电子学( i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ) 。这一阶段的 研究工作，主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。变流技术的应用领域 主要是直流传动，直流牵引，电化、电冶、中频、高频淬火、加热，高压直流输 电等。由于直流传动，直流牵引，电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势， 因此，那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术 的分类来看，它属于整流变换，是变流技术的一小部分。 第二阶段： 第二阶段是基于硅整流管和晶闸管，而主要是晶闸管的发展与应用。电力电 子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 在我国始于2 0 世纪6 0 年代初，并取代了工业电子学 2 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 由于变流技术的基本理论整流、逆变、变频技术的研究，可以说在第一阶段 已经完成。这已不是第二阶段的研究主题。这一阶段主要是针对硅整流管、晶闸 管取代电子管、离子管以后出现的新问题( 如硅整流管、晶闸管的阻断电压不高， 通态电流不大，耐受过电压、过电流冲击能力不强，应用中稍有异常状况出现， 便会造成器件永久性损坏) 开展的应用研究，诸如触发电路的研究、器件并联均 流措施的研究、器件串联均压措施的研究、器件换相过程中防止开通过电流、关 断过电压的缓冲( 阻尼) 电路的研究、变流装置过电压保护、过电流保护、过热 保护的研究，以及器件的热容量与变流系统故障时系统短路电流及快速熔断器短 路容量的保护配合研究等。随着器件制造水平的不断提高，交流装置保护措施的 不断完善，使得硅整流管、晶闸管在变流装置中的应用技术日趋成熟。 如同任何新生事物的发展一样，硅整流管、晶闸管在变流技术中的应用与发 展也是势不可挡。它很快便取代了汞弧变流器在变流技术中的地位，使我国进入 了基于半导体的电力电子技术的开发与应用阶段。它不仅在所谓变流技术三大支 柱产业中完全取代了汞弧变流器，并且功率更大，即使在高压直流输电领域，世 界上第一个高压晶闸管换流阀于1 9 7 0 年在瑞典哥特兰岛直流输电工程中投运， 宣告了高压汞弧阀在高压直流输电领域中历史使命的终结。在我国，汞弧变流器 制造业在完成自己的历史使命后也于1 9 7 2 年正式停产。除此而外，硅整流管与 晶闸管变流装置还取代了电镀、蓄电池充电、发电厂( 站) 与变电站直流系统的 电动机一发电机组，取代了发电机的直流励磁机组。 这一时期，随着整流管特别是晶闸管制造技术水平的不断提高，半导体变流 技术所涉及的应用领域不断得到扩展。例如，快速晶闸管的开发大大促进了中频 感应加热、熔炼、淬火电源( 1 k h z s k h z ) 的发展；为国防建设和高科技研究 服务的晶闸管低频电源、4 0 0 h z 中频电源、高精度稳压电源与稳流电源相继开发 出来。还有许多其它应用领域难以一一列举。 以晶闸管应用为核心的这一发展阶段，无论是整流、逆变、变频，其变换都 是通过对晶闸管的门极进行移相控制( o 、b ) 而实现的，即相控型的变换技术。 由于晶闸管属于非自关断( 全控) 器件，它又是电流型控制器件，所以在高频应 用领域，它还无法取代闸流管和电子管，只在低频大功率领域占优势 在这一阶段，关于实现d c d c 变换的斩波技术的研究已经开展，并且率先 应用在直流牵引调速中。公交无轨电车上所用的晶闸管调速，即是d c d c 变换 应用的实例。只不过由于晶闸管是半控器件，将其用在d c d c 变换中，为了强 迫其关断。主电路、控制电路较为复杂，但是其节能效果是显著的。 