（电路与系统专业论文）基于dsp在线式ups逆变器的研究.pdf

摘要 论文题目：基于d s p 在线式u p s 逆变器的研究 学科专业：电路与系统 研究生：徐清清 指导教师：郑莉平副教授 尹有为副教授 签名： 签名： 签名： 摘要 随着电力电子技术和信息技术的发展，u p s 的应用曰益广泛，且对其性能的要求也 越来越高。对于整个u p s 系统，逆变器是其核心，决定着输出电压的质量和系统的带负 载的能力。同时，d s p 的飞速发展也使得u p s 的控制更加精确，从而提高了u p s 系统的 稳定性和可靠性。 本文主要介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 81 2 控制，采用电压电流双环控制的三相半桥逆变器 系统的总体设计方案。在本文中，首先介绍了各种逆变器的结构和工作原理，并分析其优 缺点，同时讨论逆变器今后的发展方向。通过分析，再结合实验条件，选择对三相半桥逆 变器进行研究；然后简单介绍逆变器的控制方法，选择电压外环电容电流内环的双环 s p w m 控制，考虑到三相半桥逆变器的特点，一针对单相半桥逆变器进行分析。 通过对单相半桥逆变器进行分析，设计逆变输出滤波器，得到l c 参数，然后根据根 极点配置法求得电压和电流调节器p i p 参数；对单相开环逆变器和单相闭环逆变器以及 三相闭环逆变器进行结构建模和仿真；对器件进行选型，设计硬件电路( 主要包括主电路、 驱动电路、采样电路等) ；学习a l t i u md e s i g n e rs u m m e r0 8 ，绘制p c b ；利用d s p 2 8 1 2 ， 对系统的软件控制部分进行算法分析和编程。 最后，搭建试验平台，进行实验调试。通过实验，证明了本文设计方案的正确性、可 靠性和可行性。 关键词：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；双环控制；逆变器；p i p 参数 t i t l e ：o n 1 i n eu p si n v e r t e r sr e s e a r c hb a s e do nd s p m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：q i n g q i n g x u s u p e r v i s o r ：p r o f l i p i n g z h e n g s i g n a t u r e s i g n a t u r e ：盛弩篁乡 p r o f y o u w e i y i n s i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no f u p si si n c r e s i n g l yw i d e s p r e a da n di t sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r ea l s oi n c r e a s i n g f o rt h e e n t i r eu p ss y s t e m ，i n v e r t e ri st h ec o r et h a td e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ft h eo u t p u tv o l t a g ea n da l o a dc a p a c i t yo ft h es y s t e m m e a n w h i l e ，d s pm a k e st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o r ep r e c i s e c o n t r o lo fu p s ，a n dt h u ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fu p ss y s t e m si si m p r o v e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fat h r e e - p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e rw h i c hc o n t r o l l e db yv o l t a g ea n d c u r r e n td o u b l el o o pb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 81 2i sp r o p o s e d f i r s t t h ev a r i o u si n v e r t e rs t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d ，w h i l et h