【单相SPWM逆变电源原理及控制策略概述5700字】

单相SPWM逆变电源原理及控制策略概述目录TOC\o"1-3"\h\u28041单相SPWM逆变电源原理及控制策略概述 1315071.1逆变电源的工作原理 1691.1.1单相电压型半桥逆变电路 2234081.1.2单相电压型全桥逆变电路 3279281.2系统控制策略 4256851.1.1SPWM技术 4309631.1.2SPWM波调制方式 439081.1.3SPWM波产生方法 6179851.1.4数字PI算法 741411.3逆变电源的主要技术指标 91.1逆变电源的工作原理逆变电源是用来实现DC-AC变换的电子装置。跟所有其它类型的电子装置一样，逆变电源利用一组电子开关来实现电能形式的转换。图2-1是其工作原理的一个抽象描述。图2-1用电子开关实现DC-AC变换在图2-1中，当开关S1和S4导通且开关S2和S3关断时，输出端可获得正的瞬时电压，而当开关S2和S3导通且开关S1和S4断开时，输出端即可得到为负瞬时电压。因此可以通过以特定频率打开两组开关来将DC电压转换为AC电压。不管是特定类型的逆变电源还是其他类型的电力电子转换器，实现电能转换的基本方法是通过电子开关的快速开关控制来改变电压（或电流）的极性和幅度[17]。仅通过按照图2-1中所示的方法进行控制，就只能获得方波交流电压输出，谐波含量大，并且幅值无法调整。如果输出电压波形有严格的要求，则可以通过采用PWM技术来进行控制，从而达到获得理想波形的目的。根据采样控制理论，将具有相同脉冲（幅度与时间积分）的窄脉冲添加到惯性环节，也具有基本相同的效果。如果将形状不同但冲量相等的窄脉冲电压激励信号施加于具有惯性的对象如低通滤波器时，输出端得到的电压响应基本相同，其差别仅表现在高频成分上[14]。SPWM基于PWM，并将预期的输出正弦电压波形想象为一组等宽和不等幅的段，然后调制成一组与等幅和不等宽（即脉宽调制）脉冲相对应的脉冲。从而在经过滤波器后，得到满足要求的正弦电压波形。这样的脉冲很容易通过控制电子开关来实现。1.1.1单相电压型半桥逆变电路单相半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个功率开关器件和一个二极管构成，在直流测接两个串联的电容，两个电容的联结点是电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间，如图2-1所示。图2-2单相半桥电压型逆变电路半桥逆变电路的功率开关元器件少，结构简单，但主电路交流输出的电压幅值仅为直流电压的一半，在同等容量下，其功率开关的额定电流为全桥逆变电路中的功率元器件额定电流的2倍，由于分压电容的作用，该电路还具有较强的抗电压输出不平衡能力。单相半桥逆变电路结构如图2-2所示，其工作原理如下。VT1和VT2互补，栅极信号各半周正偏、半周反偏，u0为矩形波，幅值为Um=Ud/2，i0波形随负载而异，感性负载时的工作波形如图1-5(b)所示。VT1或VT2导通时，i0和u0同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2导通时，i0和u0反向，电感中储能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，它们使i0连续，又称续流二极管。单相电压型半桥逆变电路的优点：电路结构简单，使用元器件少。单相电压型半桥逆变电路的缺点：交流电压幅值仅为Ud/2，直流侧需两个电容器串联，要控制两个电容器电压的均衡。单相电压型半桥逆变电路广泛应用于几千瓦以下的小功率逆变器，而单相电压型全桥、三相桥式都可看做若干个电压型半桥逆变电路的组合。1.1.2单相电压型全桥逆变电路全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，在直流电压和负载相同的情况下，与半桥相比多了一对桥臂，单相电压型全桥逆变电路使用了4个功率开关元器件，开关端电压为Ui，在相同的直流输入电压下，其最大输出电压是半桥逆变电路的2倍。这就意味着在输出相同功率的情况下，全桥逆变电路输出电流和通过开关元器件的电流均为半桥逆变电路的一半，但驱动电路相比比较复杂。全桥逆变电路如图2-3所示。