第三阶段： 第三阶段是基于全控型电力半导体器件的发展与应用，是半导体电力变流器 工程硕士论文变电站数宁控制逆变电源的研究与实现 向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控制( p h a s es h i f tc o n t r 0 1 ) 向时间比率控f b j j ( t i m er a t i oc o n t r o l - - t r c ) 发展的阶段时下将采用上述二种控 制方式的变流装置( 电源) 简单地称作相控电源和开关电源的说法是不确切的， 这是因为在半导体电力变流器中，承担功率变换的电力电子器件就是作为无触点 开关来应用的，无论是相控电源还是时间比率控制电源部是工作在开关状态，因 此，称为移相控制电源和时间比率控制电源的比较确切。t r c 一般有三种，即 脉冲宽度调制( p u l s cw i d t hm o d u l a t i o n p w m ) ，脉冲频率调$ 1 ( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n p f m ) ，混合调制( p w m + p f m ) 。p w m 方式因为调制频率固定， 即调制周期t 恒定( 或基本不变) ，通过改变控制脉冲的占空比d 进行变换电路 的调节，从而使滤波电路的设计比较简单，所以常用的1 1 t c 是p w m 方式。 第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。首先以g t c i 、g t r 等双极型全控器件的应用为代表，使逆变、变频、斩波变换电路的结构大为简化， 使变换的频率可以提高到2 0 k h z 左右，为电气设备的高频化、小型化、高效、 节能、节材奠定了基础。但是由于g t o 、g t r 是电流型控制器件，控制电路功 率大，且变换频率也不能很高。随着变换频率的不断提高，p w m 电路的缺点便 逐渐暴露了出来。由于p w m 电路属硬开关电路，一方面使电路中的变换器件工 作时所承受的电压应力及电流应力大，同时变换过程中高的d v d t 、d i d t 又会产 生严重的电磁干扰，使电气电子设备电磁兼容的问题突出；另一方面器件开通与 关断损耗的问题逐渐棘手，严重制约了变换频率的进一步提高。于是建立在谐振、 准谐振原理之上的软开关电路，即所谓的零电压开关( z v s ) 与零电流开关( z c s ) 电路问世。它是利用谐振进行换相的一种新型变流电路，实现了器件在零电压下 的导通和零电流下的关断，从而大大降低了器件的开关损耗，这样一来，t r c 技术+ 软开关技术使得变换频率进一步得到提高。以功率m o s f e t 、i g b t 等电 压型控制的、混合型全控器件的应用为代表，真正实现了高频化，使变换频率达 到1 0 0 k h z 5 0 0 k h z 甚至更高，为电气电子设备更加高频化、小型化、高效、节 能、节材创造了条件。 从以上叙述可知，第三阶段主要是电力半导体器件向全控型、模块化、集成 化、智能化发展，半导体变流技术向高频化发展的时期，其结果是实现了从传统 的电力电子技术( 晶闸管与移相控制) 向现代电力电子技术( 全控型器件与t r c + 软开关技术) 的跨越，具有划时代的意义。仅就高频化带来的技术进步与节能、 节材的实效，对于降低单产能耗，提高综合经济效益的影响都是巨大的。 时值 今日，晶闸管的应用领域，绝大部分已经或即将被功率集成器件所取代，只是在 大功率、特大功率的电化、电冶电源以及与电力系统有关的高压直流输电 ( h v d c ) ，静止式动态无功功率补偿装置( s v c ) ，串联可控电容补偿装置( s c c ) 4 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 等应用领域，晶闸管暂时还不能被取代。 1 4 半导体变流技术与电源技术的关系 将半导体变流技术与电源技术的关系说成是两个独立的学科之间的关系是 不科学的。