可编程逆变电源的研制4ppt课件

1、可编程逆变电源的研制 答 辩 人：詹 雄指点教师：苏彦民 教授时间：2019年3月18日1. 1. 绪论绪论2. 2. 输出电压波形控制方法的研讨输出电压波形控制方法的研讨3. 3. 可编程逆变电源系统的研讨可编程逆变电源系统的研讨 4. 4. 可编程逆变电源控制器参数和滤波器参数设计可编程逆变电源控制器参数和滤波器参数设计5. 5. 实验结果及分析实验结果及分析6. 6. 结论及展望结论及展望 可编程逆变电源是一种数字化交流测试电源。 交流测试电源是专门为计量检定和精细测试而研制的特种电源。它的开展阅历了以下几个阶段：老式的磁饱和稳压器电动机发电机组电子管式电子交流稳压器半导体电源 半导体测

2、试电源可分为：模拟线性测试电源模拟PWM型测试电源数字PWM型测试电源 目前的数字化PWM型测试电源大多属于正弦波逆变电源, 其技术相当成熟。 思索用传统正弦逆变电源技术来实现可编程逆变电源，但须处理：调查传统控制方法和主电路构造对恣意电压波形输出的适用性高精度的可编程恣意波形发生器的实现 可编程逆变电源主要运用于采用交流电供电的电气或电子电路及设备的测试中,具有良好的运用前景：运用于电气或电子电路及设备研发过程中的实验及性能测试；运用于产质量量测试、产品老化工艺测试；可以用来模拟电力线路的扰动。 在国外，可编程逆变电源得到了较为深化的研讨，并出现了相应的产品。 在国内，中国计量科学研讨院从1

3、985年开场就研讨测试电源，并推出了TPS系列测试电源产品，能满足国内大多数测试场所用电源的要求。但随着越来越多的运用场所需求更高精度的测试电源，研讨可编程逆变电源也就被提上了日程。生产厂商输出功率(kVA)电压范围(V)电压分辨力(V)频率范围(Hz)频率分辨力(Hz)相位分辨力()测量功能通讯功能输出波形任意Chroma(61600系列)0.51803000.11510000.01/0.1*1强GPIB/RS232是Cal.Ins.(RP系列)0.8203000.11650000.01/0.1/1*20.1强GPIB/RS232是Agilent(681x系列)0.3751.7503000.

4、14510000.01强无否Elgar(VXP3000系列)0.756.7501350.135010000.1无GPIB否Extech(6100系列)0.5503500.1455000.11弱GPIB否表表1-1 1-1 各主要公司的可编程逆变电源性能比较各主要公司的可编程逆变电源性能比较调查几种常用的逆变电源输出电压波形控制方法，从实际上分析了它们对恣意波形控制的适用性；研讨恣意波形发生器的实现原理及方法，从实际上分析各种实现方法的优缺陷； 讨论并设计逆变电源控制器参数和滤波器参数； 最终实现可编程逆变电源。 逆变电源系统及模型逆变电源系统及模型 可编程逆变电源的逆变器部分拟将采用如图可编程

5、逆变电源的逆变器部分拟将采用如图2-2-1 1所示的单相全桥电路。所示的单相全桥电路。 图图2-1 2-1 单相全桥逆变器电路图单相全桥逆变器电路图LLiiuCiC0u0iZABT1D1T3D3T2D2T4D4-2dU+-+N2dU+- 数学模型 经过电路分析，可得到对应的形状空间方框图，如图2-2。图2-2 单相逆变器的形状空间方框图 mkiuieLs1Cs1)(1sZ0uLi0iu数学模型得到后，就可得到几种常用控制方法下的电源输出电压的数学表达式。单一的电压瞬时值反响控制方法多环反响控制方法含滤波电感电流内环的电压瞬时值反响控制在此根底上，参与负载电流前馈及其微分项含滤波电容电流内环的电