e f u t u r ed i r e c t i o no ft h ei n v e r t e ri sa l s od i s c u s s e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dt h ec o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，s t u d yo ft h r e e p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e ri ss e l e c t e d t h u si n v e r t e r c o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e db r i e f l y ，a n dd o u b l el o o ps p w mc o n t r o lt h a tv o l t a g ei si n n e rl o o p a n dc a p a c i t o rc u r r e n ti so u t e rl o o pi ss e l e c t e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h r e e p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e r , s i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e ri st a r g e t e df o ra n a l y s i s t h r o u g ht h es i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g e i n v e r t e rf o ra n a l y s i s ，t h ei n v e r t e r o u t p u t f i l t e ri s d e s i g n e dt og e tl cp a r a m e t e r s ，a n dt h e na c c o r d i n gt ot h er o o t - p o l ep l a c e m e n t ，p i - pp a r a m e t e r s o fv o l t a g er e g u l a t o ra n dc u r r e n tr e g u l a t o ra r eo b t a i n e d ；d o i n gs t r u c t u r em o d e l i n ga n ds i m u l m i o n f o r s i n g l e p h a s eo p e n - l o o pi n v e r t e r , s i n g l e - p h a s ec l o s e d - l o o p i n v e r t e ra n dt h r e e p h a s e c l o s e d 1 0 0 pi n v e r t e r ；s e l e c t i n gt h ed e v i c ea n dd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t ( i n c l u d i n gt h e m a i nc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i t ，e t c ) ；l e a r n i n ga l t i u md e s i g n e rs u m m e r0 8 ，a n d d r a w i n gp c b ；m a k i n gu s eo fd s p 2 8 12t oa l g o r i t h ma n a l y s i sa n dp r o g r a m m i n go nt h ep a r to f t h es y s t e ms o f t w a r ec o n t r 0 1 f i n a l l y , s e t i n gu pt e s tp l a t f o r m ，a n dd e b u g g i n ge x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h e c o r r e c t n e s s ，r e l i a b i l i 饥a n df e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；d u a l l o o p c o n t r o l ；i n v e r t e r ；p i - pp a r a m e t e r s 目录 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状及趋势2 1 3u p s 逆变器概述。