实际上电源技术应该属于电力电子技术的范畴，而且是其一小部分， 这是因为： 电源技术所用的半导体功率变换器件属于电力半导体器件： 1 ) 电源技术所要解决的问题仍离不开功率变换，其理论基础就是半导体变 流技术； 2 ) 电源技术所涉及的交直流稳定电源、u p s 等，皆是半导体电力变流器的 内容，至于a c d c ，d c a c ，a c a c ，d c d c 变换技术，也是半导体变流 技术早已解决了的题目； 3 ) 电源技术所应用的化学电源一蓄电池，物理电源一发电机、太阳能电池， 则各自分属一个学科、一个行业，电源技术只是拿来使用它们而已； 4 ) 电磁兼容的问题，更是一个大题目，属于无线电技术的范畴，电源技术 也是利用信息传递过程中的电磁兼容通用技术，主要是用来解决高频化 给电源本身和其它电子设备带来的电磁干扰问题。 基于时间比率控制+ 软开关技术的高频变换技术，在电源技术的应用中具有 广阔的发展前景，完全取代相控变换技术只是时间早晚的问题。 1 5 电力逆变电源在工程中的应用旧嗍 电力控制系统的可靠程度是电力系统和设备可靠、高效运行的保证，而电力 控制系统必须具备安全可靠的控制电源。电力系统中为保证变电所的诸如后台 机、分站r t u 、通讯设备等能在交流电源停电后不间断工作，工程做法一般采用 u p s 电源作为主要解决方案，但u p s 电源存在容量小、价格贵、故障率高、维护 量大等不足，因此综合自动化变电所中可采用电力正弦波逆变电源来代替常规不 问断u p s 电源，其优点如下： 1 5 1 降低了系统运行维护费用 现运行的综合自动化变电所中，一般设后台监控微机，通讯设备大多为微波 及光纤机等，此类监控和通讯设备工作电源为交流电源，要做到不间断供电，以 满足”四遥”要求，不同的设备须单独装设不间断电源( u p s ) 和蓄电池组。而变电 所中装设逆变电源可直接利用所用直流电源系统的大容量蓄电池提供交流电源， 比u p s 供电方案节约了投资费用，避免了蓄电池组的重复投资，减少了维护工作 量，降低了运行成本。 工程硕士论文变电站数字拧制逆变电源的研究与实现 1 5 2 提高了供电的可靠性 变电所中装设的直流电源系统，可靠性高、寿命长，因此采用直流动力+ 逆变电源”方案，利用所用直流电源系统的监控功能和逆变电源的通讯功能可远 方实时监视逆变电源的运行状态，解决了常规u p s 电源的蓄电池容量小、无监控， 容易出现蓄电池损坏又不能及时发现的问题。由于变电所直流电源系统蓄电池的 大容量，电网断电后不间断供电时间大大延长，真正起到了保安电源的作用，提 高了其供电可靠性。 1 5 3 提高了供电的安全性 电力正弦波逆变电源是新一代的d c a c 电源产品，输入为2 2 0 v 直流电，输 出为2 2 0 v 、5 0 h z 正弦波交流电，输入输出端完全与市电隔离，避免了市电波动 对负载的影响，完全满足变电所分站r t u 、通讯设备和微机等设备对工作电源的 要求，而完全与市电隔离，还可避免雷电等过电压造成的电源板烧毁事故，提高 了负载的安全性。 由于新一代d c a c 电力正弦波逆变电源的超隔离输出，超强的抗干扰能力， 强大的通讯功能，在农村综合自动化变电所中采用4 直流动力+ 逆变电源”方案， 具有较好的运行经济性、可靠性和安全性，真正实现无人值守对设备工作电源的 监控要求。 1 6 本课题的主要任务 1 ) 分析现代逆变的原理；分析逆变器的采用s p 嘲工作模式下的工作波形； 分析了s p 州逆变电源的谐波产生机理以及谐波的消除方法；同时分析逆变器的 死区产生原理并提出死区的补偿方案；讨论高品质p w m 的产生；提出新的逆变电 源的控制方案。 2 ) 以8 0 c 1 9 6 m c 单片机为主控制核心，设计完善的控制电路： 3 ) 由于输入为直流部分，但是单片机以及系统检测电路需要的电源是不同电 压等级的，因此采用了反激变换器解决系统主控制部分的电源供电问题；同时由 于主电路的上臂是浮地，因此需要采用多路隔离电源解决驱动部分的电源问题： 设计可靠的驱动电路；最终设计主电路，研制出高可靠性、高品质的逆变电源。 4 ) 讨论几种先进的控制策略，为实现更高性能的逆变电源以及对逆变电源的 并联作出理论上的分析。 6 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 2 现代逆变系统的实现原理以及特殊问题 2 1s p t m 型全桥逆变基本原理m 啪 2 1 1 原理分析 逆变器的传统方式是六脉冲方波逆变器，但随着自关断器件的逐步成熟，p w h 型逆变器的应用日益广泛。 