中频逆变器的设计与研究

1、中频逆变器的设计与研究摘 要：航空电源一般都是将直流或交流(38OV/5OHZ)逆变成交流(115V/400HZ) 供雷达、飞机等设备使用。本文讲述了完成此任务的最基本的一种方法，即先将工 频交流电整流成直流电，然后通过PWM逆变，输岀PWM脉冲波，最后通过LC 滤波电路和隔离变压器，输出标准正弦波。本课题所选用的开关元件是当今电力电 子装置小普遍使用的IGBTo本课题围绕逆变电源的核心问题展开论述，详细介绍 了正弦脉宽调制技术(SPWM)的基本原理，输出电压波形控制的方法，然后设计了 典型的逆变器主屯路、控制电路、驱动电路、保护屯路和启动电路，并冃对其中的 缓冲电路，霍尔元件，死区时间设置电

2、路，全桥拓扑结构等做出了详尽的说明，另 外对于主电路屮主要器件的选择也进行了简要的介绍。最后给岀了本装置调试过程 屮的重耍波形，并对调试结果进行了分析。Research and the design of the inversionpower source of intermediate frequencyABSTRACT: Aerial power source is to conclude direct current or alternating current inversion to flow normally ( 115 V/400 Hz ), which is used for

3、the equipments such as radar and airplane . This paper has narrated a kind of most basic method of completeing this task. First .rectification of alternating current to direct current, then through PWM inversion, export PWM pulse, strain finally through LC wave circuit and isolation transformer, exp

4、ort standard sine wave The switch element that program chooses is IGBT ,which is used generally in present power electronic installation . This program revolves around the key problem of inversion power source to spread out exposition , has introduced the basic principle of sine pulse wide modulatio

5、n technology ( SPWM ) and the method of export voltage waveform control in detail, then have designed typical inverter main circuit, control circuit and drive circuit and protective circuit with start circuit, and for the buffer circuit in which suddenly Er element, the time installation circuit of

6、dead band, whole bridge make rubbing to rush at structural etc. have made detailed explanation. Have given the important waveform in inverter debug course finally , and analyse for debuging result.Keyword: JLnversion Power source SPWM IGBT protects circuit TOC o 1-5 h z 摘要IABSTRACTII一绪论1 HYPERLINK l

7、 bookmark4 o Current Document 1课题的背景及意义1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2全文主耍内容及安排7 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 核心知识介绍8 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1正弦脉宽调制(SPWM)技术8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2 PWM波形控制技术概述11 HYPERLINK l bookmark16 o Current Documen

8、t 逆变器硬件实现及参数设计15 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1设计目标15 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2方案论证15 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3系统主电路的设计15 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4控制电路的设计22 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 5驱动电路的设计25 HYPERLINK l bookmark30

9、o Current Document 6保护电路的设计28 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 7启动电路的设计32 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 四试验结果及分析33 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 五工作总结38 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 致谢39 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 参考文献401课题的背景及意义随着控制技术的发展和

10、对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直 接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换， 从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式因用电设 备的不同而不尽相同，如通信屯源、不见断电源（UPS）、医用电源、充电器等，它 们所使用的电能都是通过整流和逆变组合屯路对原始电能进行变换后得到的，而在 航空和船舶领域中则广泛使用400HZ/115V的中频电源，因此研究小型化、高性能 实用的屮频逆变电源具有广泛的应用前景。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压 稳频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电

11、力、电子、微 处理器及口动控制等多种学科领域，是冃前电力电了产业和科研的研究热点Z-o 逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮屯通信、医疗、生产线、实 验室等诸多领域。本课题研究的是400HZ/115V中频逆变电源冋。（1）逆变电源发展概况逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆 变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前 为止它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源的特点是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可 控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型交流机组，但由于SCR 是一种没有门关断能力的器件，

12、因此必须增加换流电路来强迫关断SCR,SCR的换 流电路限制了逆变电源的进一步发展，主要表现在：电路复杂。由于需要关断SCR的辅助电路，主电路要增加具有一定尺寸的 电感和电容，辅助脉冲换流的茂莱型逆变器还要增加一沱数冃的晶闸管，整个装宜 的尺寸大。逆变器的控制电路也很复杂。并耳存在换流失败等故障，降低了逆变器 的可靠性。主电路的拆卸安装也很麻烦，增加了发生故障以后的修复时间。限制了性能的提高。由于SCR在强迫关断的损耗比较大，因此，SCR的开 关频率比较低，这使得逆变桥输出电压中的低次谐波的频率不高，为了得到的谐波 含量的输出电压，滤波器的尺寸将比较大，影响了逆变电源的动态性能及对非线性 负载

13、的适应性。由于SCR逆变器的控制电路复杂，逆变电源难于实现数字化。 SCR逆变电源的噪声大、体积大、效率低、发热严重。第二代逆变电源的特点是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。U 20世纪 70年代后期，各种口关断器件模块相继实用化，它们包括可关断晶闸管（GTO）、 电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT） 等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用口关断 器件的好处是：简化了主电路。由于自关断器件不需耍换流电路，因而主电路得以简化、 成本降低、可靠性提高。提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，使得逆变 桥