4 1 4 本文主要研究的内容s 2 逆变器的控制策略6 2 1 逆变电源波形控制技术6 2 2 逆变器的结构7 2 2 1 单相全桥逆变器8 2 2 2 单相半桥逆变器8 2 2 3 三相全桥逆变器9 2 2 4 三相全桥均分输出变压器逆变器9 2 2 5 三相半桥逆变器1 0 2 2 6 四桥臂逆变器1 1 2 3 逆变器的建模1 2 2 4 双闭环控制策略1 4 2 4 1 控制策略分析1 5 2 4 2 双闭环控制工作原理1 5 2 5 电流内环采用比例调节器时的双环控制技术1 5 2 6 逆变输出滤波器设计1 6 2 7 半桥逆变器仿真与分析1 9 2 7 1 多次相交分析1 9 2 7 2 仿真2 0 2 8 本章小结2 4 3 硬件电路与制作电路板2 5 3 1 主电路原理图与主要器件的选型2 5 3 1 1 主要器件选型及其参数2 5 3 1 2 栅极电阻r g 的作用和其功率的选取2 7 3 2 驱动电路2 8 3 2 1 驱动芯片结构及参数2 8 3 2 2 驱动电路的整体结构2 9 3 3 采样电路3 0 3 4 制作电路板3 1 3 5 本章小结3 2 4 逆变器的软件控制3 3 4 1s p w m 信号的生成3 3 4 1 1s p w m 的基本原理3 3 4 1 2s p w m 对称规则采样法3 4 4 1 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的p w m 电路模块3 5 目录 4 。1 。4 软件设计3 6 4 2a d 采样4 0 4 2 1a d 精度校准4 1 4 2 2 双闭环控制算法的实现。4 4 4 3 锁相4 6 4 3 1 软件锁相的原理4 6 4 3 2 软件锁相算法4 7 4 4 本章小结5 0 5 实验结果及其分析5 1 6 总结与展望5 4 致谢5 6 参考文献5 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着电力电子技术的迅速发展和整个社会的进一步信息化，用电设备对电源质量的要 求越来越高，供电中断带来的损失也变得越来越难以承受，因此不问断电源的应用也日益 广泛，对不间断电源性能的要求也越来越高。因而u p s 技术的提高也势在必行。 u p s 技术的发展由原来的单纯模拟控制方式到现在常用的半模拟控制和半数字控制 方式，以及现在很流行的全d s p 控制方式，使得u p s 技术日趋成熟。对于传统的模拟电 路控制和微处理器加模拟电路的控制，由于其模拟系统存在元器件数量大、分散性强、不 利于生产与调试缺点的同时，也存在漂移和老化等不良特性，因此其系统的可靠性难以提 高。采用高档微处理器和数字信号处理器的数字化控制器，具有很强的数据、逻辑运算能 力，可以实现一些复杂的先进算法和智能算法，这些在模拟系统中是不敢企及的。d s p 技术的优势还在于具有良好的自我诊断功能，能迅速地排除故障：大幅度地减少零件的数 量，从而大大降低因元器件而造成的系统故障，从而提高了它的可靠性，并且运算控制起 来比原来简单、准确、完美，同时d s p 技术的引入也极大地推动了并联技术的发展，d s p 控制技术也将是日后u p s 技术向成熟化发展的必然趋势。u p s 系统的控制将朝着全数字 化控制的方向发展，必将有利于提高u p s 的效率、可靠性以及并机技术的发展。另外采 用数字控制的系统很容易实现与计算机网络的通讯，可以通过网络对关键器件进行有效的 监视和遥控，对己发生的故障有冗余措施的进行预防和处理。因此，对数字化控制不停电 电源系统的探讨是十分必要和有意义的乜1 。在u p s 系统中，逆变器是u p s 中最重要的一 部分，逆变器是将直流电变为稳定需要的交流电，逆变器的质量直接关系到负载运行的可 靠性也是为负载提供净化电源的保障，同时，逆变器的体积和效率也关系u p s 系统的体 积和效率，在其他领域，有了逆变器，就可利用直流电( 蓄电池、开关电源、燃料电池等) 转换成交流电为电器和其他一些动力设备提供稳定可靠得用电保障，如记本电脑、手机、 手持p c 、数码相机以及各类仪器等：逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、 减少噪音：逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变器有 着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能 发电领域，逆变器有着不可替代的作用4 1 蚰1 。逆变器的数字化控制，不仅是在不间断 电源u p s 中的发展趋势，而且在其他领域也起着举足轻重的作用，所以说，对数字化控 制的u p s 逆变器系统的研究尤其在工程应用领域是有很大的应用价值。