在采样控制理论有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性 环节输入时，其输出效果基本相同。这里冲量是指窄脉冲的面积；效果基本相同 是指输出响应的波形基本相同，把输出波形进行傅立叶变换分析，则其低频段特 性非常接近，仅在高频段有差异。这个理论是p 嘲控制的理论基础。 如果把一个正弦半波分成n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的 面积用与它等面积的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一 等份的中点重合，这样的一系列的矩形脉冲就是所期望的s p 删波。 2 1 2 基本术语 由于各种教材以及文献上对术语的定义很混乱，为了便于在本文说明问题。 首先定义几个重要的术语。 1 ) 开关频率力。正为三角载波的频率，它决定了逆变器中的开关 动作频率，也称为载波频率。 2 ) 基波频率五。控制信号v c 的频率决定了输出电压的基波频率 石，石也称为调制频率。 3 ) 载波比m f 。m f 定义为： ， m 厂2 等 ( 2 1 ) ， ，( 2 1 ) j l 4 ) 调制深度m a 。m a 定义为： 蜘患 汜z ， 其中v 锄积为调制波峰值；v 劬a x 为三角载波峰值。 2 1 3 脉宽控制方式 为了得到一系列的矩形脉冲，可以应用空间矢量法计算各脉冲的宽度，也即 每个开关管的导通时间，这种方法适用于较大功率要求开关频率不高的情况下； 或者可以引用通讯技术中的调制方法，以期望的正弦波作为调制波，以等腰三角 7 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 形为载波。调制波与载波的交点时刻决定开关器件的通断。调制波与载波的不同 比较方式决定了不同的脉宽控制方式，常有以下几种： 1 ) 单极性控制 采用单极性控制时，在正弦波的每半个周期内每个桥臂只有一个开关管开通 和关断。图2 1 表示这种控制方式。当调制波高于载波时逆变器输出“正”；当 调制波低于载波时逆变器输出“零”。负半周期用同样的方法调制后再倒相而成。 图2 1 单极性控制方式 2 ) 双电压极性切换p w m 控制方式 全桥逆变器采用双电压极性切换p w m 控制方式时，图2 2 所示桥臂a 、 b 间的输出电压波形如图2 3 a 所示，用于产生开关元件的控制信号的调制 波和三角载波如图2 3 b 所示。从图中可以看出，输出电压总是在正负极性间跳 变，因此称为双电压极性切换p w m 逆变器。 对于这种控制方式有以下几点说明： ( 1 ) 调制深度m a o ，i o 0 ； 2 ) 整流方式2 ：甜d 0 ； 3 ) 逆变方式3 ：甜d 0 时，矢量只可能为三种情况，且按固定的顺序循 环出现：( 1 ，1 ) 、( 1 ，0 ) 、( 0 ，o ) 、( 1 ，0 ) 。 当矢量为( 1 ，1 ) 时，t o + 、t o 一都关断，k 开通、珏关断电流由及经 负载经艮续流，负载上所加的瞬时电压为零。 当矢量为( 1 ，0 ) 时，+ 有导通驱动信号，乙关断。但由于电流方向不能 突变，r o + 并没有导通，电流由取一经负载经d 0 流向直流母线。尽管艺+ 没有导 通，但是由于二极管见+ 的续流作用，负载上的瞬时电压为+ 。所以相当于整 流状态，直流侧吸收功率。 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 当矢量为( 0 ，o ) 时，+ 关断、瓦开通，& 、o 都关断。电流由见一经 负载经c 续流，负载上所加的瞬时电压为零。 综上所述，l + 、瓦始终关断是第四象限的特点，加在负载上的电压不受电 流屯的影响，其高电平的顺序与图2 4 所示的u 曲波形相同。 2 ) 第一象限逆变方式 第一象限与第四象限的矢量循环顺序相同，所不同的只是它们的开关管的导 通情况，这是因为矢量循环只与调制波和载波有关。 当矢量为( 1 ，1 ) 时，+ 导通、t o 关断，k 、瓦都关断。电流由l + 经负 载经d 0 续流，负载上所加的瞬时电压为零。 当矢量为( 1 ，0 ) 时，+ 导通，疋关断，0 关断、瓦导通。