毕业论文---单相逆变电源的设计（含外文翻译）.doc

陕西理工学院本科毕业设计任务书 电气工程学院 院(系) 自动化 专业 084 班 学生 徐美惠 一、毕业设计题目单相逆变电源的设计 二、毕业设计工作自 2012 年 11 月 19 日 起至 2013 年 6 月 20 日止三、毕业设计进行地点:501-108 四、毕业设计内容：(1) 掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理；(2) 建立单相电压型逆变器的数学模型；(3) 完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析；(4) 完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究；(5) 完成单相电压型PWM逆变器系统仿真；(6) 完成系统调试，并对实验结果进行分析。指导教师 皇金峰 教研室 自动化教研室 教研室主任（签名） 批准日期 接受论文（设计）任务开始执行日期 学生签名 目录1绪论11.1 逆变技术的定义11.2 逆变技术的发展过程11.3 逆变技术的应用前景21.4 逆变技术存在的难点21.5逆变电源的发展趋势21.6 逆变器的分类31.7 逆变技术指标41.8 逆变器的单片机控制41.9 本文研究内容6本文研究的主要内容如下：62逆变电路62.1 逆变电路的基本工作原理62.2逆变电路的换流方式72.3 电压型逆变电路92.4 逆变电路的调制方式12三、系统组成及各部分原理133.1系统控制方案133.2 系统框图133.2.1主电路硬件结构及工作原理133.3 系统各级供电电源设计143.4 IGBT的特点及选取153.5 TMS320F2812 DSP简介153.5.1 DSP的概念153.5.3 A/D转化单元概述163.6 IGBT驱动电路183.7输出滤波器的设计193.7.1 滤波器的理论分析及参数选取193.8 闸管导通死区硬件电路设计203.9输出电压采样电路21四、PWM控制技术234.1 PWM控制的基本原理234.2 正弦脉宽调制的生成244.3规则采样法254.4 同步调制和异步调制264.5 TMS320F2812DSP PWM信号的产生275 系统数学模型与控制方案295.1系统数学模型建立295.2系统仿真315.3 闭环自动控制系统组成325.4 控制方案选择335.4.1单一控制方式的效果335.4.2 比例积分微分控制(PID)346 实验366.1 实验数据分析36 6.2 实验结果总结376.3 实验中硬件照片376.4系统的进一步设计及方向39参考文献41科技外文文献原文43致 谢50附录152单相电压型逆变电源设计总程序52第一章 绪论1.1 逆变电源基本概念 逆变就是将直流电能转化成交流电能的过程。近年来，随着电力电子技术和自动化水平及控制技术的发展，各行各业对电力的供给提出了更高的要求。提供稳定的、高可靠性的、高效率的、节能环保的电力供给就成为了能量领域研究的重点之一 。在目前已有的电源中，如蓄电池和太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要将直流电转变成交流电供负载使用。逆变器就是这种能进行电能转化的装置。 逆变器也称逆变电源，是太阳能、风力发电中一个重要部件。它能将直流电变为定频定压或调频调压交流电，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO 等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机等数字控制领域，使得SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法等等。各种现代控制理论如棒棒控制，自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。 随着信息处理技术的发展，尤其是计算机的广泛应用，供电系统的可靠性要求越来越高，因此对不间断电源（UPS）技术指标的要求越来越高。UPS的核心部分是一个恒压恒频逆变电源，也称为逆变器，由于传统模拟控制器需要使用大量的分立元器件，老化和温漂严重影响了系统的长期稳定性。而微机数字化控制技术填补了这一缺陷，同时增加了控制的方便性，提高了整个系统的稳定性和可靠性。本文设计了一种基于DSP控制的逆变电源.并在逆变电源设计中采用PWM控制方法，PWM技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管通断付出了很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使它应用到整流、逆变、直-直、交-交的所有四大类变流电路中。PWM技术在逆变带电路中的应用最具有代表性，可以说，正是由于PWM控制技术在这类电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。1.2 逆变技术的发展现状和发展趋势1.2.1 逆变电源的发展过程 1956-1980年为传统发展阶段。1956年，第一只晶闸管问世标志着电力电子学的诞生，在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。1961年，WMcMurrav与BDB edford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。1962年，AKemick提出了“谐波中和消除法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。1963年，EGTumbull提出了“特定谐波消除法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。1980到现在为高频化新技术阶段。20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心(VPEC)对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或部分谐振，这才使软开关与PWM技术的结合成为可能，并在DCDC变换器中普遍采用。软开关技术研究的最终目的是实现脉宽调制PWM(PulseWidth Modulation)软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关功能。为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持PWM逆变器的特点。PWM软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。1.2.2 逆变电源的发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势： (1) 高频化 提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。 (2) 高性能化 高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面:稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或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；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。 (3) 模块化 当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性.虽然现在已经能生产几千KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的变频电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，变频电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。 (4) 数字化 现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。 (5) 绿色化绿色电源的含义有两层:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。1.2.3 逆变技术的应用前景 逆变电源输出的交流电可用于各类设备，可以最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。有了逆变器，就可利用直流电转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。这种能量的变换对节能、减小环境污染、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。随着逆变技术成熟，使得其应用领域也达到了前所未有的广阔，广泛应用于电力系统、家用电器、交通运输、工业电源和航空航天等领域并且随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。高性能逆变电源要求满足：高逆变效率、高速动态响应、高稳态精度、高智能化、高系统稳定性和高可靠性。1.2.4逆变技术存在的难点 数字化是逆变电源发展的主要方向，但还是需要解决以下一些难题： 逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。 逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。 对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期之后确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整，所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。1.3 逆变电源的分类 逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。 按逆变器输出交流电能的频率，可分为工频逆变器，中频逆变器和高频逆变器。工频逆变器的频率为50-60HZ的逆变器；中频逆变器的频率一般为400HZ到十几KHZ；高频逆变器的频率一般为十几KHZ到MHZ。 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变器，三相逆变器和多相逆变器。 按照逆变器输出电能的去向，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向电网侧输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能向电能负载输送的逆变器称为无源逆变器。 按逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。 按逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器等。也可以将其归纳为“半控型”逆变器和“全控型”逆变器两大类。其中半控型器件不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”，晶闸管属于这一类器件。而全控型器件具有自关断能力，即器件的导通和关断均可由器件的控制极加以控制，电力场效应管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）及MOSFET都属于这一类器件。 按直流电源类型，可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。 按逆变器输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。 按逆变器环流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。1.4 逆变技术指标 1. 额定输出电压 在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定准确度一般有如下规定： 在稳态运行时，电压波动范围应有一个规定，例如逆变器输出电压偏差不超过额定值的3%或5%。 在负载突变（额定负载0%50%100%）或有其他干扰因素影响的动态情况下，逆变器输出电压偏差不应超过额定值的8%或10%。 2. 输出电压的波形失真度 当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波分量）。通常以输出电压的总波形式失真度表示，其值不应超过5%（单相输出允许10%）。 3. 额定输出频率 逆变器输出交流地那英的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50HZ。正常工作条件下其值应在1%以内。 4.保护 1）过电压保护：对与没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。 2）过电流保护：逆变器的过电路保护，应能保证在负载发生短路或电流过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。 7.启动特性 逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。8.噪声电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过80DB,小型逆变器的噪声应不超过65DB.1.5 逆变器的DSP控制总体来说，逆变器就是利用数字控制器的定时器的操作产生一种PWM波，进而控制晶闸管的导通与关断，为了使输出波形在带载时更加精确，在现在控制中一般采用闭环控制方法。逆变电源的控制方法有传统的PID控制，模糊控制、滞环控制、状态反馈控制、无差拍控制和重复控制。与模拟控制电路相比，逆变电源采用微机数字化控制具有以下优势: 温度漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，稳定性好。 数字式部件结构牢固，体积小，重量轻，耗能少，易于标准化。 提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使系统更趋于智能化，系统维护方便。 控制策略灵活，可以方便实现许多复杂、智能的算法提高性能。但同时也有如下问题：信号反馈中的量化误差使系统精度有所下降。数字处理器采样、计算延时带来的变频电源最大占空比受限问题，对环境温度要求较高等等，这些问题使得数字控制在变频电源性能提高的发挥中受到了阻碍，但是这些问题依然不能阻挡微机控制在电力电子中的使用，逆变电源微机控制技术也日趋成熟。 1）单闭环PID控制早期的逆变控制器多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈。采用模拟PID控制器进行调节，其动态性能特别是非线性负载的时候，不能令人满意。对于要求较高的系统，还没有做到满足系统要求的动态特性和稳态精度。随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能。但是，数字PID控制不可避免地存在一些局限性。PID控制的精度取决于比例项和积分项，这两项越大控制精度越高，一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项易产生相位滞后，另一方面离散化系统的量化误差也对稳定性产生影响，因此比例项和积分项不能取得太大。由于数字控制的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。采用高速A/D和高速处理器以及提高开关频率可以一定程度上改善数字PID控制的效果，但实现起来有一定困难。并且PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。 2）模糊控制 与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型。模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型，有着较强的鲁棒性和自适应能力；查找模糊控制制表只需要占用处理器很少的时间，因而可以采用较高的采样率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差。