14、输出电压中低次谐波的频率比较高，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，使得逆 变电源的动态特性及对非线性负载的适应性得以提高。在口关断器件中IGBT以其 开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为屮小 功率逆变器的首选器件，IGBT逆变电源已成为屮小型逆变电源的主流。第三代逆变电源的特点是采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提 高。实时反馈技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态性不好 的缺点提出來的，它是近十年來发展起來的新型电源控制技术，目前仍在不断的完 善和发展之屮，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。（2）逆变电源的基本概念图1

15、1所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成。从图 中可以看出，逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为 直流电，直流电通过逆变电路变为交流信号PWM波，其基波频率是逆变电源的输 出频率，该信号经输出变压器隔离，再经LC滤波器滤成正弦波。这一能量转换、 传递的过程通常表示为AC-DC-ACo直流输入、输出隔离型的逆变电源结构与图1. 1 基本相同，只是不再需耍输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为DC-ACo在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心3。图1.1 典型的逆变电源主电路逆变电源是i种交流输出电源，按照输出电压的和数分类，逆变电源可以分为

16、单相逆变电源和三相逆变电源。三相逆变电源按照输出有无中线又可分为三相四线 制逆变电源和三相三线制逆变电源。按照逆变电源的额定输出功率来分，逆变电源 乂可分为小容量逆变电源（0.5kVAlOkVA）、屮等容量逆变电源（lOkVA5OkVA） 及大容量逆变电源（5ORVA以上）。本课题所研究的逆变电源屈于三和四线制中频 逆变电源。（3）逆变电源的特点逆变器之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能：其一，变频，逆变 电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；其二，变相，逆变电源能将单相交流 电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；其三，逆变电源能将 直流电转换为交流电；其四，逆变电源

17、能将低质量的市电电压转换为高质量的稳压 稳频的交流电压。另外它还具有许多特点：灵活地调整输出电压或者电流的幅值和频率通过控制回路，可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电 压或者电流的频率和幅值按照人们的意愿或者设备工作的要求来灵活的变化。蓄电池屮的直流电转换成交流电或者其他形式的直流电这种转换的用途也很广泛，如不间断电源设备在电网停电时，将莆电池中的直 流电逆变成交流电，供计算机等设备使用，不间断工作，从而不会造成太人损失。 再如程控交换机二次电源是一种DC/DC变换器，它把蓄电池中的（或者一次电源 送来的）直流电变换成其他形式的交流电，它不会因为交流电网停电或者剧烈变换 而影

18、响设备正常运行。明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备屮，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量。如呆 采用开关管来进行变压变频，将大大减小设备的体积和重量，同时也节约了制作变 压器的铜材和磁性材料。高效节能高效节能主要体现在电动机变频调速代替恒转炬、电动机制动时的有源逆变代 替功耗电阻、提高功率因数、减小变压器体积的同时也减小了变压器的功耗。动态响应快、控制性能好、电气性能指标好出于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动 态性能很好。具体表现为：对电网波动的适应能力强（源效应好），负载效应好， 启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹

19、波小等。保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号的反应也快，从而增加了系 统的可靠性。（4）衡量逆变电源性能的指标衡量逆变电源性能高低的主要有：输出电压品质；电磁兼容性；效率；噪音。下面主要讨论前两个指标：输出电压品质输岀电压品质由以下特性来衡量：稳压特性：指稳态输出电压有效值的稳定度。输入电压的变化和负载的变化 是引起输出电压变化的两大因素。-般用电压稳定度来衡量稳压特性稳频特性：指稳态时输出电压频率的稳定度。用频率稳定度来衡量。波形特性：指稳态时输出电压波形的特性。一般用以下四个指标来评价：总谐波含量：指除去基波分量外各次谐波的方均根电压与基波电压有效值之 比；单次谐波含量：指某

20、一次谐波电压有效值与基波电压有效值Z比;波峰系数：指电压峰值与有效值之比；偏离系数：指波形对基波相应点的偏离值与基波峰值Z比。动态特性：当负载突变或输入电压突变时，输出电压波动越小，调整时间越 短，说明逆变电源的动态特性越好。电压调整特性：指输出电压幅度的波动特性。用电压调整辆的大小來衡量。 电压调整量是指稳态输出电压峰值包络线的最高电压与最低电压之差。相移及不平衡：对于三相逆变电源，对三相输出的电压的相位差及幅值Z差 有要求。理想情况下，三相输出电压的相位差应互差120,幅值和等。电磁兼容性电磁兼容性又称EMC (Electromagnetic Compatibility),是指干扰可以在不

21、损害 信息的前提下与有用信号并存。国外曾对EMC的定义提出过各种见解，相互之间 略有差别，其中D.White所提出的定义最为贴切：EMC是指装置或系统在其设置的 预定场所投入运行时，具有既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围环境，也不 发生性能恶化和误动作，而能按设计要求正常工作的能力。对于逆变电源來讲，电 磁兼容性是否符合要求要看以下两个方面：其一，能否不受周I韦I电磁环境的影响， 在所处的电磁环境中长期稳定可靠的运行；其二，是否不干扰其它设备正常工作。逆变电源的发展趋势高性能化高性能是指输出电压特性的高性能，它主要体现在以卜几个方面：稳压性能好。空载及负载时的输出电压有效值要稳定；波形质量

