单相全桥逆变器控制技术基础

单相全桥逆变器控制技术基础

单相全桥逆变器控制技术基础 目录 1 2 3 1. SPWM控制 2.滞环控制 3. 电压电流双闭环控制 1 44.PID 1 SPWM控制 单相全桥逆变器拓扑结构 逆变器的两种调制技术 3 开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。和 滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐 波少。 SPWM 滞环调制采用瞬时值比较方式，虽存在开关频率不固定的 缺点使滤波器设计困难(可设计可变环宽控制策略使开关频率固 定; 但它具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、 不依赖负载参数和无条件稳定等优点。 滞环控制 3 SPWM控制 4 ■面积等效原理 ◆是PWM(脉冲宽度调制)控制技术的重要理论基础。 ◆原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效 果基本相同。 ☞冲量即指窄脉冲的面积。 ☞效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 ☞如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略 有差异。 4 SPWM控制 5 ■用PWM波代替正弦半波 ◆将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为 /N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的 脉冲序列组成的。 ◆把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的 矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部 分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分 面积（冲量）相等，这就是PWM波形。 ◆对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。 ◆脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 6 SPWM控制 ■计算法 ◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内 的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出 来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就 可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。 ◆计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅 值或相位变化时，结果都要变化。 ■调制法 ◆把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 ◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三 角波应用最多。 SPWM实现 7 SPWM控制 urucu O t O t uo uof uo Ud -U d ◆单极性PWM控制方式 ☞调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半 周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性 的三角波。 在电流的正半周，V1始终导通 8 SPWM控制 ◆双极性PWM控制方式 ☞在调制信号ur和载波信号uc的交点时 刻控制各开关器件的通断。 ☞在ur的半个周期内，三角波载波有正 有负，所得的PWM波也是有正有负， 在ur的一个周期内，输出的PWM波只有 ±Ud两种电平。 ☞在ur的正负半周，对各开关器件的控 制规律相同。 u r u cu O t O t u ou ofu o U d - U d 9 SPWM控制 ■在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功 率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的 方法称为自然采样法。 ■规则采样法 ◆是一种应用较广的工程实用方法，其效 果接近自然采样法，但计算量却比自然采样 法小得多。 ◆方法说明 ☞取三角波两个正峰值之间为一个采样 周期Tc，使每个脉冲的中点都以相应的三角 波中点（即负峰点）为对称。 ☞在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波 采样而得到D点，过D点作一水平直线和三 角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B 点时刻tB控制功率开关器件的通断。 ☞可以看出，用这种规则采样法得到的 脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度 非常接近。 uc u O t ur Tc A D B O t uo tA tD tB   ' ' 2  2  10 SPWM控制 ☞和'的确定 设正弦调制信号波为 式中，a称为调制度，0≤a<1；r为正弦信 号波角频率，从图中可得如下关系式 因此可得 滞环控制 ■滞环比较方式有单极性滞环控制 和双极性滞环跟踪控制，变环宽滞 环控制等三种。 ◆滞环控制也分为电流型和电压 型两种，电流滞环跟踪控制应用最 多。 ◆电流滞环跟踪控制原理：电流 基准信号i*与电感电流i进行比较得 到电流误差信号i*-i,电流误差信号 经过滞环比较器生成开关管的控制 信号,从而控制变换器输出电流的 变化趋势,使其纹波始终处在设定 的正负环宽内,以达到准确跟踪基 准电流的目标。 tO i i i* +D Ii* -D Ii* 滞环控制 ◆当电感电流i大于电流基准信 号i*，且大于环宽H时，此时导通 S2、S3，逆变器桥臂间的输出电 压为-Ud，滤波电感承受负电压， 电感电流下降; ◆当电感电流i小于电流基准信 号i*，且小于环宽-H时，此时导通 S1、S4，逆变器桥臂间的输出电 压为Ud，滤波电感承受正电压， 电感电流上升。 单极性滞环控制 滞环控制 在电流的正半周，S1始终导通 ◆当电感电流i小于电流基准 信号i*，且小于环宽-H时，此时导 通S4，逆变器桥臂间的输出电压 为Ud，滤波电感承受正电压，电 感电流上升。 ◆当电感电流i大于电流基准 信号i*，且大于环宽H时，此时导 通S2，逆变器桥臂间的输出电压 为0，滤波电感承受负电压，电感 电流下降; 当处于电网电压负半周时， 可作类似分析， 逆变器桥臂间的 输出电压为-Ud 和 0。 双极性滞环控制 滞环控制 • 根据电流在一个周期内增加的数值和减少的数值近似相等的原理， 可以推导出逆变器开关管的瞬时频率为： ☞传统滞环控制的优缺点： √滞环电流控制的优点就是控制简单,系统的响应速度快,可以实 时跟踪参考电流的变化,且对负载和电路参数的变化不敏感。 √滞环环宽H固定不变,当输出电压Ug变化时,逆变电源的开关频率 f也会随之变化,开关频率的不固定增加了逆变器输出滤波电路的 设计难度。 √环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差 小，但开关频率过高，开关损耗增大。 √L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率 过高。 滞环控制 ◆缺点：需要增加参考电流信号过零比较器； ◆优点：与 4 个开关管均工作于高频状态的单极性滞 环控制相比，本控制方式只需2个开关工作于高频状态， 开关损耗明显减小，提高了逆变器效率。另外，谐波含量 也得以减少。 单极性与双极性滞环控制性能对比 滞环控制 • 固定开关频率，令f=F ： √滞环控制的环宽由两部分构成,固定直流分量和一个两倍网侧电 压频率波动的余弦分量,式中和Kt1、Kt2可以由电路自身参数来 确定,这些参数包括直流侧电源电压Ud、滤波电感L和所设定的 开关频率F。 变环宽滞环控制 双闭环控制 17 对逆变器的输出进行 高频滤波，即可得到理想 的正弦波，为什么需进行 闭环控制呢？  开关器件非理 想  死区时间  负载扰动  非线性负载  直流侧电压波 动 为什么要进行闭环控制？ 17 双闭环控制 18 多环控制单环控制 瞬时值反馈 控制 有效值恒定 反馈控制 逆变器控制方法发展趋势 数字控制模拟控制 非线性控制、 智能控制 线性控制 18 双闭环控制 电压电流双闭环控 制即电压外环，电 流内环的设计。 电压电流 双闭环控制 双闭环控制 • 电压环的作用是跟踪和稳定输出电压，它的设计大多采取 PI 调节器模式。 • 电流环的作用是使逆变器的动态响应加快， 负载适应能力 加强，并具有输出电流限制能力，提高系统的可靠性。 双闭环控制 根据内环电流反馈釆样对象的不同,逆变器的双闭环控制可分 为两种: •电容电流内环、电压外环：釆用滤波电容电流作为内环反馈 量时,电容电流成为被控对象，电容电流的微分作用会使得电 容输出电压得到提前矫正，这种双闭环控制的优点是对线性 和非线性负载均有很好的动态抑制作用。在这种双闭环控制 中电流限幅环节只能限制电容电流的大小，负载电流和电感 电流则不受其约束，所以这种控制的缺点是无法做到对电路 的限流保护。 •电感电流内环、电压外环：以电感电流作为内环反馈量时， 可以通过限制滤波电感电流来实现对逆变器的过流保护，但 是这种双闭环控制抑制负载扰动的能力不如以电容电流为反 馈量的双闭环控制。 双闭环控制 22 应用状态空间平均法处理逆变器的前提条件是逆变器的输出频率 远小于其开关频率,即在一个开关周期内,可以使用电路中变量的平 均值来代替其瞬时值。经过状态空间平均法处理后,可方便采用经 典理论对被控对象进行分析和研究。 单相全桥逆变器建模 22 双闭环控制 23 逆变电源的负载电流io，对于其输出电压uo。来说是一个扰动量 单相全桥逆变器建模 23 双闭环控制 电压给定信号Uref与反馈信号Uo相减得到电压误差,电压误差经过电压调节器 Gv(s)；得到电流环的给定信号iL'，iL'与电感电流瞬时值iL相减得到电流环的误差， 再经过电流调节器Gi(s)得到控制逆变器开关所需的控制信号。 电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制的系统框图 双闭环控制 当逆变器的调制波频率和输出滤波器截止频率远小于载波频率,且调制波的幅 值 小于载波幅值时,逆变桥和后续的PWM环节一起可以简化为一个比例放大器,其放 大系数为n=Ud/Um，逆变器双闭环控制采用电压外环PI控制,电流内环仅为一个P 控制。 电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制的系统框图 双闭环控制 逆变器双闭环控制采用电压外环PI控制,电流内环仅为一个P控制，可得逆变器 输出传递函数为 G(s)体现了变换器系统的输出对其 给定参考电压的跟踪性能; 而Z(s)体现了变换器系统的负载电流 对其输出的扰动特性,可以等效为逆 变电源系统的输出阻抗 双闭环控制 基于PI控制的双闭环控制的系统框图 双闭环控制 基于电流滞环控制的双闭环控制的系统框图 PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID PID