模糊控制在理论上可以任意逼近任何非线性函数，但是模糊控制的分档和模糊控制规则需要进一步的研究，并且隶属函数较难确定，因此模糊控制的精度有待遇进一步提高。 3）bang-bang控制bang-bang控制方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估，对于有太多不确定因素的被控对象，鲁棒控制就不适应了。 (4) 无差拍控制无差拍控制是一种基于微机实现的 PWM方案，是数字控制特有的一种控制方案。它根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器在下一个采样周期的脉冲宽度，控制开关动作使下一个采样时刻的输出准确跟踪参考指令。由负载扰动引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。无差拍控制有着非常快的动态响应，波形畸变率小，即使开关频率不是很高，也能得到较好的输出波形品质。但是，无差拍控制的自身缺点也十分明显:无差拍控制效果取决于模型估计的准确程度，实际上无法对电路模型做出非常精确的估计，而且系统模型随负载不同而变化，系统鲁棒性不强;其次，无差拍控制极快的动态响应即是其优势，又导致了其不足，为了在一个采样周期内消除误差控制器瞬态调节量较大，一旦系统模型不准，很容易使系统输出振荡，不利于逆变器的稳定运行。 (5) 重复控制重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内模，否则无法实现无静差，重复控制利用“重复信号发生器”内模巧妙地解决了这一问题。重复控制采用数字方式实现。逆变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变。其基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据每个开关周期给定与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变。重复控制能使逆变器获得低THD的稳态输出波形。但其主要弱点是动态性能差，干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰不产生任何调节作用，这一周期系统近乎处于开环控制状态，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。此提出了自适应重复控制、伺服控制器和重复控制器组成的复合控制、状态反馈控制与重复控制组成的双环控制等多种方案改善系统的动态特性。 (6) 滑模变结构控制滑模变结构控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性特别强。早期逆变器采用模拟控制实现滑模变结构控制，存在电路复杂、控制功能有限的弱点。基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模控制理论，需要离散滑模控制技术，有些文献引入前馈改善离散滑模控制的稳态性能，有些通过自矫正措施改善负载扰动的影响。但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位，测定系统不确定参数和扰动的界限则影响了系统鲁棒性进一步发挥。1.6 本文研究内容 本文研究的主要内容如下： 掌握单相电压型PWM逆变器的工作原理。建立单相电压型逆变器的数学模型。完成单相电压型PWM逆变器的谐波分析。完成单相电压型逆变器反馈闭环控制系统控制规律研究。完成单相电压型PWM逆变器系统仿真。完成系统调试，并对实验结果进行分析。第二章 逆变电源的工作原理2.1 逆变电源结构分析2.1.1 逆变电源基本结构逆变电源采用 ACDCAC（交直交）的结构形式，其基本结构如图2-1所示，主要由输入、整流、逆变、输出、驱动与控制以及保护等电路组成。图 2-1 逆变电源的基本结构图(1) 输入电路逆变主电路输入如果是交流电，首先要经过整流电路转换为直流，提供稳定的直流电压。(2) 输出电路输出电路主要是滤波电路。对于隔离分析式逆变电源，在输出电路的前面还有逆变变压器；对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路；而对于闭环控制的逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。(3) 驱动与控制电路驱动与控制电路的功能就是按要求产生一系列的控制脉冲，来控制逆变开关管的导通和关断，并能调节其频率，控制逆变主电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路与逆变主电路具有同样的重要性。(4) 辅助电源辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。(5) 保护电路保护电路主要具有：输入过压保护、欠压保护功能；输出过压保护、欠压保护功能；过载保护功能；过电流和短路保护功能。(6) 逆变主电路逆变主电路主要是根据变化的驱动控制脉冲得到变化的高压交流脉冲，即把稳定的直流电压变换为交流脉冲电压，完成逆变。现普遍使用的单相逆变主电路为全桥式逆变电路。2.1.2 逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理，图（a）中S1S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成，当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，其波形如下图所示，这样就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即改变输出交流电的频率，这就是逆变电路的最基本的工作原理。当负载为电阻时，负载电流io和电压uo波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感负载时，io的基波相位滞后于uo的基波，两者波形形状也不同，图（b）给出的就是阻感负载时的io波形。 图2-2 逆变电路及其波 设t1时刻以前S1、S4导通，uo和io均为正。在t1时刻断开S1和S4,同时合上S2、S3导通,则uo的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。2.1.3逆变电路的换流方式 在图2-2的逆变电路工作过程中，在t1时刻出现了电流从S1到S2,以及从S3到S4的转移。电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相。 1、换流方式的分类 器件换流 利用全控型器件的自关能力进行换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。 电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交变变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属于电网换流。三相交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路中的换流方式也都是电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在遇关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现容性，因而也可以实现负载换流。图2-3 a是基本的负载换流逆变电路，四个桥臂均由晶闸管组成。其负载是电阻电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。在实际电路中，电容往往是为改善负载功率因数，使其略呈容性而接入的。由于在直流侧传入了一个很大的电感，因而在工作过程中可以认为基本没有脉动。 图2-3 负载换流电路及其工作波形 电路的工作波形如图2-3b所示。因为直流电流近似为恒值，四个臂开关的切换使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈现为矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。 