22、高。不但要求空载时的波形好，带载时波形也耍好，对非线性负载 的适应性要强；突加突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳定性好；对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电压的高性能是用电设 备对逆变电源的要求，控制方式的改进是逆变电源达到高性能的主要手段。模块化模块化意味着用户可以方便的将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大 容量的逆变电源。模块化需耍解决逆变电源Z间的并联问题，逆变电源的并联要比 直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、换流补偿、通断控制等多方面的问题。小型化在逆变电源屮，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和LC滤波器，变压 器可能放在输入部

23、分，也可能放在输出部分，起电压隔离或电压卩配的作用；LC 滤波器用于消除PWM波中的高次谐波，滤波器的尺寸与PWM波的频谱特性有关。 要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：提高开关频率，使滤波器小型化；采用新的PWM控制方式，优化逆变桥输出PWM波的频谱，使滤波器小型 化；用高频变压器实现电压的隔离和I兀配，替代输入或输出的低频变压器，实现 变压器的小型化。替代的方式有两种，一种是在直流部分加入高频DC/DC变换器 来实现电压的隔离和匹配：一种是采用高频逆变方式产生高频PWM波，然后用周 波变流器将高频电压转化为低频电圧。高输入功率因数化对于交流输入的逆变电源，中间环节直流电源一般由二极管

24、整流获得，输入功 率因数不高。提高整流侧的输入功率因数不仅可大大捉高逆变电源对输入电能的利 用率，而且可以克服逆变电源对电网产生谐波污染的缺点。数字化数字化是指控制器的数字化，数字化具有参数容易整定、控制器参数不易变化、 可靠性髙、灵活性大、价格便宜、保密性好等优点。逆变电源的数字化需要解决数 字控制器易受干扰这一问题。智能化一个智能化的逆变电源除了能够完成普通电源的所有功能外，还应具有以下功 能：对运行屮的逆变电源进行监测，随时将采样点的状态信息送入计算机进行处 理，一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中各部分的状态，从中 分析电路中各部分工作是否正常；在逆变电源发生故障时，根据

25、监测的结果，进行故障诊断，指出故障的部 位，给出处理方法；自动显示所监测的参数，有异常或发生故障时，可以门动记录有关异常或故 障的信息；按照技术说明书给出的指标，自动定期的进行自检，并形成自检记录文件；能够用程序控制逆变电源的启动和停止，实现无人值守的门动操作；具有信息交换功能，可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信息。2全文主要内容及安排本文主要研究如何将380V/50HZ交流山电转换成115V/400HZ的稳压稳频交流 电，供雷达或飞机使用，前面已经详细介绍了逆变电源技术的发展概况，基本原理, 特点以及发展前景，在接下来的几章中，将具体介绍这一逆变电源的设计思路及其 各个部分的电路原理

26、图。具体主要内容安排如下：木装置设计的核心原理是正弦脉宽调制技术(SPWM),利用SPWM实现变 压变频，具体的工作原理将在第二章做出详细的介绍；另外，输出波形控制技术已 经越来越成为当今电力电子装置研究的热点，如何才能保证输出标准的、波形没有 发生畸变的正弦波呢，这一问题也会在第二章给出答案。核心技术介绍之后，将会进行系统主屯路的介绍，根据AC-DC-AC的变换规 律，主屯路的设计包括整流部分和逆变部分两大块，由于输出屯压的有效值为定值, 因此整流部分可以用一个三相整流桥完成，输出直流电压为恒运值。系统的主耍部 分为PWM逆变，在第三章里，文章系统介绍了逆变器的控制电路、驱动电路、保 护电路

27、等，另外，还介绍了保证逆变正常运行的缓冲电路，滤波电路等等。各个部分的电路图已基木给出，最后进入装置的运行调试阶段，木文给出了 调试过程中的特性波形，并对之进行了分析，而且还针对于调试过程中遇到的问题 进行了讨论。二核心知识介绍1正弦脉宽调制（SPWM）技术PWM技术的理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象。简言之，形 状不同但冲量（幅值对时间的积分，即波形的“面积”）相等的窄脉冲激励信号丿施 压于具有惯性的对彖如低通滤波器时，它们所获得的响应基本相同。因此，可将期 望输岀的正弦电压波形假想成曲一组等宽不等幅的片段组合而成，然后用一组冲量 对应相等等幅不等宽（即脉冲宽度调制一一PWM）脉

28、冲将它们依次代替。后者可 以由电子开关的通断控制实现。频谱分析表明：PWM脉冲电压具有与理想正弦电 压相一致的基波分量，而其最低次谐波的频率可以提高到PWM调制频率（即开关频 率，对应于每基波周期的脉冲个数）附近。因此，开关频率足够高时。利用较小的滤 波器就可以将其屮的谐波滤除。此外，只要同比地改变PWM脉冲宽度，还可以平 滑地调节输出电压的基波幅值。依据上述原理，可将任意波形用一系列冲量相同的窄脉冲进行等效。如图2.1 所示的一正弦波，可将具N等分，将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都 用一个与此面积相等的等幅而不等宽的矩形脉冲的对称线和相应的止弦等分的中 线重合。显然，各个矩形波脉宽

