改善中频逆变器输出特性的研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1中频逆变电源概述优质的电能是工业、科学进步的一个基础。而一般说来，电能主要有直流电与交流电。蓄电池直接输出的电能即为直流电，而一般火力、水力发电厂通过汽轮机或者水轮机输出的电能即为交流电。而一般情况下，不会直接的使用诸如火力发电厂发出的电能，需要进行电能的变换，这个比例据统计可达到70%。电力电子装置正是将电[2][1-3]能进行变换的基础设备。其中逆变器的正是将直流电变换为交流电输出的装置。在航空航天、舰船、雷达、石油、冶金、通信交换机等对体积和重量要求较为苛刻的领域中

2、，往往需要一种输出电压频率为150Hz-20kHz范围内的交流电源，一般称这种电源为中频电源，当输出电压的频率为400Hz时，即称之为400Hz中频电源。当采用电力电子装置通过逆变变换来实现这种电源时，称为静止式中频电源，核心环节[6]即为中频逆变器。本文研究为输出400Hz的交流电源，其基波频率比我们日常所用的工频电源频率高很多。基波频率的提高，设计输出滤波器的时候，其截至频率就可以取得更高，这有利于滤波电感和电容取值的减小；基波周期减小，变压器的伏秒值即可以减小，变压器的体积也会减小，所以整个逆变系统的

3、无源器件的体积与重量将会大大减小，即整个电源系统可以变小，变轻。此外采用400Hz逆变电源供电时，感应电机转速也可相应的提高。综合上述原因，400Hz电源已成为航空航天、舰船等中频电源系统的标准。我们称无论负载发生变化或者直流输入电源变化时，输出电压幅值与频率均不会变动的逆变装置为CVCF逆变器，而中频CVCF逆变器作为整个静止式400Hz中频电源核心环节，其控制性能直接决定整个电源品质，包括输出电压稳态精度、输出频率精度、输出电压波形质量、瞬态恢复时间和响应时间等指标。本文的研究对象为400Hz中频CVC

4、F逆变器。以往逆变器的控制采用模拟电路完成，但是模拟控制的硬件成本高，且模拟器件易老化及存在温漂的现象，采取模拟电路的控制，逆变器的监控功能有限，当逆变器发生故障时，仅能出现声光报警现象。但随着高速数字信号处理器（DSP）的发展，逆变器的控制方案由模拟控制向数字控制技术方向发展，且更易实现智能化的控制。[5]相比于逆变器的模拟电路控制方案，数字控制具有以下的优势：控制方案灵活，1华中科技大学硕士学位论文甚至可以实现很多智能控制方案；减小器件数目，有效减小逆变器体积与重量，提高功率密度与系统可靠性；提高系统的

5、一致性，系统维护简便，升级快速；系统的更新换代容易，控制成本降低。虽然数字控制相对于模拟控制存在诸多的优势，采用全数字控制存在以下几个问题：数字控制离散化过程中，采用和量化误差及离散化方法的影响会影响逆变器性能；数字处理器出现的延时，即控制计算和驱动信号形成过程中的延时同样会导致控制性能较采用模拟控制变差。但是总的来说，数字控制应是中频逆变器控制方案进步的一个方向，本文中所有控制方案的实现均由DSP芯片写入程序完成。1.2中频逆变电源波形控制技术中频逆变电源由于其特殊的应用场合，往往对波形质量要求都比较高，

6、不但要求稳态电压精度高，谐波含量小，还要求具有快速的响应能力。一种将逆变器输出波形正弦化的有效方法即采用SPWM调制策略，其基本思想基于冲量等效原理，实时调整逆变桥开关状态使得输出波形与正弦波形冲量等效，后只需经LC滤波即可得到谐波含量小的正弦电压波形。对于理想的SPWM逆变器，其造成波形畸变原因即输出电流谐波在逆变器输出阻抗上形成的谐波压降。中频逆变器装置如何获得高质量的输出电压波形，自然而然的想法是降低逆变器的输出阻抗，一种无源的方法即通过提高开关频率来减小滤波电感与电容，但该方法在中大功率的应用场合并

7、不适用，且实际效果也不会很好。另一种针对低次谐波给每次谐波均设计相应的LC陷波电路，但显然此时滤波器的体积重量将会很大，也不适用。这个时候，有源的方式即采用控制算法降低逆变器输出阻抗的方法是最为有效且实用的，前人已在这方面做了很多研究，下面将一一归纳：[7][8]（1）单闭环PID控制单闭环控制中，最经典的为PID控制，其控制算法简单，易实现且鲁棒性强，适用于逆变器波形控制。但是PID控制具有较好的动态响应速度，且谐波含量也较小，但PID控制对于正弦信号的跟随是具有一定误差的，故表现即输出电压的稳态精度较差

8、，若想减小误差需增大积分项。随着DSP的出现，中频逆变器的瞬时值控制的数字化成为可能，但是空载状态下的逆变器具有很高的谐振峰，PID控制器中积分项更会引入相位滞后，又会影响系统的稳定性，且数字控制延时影响也会很大，故对于数字控制的PID控制参数设计将会非常困难。2华中科技大学硕士学位论文[9-11]（2）双闭环控制单闭环控制，在负载出现突变的时候，其控制效果并不能做的很好，主要原因为当负载出现扰动时，仅能通过电压