工作过程：t1时刻前，S1、S4为通态，S2、S3为断态，uo、io均为正，S2、S3上施加的电压即为uo；t1时刻时，触发S2、S3使其开通，uo通过S2、S3分别加到S4、S1上使其承受反压而关断，电流从S1、S4转移到S3、S2。触发S2、S3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。 直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压。VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。 图2-4 直接耦合式强迫换流原理图 电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。 两种电感耦合式强迫换流： 图2-5a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。 图2-5b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。 图2-5 电感耦合式强迫换流原理图 给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图2-4）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图2-5）。 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。2.1.4 电压型逆变电路 逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。 图2-6 电压型逆变电路举例 （全桥逆变电路） 电压型逆变电路有以下特点： (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 1、单相半桥逆变电路工作原理：V1和V2栅极信号在一个周期内各有半周正偏、半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-7b所示。输出电压uo为矩形波，幅值为 Um=Ud/2，输出电流io波形随负载而异。当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管，还使负载电流连续，因而又称续流二极管。 图2-7 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 优点：简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 2、全桥逆变电路 电压型全桥逆变电路如图2-8a可以看成由两个半桥电路的组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180。输出电压uo波形和图2-8b的半桥电路的波形uo形状相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。输出电流io波形和图2-8b中的i0形状相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。 输出电压波形的的定量分析： 把幅值为Ud的矩形波u0展开成傅里叶级数得其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为 上述公式对于半桥逆变电路也是适用的，只是式中的Ud要换成Ud/2。 uo为正负电压各180的脉冲时，要改变输出电压有效值只能改变直流电压Ud来实现。在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在图2-6a的单相全桥逆变电路中， 各IGBT的栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补。V3的基极信号比V1落后（0uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io0，则V1和V4导通，如io0，则VD1和VD4导通，uo=Ud。当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io0，则VD2和VD3导通，uo=Ud。波形见图2-14。 图2-14双极性PWM控制方式波形2.2.3规则采样法按SPWM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。图2-15规则采样法规则采样法特点是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算了却比自然采样法小的多。规则采样法原理：图2-15，三角波两个正峰值之间为一个采样周期tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。三角波负峰时刻td对信号波采样得D点，过D作水平线和三角波交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制器件的通断，脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。规则采样法计算公式推导：正弦调制信号波公式中，a称为调制度，0a1；r为信号波角频率。因此可得： (2.1) 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度 (2.2) 2.2.4同步调制和异步调制在SPWM逆变器中，载波频率fc与调制信号频率fr之比Nfc/fr，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变器调制方式分为异步调制和同步调制。1 异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式即为异步调制。通常保持载波频率fc固定不变，当调制信号频率fr变化时，载波比N是变化的。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，从而改善输出特性。2 同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。在同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。在三相SPWM逆变电路中通常共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。3 分段同步调制为了克服上述缺点，通常采用分段同步调制的方法，即把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。4.5 TMS320F2812DSP PWM信号的产生 为产生PWM信号，定时器需要重复按照PWM周期进行计数。比较寄存器用于保持调制值，该值一直与定时器计数器的值相比较，当两个值匹配时，PWM输出就会产生跳变。当两个值产生第二次匹配或定时器周期结束时，会产生第二次输出跳变。通过这种方式可以产生周期与比较寄存器值成比例的脉冲信号。在比较单元中重复完成计数、匹配输出的过程，就产生了PWM信号。 第三章 系统组成及各部分原理3.1系统控制方案 系统使用的是DSP作为控制器，采用单片机产生SPWM波控制全桥逆变电路中的4个全控型器件IGBT的导通与关断来产生逆变，并通过其内部自带的8位高精度A/D转换模块采样负载两端电压，该负载两端的电压是经过降压和整流之后的，然后送到单片机中进行处理，该系统采用BANGBANG控制理论思想，通过对软件的合理优化配置，使系统稳、准、快的达到设定值，并具有很高的抗干扰能力。3.2 系统框图 图3-1系统结构框图3.2.1主电路硬件结构及工作原理本次设计采用直流信号源，并经过大电容稳压之后，送给晶闸管进行逆变，主电路采用电压源型全桥逆变电路和LC滤波电路，其中控制方式采用正弦脉宽调试SPWM，DSP产生一路SPWM信号，控制其中的一对晶闸管，另一对晶闸管的控制方式为上一SPWM信号的取反，并且其间加有硬件死区电路，以避免上下两桥臂同时导通，造成直流侧短路。开关管S1,S4门极送第一个SPWM信号，S2，S3送第二个SPWM信号，分别控制4个IGBT在不通时刻导通与关断，从而产生交流电压。