29、是不同的，它们的宽度将按正弦规律变化。这就是 SPWM控制的理论依据，曲此得到的矩形脉冲序列称为SPWM波形。对上述等效 调宽脉冲，在选定了分数N后，可以借助计算机严格的算出各段矩形脉冲宽度，以 作为控制逆变器开关元件通断的依据。这种由控制线路按一定的规律控制开关元件 的通断，从而得到等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为正弦脉宽 调制（SPWM）。图2.1正弦脉宽调制实用屮，人们常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲的宽度。 如图2. 2(a)所示，三角波是上下宽度按线性变化的对称波形，如果任何一条光滑的 曲线与其相交，并令该曲线值大于三角波时输出高电平，小于三角波时输出

30、低电平, 那我们就能得到一组等幅的、脉冲宽度正比于改函数值的矩形脉冲，如图2.2(b)所 示。如果使正弦波和三角波相交，则得到一组矩形脉冲，其幅值为冬(直流电压的2一半)而宽度按正弦规律变化，我们称这里的正弦波为调制波，三角波为载波。图2. 2 正眩脉宽调制正弦脉宽调制(SPWM)按开关工作方式可分为单极性控制和双极性控制。与单 极性控制相比，双极性是指载波极性随时间不断地正、负的变化而与调制波的变化 无关。双极性SPWM逆变器同一桥臂上、下管在调制正弦波的半个周期里始终处 于作狐步式的工作状态。如图2. 3(a)所示当A相调制波仏,均时，gl导通，g4关 断，使负载上得到的相电压为匕。=+乞

31、。当ura u时，gl关断而g4导通，则所以A相电压s=M)是以+冬和-冬幅值作正、负跳的脉冲波形。同理,2 2图2. 3(c)如0 = /是由g3和g6交替导通得到的,图2.3(d)的uco = f(t)是由g5和 g2交替导通得到的。出你。和心。和减，可得逆变器输出的线电压波二/，如 图2. 3(e)所示。1 0 1n11 |nn1 II 1111 1UL %rniwioffw图2. 3 三相双极性SPWM波形在SPWM中，%、uBO . uco的“1”电平分别驱动三相上桥臂开关导通,而、Ur。、Uc。的“0”电平分别驱动三个下桥臂开通。同时在电压矢量控制中，设定上 桥臂开关管导通代表电压

32、开关矢量“1”，而下桥臂开关导通代表电压开关矢量为“0”。下面设开关电压矢量为S=(Sa，Sr,Sc),则由图2.3可以看出六只开关管共有 八种工作方式,它们分别为:S(0,0,0), S(0,0,l), S(0,l,0), S(0,l,l), S(l,0,0), S(l,0,l), S(1丄0), S(l,l,l)o其中的两个开关电压矢量S(0,0,0)和S(l,l,l)代表三个上桥臂同 时通和三个下桥臂同时通称为“零矢量”，PWM逆变器是“零矢量”工作模式时， 这时电动机与直流电源没有电流回路。从上述可知一个PWM开关周期兀=1/人， 逆变器的开关工作模式是多种多样的，其屮零矢量工作模式是

33、两次，即零矢量工作 模式的频率是PWM开关频率的两倍。本文所介绍的逆变器输出为三相四线制，因此设计屮采用三相正弦脉宽调制， 即用三相对称的正弦波心、作调制信号与同一个频率为力的三角波他进行 调制，就可分别获得三相对称的正弦脉冲宽度调制的SPWM波形心八u”、心用， 如果用心、uov .去直接控制三相逆变器的六个桥臂，在逆变器的输出端就可得到与uou. uov.相似的三相PWM波形。控制信号心、叫、的幅值变化,就可改变逆变器的输出电压，即改变加于电动机的端电压有效值;改变调制信号吩、 八 知,的工作频率，进而改变电动机的同步转速，实现调速的1=1的。2 PWM波形控制技术概述(1)SPWM波形控

34、制技术发展概况口八十年代以来，波形控制技术一直是PWM逆变器领域的研究热点，多年的 研究产生了种类繁多的控制方案。以下做个简要介绍。 PI控制比例一积分(PI)控制是工程上应用最广的一类控制器，它实施容易、鲁棒性强。 但由于空载的PWM逆变器近似于一个临界振荡环节，积分作用乂增加了相位滞后, 这样为保证系统稳定，对控制比例P必须有所限制，因此PI的快速性虽相对于均 值反馈有了较人的改善，但仍然不很理想，而且系统对非线性负载扰动的抑制效果 也很茅。PI调节器无法实现对正弦指令的无静差跟踪，所以系统的精度不容易满足 要求。因此，在采用瞬时反馈控制的方法中P1调节器是不宜采用的。状态反馈控制状态反馈