6、压瞬时值反响控制空载时为无阻尼系统，易振荡可抑制输入扰动，但抗负载扰动才干差输出电压不再受负载的影响效果与含电感电流内环和负载电流前馈的瞬时值反响控制一样 无差拍加无差拍加PIPI控制方法控制方法 目前的无差拍控制大多是基于形状估计的，它存在缺陷：目前的无差拍控制大多是基于形状估计的，它存在缺陷： 对主电路参数敏感对主电路参数敏感 抗负载扰动才干差抗负载扰动才干差 检测输出电压和电流，将输出滤波器的形状方程离散化，可检测输出电压和电流，将输出滤波器的形状方程离散化，可得到控制律：得到控制律： )() 1()2(1) 1(121121122212kikVkVkuLrefref) 1()()()(

7、0122201221211211210121221kikikuku能在几个开关周期内就能跟踪给定信号对主电路参数和不同的负载均具有较好的鲁棒性死区补偿控制死区分析模型 以半桥电路为例，分析死区效应。 图2-8给出了加有死区的PWM驱动控制信号及桥臂输出电压波形。 图2-8 PWM控制信号及桥臂电压波形e2av2du2du2)(tvi)(tvcemav)sgn(2aiai 等效方框图 死区补偿控制死区补偿控制 图图2-10 PWM2-10 PWM半桥逆变器的死区补偿控制框图半桥逆变器的死区补偿控制框图 e2av2du2du2)(tvi)(tvcemav)sgn(2aiaie2)(ef2)sgn(

8、2aiai)(aige仿真波形仿真波形不同控制方法下的正弦波逆变器输出电压波形不同控制方法下的正弦波逆变器输出电压波形(a)(a)单一电压瞬时值反响单一电压瞬时值反响 (b)(b)含电感电流内环的电压瞬时值含电感电流内环的电压瞬时值反响反响 (THD=6%) (THD=11.5%)(THD=6%) (THD=11.5%)(c)(c)含电感电流反响和负载电流含电感电流反响和负载电流 (d) (d) 含电感电流反响和负载电流前馈含电感电流反响和负载电流前馈前馈的电压瞬时值反响前馈的电压瞬时值反响 ( (带微分项带微分项) )的电压瞬时值反响的电压瞬时值反响(THD=1.3%) (THD=0.6%)

9、(THD=1.3%) (THD=0.6%)(e)(e)含电容电流内环的电压瞬时值反响含电容电流内环的电压瞬时值反响 (f) (f) 无差拍加无差拍加PIPI的复合控制方法的复合控制方法(THD(THD1.31.3) (THD=0.2%) (THD=0.2%)图图2-14 2-14 不同控制方法下的逆变器输出电压、电流波形不同控制方法下的逆变器输出电压、电流波形不同控制方法下的逆变电源的阶跃呼应 死区对输出正弦电压的影响及其补偿 (a)加有死区的输出电压波形 (b) 补偿后的输出电压波形 THD=6.5% THD=0.7 图2-15 死区对输出电压的影响及其补偿 采用无差拍加PI的复合控制方法，

10、电源系统具有很好的动静态性能，但它实现较为复杂。 在多环控制方法中，含电感电流反响和负载电流前馈的电压瞬时值反响控制具有与含电容电流内环的电压瞬时值反响控制同样的控制效果，其动静态性能较好，可满足实践运用要求，其实现也较为简单。 此外，引入负载电流前馈后，系统容易实现对负载电流的限流功能，因此在系统实现中思索采用含电感反响和负载电流前馈的电压瞬时值反响控制方法。 引见的死区补偿控制方法，可以较好地抑制死区效应，但其控制效果依赖于对电感电流的过零点的准确丈量。主电路组成及原理主电路组成及原理 图图3-1 3-1 可编程逆变电源系统框图可编程逆变电源系统框图LLiiuCiC0u0iZ交流输入ABT

11、1D1T3D3T2D2T4D4驱动电路T1T2T3T4整流及功率因数校正电路dU任意波形发生器及控制电路人机界面及通讯接口0iLi0u控制电路组成及原理控制电路组成及原理 图图3-2 3-2 控制器框图控制器框图 DSP数字部分检测电路及信号调理电路0u0iLifu0fi0*uLfi模拟信号处理部分驱动A/DADfu_0ADfi_0DSP（T MS320C32）开入UARTRS485RS232FLASHSRAMD/A开出看门狗电路逻 辑 控 制 电 路放大及滤波*u 图图3-3 3-3 数字部分框图数字部分框图DSP数字部分波形发生器电参量丈量 驱动电路组成及原理驱动电路组成及原理 图图3-4