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及趋势 u p s 在6 0 年代主要是旋转发电机式的工作方式，发展至今天已成为具有智能化程度 较高的静止式全电子电路的工作方式。目前，u p s 一般均指静止式u p s ，按其工作方式 分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类n 1 q 7 舳。 一 微电子集成技术的发展为电力电子控制技术阳1 提供了新的思路，由最初的分立元件 发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为u p s 的控制技术带 来了极大的便利。但是，由于早期的微处理器的运算速度有限，通常只具有基准正弦信号 的生成，难以控制u p s 的静态开关以及实现保护和显示等功能，所以作为u p s 的核心逆 变器早期仍然需要靠模拟电路控制。近年来，t i 、m o t o r o l a 、a d i 等公司相继推出了 适用于u p s 控制的d s p 芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越，这些芯片的出现， 使得u p s 的控制技术朝着数字化、智能化及系统集成化的方向发展，同时对电力电子技 术的发展起到了巨大的推动作用。 目前，u p s 的正朝着网络化、智能化、自动化、远程监控化和数字化的方向发展。 ( 1 ) u p s 的网络化 网络时代的u p s 产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不可分 割的一部分，除了要求u p s 产品可方便地接入网络和计算机，有些还要要求其能够实现 与网络和计算机间的双向数据通讯。为实现网络连接，目前大多数的u p s 产品都提供了 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 通信接口，对于要求能执行计算机网络控制管理功能的u p s 来说，还配 置了s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，简单网络管理协议卡，实现了u p s 设 备接入网络和计算机系统中。 ( 2 ) u p s 的智能化。 智能化的u p s 一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障现象进行 预处理，使u p s 始终平稳可靠地运行，同时也实现了计算机和网络与u p s 之间的双向数 据通讯，用户可以在计算机和网络中的各个结点上实时监视和控制u p s 电源的运行。利 用这种控制功能，用户可以实时监视u p s 电源的运行参数( 例如：输入输出的电压，电流 和频率，u p s 的电池组的充电放电和电池的电压值，u p s 的输出功率及有关的故障报警 信息) ，实现计算机和电源的互动。 ( 3 ) u p s 的自动化。 自动化是指u p s 电源自动完成一些自我检测、开关机控制、故障保护后的自动恢复， 无需过多的人工干预。u p s 的自动化是实现网络化和保证系统高可用的重要因素。 ( 4 ) u p s 的远程监控化。 由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络系统连接 在一起。作为网络系统的一部分，要求u p s 电源能够实现在各种网络平台上的监控。因 此目前像a p c 、中达一斯米克等公司的u p s 监控软件都提供了多平台支持。实现远程化 2 l 绪论 监控是u p s 产品发展的另一趋势，由于因特网的普及，所有网络最终将接入因特网。因 此目前许多厂商的产品尤其是中大功率产品除了能够实现网络化的本地监控外，还可实现 w 曲远程监控。 ( 5 ) u p s 的数字化。 d s p 技术的使用提高了u p s 产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了u p s 产品自身的可靠性。而i g b t 技术和高频技术的应用，大大提高了电源效率，降低了系统 噪音和电源自身的电力损耗，也提高了系统的可靠性。u p s 的数字化并不是简单的指在 系统中应用了数字器件，如单片机及f p g a 等，而是指整个系统的控制应用数字器件的 计算能力和离散控制方法来完成。随着硬件技术的发展，计算速度的提高，必然促使u p s 向数字化方向发展。提高逆变器的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消 除变压器和电感的音频噪音，同时改善了输出电压的动态响应能力。 总之，随着计算机技术不断的提高，d s p 产品的不断升级和完善，更加可靠、稳定、 安全、小型化与完善的u p s 产品将不断的开发出来。 节能减排已经成为衡量企业未来发展的重要指标。庞大的企业数据中心所带来的巨大 电费和维护费用支出呈逐年升高趋势，已成为摆在企业c i o 和c f o 面前的一大难题，建 立绿色数据中心成为企业用户的一大诉求。