35、控制可以任意配置闭环系统的极点，有利于改善系统的动态品质。但在建立逆变状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内，所以状态反馈控制只能 针对空载和假定的负载进行建模。由于状态反馈控制对系统模型参数的依赖性很 强，使得系统在参数和负载发生变化的时候易导致稳态偏差的出现以及动态特性的 改变。无差拍控制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校正。无差拍控制的显著优势是快 速性，其最大缺点是对精确数学模型的依赖性.也正是由于它的这个缺点，使得无 差拍控制无法在工程上得到广泛的应用O滑模变结构控制滑模变结构控制不连续的开关控制办法来强

36、迫系统的状态变量沿着相平面屮 某一滑动模态轨迹运动。滑模变结构控制具有较强的鲁棒性，它对系统的参数变化 和外部扰动不敏感。但对于实际的逆变电源系统，很难找到理想的滑模开关平面。觅复控制重复控制是基于内模控制原理发展起来的一种控制方法。在重复信号发生器的 作用下，输出对输入信号的逐周期累加。当指令波形与反馈波形不一致时，控制量 幅度会逐周期的无限制的增加。若系统是稳定的，则可以使得稳态时波形误差为零, 即反馈波形和指令波形重合，既没有幅值偏差也没有相位滞后。重复控制实施容易、 成本低、效果好，是一种较好的控制方案；其缺点是无法实现短于一个基波周波的 动态响应。模糊控制和神经网络控制模糊控制和神经

37、网络控制同属于智能控制。与传统控制方式相比智能控制最人 的好处是不依赖控制对象的数学模型。模糊控制可以实现比常规方法更好的动态特 性，但控制精度不高，一般和常规方法相结合应用。神经网络控制由于其实现技术 的限制，很难在实际屮取得应用。(2)逆变电源进行波形控制的必要性对于SPWM电压型逆变电源，为了提高性能，在设计中主要考虑以下儿个要点:减小输出电压谐波畸变率，特别是在非线性负载条件下，如整流负载。非 线性负载一般定义为在标准正弦电压下，电流总谐波大于5%的负载。当逆变器接 非线性负载时，畸变电流在逆变器输出阻抗上产生谐波压降，从而在逆变器终端产 生电压畸变。通常，供屯时输出电压的总谐波畸变率

38、，在接线性负载时不得高于3%, 接100%整流负载时不得高于8%。典型情况下，输出电流的波蜂因T(Vreast Factor, 即电流的峰值与有效值之比)为3时，输出电压的总谐波畸变 率不得高于5%。提高系统的动态性能、静态稳定度，减小系统的动态响应时间。提咼系统的过载能力及抗冲击的能力。另外，从逆变电源的容量岀发，还要考虑：在功率器件成本（包括电流耐量、电压耐量以及开关器件数量等）一定的 情况下，SPWM的直流电压利用率越高，则SPWM逆变电源的单机容屋可以做得 越大。对于需要多机并联运行扩大总容量的电源，其控制电路应能方便的设置均 流电路。上述几点都涉及到逆变电源的波形控制技术。围绕波形控

39、制技术，H前研究工 作主要集中在以下两个方面：高质量正弦波生成技术的研究利用PWM控制降低逆变电源谐波含量是目前最普及的技术，在中小功率逆变电 源屮得到了菲常广泛的应用。PWM控制原理简单而月.易于实现，它通过优化选择开 关角抑制输出波形屮含量较大的低次谐波。并采用输出滤波器滤除高次潜波，从而 得到高质量的交流正弦输出波形。高频全控开关器件开关频率的提高大大提高了谐 波频率，使效果良好的输出高频滤波器的设计与实现更容易，有力地推动了 PWM术 的发展。国内外有代表性的PWM正弦波形成技术主要有：采样PWM（口然、规则、不 规则）、优化PWM、空间矢量法PWM （磁通法）、谐波注PWM 了、随机

40、PWM等。由于PWM 一般要求较高开关频率才能有效降低谐波，因而限制了在大功率逆变 电源屮的应用。由于H前大功率开关器件开关速度有限，即使能采用高频PWM控制, 功率器件的开关损耗也难以接受。因此，大功率开关电源多采用波形重构技术。所 谓波形重构，就是在主电路上采用几个逆变器，使它们的输出屯压在相位上错开一 定角度进行叠加，从而获得接近于正弦波的阶梯波形，减小谐波含量。通常，波形 重构的级数越多，谐波含量就越小，而月由于采用多个逆变黠扩容，使单个逆变器 的容量耍求降低，但是主电路相应复杂，也增加了控制难度。以下方法都是基于以下前提：负载为线性；PWM为理想的比例放大环节；输出 滤波器参数恒定。

41、基于该假设的模型称为理想化模型。在这一前提下，这些方法在 开环卜均可取得预期的输出波形，只是在实现、分析等方面的难易程度上有较人差 别。以下PWM技术着重机理研究。实际系统中，山于对输出波形的静态精度（幅值 和相位）和动态性能（响应速度和收敛速度）有要求，它们必须结合适当的闭环控制 方能满足这些要求。闭环PWM反馈控制技术的研究所有的逆变器的目标是在各种负载条件卜和II舜态情况F,保证标准的正弦输岀。因此对实际的逆变电源系统而言，高质量的输出波形有两方面的指标要求：稳态精度高，包括THD值小，基波分量相对参考波形在相位和幅度上无静 差；动态性能好，即在外界扰动下调节快，输出波形变化小。过去，逆