12、 3-4 驱动脉冲产生电路驱动脉冲产生电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:16-Feb-2004Sheet of File:E:我 的论 文 Dri ve .ddbDrawn By:23765184U123765184U2R1R3R4R2+15V-15V+5VD1RP1+5V+5+5+5R8R7R9C3C4VD4D2PHTR6VD1VD3VD2R5C2+524VLM311C1LOCKLM3111413M57959AL15468-+PWM故障综 合LOCKEGC波形发生器概述波形发生器概述 目前出现的波形发生器集成芯片目前出现的波

13、形发生器集成芯片 基于直接数字合成技术基于直接数字合成技术(DDS)(DDS)的波形发生器技术的波形发生器技术 随着高档微处置器随着高档微处置器( (如如DSP)DSP)的出现，基于微处置器的的出现，基于微处置器的全数字波形发生器得到了较为广泛的研讨。全数字波形发生器得到了较为广泛的研讨。 基于基于DSPDSP的数字正弦波发生器的数字正弦波发生器( (定时计算并向定时计算并向DADA发送波形数据发送波形数据 直接查表法直接查表法 线性插值方法线性插值方法 递推法递推法 基于基于DSPDSP的数字波发生器的程序实现的数字波发生器的程序实现 仅是对正弦波的近似更加逼近正弦波实际上，输出波形数据就是

14、理想值但实践上受数据宽限制关中断开始开定时器中断T 0主程序任务主程序初始化中断向量表初始化总线控制器T0定时器设置T0中断程序保护现场开始注：T0period 为波形参数扫描周期；T0Counter 以定时周期为基准计数。当T0Counter =T0period时，接受新的波形参数。T0Counter=T0period?YN恢复现场结束波形发生器子程序波形参数修改子程序T0Counter=T0Counter+1波形参数修改子程序开始K1指向数据表末地址？K1=0YN获取波形相位结束注：指针K1、K2、K3和K4分别指向波形参数相位、频率、幅值和波形参数扫描周期数据表地址。K1=K1+1获取相

15、位参数获取波形频率参数获取波形幅值参数获取参数扫描周期基波参数获取否谐波次数P指针i获取设定的第次谐波参数i正弦波数据生成子程序各谐波采样值求和是否谐波叠加累积次数CNCN-1是正弦波数据生成子程序基波值和谐波值求和谐波叠加标志1？子程序结束CN=0?向D/A口输送数据开始波形发生器子程序tempktemp_)(_2_)(tempCtempktempktempCtempk_)(2_)(YN1)3_)(ktempCtempkround)(k查表tempVktempaddrV_1) 1_(tempVktempaddrV_2) 11_(temptempCk_14_1temptemptempk_1_1

16、_)(tempVtempVtempV_2_1_2tempVtempCtempVtemp_3_2_1tempVtempVtempV_1_tempdeltatempftempC_1_1tempktempdeltatempk_)(_)(temp_tempf _Atempaddr_为正弦波初始相位，为正弦波频率，为正弦波幅值，为正弦波数据表首地址。tempVAtempV_表中存放4000点数据，结束向下取整找出与相邻的样点sTtempC21_22_tempC)2/(40003_tempC4000/24_tempC说明：开始正弦波数据生成子程序 波形发生器实验数据及波形设定值设定值(Hz)测量值测量值直

17、接查表法直接查表法(Hz)线性插值法线性插值法(Hz)递推法递推法(Hz)15.00 14.996514.998215.324815.01 15.005415.006515.325215.02 15.016215.019015.328016.00 15.997115.998416.310216.01 16.006216.009116.311150.00 49.999149.999150.296150.01 50.004650.008250.305499.97 99.966399.966599.865299.98 99.975199.978699.865199.99 99.986899.9870