u p s 作为数据中心不可或缺的电源保护设备， 除了可靠性之外，其供电效率、对电网造成的谐波污染程度、功率因数及维护费用等指标 已成为影响企业用户u p s 选型的重要因素。 近几年来，建筑石化和冶金等行业生产数据中心和d c s 系统中u p s 的大量应用，成 为拉动u p s 市场需求不断增长的一股中坚力量。 工业生产领域对u p s 的需求主要在中大功率这一块，同时对u p s 的防护等级、稳定性 及效率等提出了更高的要求。以钢厂为例：u p s 必须要能适应频繁、剧烈波动的电网环境， 因为钢厂本身的电力环境不是很好，某一台大型转炉设备的起停，都会引起电网电压的剧 烈波动，电压谐波失真很大，如果u p s 不能适应这种恶劣电网环境，就很容易发生故障； 另外国家对冶金等高能耗行业的节能减排也提出了很多要求，选用高效率的u p s ，可以为 企业节约一笔不小的电费支出；其次对u p s 的防护等级也有一些特殊要求，比如钢厂里面 环境不是很好，有粉尘，尤其是一些导电的钢灰，一旦进入到u p s 就很容易引起电气短路， 导致u p s 宕机，因此对u p s 设备进风、除尘过滤这一块要求会比较高，需要定期进行保养， 以延长u p s 主机的使用寿命。 受企业巨额电费开支压力和国家节能减排政策导向的影响，u p s 的“绿色”备受用户 关注。关于u p s 的“绿色”标准，在国内虽然谈得都比较激烈，但仍没有一个专门的标准 来评价u p s 是否“绿色”，也没有专业的机构来评估，目前的现状是主要由各u p s 厂商通 过产品和技术竞争来提升u p s 的“绿色”性能。当然国家在制定相关标准时，也会对u p s 的一些技术参数指标做限定要求，提高入门的门槛。比如工业和信息化部最新颁布的 y d t 10 9 5 2 0 0 8 u p s 电源标准，已经对u p s 的整机效率、输入电流谐波失真度等参数指标 西安理工大学硕士学位论文 要求做了提高。所谓“绿色”并不仅仅是指效率高或谐波低，而是指一台u p s 从设计、原 料选择、生产、测试、运输、安装、调试、运行和维护一直到报废，在整个寿命周期之内 的各个环节u p s 都是“绿色”的。 u p s 是跟随负载的发展、变化不断发展的。不过就目前全球范围来看，服务器开关电 源的发展已经领先于u p s 的技术。早在七年前众多高端服务器的功率因数都已校正n o 9 9 以上，但直到今天绝大多数u p s 的输出功率因数还是保持在0 8 n 水平上，所以说u p s 尚 有很大的技术发展空间。总的来说，大功率、高频化、小型化及模块化将会是u p s 未来的 一个发展趋势。 过去静态u p s 的单机最大容量只有8 0 0 k v a ，再往上基本上都是飞轮式动态u p s 的天 下。如今e a t o n 9 3 9 5 已推出单机容量12 0 0 k v a 的u p s ，未来超大功率容量段将会直接抢占 动态u p s 的市场。其次，u p s 的高频化将会越来越普遍。其实u p s 的发展历史就是一个电 子元件的发展史，从模拟控制到今天的d s p 数字控制，从晶闸管至i i g b t ，即便是i g b t 女n 今也已经发展到了第六代。未来可能也会有更新的功率元件诞生。不过从u p s n 造商看来， 他们更愿意采用成熟可靠的元器件技术，很多公司目前正在进行这方面未来电源技术的研 发技术储备。另外，u p s 的模块化设计也将以其灵活的扩展性和可维护性成为未来发展的 一大趋势，模块设计大大降低了m t t r ( 故障维修时间) ，从而提高了u p s 的可用性。用 户在初期购买u p s 时无需投入过多的资金，可以伴随着负载的增长再逐步增3 n v p s 模块数 量，做到u p s 的分级扩容，避免了一次性投资的浪费。相信在未来u p s 功率模块会越做越 大，并将成为主流。 综上所述，虽然目前u p s 发展的已经很成熟，但还是很有发展空间的，还会有更大的 市场。 1 3u p s 逆变器概述 逆变器作为不问断电源的输出环节，负责将直流电能转换为用户所需的高质量的交流 电，逆变器设计的好坏对在线式u p s 来说至关重要，因为它始终处于工作状态，并且直 接与负载连接，所以逆变电路是u p s 的核心，也是本文研究的关键部分。 按直流电源的性质来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器1 1 0 1 。在电压 型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。电压源的交 流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方 波电压。为使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管； 在电流型逆变器中，直流电源是交流整流后经大电感滤波形成的电流源。电流源的交流内 阻抗近似为无穷大，桥臂输出电流幅值等于输入电流的方波电流。为承受负载感应电势加 在功率开关上的反向电压降，必须在功率开关上串联二极管。 