42、变器依 赖于开环前馈控制产正弦波，同时，用相对较慢的输出电压有效值反馈控制幅值。 虽然这种形式的控制器可以保证标准的输出电压有效值，但在负载突变时响应极慢 （儿个输岀周波），且在非线性负载条件下会产生极大的畸变。现在，各种反馈控制 技术被用来控制输出电压瞬时值，而不再是有效值。“瞬时”控制器提供了许多优 良的特性，包括快速（次周波）瞬态响应，低谐波畸变率，优良的扰动抑制能力。总的来看，闭环PWM可以当作调节器设计或波形跟踪问题来处理常规的PID 调节器用于恒值调节（直流量）时，根据内模原理曲于t趋于无穷时时闭环增益趋于 无穷可以实现静态无差跟踪，通过配置合适的极点。可以得到满意的动态性能。对

43、逆变系统而言，参考信号为屮、低频正弦波，无论是在线性负载还是非线性负载条 件下均不满足恒值调节条件，难以达到较高的性能指标，因此其设计相应要夏朵得 多。所以，八十年代以來研究的焦点主要集中在选择和设计合适的调节器方面。三 逆变器硬件实现及参数设计本章详细的给出了 SPWM控制方式下中频逆变器的主电路、控制电路、驱动 电路和保护电路的设计和及其参数的选择。1设计冃标输入交流电压：三相三线制380V/50HZ输出交流电压：三相四线制115V3%输出交流频率:400Hzl%输出额定电流：29A交流输出功率：额定lOkVA连续工作8小时，2分钟内允许过载50%, 5秒 钟内允许过载100%负载功率因数

44、：cos0 = O.81.0总谐波畸变率:THD3% （线性负载）,波峰系数在1.41+0.1范围内 电压及相位不平衡：不平衡电流达15%时，各相电压最大偏差为3V。2方案论证本课题采用的是全桥逆变主电路结构及SPWM双极性硬开关调制方式。下面对方 案进行简单的分析论证。主电路原理图如图3.1所示。输入380V交流电压，经过三相不控整流屯路后， 变成幅值约为531V的直流电压，逆变电路采用全桥结构，输出电压再经过LC滤波 和降压隔离变压器，最后得到115V的交流电压。针对木装置的设计要求，选用IGBT 作为逆变电路的开关器件，缓冲电路采用简化形式的Jung关断缓冲电路。对于波形畸变率T1IIX

45、3%的高要求，采用电压平均值反馈和瞬时值波形反馈相结 合的技术可以达到。3系统主电路的设计木装置主电路原理图如图3.1所示，它主要包括：三相不控整流器，PWM逆变 器、输出滤波，隔离变压器等。图3. 1 主电路原理图如图3.1所示，图屮K和R构成预充电网络；C1C4为滤波电容，用來抑制直 流电压的脉动，达到滤波的fl的；霍尔元件（HL）为失控保护电路提供电流取样信 号；与IGBT并联的二极管D1D6为续流二极管；二极管D、电阻R及电容C组成 IGBT的并联缓冲电路；C”具有隔直作用，另外它与厶一起构成对于基波阻抗为零, 而对于高次谐波阻抗为无穷大的电路，从而阻止高次谐波通过；厶）、C（）为交流

46、滤 波网络，作用也是虑除输出电压中的高次谐波；隔离变压器原边接成三角形，副边 接成星形，达到输出三相四线制交流电压的H的，另外变压器具有降压作用，使输 出电压有效值达到115V。（1）预充电电路原理介绍PWM逆变器输入电压，一般都希望是恒定的（除蓄电池作直流电源外），因此整 流后的贮能电容-般都在几千微法以上，电源合闸时，贮能屯容的充屯电流很大， 有可能危害整流器的整流元件。电源刚刚投入时，稳压电源正在建立的过程中，各种逻辑功能与保护电路都述 处在准备过程当屮。这个时候基极驱动电路的独立隔离电源在建立的过程当屮，有可能产生附加的驱动信号，使功率开关元件开通，造成逆变器的上下桥臂直通。若 是主电

47、路凹路没有抑制措施，则直通电流将产生破坏性故障，因为齐种保护功能都 还处在准备阶段，无法执行。其屮最易受害的是功率开关元件。木装置采用小型接触器和电阻元件(如图3.1所示)来实现主电源的软起动。 电源合闸时，接触器K的电源尚未建立，其常开触点K1断开，整流桥通过电阻R 给电容C1C4充电，防止上电时电容承受过大的电流冲击而被损坏。通过一段时间 Z后，当电容充电到足够电压值，K1闭合，将电阻R短路，软起动完毕。霍尔元件原理介绍霍尔电流传感器模块，乂称LEM模块，是利用磁场平衡原理工作的。它的主要 特点是主电路冋路所产生的磁场随时被一个副边线圈所产生的磁场进行补偿，使霍 尔元件始终处于零磁通的条件

48、下工作。磁平衡时：Np 片=Ns Is (11)其中匚为被检测电流，Np为导线匝数，仏为LEM模块内部线圈匝数，人为流 过检测电阻心的电流。厶能快速反应b的变化，跟随时间仅为1川。它能检测交、 直流和脉冲电流，具有与被测电流绝缘、响应速度快等优点。本装置共安装了四个霍尔元件，其中一个安装在直流母线上，为失控保护电路 进行电流检测，另外三个安装在隔离变压器输出端，为过流保护电路进行电流检测。 过流是比较严重的故障，会对元件造成不可挽回的损失，因此一定要保证霍尔元件 的正常工作。逆变电路拓扑结构介绍实现从直流到交流的逆变主电路结构型式主要有三种：半桥式、全桥式及推挽 式。以单相逆变器为例，图3.

