一款多功能逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　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(méi)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。

　　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)?/p>

　　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(méi)有超過(guò)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。

　　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。

　　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(guò)Matlab仿真，證實(shí)設(shè)計(jì)的多功能逆變電源是可行的。