负载上所加 的瞬时电压为u 。+ 。所以此时处于逆变状态，直流侧输出功率。 当矢量为( 0 ，o ) 时，t o + 、瓦都关断，k 关断、珏导通。电流由以经 负载经疋续流，负载上所加的瞬时电压为零。 通过上面的分析可以知道，在逆变器带有感性负载时，会出现由负载向直流 侧回馈能量的阶段，这表现为直流母线上交流电流流过。所以在图4 2 的过流 检测电路中要加一个二极管防止负信号引起比较器l m 3 3 9 误动作。 2 2 2 逆变器可能产生的尖峰电流、电压分析 当逆变器工作在第一象限，矢量由( 0 ，0 ) 转到( 1 ，0 ) 时，如果在三0 续 流时开通t o ，则相当于直流侧短路，从而产生较大的尖峰电流，并且导致t o 一的 输出等效电容c 上电压迅速上升。t o 的开通使负载电流上升，产生一个a 正b 负的反电势，这个反电势有利于d o _ 关断；但是若是矢量由( 0 ，0 ) 转到( 1 ，1 ) 则负载电流减小，产生一个a 负b 正的反电势，这个反电势有不利于d o _ 关断， 可能引起擎住现象，造成真正的短路。 2 3 逆变电源中的谐波分析及消除方法 对逆变器研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低 谐波含量，改善输出波形。迄今为止，降低谐波含量常用措施有： 1 ) 对逆变电源的开关管进行高频p w m 调制，使逆变器输出为高频等幅的p 喇 波； 2 ) 通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶 梯波形输出，减小低阶高次谐波含量。 对于高频p 州调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大， 不宜用在较大功率逆变电源中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压 的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路 工程硕士论文变电站教字控制逆变电源的研究与实现 也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式 通常只在大功率逆变电源中采用。 2 3 1 单电压极性切换p 删控制方式谐波的分析 图2 2 所示的逆变器在单电压极性切换p w m 控制方式其输出脉冲波形可用图 2 5 表示。 假设u a n = f ( t ) 、= f ( t + t r ) ，则 l l a b ( c o t ) = f ( t ) 一，( r + 万) ( 2 3 ) d a b ( c o t + 石) = f ( t + r c ) 一厂( f + 2 石) = 一u ( c o t ) ( 2 4 ) 分析波形特性可以发现，输出波形为对称函数单位幅值函数，它不含直流分 量和偶次谐波分量；波形又为奇l 4 对称，所以它的傅立叶级数只含有基波和 奇次谐波中的正弦项，故有式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) ： u a b ( ，) = b ks i n ( k 耐) ( 2 5 ) 以= 等f 2 u ( c o t ) s i n ( k t o t ) d ( c o t ) ( 2 6 ) 设在( o ，2 x ) 内，输出脉冲对应的时刻分别a i 、口2 、鸭、口“、 、吃。吼、嘞。，则式( 2 4 ) 在( 0 ，x 2 ) 内可表示为： 钆= 等睁n ( k t o t ) d ( t o t ) + + s i n ( k c o t ) d ( c o t ) ( 2 7 ) 对式( 2 7 ) 求积分，可得： 钆= i 4 u d 台( 一1 ) + 1c 。s ( 虹) ( 2 8 ) 所以式( 2 5 ) 可以表示为： 嘣= 剐警扣广1 酬叫s i n ( k t a t ， 汜。