單相中頻逆變機(jī)數(shù)字控制及并聯(lián)研究

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1、單相中頻逆變機(jī)數(shù)字控制及并聯(lián)研究1緒論1.1中頻逆變器研究背景400Hz中頻電源常見的產(chǎn)生方式包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)式和靜止式。早期的中頻電源大多采用的是旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組，通過油機(jī)或電動(dòng)機(jī)對(duì)拖中頻發(fā)電機(jī)的方法產(chǎn)生中頻交流電，這樣的做法存在著不少的缺點(diǎn)：體積、重量和噪音大；設(shè)備老化快，維修率高；功率因數(shù)低，電能轉(zhuǎn)換效率低等。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，基于電力電子變換器的靜止式變流器技術(shù)已日趨成熟。與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)式相比，靜止式電源的電能轉(zhuǎn)換效率更高，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)更好，體積、重量和噪音也相對(duì)更小[1]。因此，靜止式中頻電源

2、已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外中頻供電系統(tǒng)研究的主流方向，并在市場(chǎng)份額上占據(jù)了主導(dǎo)地位。隨著我國航空工業(yè)、船舶機(jī)車行業(yè)的快速發(fā)展，開展中頻逆變電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究是當(dāng)前比較迫切的課題，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和廣泛的應(yīng)用前景。中頻電源與工頻電源的主要區(qū)別在于它們的輸出基波頻率不同，導(dǎo)致其在控制上存在著一些不同于目前研究最多的工頻逆變電源的特點(diǎn)與難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：(1)輸出電壓基波頻率高，頻率調(diào)制比低。由于輸出電壓基波頻率為400Hz，遠(yuǎn)高于一般的工頻逆變器，而開關(guān)頻率又受到各種因素的制約不能很高，因此控制器的帶寬非常有限。這不

3、僅會(huì)導(dǎo)致輸出電壓諧波含量增加，而且現(xiàn)有一般控制方法已無法保證輸出波形質(zhì)量和動(dòng)、靜態(tài)性能，增大了控制器設(shè)計(jì)的難度。(2)輸出電壓低，電流大。中頻逆變器的輸出電壓有效值為115V,在相同功率條件下，輸出電流是工頻逆變器的一倍。為保證逆變器工作的可靠性與效率，開關(guān)頻率不宜過高，從而給逆變器輸出波形質(zhì)量的控制帶來困難。(3)數(shù)字控制帶來的延時(shí)影響大。在數(shù)字控制中，由于采樣、算法執(zhí)行等需要一定時(shí)間，P波形的更新往往需要滯后一個(gè)開關(guān)周期。此延時(shí)在400Hz系統(tǒng)中引起的相位滯后是50Hz系統(tǒng)的8倍，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，閉環(huán)

4、設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。(4)輸出電壓中包含的三次諧波頻率為1.2kHz，五次譜波頻率為2kHz,想要通過閉環(huán)控制來抑制低次諧波含量是比較困難的。1.2逆變器控制研究現(xiàn)狀靜止式逆變器的發(fā)展經(jīng)歷了由低頻相控到高頻P控制，半控型器件到全控型器件的階段[2_3]。現(xiàn)代逆變器主要有方波逆變器和正弦波逆變器，隨著功率MOSFET、IGBT等全控型器件的出現(xiàn)和DSP、FPGA等高速數(shù)字可編程芯片的推廣，以輸出電壓正弦化的SP逆變器及其控制技術(shù)成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。1.2.1數(shù)字控制與模擬控制逆變器的控制可以由模擬電路或者數(shù)字電

5、路實(shí)現(xiàn)，早期的傳統(tǒng)逆變器一般都采用模擬電路。但是模擬控制器存在著硬件成本高、升級(jí)換代困難、元件老化和熱漂移問題、監(jiān)控功能有限和可靠性低等弊端，已逐漸被數(shù)字控制所取代。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)、DSP和FPGA等新系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，.逆變電源的數(shù)字化控制已經(jīng)是大勢(shì)所趨。特別是TI公司推出的DSP，由于其較高的性價(jià)比、處理速度快、處理精度高和眾多的外圍設(shè)備等特點(diǎn)，在電力電子行業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用[4]。逆變電源采用數(shù)字控制，具有控制靈活、控制算法升級(jí)方便，可靠性高、系統(tǒng)維護(hù)方便，易于模塊化，硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)[5

6、]。隨著微機(jī)芯片運(yùn)算速度和存儲(chǔ)器容量的不斷提高，越來越多先進(jìn)的控制策略得以運(yùn)用在逆變電源的控制中。盡管數(shù)字控制仍存在著采樣計(jì)算延時(shí)、量化誤差等問題，但不可否認(rèn)的是數(shù)字化已經(jīng)成為逆變器控制的一個(gè)必然的發(fā)展方向。本文所研究的中頻逆變器采用的是數(shù)字控制方法，并對(duì)其帶來的延時(shí)做了必要的分析。2單相逆變器控制方案分析與設(shè)計(jì)在控制工程中進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，是要對(duì)系統(tǒng)建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。本章首先分析了單相電壓型PVM逆變器的數(shù)學(xué)模型，并簡要介紹了單極性倍頻控制技術(shù)和逆變器空載幅頻特性。隨后針對(duì)中頻逆變器控制的

7、難點(diǎn)，提出了負(fù)載電流前饋的電壓電流雙閉環(huán)PR控制的控制策略，并利用諧振控制器的交流無靜差特點(diǎn)在電流環(huán)加入低次諧波補(bǔ)償環(huán)節(jié)以抑制輸出波形的畸變。根據(jù)根軌跡法和頻域分析，在空載條件下給出了閉環(huán)系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)方法。最后通過仿真比較有無負(fù)載電流前饋、PI和PR控制等不同控制方法時(shí)的輸出穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)波形，驗(yàn)證了該控制策略的正確性和有效性。2.1逆變器工作原理分析本課題采用單相全橋拓?fù)涞碾妷盒湍孀兤?，基本的控制方法是目前運(yùn)用最為廣泛的正弦脈沖寬度調(diào)制（SinusoidalPulseodulation)技術(shù)，主電路拓?fù)湟妶D

8、2.1。圖中是直流母線電壓，Vab是逆變器輸出電壓，V。是逆變器輸出電壓，濾波電壓L和濾波電容C構(gòu)成低通濾波器，it是流過電感的電流，ic是電容電流，i。是負(fù)載電流。電阻r為濾波電感L的等效串聯(lián)電阻、死區(qū)效應(yīng)、開光導(dǎo)通壓降等因素的等效電阻。全橋逆變電路通過控制兩個(gè)橋臂上的四個(gè)開關(guān)管S1-S4的通斷，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)變。與半橋電路相比，其直流電壓利用率更高，可實(shí)現(xiàn)的控制方法更加的靈