图2-3单相全桥电压型逆变电路全桥逆变电路为两个半桥电路的组合；VT1和VT4为一对桥臂，VT2和VT3为另一对桥臂，成对的桥臂同时导通，交替各导通180o，u0波形同图1-5（b）所示半桥电路的u0，但电压幅值增加一倍，即Um=Ud，i0波形和图1-5（b）中的i0相同，电流幅值增加一倍，单相全桥逆变电路的应用广泛。1.2系统控制策略1.1.1SPWM技术在当前的单相逆变器电源中，最常用也是最适合调试方法是正弦脉冲宽度调制（也就是SPWM）。SPWM调制方法基于PWM（脉冲宽度调制），它将正弦波采用不同宽度的方波来进行等效。调制后SPWM波经过低通滤波器进行滤波处理后，即可以输出符合幅值、相位及频率都相同的具有正弦规律的波形。在图2-2中所示，将正半周期的正弦波在X轴（时间轴）上分成若干等份，这些分成的每部分对应的时间相同但是对应的幅值不同，因此正弦波将由若干个脉冲序列组成。脉冲的幅值变化与正弦波相同。它是一种SPWM波，通过使用面积相等原理将矩形脉冲的中点与脉冲序列的中点进行匹配，根据正弦规律得到需要的具有相同幅度和可变宽度的矩形脉冲[26]。图2-2SPWM波形原理图根据上述理论分析，可以将SPWM波转换为PWM波，通过PWM来实现SPWM波，当需要改变输出电压的幅值时，可以将SPWM波的宽度根据需要进行调整，可以将具有不同占空比的方波通过单片机进行传输，最后实现了SPWM波。1.1.2SPWM波调制方式在目前主要采用调制法作为SPWM信号的产生方式，调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把需要接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所需的SPWM波[21]。调制法具有适用范围广等优点，在调制法中经常使用锯齿波或者三角波作为载波，且使用最多的为三角波[22]。以典型的单相全桥电压逆变电路为例，按照SPWM调制方式，常使用的调制方式有：单极性三角波调制法及双极性三角波调制法[22]。单相全桥电压逆变电路如图2-3所示。图2-3单相全桥电压逆变电路（1）单极性三角波调制法在单极性三角波调制模式是指在输出波形的半个周期中，电桥的同一桥臂上的两个功率开关管只有一个处于切换状态，另一个则一直处于关断状态，因此输出波形在半个周期内始终只有一个极性。如图2-4中的单极性调制波形所示，参与调制的三角载波的极性不变。在正弦波处于的X轴（时间轴）上方时，功率开关管Q2和Q3处于截止状态，并且当调制波的值大于载波的值时，输出高，此时输出脉冲信号通过驱动电路使功率开关管Q1和Q4导通，当调制波的值小于载波的值时，输出为低，输出脉冲信号通过驱动电路断开功率开关管Q1和Q4。同样，在正弦波处于的X轴下方时，采用相同的方法进行比较，从而得到负向的PWM波形，因此PWM脉冲序列始终在单个极性范围内变化，这种调制方法就是单极性三角波调制方法。图2-4单极性三角波调制波形图（2）双极性三角波调制法在双极性三角波调制方法中，获得的是在正弦波的半个周期内在正负范围内变化的PWM脉冲波形,这就会使同一桥臂的上下两个开关管交替导通，因此在任何半个周期内，输出电压波形可以同时具有两个极性。这意味着PWM脉冲序列可以在两个范围内变化。这种调制方法称为双极三角波调制方法。双极性调制波形如图2-5所示。图2-5双极性三角波调制波形图综上所述，通过比较两种SPWM调制方法，单极性调制方法产生的SPWM波中的高次谐波分量更小，谐波抑制特性更好，同时通过比较得出单极性调制引起的开关损耗也比双极三角波调制方法要低。因此，本文中的SPWM调制使用单极性三角波调制。1.1.3SPWM波产生方法目前，SPWM波的生成主要有2种方式，一种是采用模拟电路或专用集成电路(包括模拟/数字混合电路)的方式，用模拟电路来构成三角波发生器和正弦波发生器,然后通过比较器确定两者的交点,在交点时刻对开关管的通断进行控制来得到需要的SPWM波。模拟电路的实时性好,但其电路结构复杂,调试量大,难以实现精确控制。一种是通过微型计算机软件(包括单片机、数字信号处理器等)来生成。随着计算机技术的不断发展，SPWM波通过软件生成变得容易，该方法不但简单，而且实用性强，易于控制，并且根据不同要求通过编制不同的软件程序就可以获得相应的调制脉冲。软件生成法可以有自然采样法和普通采样法两种方法来实现。（1）自然采样法自然采样方法是调制正弦波的幅值，使其与三角载波相交，以在控制周期内获得宽度变化的脉冲，并且脉冲的中心不是等距的。