濟南能華介紹一款直流電壓前饋控制數字逆變電源電路設計

作者：采集俠   發(fā)布日期：2014-08-12 11:53   信息來(lái)源：http://www.www.pcmenaggio.com

　　引言

　　逆變電源一般采用瞬時(shí)反饋控制技術(shù)來(lái)提高逆變電源的動(dòng)態(tài)響應速度，減少輸出電壓的諧波含量，改善輸出電壓波形的質(zhì)量。常見(jiàn)的逆變電源控制技術(shù)，有重復控制、諧波補償控制、無(wú)差拍控制、電壓瞬時(shí)值控制和帶電流內環(huán)的電壓瞬時(shí)值控制等類(lèi)型。其中，帶電流內環(huán)電壓瞬時(shí)值環(huán)路的雙環(huán)控制方法因實(shí)現簡(jiǎn)單，系統動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越和對負載的適應性強等優(yōu)點(diǎn)，而逐漸成為高性能逆變電源的發(fā)展方向之一。但傳統控制方法是基于逆變電源直流側輸入電壓為無(wú)脈動(dòng)直流電壓的假定，而實(shí)際逆變電源，存在因電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負載突變而導致直流側電壓波動(dòng)的現象。直流輸入電壓波動(dòng)會(huì )引起逆變器開(kāi)環(huán)增益波動(dòng)，進(jìn)而影響輸出電壓質(zhì)量。在傳統雙環(huán)控制的基礎上，增加輸出電壓有效值反饋環(huán)的三環(huán)控制策略，在一定程度上消除了直流輸入電壓波動(dòng)導致的輸出電壓穩態(tài)誤差，但有效值環(huán)對輸出電壓變化的響應速度較慢，控制過(guò)程復雜。

　　此外，正弦脈寬調制逆變電源開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，將產(chǎn)生大量的高次諧波，使變換器及負載的損耗加大，設備使用壽命降低，甚至可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線(xiàn)路的正常工作。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是克服以上缺陷的有效方法之一。采用HPWM調制可實(shí)現ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，在不增加硬件和改變變換器拓撲的前提下，可利用現有元器件和開(kāi)關(guān)管的寄生參數，創(chuàng )造逆變橋開(kāi)關(guān)管ZVS軟開(kāi)關(guān)條件，從而最大限度地實(shí)現ZVS。

　　本文針對直流側電壓擾動(dòng)時(shí)雙環(huán)控制逆變電源的輸出電壓波形發(fā)生畸變、幅值發(fā)生變化的現象，提出了通過(guò)輸入電壓前饋控制環(huán)來(lái)修正基準正弦信號的幅值，從而改善逆變電源輸出電壓質(zhì)量的三環(huán)控制方法。同時(shí)，借助于DSP強大的運算能力和豐富的外設，實(shí)現HPWM逆變電源的數字控制，從而簡(jiǎn)化了硬件電路。仿真結果表明，本文所提出的控制策略簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效地提高逆變電源在直流輸入電壓擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度，并降低了輸出電壓的總諧波。

　　逆變電源系統建模

　　單相全橋逆變電源的主電路結構如圖1所示，直流輸入電壓Ud經(jīng)逆變橋后得到脈沖輸出電壓Ui，再經(jīng)LC濾波后得到正弦輸出電壓Uo。

　　由逆變橋平均值模型可知：當三角載波頻率fc遠高于輸出正弦波基頻f時(shí)，逆變橋輸出電壓Ui在一個(gè)載波周期Tc的平均值 ，可近似看成輸出電壓基波分量的瞬時(shí)值Ui1，即

　　式中：Ud為直流輸入電壓;UCm為三角載波幅值。令kPWM=Ud/UCm表示正弦調制信號經(jīng)過(guò)逆變橋的增益，因Ud變化而引起的kPWM變化定義為干擾變量�；�于電壓瞬時(shí)值外環(huán)和電容電流內環(huán)的雙環(huán)控制系統如圖2所示。電壓瞬時(shí)值外環(huán)采用PI調節，電容電流內環(huán)采用P調節。開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，根據轉折頻率ωn1=ωc/10、阻尼系數ξ=0.3，可得輸出濾波器參數為：L=670μH、C=47μF�？刂破鞯姆抡鎱�數為：Kv=0.0015，Ki=0.05，kvp=0.098，kvi=350，kip=20。

　　由式(2)可知，系統對直流輸入電壓階躍響應的調節時(shí)間Ts為5ms。因此，當逆變電源輸出電壓頻率為400Hz時(shí)，系統的調節時(shí)間持續兩個(gè)正弦周期，但因響應峰值較小，對輸出電壓波形不會(huì )造成明顯影響。而當逆變電源輸出電壓頻率為50Hz時(shí)，響應峰值集中出現在1/4正弦周期內，使輸出電壓波形出現失真。

　　直流電壓前饋控制原理

　　由以上分析可知，雙環(huán)反饋控制逆變器，對直流輸入電壓變化的調節有一定的滯后性和穩態(tài)誤差。為此，本文提出用輸入電壓前饋環(huán)實(shí)時(shí)檢測直流輸入電壓，對逆變橋增益kPWM進(jìn)行補償，抵消直流輸入電壓Ud波動(dòng)對逆變電源的影響。因此，在傳統雙環(huán)控制系統中，額定直流輸入電壓U*d除以采樣得到的直流輸入電壓Ud，再與經(jīng)雙環(huán)校正的正弦信號ugm相乘后得到調制信號u′gm，將其送入PWM發(fā)生器，如圖3所示。

　　其中：m′=U′gm/UCm即為補償后的調制比。為了保證直流電壓的利用率，系統需要保持很高的調制度，即m接近于1，也即Ugm接近于UCm。

　　HPWM調制原理

　　混合式脈寬調制方式(HPWM)實(shí)質(zhì)為單極性SPWM調制方式，其工作時(shí)每半個(gè)輸出電壓周期切換，即同一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管，在前半個(gè)工頻周期內工作在低頻，而后半個(gè)工頻周期內工作在高頻，從而克服傳統單極性控制方式下，總是一個(gè)橋臂工作的開(kāi)關(guān)管同時(shí)工作在高頻狀態(tài)的缺陷，提高了開(kāi)關(guān)管的使用壽命和系統可靠性。

　　逆變電源工作在HPWM軟開(kāi)關(guān)方式下的輸出電壓，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內有12種工作狀態(tài)�；�于輸出電壓正負半周工作狀態(tài)的對稱(chēng)性，以輸出電壓正半周期為例，分析單相全橋逆變電源一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的6種工作模態(tài)，如圖4所示。

　　圖4 HPWM逆變電源工作模態(tài)圖

　　從t0到t1時(shí)刻逆變電源工作在模式A狀態(tài)下。開(kāi)關(guān)管S1和S4導通，電路為正電壓輸出模式，濾波電感電流線(xiàn)性增加，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷為止。

　　從t1到t2時(shí)刻逆變電源工作在模式B