49、2给出了这三种逆变型式的拓扑结构。三种结构各有 优缺点：半桥电路的缺点是电压利用率低，因为在半桥输出端两点上屯压波形幅值仅为 直流母线屯压值的一半，即Ud/2o但在半桥式屯路屮，可以利用两个大电容充放屯 之间长短的不同，口动补偿不对称波形的，这是半桥电路特有的一大优点。全桥式电路和推挽式电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路人一倍，这是其最大的优点。但是他们存在变压器直流不平衡问题，这可以通过在控制系统屮采 取措施得到解决。（8）半桥式（b）金桥式图3. 2逆变器的三种拓扑结构（4）缓冲屯路原理介由于在T作过程中IGBT开关速度快，开关频率高，关断过程中1GBT的C、E 两极有可能会产生危险的

50、过电压，若它的电压尖峰超过器件的电压额定值，将瞬间 烧毁器件，即电压击穿。在关断故障电流的时候，最容易产生电压击穿现象，因为 在这种情况下将出现很大的屯流下降率。主电路图屮与开关管和续流二极管并联的 R、D、C组成的电路的主要作用就是消除开关元件状态转换过程中所产生的尖峰电 压（即开关过电压），而且可以避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，同时还将部 分开关损耗转移到吸收电路里来，从而减轻了开关元件的功率损耗。这样的电路称 为关断吸收缓冲电路（Snubbcr）o本逆变器所选用的为简化形式的Jung关断缓冲电路，该缓冲电路在人电流逆变 器屮广泛使用，其屯路图如图3.3所示，在该缓冲电路屮，功率管VT

51、1导通和关断 过程如下：图3. 3 缓冲电路-VT1导通进入稳态后，VT1流过负载电流, t/q=O, Uc2 = Ud ；给VT1施加关断控制信号后，VT1转入恢复阻断能力过程。由于电路中寄生 电感的存在，负载电流匚不能突变，VT1集射极电压升高，0导通，部分负载电流 转移为G的充电电流，VT1 电流减少。VT1完全恢复阻断能力，集射极电压高于Ud, 0正向偏置，由于延时作用未 能导通，G仍过充电而流过负载电流匚，同时导通，直流母线对C?过充电。G和C?仍过充电，q开始续流，负载电流匚开始由上桥臂向下桥臂换流；2实现完全续流，2仍然导通，G和C2上过充电能量经R能耗，部分冋馈 到直流母线；G

52、和C?放电完毕，负载电流匚全部流过2。此时进入续流稳态，UC = UC2 = Ud o当VT1再次导通时，首先VT1与2间进行换流，VT1上电流增大，2上电 流减小，同时还存在两个电流回路，一个是G、Q和vti构成的g的放电回路； 另一个是直流母线、限流电感厶、VT1、c2和G构成的G放电而C2充电的冋 路，在此工作状态F, VT1上会出现最人电流；最后VT1与0间的换流结束，G放电结束，t/q=0, C2过充电的能量经R 部分损耗，部分冋馈到直流母线，这时VT1上流过负载电流匚，C/c,=0, UC2 = Ud.该关断缓冲电路中功率管VT2的导通即关断过程如下：VT2导通后进入稳态，VT2流

53、过负载电流匚，Uc、= Uc2 = Ud ；给VT2施加关断控制信号后，VT2转入恢复阻断能力过程。由于电路中寄生 电感的存在，负载电流匚不能突变，VT2集射极电压升高，Q导通，VT2上电流减 小，部分负载电流转移为G的放电电流，此放电电流一部分为C?过充电流，另一 部分经R流过，在R上产生损耗，同时向直流母线回馈能量；VT2完全恢复阻断能力，集射极电压高于Ud,卩正向偏置，由于延时作用未 能导通，C|放电或反向充电而流过负载电流J , C?仍过充电，R上仍有电流回馈入 直流母线；开始续流，负载电流匚开始由下桥臂向上桥臂换流。G仍放电或反向充电 而流过部分负载电流匚，G仍过充电，R上仍有电流回