若按输出端相数分类，逆变器可分为单相u p s 逆变器和三相u p s 逆变器，其中单相 4 1 绪论 u p s 逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。 单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。三相u p s 逆变器又可以分 为三相三线制输出逆变器和三相四线制逆变器，对u p s 产品来说，主要是为了和电网相 统一，即可以用于三线系统，又可以用于四线系统，所以一般的三相u p s 系统是采用三 相四线制，本文研究的主要是三相四线制输出逆变器系统 1 4 本文主要研究的内容 本文主要研究内容： ( 1 ) 分析u p s 逆变器的各种结构，对未来结构的发展趋势作详尽的分析。考虑实验条 件及优越性，进而选择了三相半桥的逆变器。 ( 2 ) 基于单相半桥逆变器的拓扑结构，建立连续数学模型，分析影响逆变器波形畸变 的主要原因，提出电容电流内环的双闭环控制方法。 ( 3 ) 用m a t l a bs i m u l i n k 对系统进行建模与仿真，得到良好的仿真波形。 ( 4 ) 基于d s p 2 8 1 2 为数字控制核心，对整个系统进行软件控制。 ( 5 ) 用d x pa l t i u md e s i g n e rs u m m e r0 8 绘制原理图、自制电路板，然后对器件进行选 型，焊接电路，进行实验。 西安理工大学硕士学位论文 2 逆变器的控制策略 2 1 逆变电源波形控制技术 各种控制理论和控制思想的尝试和应用，电力电子控制策略得到很大的发展。而p w m 逆变器领域的研究热点主要是波形控制技术，主要有以下几种： ( 1 ) 单闭环控制 单环控制n 妇n 2 1 是工程实际中应用最广的一类控制器，最典型的是比例一积分( p i ) 控制，其概念清晰，鲁棒性强，它同样也可以用于逆变器波形控制。空载时，p w m 逆变 器相当于一个临界振荡环节，由于积分控制增加了相位滞后，所以为了保证闭环系统稳定， 对控制器比例一定要有所限制。因此，p i 控制的快速性虽改善了均值反馈，但仍是有限 的，系统对非线性负载扰动的抑制能力较弱。单环p i d 对单环p i 控制的动态特性有一定 的改善，但其与p i 控制一样无法实现对正弦指令的无静差跟踪。 ( 2 ) 双闭环控制“3 h 1 由于单闭环控制抗负载扰动性能欠佳，因此可以在p w m 逆变器的电压单环基础上增 设电流内环，由于电流内环快速、及时的抗扰动性，所以能有效地抑制负载扰动对输出电 压的影响。同时电流内环对控制对象首先改造，电压外环的设计可以大大简化。有关文献 显示，带负载扰动补偿的电感电流内环与电容电流内环均可以获得较好的动、静态性能。 ( 3 ) 多变量状态反馈控制” 从状态空间的角度看，单纯的输出反馈无法充分利用系统的状态信息，所以单闭环系 统性能不佳。因此，将输出反馈改为状态反馈能对控制效果进行改善。状态反馈波形控制 系统需要构建两个或两个以上的状态反馈变量，在状态空间的概念上通过合理选择反馈增 益矩阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。能大大改善系统的动态品质是 状态反馈控制的最大优点，因为它能对闭环系统的极点任意配置。但是，由于很难将负载 的动态特性在建立逆变器状态模型时考虑在内，所以在负载变化时，在空载或假定阻性负 载下设计的状态反馈控制会不稳定或者动态品质变差。在实际的应用中，通常利用状态反 馈能改善逆变器空载阻尼比小、动态特性差的有点，使其作为内环，在与其它的控制策略 的外环一起形成复合控制方案，共同对逆变器的波形进行校正。 ( 4 ) 重复控制盯 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理：把作用于系统的外部信 号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。由内模原理可知，必须对每一 种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内模，否则无静差无法实现，重复控制则利用“重 复信号发生器”内模把这一问题巧妙地解决了。 克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变是重复控制的目的。其基本思想： 2 逆变器的控制策略 假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个 开关周期的给定与反馈信号误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期的同一时间 把此信号叠加在原控制信号上，以消除重复性畸变在以后各周期中在出现。 重复控制可以得到很好的逆变器稳态输出波形，也能实现无静差控制效果。但是其对 于非周期性的扰动无法进行抑制，当负载突加突减的时，动态响应不够好。