， 2 3 2 消谐模型的求解算法 消谐p c f f l 控制就是一种经过计算的p 哪控制策略其基本方法是：通过p 晰的 傅里叶级数分析，得出傅里叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某些特定 的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐p w m 模型，按模型求 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。上述模型中，若在1 4 周期内有n 个脉冲，则可用来消除n - - 1 个特定的谐波。 消谐模型以往都是采用牛顿迭代法来求解，其初值的选取与迭代过程所需的 时间及收敛性质密切相关，若初值选得不好，离真实解距离太远，将导致迭代运 算时间很长甚至不收敛，而在求解前要获得离真实解不远的初值并非一件容易的 事，若要设想在实时调节过程中进行求解运算，则迭代初值的获取更为困难。为 了改善收敛特性，也可在牛顿迭代算法中采用超松弛因子，但是这种方法将使收 敛速度变慢，不利于快速求解。1 9 9 9 年后，研究者提出了运用同伦方法求解消 谐模型的新算法。利用同伦算法求解消谐模型，可以有效地避免牛顿迭代方法对 迭代初值敏感的缺点，并且具有收敛速度快、收敛范围广、计算容易等特点，是 实现消谐模型求解的理想算法。 2 4s p w m 波形的生成方法 按照前述的s p i o a 的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波 和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器 件的通断进行控制，就可以生成s p i m 波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实 现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成的s p w m 波形变得比较容易， 因此，目前s p w m 波形的生成和控制多用微机来实现。本节主要介绍用软件生成 s p i o d 波形的几种基本算法。 2 4 1 自然采样法 按照s p w i d 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开 关器件的通断，这种生成s p w m 波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位 角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频 率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。要准确生成s p w m 波形，就应 准确地算出正弦波和三角波的交点。图2 8 给出了用自然采样法生成s p w m 波形 的方法。 1 4 工程硕士论文变电站数字挣制逆变电源的研究与实现 l 2 5 ”丐节勉 堋是： 鲁钟2 5 x m r ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 一蕊|一 碲踏 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 从上式也可以看出，当m f 增大时也要减小。本系统中m f = 1 9 2 ，经计算得出， k 1 6 ( 4 2 ) 以一一厶蜀) 1 3 ( 4 3 ) ( 2 ) 关于凡、c ，的选择： 如果电流采样电阻r 。的电压采样滤波电路的时间常数凡爿c c ，过大，则电流闭 环不能起到快速响应的效果。所以应该有下式： r 4 c7 时，也即误差较大时，采用p d 控制，可以避免过大超 调，使系统有较快的响应； ( 3 ) 当j e ( k ) i i 。时，尽可能地反应变压器的温升，积分系数k 应呈指数变化，写成离散形 式如下： m = c ( k j 2 一厶。) ( 6 4 ) 本系统的软件控制思想是：设定采样周期为2 0 m s ，即一个正弦波周期，为 了尽可能地少使用中断，在w g 中断( 波形发生器中断) 内对c o u n t 计数器进行 计数，当c o u n t 的值等于4 8 0 时( 一个周期9 6 次中断) ，做一次积分运算。