尽管通过自然采样方法获得的波形失真度低且质量非常好，但是由于需要计算的方程非常麻烦并且可控性相对较差，因此应用范围受到限制。通常仅用于纯硬件逆变电源。（2）规则采样法规则采样法是在自然采样法的基础上得出的，取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。与自然采样法相比，规则采样法的计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。在规则采样法中有两种采样方法，即对称规则采样法和不对称规则采样法。在不对称规则采样法中，一般情况下ton1≠ton2，因此在一个采样周期内的脉冲波形对于中点是不对称的。如果ton1=ton2，此时脉冲波形对于中点是对称的，则称为对称规则采样法。对称规则采样法和不对称规则采样法的变换器的开关频率是相同的。不对称规则采样法的原理如图2-6所示。图2-6不对称规则采样法原理1.1.4数字PI算法在逆变电源输出环节中，如果不进行反馈而采用开环，当用电设备的负载发生变化时，输出电压无法根据输出情况自动进行调节，因此将造成输出电压无法稳定，因此输出电压必须要通过反馈来进行闭环控制。(1)增量型PI控制算法的实现在控制系统中，系统的偏差值e(t)约为：et式中：r(t)为系统的给定值；c(t)为系统的实际输出值。通过计算可得到控制量为系统的偏差值e(t)的比例P和积分I的函数，其对应公式为:ut=Kp式中：KP为比例调节系数；Tl为积分时间常数；u(t)为系统控制量。PI控制算法的离散表达式为：uk式中：u(k)为采样点第k次的控制量；e(k)为采样点第k次的偏差值；Kl为积分系数。在增量式PI算法中，控制增量为∆uuk通过式2-3式2-4，可得增量式PI控制算法表达式为：∆uk=Kpe为实现软件编程，将式2-5改写为：∆u其中：A=Kp+在公式中，当得到比例系数Kp和积分系数Kl的值后，计算出ek和e由于在增量式PI控制算法中，系统只能获取控制增量∆uk，因此在通过软件实现控制算法时，需要通过公式∆1.3逆变电源的主要技术指标对于逆变电源来说，主要技术性能指标有额定输出电压、额定输出频率、负载功率因数、额定输出电流、逆变电源效率、保护功能等。逆变电源的主要技术性能指标如下：（1）额定输出电压。直流输入电压在规定允许的变动范围内输出额定电流时，逆变电源输出的电压必须稳定并在规定的范围内。逆变器电源的输出电压的稳定性代表了逆变电源稳定输出电压的稳定能力。大多数逆变电源产品会在输入的允许波动范围内提供逆变电源输出电压偏差的百分比。（2）额定输出频率。在指定条件下，逆变电源输出的交流电压的频率稳定的值，在国内通常为50Hz。频率偏差会降低电气设备的性能，因此输出频率的偏差应在控制在1%。（3）负载功率因数表示具有电感性或电容性负载的逆变器电源的能力，在正弦波条件下，负载功率因数为0.7至0.9（延迟），额定值为0.9。逆变器电源产生的电流和电压之间的相位差的余弦值就是功率因数。对于阻性负载，功率因数为1，但是对于感性负载（系统中的常见负载），功率因数会下降，有时可能会小于0.5。功率因数由负载决定，而不是由逆变器电源决定。对于特定的负载功率，如果逆变器电源的功率因数较低，则所需逆变器电源的容量会增加，这一方面增加了成本，而且增加了交流电路的视在功率。另一方面，回路电流增加，损耗不可避免地增加，并且系统效率也降低。（4）额定输出电流。变频器应在规定的输出频率下输出的额定电流值，负载功率因数为额定输出容量。某些逆变器电源产品提供额定输出容量，并以VA或kVA表示。当输出功率因数为1时，逆变器电源的额定输出容量是额定输出电压和额定输出电流（即纯电阻负载）的乘积。（5）逆变器电源的效率是指在规定的工作条件下输出功率与输入功率之比，通常用百分比表示，逆变器电源的效率在很大程度上取决于负载。逆变器电源的效率值指示其自身功率损耗的大小。（6）保护功能。高性能逆变器电源必须具有完整的保护功能或措施，以应对实际使用中的各种异常情况，以保护逆变器电源本身和系统的其他部分免受损坏。在太阳能系统正常运行期间，由于负载故障，操作员故障和外部干扰，可能会导致电源系统中出现过电流或短路。逆变器电源对外部电路中的过电流和短路现象最敏感，并且是太阳能系统中的薄弱环节。因此，逆变器电源必须具有过压保护，欠压保护，过流保护，短路保护和过热保护。1）过电压保护：如果逆变器电源的输入端子是电池组，则当电池过充电