单相中频逆变机数字控制及并联研究

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1、单相中频逆变机数字控制及并联研究1绪论1.1中频逆变器研究背景400Hz中频电源常见的产生方式包括旋转电机式和静止式。早期的中频电源大多采用的是旋转发电机组，通过油机或电动机对拖中频发电机的方法产生中频交流电，这样的做法存在着不少的缺点：体积、重量和噪音大；设备老化快，维修率高；功率因数低，电能转换效率低等。随着现代电力电子技术的迅速发展，基于电力电子变换器的静止式变流器技术已日趋成熟。与传统的旋转电机式相比，静止式电源的电能转换效率更高，经济技术指标更好，体积、重量和噪音也相对更小[1]。因此，静止式中频电源

2、已经成为当前国内外中频供电系统研究的主流方向，并在市场份额上占据了主导地位。随着我国航空工业、船舶机车行业的快速发展，开展中频逆变电源系统的关键技术研究是当前比较迫切的课题，具有重要的经济意义和广泛的应用前景。中频电源与工频电源的主要区别在于它们的输出基波频率不同，导致其在控制上存在着一些不同于目前研究最多的工频逆变电源的特点与难点，主要体现在：(1)输出电压基波频率高，频率调制比低。由于输出电压基波频率为400Hz，远高于一般的工频逆变器，而开关频率又受到各种因素的制约不能很高，因此控制器的带宽非常有限。这不

3、仅会导致输出电压谐波含量增加，而且现有一般控制方法已无法保证输出波形质量和动、静态性能，增大了控制器设计的难度。(2)输出电压低，电流大。中频逆变器的输出电压有效值为115V,在相同功率条件下，输出电流是工频逆变器的一倍。为保证逆变器工作的可靠性与效率，开关频率不宜过高，从而给逆变器输出波形质量的控制带来困难。(3)数字控制带来的延时影响大。在数字控制中，由于采样、算法执行等需要一定时间，P波形的更新往往需要滞后一个开关周期。此延时在400Hz系统中引起的相位滞后是50Hz系统的8倍，严重影响系统的稳定性，闭环

4、设计时必须加以考虑。(4)输出电压中包含的三次谐波频率为1.2kHz，五次谱波频率为2kHz,想要通过闭环控制来抑制低次谐波含量是比较困难的。1.2逆变器控制研究现状静止式逆变器的发展经历了由低频相控到高频P控制，半控型器件到全控型器件的阶段[2_3]。现代逆变器主要有方波逆变器和正弦波逆变器，随着功率MOSFET、IGBT等全控型器件的出现和DSP、FPGA等高速数字可编程芯片的推广，以输出电压正弦化的SP逆变器及其控制技术成为了当今研究的热点。1.2.1数字控制与模拟控制逆变器的控制可以由模拟电路或者数字电

5、路实现，早期的传统逆变器一般都采用模拟电路。但是模拟控制器存在着硬件成本高、升级换代困难、元件老化和热漂移问题、监控功能有限和可靠性低等弊端，已逐渐被数字控制所取代。随着电子信息技术的不断发展，单片机、DSP和FPGA等新系统不断涌现，.逆变电源的数字化控制已经是大势所趋。特别是TI公司推出的DSP，由于其较高的性价比、处理速度快、处理精度高和众多的外围设备等特点，在电力电子行业得到了广泛的运用[4]。逆变电源采用数字控制，具有控制灵活、控制算法升级方便，可靠性高、系统维护方便，易于模块化，硬件成本低等优点[5

6、]。随着微机芯片运算速度和存储器容量的不断提高，越来越多先进的控制策略得以运用在逆变电源的控制中。尽管数字控制仍存在着采样计算延时、量化误差等问题，但不可否认的是数字化已经成为逆变器控制的一个必然的发展方向。本文所研究的中频逆变器采用的是数字控制方法，并对其带来的延时做了必要的分析。2单相逆变器控制方案分析与设计在控制工程中进行理论分析和实验研究的基础，是要对系统建立一个准确的数学模型。本章首先分析了单相电压型PVM逆变器的数学模型，并简要介绍了单极性倍频控制技术和逆变器空载幅频特性。随后针对中频逆变器控制的

7、难点，提出了负载电流前馈的电压电流双闭环PR控制的控制策略，并利用谐振控制器的交流无静差特点在电流环加入低次谐波补偿环节以抑制输出波形的畸变。根据根轨迹法和频域分析，在空载条件下给出了闭环系统中控制器的设计方法。最后通过仿真比较有无负载电流前馈、PI和PR控制等不同控制方法时的输出稳态和动态波形，验证了该控制策略的正确性和有效性。2.1逆变器工作原理分析本课题采用单相全桥拓扑的电压型逆变器，基本的控制方法是目前运用最为广泛的正弦脉冲宽度调制（SinusoidalPulseodulation)技术，主电路拓扑见图

8、2.1。图中是直流母线电压，Vab是逆变器输出电压，V。是逆变器输出电压，滤波电压L和滤波电容C构成低通滤波器，it是流过电感的电流，ic是电容电流，i。是负载电流。电阻r为滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开光导通压降等因素的等效电阻。全桥逆变电路通过控制两个桥臂上的四个开关管S1-S4的通断，实现直流电到交流电的转变。与半桥电路相比，其直流电压利用率更高，可实现的控制方法更加的灵