为了 避免大量的计算，积分系数k 。放在开辟的一段内存中，其中k ，= k e “”。当i i 。时开始进行积分运算，当i i 。时，经过一段时间后m 会慢慢清零。只要m 大 于某一给定值，就进行软件保护。 6 1 4 蓄电池的欠压保护 蓄电池在放电过程中不能过放，即输出电压不能低于某一电压，否则会极大 缩短蓄电池的使用寿命。所以本系统逆变器在工作过程中要对蓄电池进行监控， 蓄电池电压一旦低于2 7 0 v 就停止工作来保护蓄电池。如果监控点只是设为某一 定值，则容易产生振荡。振荡原因是：在系统运行时直流侧电压会有所下降，这 t 程硕士论文 变电站敏字控制逆变电源的研究与实现 时如果检测直流侧电压为2 7 0 v 而且停止了运行，直流侧电压就这种振荡会上 升到2 7 0 v 以上，系统又继续运行，结果就出现停止、运行，运行、停止这种振 荡。为了避免产生振荡现象，在程序中加入了滞环。假定2 7 0 v 电压经过采样后 对应值为u 。，2 8 5 v 电压经过采样后对应值为u 。直流侧电压经过采样后对应 值为u d ，初始化时，u d l 。= u 。 6 1 5 丢失反馈信号保护 逆变器运行现场如果反馈信号丢失，则会引起积分器饱和，从而造成输出 电压很高，损坏设备。本系统在软件中检测反馈信号，确信信号丢失就封锁输 出。判断信号丢失的依据是：如果当前的调制波幅值大于或等于最大幅值的一 半，而没有检测到输出信号，则认为可能发生了故障。为了避免误判断，设一 个计数器，在主程序循环中每检测到一次计数器加1 。在主程序的p i 调节子程 序前对计数器进行判断，如果计数器大于零则不调用p i 子程序，这样即使是出 现故障输出也不会升高；如果计数器大于某一给定值则认为确实发生了故障。 6 2 系统的抗干扰措施 为了使系统能够可靠地工作，必须考虑到如何提高系统的抗干扰能力。本系 统在硬件和软件两方面考虑。 6 2 1 电磁干扰( e m i ) 及电磁兼容性( e ) 在逆变系统中，主电路、控制电路、辅助开关电源、单片机系统之间距离较 近，电磁干扰频率很宽、幅度很强。从共频交流到几十k h z 的信号都有可能干扰 正常工作。 当导体中有变化的电流时，在其周围就会有变化的磁场存在，并向远处扩散， 这种扩散的电磁波会对周围的装置产生影响，这就是电磁干扰( e l e c t r i c m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。电磁干扰的耦合途径可分为两类：传导耦合、辐射 耦合。 电磁兼容性是指在不损失有用的信号情况下抗干扰的能力。电磁兼容性设计 内容有三个方面： 1 ) 可能地抑制电磁干扰地产生； 2 ) 提高设备的抗干扰的能力： 3 ) 切断或削弱耦合途径。 6 2 2 硬件抗干扰措施 1 ) 印刷板的设计 印刷板上有不同的电路部分，包括电源、驱动信号、交流反馈信号等，因 4 7 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 此布局时要考虑电磁兼容性。本系统主要考虑以下几点： ( 1 ) 为减少电磁辐射干扰的影响，对控制板进行了屏蔽。尽量缩小由高频 脉冲电流所包围的面积。脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出 口分离。 ( 2 ) 按照工作频率、功率和信号电平将电路板上的元器件分成不同区域配 置。数字电路和模拟电路应尽量分开，两者的地线要分开，并分别与电源端的地 线相连，控制电路和功率电路也要分开。电源的地线在整个p c b 板上呈由一点向 四周辐射状，避免出现环路。 ( 3 ) 电路板的设计应遵守线迹的宽度和间距的规定，以避免串扰。接地线 尽量加粗，电源线要根据电流的大小来决定线宽。 ( 4 ) 加强电源退耦，所有集成电路的电源引脚到地之间应加去耦电容。 ( 5 ) 使用短而直的线迹来连接元器件，相邻印制线之间不应有过长的平行 线。禁止环形走线，走线尽量避免采用垂直交叉方式，线宽不要突变。避免线迹 突然弯曲成直角。 2 ) 整体结构布线 图6 1 表示相邻两根导线之间耦合的示意图。 