在实际应用是， 常常将其与其它瞬时控制方案相结合来达到比较好的稳态和动态性能。 ( 5 ) 无差拍控制“7 1 无差拍控制是在控制对象离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得 被调量的偏差在一个采样周期时间内得到纠正，是数字控制特有的一种控制效果。它有着 非常快的动态响应，波形畸变率小，在开关频率不是很高的情况下也能得到较好的输出波 形品质，同时无差拍控制能够通过调节逆变桥的输出相位来补偿l c 滤波器的相位延时， 使输出电压的相位与负载关系不大。 对精确数学模型的依赖无差拍控制最大的缺点，因为精确数学模型是不容易得到。另 外，控制器往往采取非常剧烈的控制动作，来实现在一个采样周期内消除误差的效果，当 实际对象与理想模型有差异时，这样做往往不仅达不到无差拍效果，反而会引起输出电压 的振荡，对逆变器的安全稳定运行非常不利。 ( 6 ) 滑模变结构控制 滑模( s l i d i n gm o d e ) 变结构控制是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状 态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动，是一种非线性控制方法。 它的稳定性以及系统性能对参数变化和外部扰动不敏感，具有较强的鲁棒性。但是由于滑 模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率的影响等弱点和滑模控制在高频 抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，所以系统鲁棒性进一步的发挥 受到影响。另外，滑模变结构用数字形式控制时才能有更大的实用价值，而数字式滑模变 结构控制只有当采样频率足够高时才能实现较好的性能。 从上述控制方案可见，每种控制方案的都有其特长，同时也存在某些问题，因此，各 种控制方案互相渗透，取长补短，通过优势互补结合成复合的控制方案是一种必然的发展 趋势。 2 2 逆变器的结构 逆变器是u p s 的核心，因为它是在线式u p s 的输出环节，始终处于工作状态，且直 接与负载相连。逆变器有单相逆变器和三相逆变器之分，其中单相逆变器又可分为全桥和 半桥两种工作方式，同样三相逆变器也分为全桥和半桥两种工作方式。下面就这几种工作 方式作详细介绍。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 2 1 单相全桥逆变器 单相全桥逆变器的电路结构如图2 1 所示，u 为逆变器的直流电压，g 1 、g 2 、g 3 、 g 4 分别为4 个功率管的驱动信号。当g 1 、g 4 为高电平时，功率管t 1 、t 4 开通，此时 电流流向为：电源正极_ t 1 一电感l 一电容c 、负载r t 4 一电源负极, - n n 输出电压为u ； 当g 1 、g 4 为负电平，g 2 、g 3 为高电平时，电流的流经路径为：电源正极- t 3 - 电容c 、 负载r - - , e g nl _ t 2 一电源负极，此时逆变输出电压为u 。综合以上分析，逆变输出电压 就是与驱动信号等宽不等幅的一矩形脉冲，其幅值为直流电源电压幅值u ，当驱动信号是 s p w m 调制波时，此脉冲经l c 滤波后就是正弦波。 仉i 九m ， f 卜一 一 一k 。 电压检测电路 l - 一l - 一 l iv i il c= = 0 r 一唧刚阻。 t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 厂广 t 电流检测电路 2 2 2 单相半桥逆变器 图2 1 单相全桥逆变器 f i g u r e2 - 1s i n g l e p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e r 单相半桥逆变器结构如图2 2 所示，单相半桥逆变器比单相全桥逆变器少了一个桥 臂，而多了一组直流电源为系统供电。 当g i 为高电平、g 2 为低电平时，t 1 管开通，此时电流流经u 1 + - t 1 _ 电感l _ 电容c 、 负载r 州1 ，在这个过程中，电源u 1 除了向负载r 提供能量外，还是电感l 储能的过程， 当g 1 为低电平即t 1 管关闭的很短时间内，电感l 储存的能量经：电感l + 。电容c 、负 载r 电源u 2 + - 电源u 2 州d 2 - 电感l ，经过这个过程电感l 储存的能量回馈给了电 源u 2 ，t l 的每一次开通都伴随着一次能量的回馈过程，这样，就是正弦波的一个正半波 的形成过程。同理，当t 2 管开通t 1 管关断时，正弦波的负半波就形成了。 8 2 逆变器的控制策略 u 】_ =：g 一r l 。vl i，r 电电也。