18、99.8705100.0 99.999599.999699.9951100.1 100.004100.004100.005400.0 399.995399.995399.996400.1 400.086400.090400.065400.2 400.212400.208400.019999.9 999.894999.896999.9021000.0 999.983999.987999.984表表3-1 正弦波频率设定值及丈量值正弦波频率设定值及丈量值实验波形(a) 相位突变相位突变90 (b) 幅值突变幅值突变(c) 频率从频率从50Hz突变到突变到400Hz (d) 叠加叠加5次谐波次谐波(

19、10%) 滤波器参数设计 图4-1给出了输出滤波器接有阻性负载的电路图。 图4-1 接有负载的滤波器 +-+-iuLLRLi0iCiC0u0R 经分析，可求出一个基波周期内的电感电流纹波和输出电压纹波的有效值。 (4-4) (4-5) 滤波器的无功功率为： (4-6) 利用无功功率最小原那么求出电感值,如下式所示。电容值那么可根据式(4-5)求出。 (4-7)202,)2()(21ftdtIILavL5 . 0432)2443316(KKKLfUsd5 . 065422, 0)144045564415(KKKKLCfUUsdavavssdavsisdavssdrULfUKUUfLUIKUUfL

20、UKUILP, 022002, 0220002, 02202220200)2(5 . 0, 022, 00041avdssavdssUUKffUUKfIUL 控制器参数的设计控制器参数的设计 控制系统的框图如图控制系统的框图如图4-3所示。所示。 图图4-3 瞬时值控制系统构造框图瞬时值控制系统构造框图 需求确定的控制器参数为：电压调理器的增益、电流需求确定的控制器参数为：电压调理器的增益、电流调理器的增益、电感电流反响系数、负载电流前馈系数、输出调理器的增益、电感电流反响系数、负载电流前馈系数、输出电压反响系数、三角载波的幅值及其频率。其中，后面四项是电压反响系数、三角载波的幅值及其频率。其

21、中，后面四项是固定参数，在系统调试前需求确定下来；电压调理器的增益和固定参数，在系统调试前需求确定下来；电压调理器的增益和电流调理器的增益是可变参数，需求在系统调试过程中加以确电流调理器的增益是可变参数，需求在系统调试过程中加以确定。定。 +-sUlimUfi*gipikietu+-*ufupukPWM逆变器0umiLk0imuk电压调节器电流调节器limU+0mikLi*si 系数图表方法系数图表方法 系数图表方法引入稳定因子系数图表方法引入稳定因子 和等效时间常数和等效时间常数 这两这两个参数，并将系统的闭环传送函数用这两个参数表示；同时从个参数，并将系统的闭环传送函数用这两个参数表示；同

22、时从数学上研讨这一新得到的传送函数，从而得到最优的处理方案。数学上研讨这一新得到的传送函数，从而得到最优的处理方案。 闭环控制系统的特征多项式的普通方式：闭环控制系统的特征多项式的普通方式： (4-8) 定义：定义： (4-9) (4-10)iiniinnsaasasasP001)(01aa112iiiiaaa 那么闭环控制系统的特征多项式可写为： 4-11 数学上分析系统的稳定性、鲁棒性和快速呼应特性与 和 的关系。并得到系数图表法的规范方式： (4-12) 这种规范方式具有以下几个优点：超调量适中，调理时间约为2.5倍等效时间常数短，系统的阶跃呼应与系统的阶数无关。高阶次系统的主配极点位于

23、与实负半轴成 的扇性区域内，且其阻尼系数大于0.65。 i1)(1()(2110 ssasPiniijjji5 . 2222i5 .49滤波器参数设计滤波器参数设计截止频率的选择截止频率的选择 取截止频率取截止频率 =控制器呼应与谐波的关系及滤波器设计控制器呼应与谐波的关系及滤波器设计 本电源系统所采用的多环控制的输入输出函数关系：本电源系统所采用的多环控制的输入输出函数关系： (4-13) rssf2 . 01 . 0*02202( )( )(1)1( )(1)( )(1)pupimmiLpimmupupimmiLpimmupupimmiLpimmupupimk k ku su sLCskk