l 2 v f - 岍球静 等效电路 图6 1 相邻两根导线之间的耦合 当r 较大时，耦合电压为： k = 匠：“c l ：+ c ) ：k ( 6 5 ) 由上式可以看出：线间的耦合c 1 ：电容越大，干扰越大；导线对地电容c 2 越 小，干扰越小。 3 ) 对数字量的采集使用光偶隔离，并且光偶的输入输出使用不共地的电 源，实现电隔离。 6 2 3 软件抗干扰设计 1 ) 使用看门狗 看门狗的可以用来防止程序跑飞，看门狗定时器如果计满6 4 k 状态周期而 清除，就会溢出引起单片机复位。在适当的程序段中对看门狗定时器清零，如果 4 3 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 程序正常运行，看门狗就不会复位。 2 ) 对信号多次判断 例如，本系统在对开机信号判断时，读到一次信号就把定义的一个寄存器 加l ，然后对寄存器与1 0 0 比较，大于1 0 0 时才发s p w m 脉冲。 3 ) 复位抗干扰 时间不紧张时在跳转指令前加几条n o p 指令，防止系统发生指令执行错误。 在程序中的表格前后添加f f ，如果读表错误就会引起中断，防止发生意外事故。 4 ) 对变化慢的信号多次采样求平均 在对给定值( 直流量) 采样时，多次采样后去掉最大值和最小值求平均值。 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 7 系统的试验 7 1 系统的试验波形 采用上述的软件以及硬件设计了输入d c ：2 2 0 v 输出a c ：2 2 0 v , 5 0 h z 效率： 9 2 系统的波形： 图7 1s p 嘲波形 2 410 9 1 2 0 0 5 1 4 ：11 ：4 2 上图是单片机发出的s p 州信号，该信号经过驱动，光耦隔离后加在功率管 上，由上图可以看出单片机输出是脉宽变化的等周期，占空比按照正弦规律变化 的s p w m 波形，该信号经过滤波就会得到标准的正弦波形。 工程硕士论文变电站数字控制逆变电源的研究与实现 霜，匠盯玎i d 面面 1 4 ：3 2 ：i 3 2 4 0 1 月2 0 0 s 图7 2 逆变桥输出波形 上图是未经过滤波的输出波形，由上图可以看出是基波的频率是2 0 m s 。由 上图可以看出在本系统中采用单极性的调制方式，经过滤波可以得到标准的正弦 波形。 m i - v 臣嗵西丽固 1 4 ：3 3 ：3 9 2 4 02 0 0 5 1 月 图7 3 逆变输出波形 5 1 工程硕士论文 变电站教字控制逆变电源的研究与实现 上图是实际的未加负载时的输出电压波形，该波形是标准正弦波。 露啼v 臣亟匝亚圆 1 4 ：2 8 ：4 0 0 2 0 0 52 41 月 图7 4 直流侧电流波形 上图是直流端的电流信号，由于输出是交变信号，直流端电压恒定，由功率 守恒定律可以得出直流侧的电流就是交流波形。 图7 50 到1 0 0 负载突加 2 41 0 月2 0 0 5 1 4 ：3 4 ：4 9 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 上图是由空载到1 0 0 负载的突加负载时的输出电流、电压波形。由图可以 看出，当直接投入负载时，由于调节器有一定的滞后性，所以输出端电压短时间 内有一定下降，但是此下降产生误差，此误差经过p i d 调节器的作用，产生控 制信号使输出电压迅速得到恢复，由图上可以看出波形恢复在1 0 m s 内。 2 41 0 月2 0 0 1 4 ：3 s ：1 0 图7 51 0 0 到0 负载突减 上图是由1 0 0 到o 负载突减的突减负载时的输出电流、电压波形。由图可 以看出，当直接减少负载时，由于调节器有一定的滞后性，直流端电压不变，占 空比还没有变化，所以输出端电压迅速上升，但是由于p i d 调节器的作用，输 出电压迅速得到恢复，由图上可以看出波形恢复在1 0 m s 内。 效率测试： 直流电压：2 2 0 v 直流电流：8 4 5 a 交流电压：2 2 0 v 交流电流：7 8 1 a 效率实测在9 2 5 ，满足任务要求。 工程硕士论文 变电站数字控制逆变电源的研究与实现 8 结束语以及展望