掣电鼯i l ：- 兰一蕊 口= 9 8 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 u 2 = _ j = t l 厂电流检测电路 图2 2 单相半桥逆变器 f i g u r e 2 2s i n g l e p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e r 通过分析，单相全桥逆变器和单相半桥逆变器对比看出，半桥简单，控制容易，易于 实现，能使系统的可靠性更高。 2 2 3 三相全桥逆变器 三相全桥逆变器电路结构如图2 3 所示，假设驱动信号加到t 1 、t 4 功率管上时，电 流流经：u + - 号t 1 _ 电感l 3 一u c 与u b 之间的负载- 电感l 2 - t 4 _ u 。同理，可知驱动信号 加到t 1 、t 6 ，t 3 、t 2 ，t 3 、t 6 ，t 5 、t 2 与t 5 、t 4 上的情况。 图2 3 三相全桥逆变器 f i g u r e 2 - 3t h r e e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e r 三相全桥逆变器的一个缺点就是当接三相对称负载时，输出的是三相理想的波形，不 能接三相不对称负载。 2 2 4 三相全桥均分输出变压器逆变器 三相全桥均分输出变压器逆变器的电路简化结构如图2 - 4 所示，此种方法逆变器的输 出端引入可靠性比较高的变压器，这种变压器从原理上和结构上与普通”d y ”三相变压器 没有大的区别，只是将变压器三个臂a b 、b c 、c a 的次级绕组各分成相等的两部分，即 9 西安理工大学硕士学位论文 u d + 、 a 飞 一c - ， b 图2 一三相全桥均分输出变压器逆变器 f i g u r e 2 4t h r e e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e rw i t hs h a r i n go u t p u tt r a n s f o r m e r u a b 的次级电压： u 炉1 2 u a b + l 2 u 曲 u b c 的次级电压：u b 。= l 2 u b 。+ l 2 u b 。 u c a 的次级电压：u c a - - 。，2 u 。+ 1 2 u 。 当组成三相输出时，将各绕组进行适当的交叉分配到各相电压上去，但电压值不变， 如图2 4 所示： u a = 1 2 u a b + l 2 u b c u b = i 2 u b c + l 2 u c a u c = i 2 u c a + 1 2 u a b 这样的组合也仍然满足： u a b = u b c = u c a 由图中还可以看出：每一相上的负载电流所流过的两个绕组，是对应两个初级绕组的， 比如i a 所流过的两个绕组电压1 1 2 u 。b 和1 1 2 u b 。是分别属于初级的a b 和b c 两个臂。也 就是说：这个变压器的功能是可以把一相的负载电流平均分配到输入的两个相上去，丽这 两个臂上的电流又被分配带三相全桥的三个臀上，这样一来就把相上的负载分配到逆变 器的三个桥臂上去了。即使三相负载不平衡，也不会造成三相输出电压不平衡的现象。从 上可以看出，带有均分输出变压器的逆变器能接三相不对称负载，能够实现三相四线制， 但是，它在输出端设置了变压器，会增大装置的体积和重量，也会提高了产品的成本同时 还会伴随着很大的发热量。 2 2 5 三相半桥逆变器 三相半桥逆变器的主电路结构如图2 5 所示，与三相全桥逆变器相比，在相同输出 的情况下，半桥逆变需要多一组直流电压，但容量减半。 现以t 5 、t 6 桥臂为例对正弦波的形成过程进行分析： 1 0 2 逆变器的控制策略 产生正半波的过程：当s p w m 的驱动信号加到t 5 上时，此时t 5 导通， 图2 5 三相半桥逆燹器 f i g u r e 2 5t h r e e - p h a s eh a l f - b r i d g ei n v e r t e r 系统给负载1 提供能量，同时也是l l 储能的一个过程。由于电感l 1 储存了能量， 在t 5 快速关断时的激励下，产生了反电动势阻止电流的突变，在此过程中，电感l 1 将 能量回馈给了电源u 2 。显然，在t 5 每次导通时，都伴随着能量的回馈，在经后面的l c 滤波，负载1 就形成了正弦波的正半周。 产生负半波的过程：当t 5 关断、t 6 导通时，电压u 2 向负载1 供能，同时伴随着 l 1 储能。在t 6 快速关断的情况下，电感l 1 就回把能量回馈给电源u 1 ，经l c 滤波后， 负载l 两端就产生了正弦波的负半周了。 同理，桥臂t 1 、t 2 和桥臂t 3 、t 4 产生正弦波的过程类似。 由此可见，三相之间是相互独立工作的，三相输出就是相互隔离，相互之间没有影响， 从而当接三相不平衡负载时，有较高的输出精度。同时，输出又省去了输出变压器，很简 单的就实现了三相四线制，较其它逆变有很多优点且控制也很简单。 2 2 6 四桥臂逆变器 目前第四代大功率u p s 技术( 无变压器设计) ，都是采用四桥臂实现三相四线制，如 图2 - 6 所示。 图2 - 6 四桥臂逆变器 f i g u r e 2