一種多功能逆變電源的設(shè)計(jì)與證實(shí)
1 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,逆變電源廣泛應(yīng)用到各行各業(yè),進(jìn)而對(duì)其性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)。好的逆變電源電壓輸出波形主要包括穩(wěn)態(tài)精度高,動(dòng)態(tài)性能好等方面。目前逆變器結(jié)構(gòu)和控制,能得到良好的正弦輸出電壓波形,但對(duì)突變較快的波形,效果不是很理想。
函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的設(shè)備。能產(chǎn)生不同頻率和電壓等級(jí)的波形:方波信號(hào),三角波,正弦信號(hào)波形。近年興起的一種新的DDS技術(shù),即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。但是他們都為小信號(hào)波,沒有功率輸出,不能帶一定的負(fù)載。
本文提出的多功能逆變電源,主電路采用二重單相全橋逆變器結(jié)構(gòu),輸出的電壓波形對(duì)給出的參考波形跟蹤,有功率輸出,能帶一定的負(fù)載??刂撇捎眉尤胛⒎汁h(huán)節(jié)的滯環(huán)控制,完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。
2 主電路設(shè)計(jì)
多功能逆變電源原理如圖1,有兩部分組成:主電路和控制部分。其中主電路的參考信號(hào),可以與計(jì)算機(jī)通信或者其他電路得到。
圖1 多功能逆變電源原理
在主電路的設(shè)計(jì)上借鑒了多重逆變器結(jié)構(gòu),采用了二重單相全橋逆變器連接。原理圖如圖2。兩個(gè)逆變器直流側(cè)電壓不相同,主逆變器的直流側(cè)電壓為Udc,從逆變器的直流側(cè)電壓為3Udc。輸電電壓波形共有9個(gè)電平組成:±4Udc,±3Udc,±2Udc,±Udc,0。由于輸出電平的數(shù)量多于單個(gè)逆變器,輸出波形較好。主逆變器工作為較高頻率,從逆變器工作頻率較低,極大的降低開關(guān)損耗。在參考波形變化緩慢階段,只需要主逆變橋工作,就能很好的跟蹤參考信號(hào);當(dāng)參考信號(hào)變化相當(dāng)快速的時(shí)刻,需要輔助逆變橋和主逆變橋同時(shí)工作,快速精確跟蹤參考信號(hào)。
圖2 二重級(jí)聯(lián)單相全橋逆變器拓?fù)?/FONT>
3 控制設(shè)計(jì)
在控制部分采用滯環(huán)完全數(shù)字化控制。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度較高、跟蹤精度高,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量等特點(diǎn),能夠使用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。對(duì)于主電路的主逆變器和從逆變器采用滯環(huán)控制。
圖3 滯環(huán)控制原理
如圖3所示,主開關(guān)的滯環(huán)寬度為h,從開關(guān)管的滯環(huán)寬度為hs,且hs>h。主逆變器一直工作,開關(guān)管V1和V4;V2和V3交替導(dǎo)通關(guān)斷。從逆變器有三種工作狀態(tài)。在t1~t2時(shí)刻,誤差電壓并沒有超過從逆變器的滯環(huán)寬度,只需要主逆變器工作,四個(gè)開關(guān)管都關(guān)斷;在t3時(shí)刻,誤差電壓△u>hs,開關(guān)管VS2和VS3導(dǎo)通,開關(guān)管VS1和VS4關(guān)斷;t4時(shí)刻誤差電壓-△u-hs開關(guān)管VS1和VS4導(dǎo)通,開關(guān)管VS2和VS3關(guān)斷。
考慮到跟隨突變信號(hào)時(shí)跟隨困難的情況,在滯環(huán)控制器前引入了微分環(huán)節(jié),如圖4所示,以改善跟隨效果。
圖4 帶微分環(huán)節(jié)的滯環(huán)控制
引入微分環(huán)節(jié)后,根據(jù)圖1和圖2所示,對(duì)主逆變器滯環(huán)控制策略為:
式中:T為微分時(shí)間常數(shù)。
上述不等號(hào)取等號(hào)情況,則實(shí)際環(huán)寬h′為:
當(dāng)穩(wěn)態(tài)或者電壓變化率不大時(shí)微分環(huán)節(jié)很小,可忽略,h′較大;當(dāng)電壓突變時(shí)微分環(huán)節(jié)將很大,不能忽略,h′較小,u迅速跟蹤Uref。加入微分環(huán)節(jié)實(shí)際上就是改變滯環(huán)寬度。從逆變器滯環(huán)控制也采用相同原理。
3 仿真
利用Matlab,根據(jù)所提出主電路和控制設(shè)計(jì)建立模型。對(duì)圖1的二重級(jí)聯(lián)單相全橋逆變器進(jìn)行仿真,負(fù)載為阻感型。
參考信號(hào)為正弦波,周期T為0.02s,最大值為50V。輸出電壓波形如圖5所示。
圖5 參考信號(hào)為正弦波輸出電壓
參考信號(hào)為三角波,電壓最大值為70V,輸出電壓如圖6所示。
圖6 參考信號(hào)為三角波輸出電壓
從圖5和圖6看出,當(dāng)參考信號(hào)為變化不是很快的正弦波和三角波信號(hào)時(shí),逆變電源的輸出電壓能精確跟蹤。
參考信號(hào)為階梯波,輸出電壓波形如圖7所示。
圖7 參考信號(hào)為方波輸出電壓
參考電壓信號(hào)為方波時(shí),電壓值為70V。輸出電壓波形如圖8所示。
圖8 參考信號(hào)為方波輸出電壓
當(dāng)參考信號(hào)為階梯波或方波,方波和階梯波有突變時(shí)刻,逆變電源的輸出電壓也能很好跟蹤參考信號(hào)。從圖7和圖8看出,輸出電壓是質(zhì)量很好的階梯波和方波,可作為電壓源使用。
4 結(jié)論
多功能逆變電源,主電路采用二重級(jí)聯(lián)單相全橋逆變器結(jié)構(gòu),輸出的電壓波形對(duì)給出參考波形跟蹤,有功率輸出,能帶一定的負(fù)載,可直接作為電壓源使用??刂撇捎眉尤胛⒎汁h(huán)節(jié)的滯環(huán)控制,完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。最后通過Matlab仿真,證實(shí)設(shè)計(jì)的多功能逆變電源是可行的。
評(píng)論