54、馈流入直流母线；0实现完全续流，6导通，G上反向充得得能量经u、 G构成放电冋 路放掉，C2过充的能量经R部分消耗，部分冋馈到直流母线； G和G放电完毕，负载电流匚全部流过0。从而进入p续流稳态，此时 U(： =0,Uc2 =Ud；当VT2再次导通时，首先VT2与卩间进行换流，VT2上电流增大，0上屯流 减小；同时0导通，直流母线、限流电感厶s、2、G、2构成的回路对G充电, 最后进入稳态，VT2流过负载电流J, Uc =U(2 =Ud。此种缓冲电路当VT1关断时阻尼电容为C,VT2关断时阻尼电容为G和C2串连, 要保证VT1和VT2的关断能力基本相同，则要求的容量尽量人，一般C?应比G人 1

55、0倍以上。该电路的优点是：功率管关断损耗能转移到吸收电路上，且可有效地抑 制浪涌电压，储能人部分先转移到C2,然后一人部分回馈到直流母线，G储 能一小部分消耗在R,缓冲电路能耗相当小，仅为G储能的C|/(C| + C2)。隔离变圧器变比的选择由于三相不控整流后的直流母线电压值为：其中6“为输入电压有效值。之后考虑死区、滤波电感上的压降和管压降的影响10%, PWM波的基波电压有效值为:(3-3)(3-4)U、= 0.9 x 514.8V =463.329由于输出电压有效值为115V,因此选取降压变压器，其变比为:“2实际选用K=4.主开关器件的选择设备技术指标中要求逆变器能承受150%额定负载

56、2分钟，此时变压器的付方 电流为： TOC o 1-5 h z P = 1OXCOS0 = 10 x0.8 = SkW(3-5);_PsM_ = 26Acf 2t/2cosI2 = J(1.5x，2)2 + = 50.7A(3-7)变压器原方电流峰值为：Im =2ljK = 7.9A(3-8)考虑IGBT开通时，在二极管反向恢复时间Az = 0.2内，将产生一个上下共通 的尖峰电流，在空心电感L. = 2/H时，产生的电流冲击为：(3-9)込 514.7x0.2亠5胁02 pH所以开关管的电流峰值为：(3-10)IT =17.9 + 51.47 = 69.37/1另外考虑并联缓冲引起的附加电流

57、，最后选择100A的IGBTo4控制电路的设计本装置控制系统方框图如图3. 4所示。图3. 4 控制方框图控制电路主要包括基准正弦波发生器、PI调节器、SPWM信号产生电路、死区设 置电路等。下面对每一个部分作详细的介绍。（1）标准正弦波发生电路图3.5标准止弦波发牛电路电路原理图如图35所示。在EPR0M2732屮存放一个周期正弦波数据,Dl(CD4040) 将标准止弦扫描频率变成地址扫描信号送到EPR0M2732的地址线上，将EPR0M2732 屮存放的数据依次送到D/A转换器DAC0832,由DAC0832将这些数据转换成模拟信 号(正弦波)，再经运算放大器LF356处理后变成正负对称的

58、标准正弦波SINEo正 弦波幅值大小由给定信号Vc决定，给定信号控制系统调节器的输出。死区设置电路设置死区的原因开关元件的状态转换，不可能在瞬间完成，都要经过元件的开关时间才能完成 状态转换。元件关断时，要经历元件的关断时间Q之后，元件才能进入稳态截止, 完成关断过程的转换；元件开通时，也耍经历元件的开通时间匚，才能完成开关过 程的转换。PWM逆变器的上、下桥臂开关的工作逻辑，即驱动信号的逻辑关系p咖， 从宏观上说是互补关系，上桥臂开通时，下桥臂是关断的。反之，下桥臂开通时， 上桥臂是截止的。很明显，如果上、下桥臂的驱动信号是这种严格的互补倒相关系 的话，那么在上、下桥臂开关状态转换时，就会产

59、生上、下桥臂直通的现象。因此 上下桥臂的驱动信号一定要设置一定死区时间。图3. 6 PWM逆变器的上下桥臂及驱动波形如图3. 6中所示的即为死区时间。也是就说当VT1关断后，VT2要经历则 这样的一段时间后才导通，从而避免上下桥臂发生直通现象。死区时间数值的大小, 与开关元件的开关时间f曲有关，而元件的加与负载的性质有关，与开关元件的工作结温有关，同时还与栅极隔离放大电路所产生的延迟有关，死区时间要大于关断 时间心。死区电路的设计如图3. 6所示，正弦波和三角波经过交截电路Z后变成PWM调制波（如图3. 7a 点所示），之后这一信号通过非门变成严榕互补的两路信号，一路都经由RC积分电 路，变成

60、如图3. 7c点所示波形，另一路也经由RC积分电路，到达b点时的波形与 c点相反，之后两路互补信号再经由4538单稳触发器和三与门，变成为具有一定死 区时间的驱动信号，如图3. 7屮4073 （9、10）脚所示。死区时间由RC积分电路的 时间常数确定。本装置设置的死区时间约为5“$。图3. 8 各点波形PI调节电路和瞬时波形反馈环节如图39所示，输岀交流电压反馈经过全桥整流滤波后，得到直流电压作为平 均值反馈。进入P1比例积分调节器，与给定的电压平均值进行调节，输出结果作将逆变器输出交流电压反馈与标准正弦波相比较，取其误差经放人形成误差正 弦波送至SPWM形成电路去控制并校正逆变器输出电压的波