24、 k Cskk k ku sLCskk k Cskk k kLsi sLCskk k Cskk k k 利用CDM的规范方式，可得到二阶系统的传送函数: (4-14) 对比式(4-13)和式(4-14)的第一项的各次幂系数，可得到： 负载电流对输出电压的影响可用式4-15表示： (4-15) 根据电源系统的调理时间调和波含量要求，根据(4-15)可求得电容值，然后由截止频率可求得电感值。002205 . 21)(asasasM5 . 2) 1(2mpipumukkkkLCCnkkkknLjijumpipumu5 . 21)()(200001mpipumumpimiLkkkkCkkk 控制器参数

25、设计 对比逆变电源系统的输出对输入传送函数和系数图表法的规范方式，可确定电压调理器和电流调理器的比例系数。 仿真波形(a) 传统设计方法(THD=5.6%) (b) 新设计方法(THD=4.1%)图4-6 逆变电源在非线性负载(FC2.5)下的输出电压电流波形 传统的逆变电源控制器参数设计和滤波器参数设计是孤立思索的，忽略了两者之间的联络。滤波器参数只能在线性负载下设计，控制器中的电压、电流调理器参数要在系统调试中反复试凑。 新的设计方法可同时设计电源控制器参数和滤波器参数。它引入系数图表法这一概念，根据系数图表法的规范方式整体设计电源系统。同时，滤波器参数可根据不同负载情况进展设计。(a)

26、含电感电流内环的输出电压 (b)含电感电流反响和负载电流的瞬时值反响控制 输出电压瞬时值反响控制图5-1 多环控制方法下的输出波形(a) 死区时间为2s (b) 死区时间为8s图5-2 死区对输出波形的影响 (a) 相位突变60 (b) 幅值突变 (c) 频率从50Hz突变到400Hz (d) 叠加5次谐波(10%)图5-3 波形参数突变下的输出电压波形 对逆变电源的控制方法进展实际分析和仿真，阐明：对逆变电源的控制方法进展实际分析和仿真，阐明： 采用传统的多环控制方法可获得良好的效果，满足系统要求。采用传统的多环控制方法可获得良好的效果，满足系统要求。 在死区时间较大时，其对输出电压波形的影

27、响较为严重。在死区时间较大时，其对输出电压波形的影响较为严重。 研讨可编程恣意波形发生器，用研讨可编程恣意波形发生器，用DSP实现了波形发生器的三实现了波形发生器的三种算法，实验阐明：种算法，实验阐明： 直接查表法和线性插值法具有同样的分辨力，递推算法的频率直接查表法和线性插值法具有同样的分辨力，递推算法的频率分辨力较之实际上的有较大下降。分辨力较之实际上的有较大下降。 在波形质量方面，递推算法最好，线性插值法次之，而直接查在波形质量方面，递推算法最好，线性插值法次之，而直接查表法最差。表法最差。 线性插值法由于其准确度较高，叠加谐波较为方便灵敏，适宜线性插值法由于其准确度较高，叠加谐波较为方

28、便灵敏，适宜作为可编程波形发生器的编程算法。作为可编程波形发生器的编程算法。 按传统设计方法和本文提出的新方法设计了逆变电源控制器参按传统设计方法和本文提出的新方法设计了逆变电源控制器参数和滤波器参数，仿真阐明新方法：数和滤波器参数，仿真阐明新方法： 在设计滤波器参数的同时思索了控制器的性能。在设计滤波器参数的同时思索了控制器的性能。 可根据不同的负载设计滤波器参数。可根据不同的负载设计滤波器参数。 可编程逆变电源是一个复杂的系统。本文只是对它进展了初步的研讨，要将其产品化还有许多任务要做，如通讯功能的实现、电参量的准确丈量等。在主电路上提高管子的开关频率那么是实现更为复杂的波形输出的一个途径；为了实现大功率输出，应研讨三相可编程电源或运用逆变电源并联技术。在控制方法上，本课题仅对传统的控制方法加以实现，本文研讨的无差拍加PI的复合控制无论在波形质量上，还是在动态呼应上，其性能均较好。因此，对这一控制方法的适用化值得进一步研讨。 刘晔教师的提问： 分析计算在理想条件下，恣意波形发生器输出为50Hz正弦波电阻负载时，电源能够的最大输出功率。 作如下回答： 逆变电源的等效电路如图1 所示。 设逆变电源负载端电压有效值为 ，负