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        一款多功能逆變電源的設計與實現

        作者: 時間:2016-12-08 來源:網絡 收藏

          引言

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/201612/327981.htm

          隨著現代科技的發展,逆變電源廣泛應用到各行各業,進而對其性能提出了更高的要求。傳統的逆變電源多為模擬控制或數字相結合的控制系統。好的逆變電源電壓輸出波形主要包括穩態精度高,動態性能好等方面。目前逆變器結構和控制,能得到良好的正弦輸出電壓波形,但對突變較快的波形,效果不是很理想。

          函數信號發生器,是實驗教學中常用的設備。能產生不同頻率和電壓等級的波形:方波信號,三角波,正弦信號波形。近年興起的一種新的DDS技術,即直接數字頻率合成技術。但是他們都為小信號波,沒有功率輸出,不能帶一定的負載。

          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構,輸出的電壓波形對給出的參考波形跟蹤,有功率輸出,能帶一定的負載。控制采用加入微分環節的滯環控制,完全實現數字化控制。

          主電路設計

          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,可以與計算機通信或者其他電路得到。

        圖1 多功能逆變電源原理

          在主電路的設計上借鑒了多重逆變器結構,采用了二重單相全橋逆變器連接。原理圖如圖2。兩個逆變器直流側電壓不相同,主逆變器的直流側電壓為Udc,從逆變器的直流側電壓為3Udc。輸電電壓波形共有9個電平組成:±4Udc,±3Udc,±2Udc,±Udc,0。由于輸出電平的數量多于單個逆變器,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;當參考信號變化相當快速的時刻,需要輔助逆變橋和主逆變橋同時工作,快速精確跟蹤參考信號。

        圖2 二重級聯單相全橋逆變器拓撲

          控制設計

          在控制部分采用滯環完全數字化控制。滯環控制響應速度快、準確度較高、跟蹤精度高,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量等特點,能夠使用DSP實現數字化控制。對于主電路的主逆變器和從逆變器采用滯環控制。

        圖3 滯環控制原理

          如圖3所示,主開關的滯環寬度為h,從開關管的滯環寬度為hs,且hs>h。主逆變器一直工作,開關管V1和V4;V2和V3交替導通關斷。從逆變器有三種工作狀態。在t1~t2時刻,誤差電壓并沒有超過從逆變器的滯環寬度,只需要主逆變器工作,四個開關管都關斷;在t3時刻,誤差電壓△u>hs,開關管 VS2和VS3導通,開關管VS1和VS4關斷;t4時刻誤差電壓-△u<-hs開關管VS1和VS4導通,開關管VS2和VS3關斷。

          考慮到跟隨突變信號時跟隨困難的情況,在滯環控制器前引入了微分環節,如圖4所示,以改善跟隨效果。

        圖4 帶微分環節的滯環控制

          引入微分環節后,根據圖1和圖2所示,對主逆變器滯環控制策略為:

          式中:T為微分時間常數。

          上述不等號取等號情況,則實際環寬h′為:

          當穩態或者電壓變化率不大時微分環節很小,可忽略,h′較大;當電壓突變時微分環節將很大,不能忽略,h′較小,u迅速跟蹤Uref。加入微分環節實際上就是改變滯環寬度。從逆變器滯環控制也采用相同原理。

          仿真

          利用Matlab,根據所提出主電路和控制設計建立模型。對圖1的二重級聯單相全橋逆變器進行仿真,負載為阻感型。

          參考信號為正弦波,周期T為0.02s,最大值為50V。輸出電壓波形如圖5所示。

        圖5 參考信號為正弦波輸出電壓

          參考信號為三角波,電壓最大值為70V,輸出電壓如圖6所示。

        圖6 參考信號為三角波輸出電壓

          從圖5和圖6看出,當參考信號為變化不是很快的正弦波和三角波信號時,逆變電源的輸出電壓能精確跟蹤。

          參考信號為階梯波,輸出電壓波形如圖7所示。

        圖7 參考信號為方波輸出電壓

          參考電壓信號為方波時,電壓值為70V。輸出電壓波形如圖8所示。

        圖8 參考信號為方波輸出電壓

          當參考信號為階梯波或方波,方波和階梯波有突變時刻,逆變電源的輸出電壓也能很好跟蹤參考信號。從圖7和圖8看出,輸出電壓是質量很好的階梯波和方波,可作為電壓源使用。

          結論

          多功能逆變電源,主電路采用二重級聯單相全橋逆變器結構,輸出的電壓波形對給出參考波形跟蹤,有功率輸出,能帶一定的負載,可直接作為電壓源使用。控制采用加入微分環節的滯環控制,完全實現數字化控制。最后通過Matlab仿真,證實設計的多功能逆變電源是可行的。



        關鍵詞: 逆變電源電路設

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