一種電壓-電壓SPWM控制DC/AC電路的設(shè)計(jì)

前言

　　正弦波逆變電源被廣泛的應(yīng)用于電力、郵電、通信、航天等各個(gè)領(lǐng)域， 而且隨著微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，正弦波逆變電源的應(yīng)用越來(lái)越廣。為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求，逆變電源在直流輸入電壓波動(dòng)的情況下應(yīng)保持輸出電壓恒定。傳統(tǒng)的電壓?jiǎn)苇h(huán)控制一般存在輸出電壓波動(dòng)大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)精確控制。在逆變電路中為了克服以上不足，采用電壓前饋控制技術(shù)來(lái)解決此問(wèn)題。本文在單相SPWM逆變的基礎(chǔ)上，采用前饋調(diào)整三角載波和反饋調(diào)整正弦波相結(jié)合的電壓- 電壓復(fù)合控制方案，較好地解決了輸出電壓瞬態(tài)偏離問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

　　電壓- 電壓復(fù)合控制基本思想

　　在DC/AC逆變電路中， 輸出電壓與輸入電壓存在一定的線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓隨之相應(yīng)改變。為了使輸出電壓保持穩(wěn)定，一般要采集電壓輸出量進(jìn)行反饋閉環(huán)控制。但是由于逆變電源開(kāi)關(guān)頻率較高， 且電路存在電感、電容等延時(shí)元件，使得反饋電壓的變化滯后于輸入電壓的變化， 系統(tǒng)的反應(yīng)與調(diào)節(jié)比較遲緩， 容易造成較大的瞬態(tài)偏離。如果能在輸出電壓變化之前，利用輸入電壓的變化對(duì)電路的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即在采用電壓反饋技術(shù)的基礎(chǔ)上輔以電壓前饋技術(shù)則能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。這種電壓- 電壓復(fù)合控制，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)迅速、輸出電壓波動(dòng)小的目的。

　　前饋型DC/ AC控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　DC/AC逆變器的控制電路可由分立元件或集成元件構(gòu)成。

　　由分立元件構(gòu)成的控制電路

　　由分立元件構(gòu)成的控制電路多采用調(diào)制法，即把正弦波信號(hào)作為調(diào)制波， 用三角波作為載波， 當(dāng)三角波與正弦波相交時(shí)對(duì)電路中的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制。采用調(diào)制法進(jìn)行控制時(shí)三角載波的頻率是遠(yuǎn)大于正弦調(diào)制波的頻率的。所以在三角波的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中可以近似地認(rèn)為正弦波Vc 為常量，這樣就與DC/ DC 變頻器的控制規(guī)律是相同的了，如圖1 所示。占空比D =Vc/ Vr(Vc< Vt) ，改變Vc、Vr任意一個(gè)的幅值即可改變輸出電壓的大小。當(dāng)三角波由Vr 變?yōu)閂r′時(shí)， 占空比的大小由T1/T變?yōu)門(mén)2/T。

　　在SPWM中， 一般將正弦波峰值Vc與三角波峰值Vr的比值稱(chēng)為調(diào)制度a ， 即a =Vc/Vr。這樣DC/AC變換電路輸入輸出之間有如下的數(shù)量關(guān)系: 輸出電壓的基波有效值Uo正比于調(diào)制度a及輸入電壓UI， 即UOl = KaUI = KUIVc/Vr ， ( K為常數(shù)，與主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)) 。于是， 當(dāng)UI變?yōu)樵瓉?lái)的n倍的時(shí)侯， 要保持輸出電壓穩(wěn)定， 三角波峰值電壓也要相應(yīng)地變?yōu)樵瓉?lái)的n 倍。

　　據(jù)上述原理構(gòu)成的DC/AC逆變電路如圖2所示。輸入電壓UI分壓后經(jīng)斬波電路斬波，得到電壓幅值隨輸入電壓變化的方波電壓Us，Us經(jīng)有源積分電路積分后得到三角波電壓Ur。積分前后的電壓波形如圖3所示。此三角波電壓的峰值是正比于方波幅值電壓的，于是三角波峰值電壓隨輸入電壓成比例地變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。此電路控制過(guò)程獨(dú)立， 互不干擾， 使得電路的設(shè)計(jì)和實(shí)際調(diào)試變得簡(jiǎn)便。控制部分設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，達(dá)到了快速穩(wěn)定輸出的目的。

　　控制電路由集成元件構(gòu)成

　　隨著微處理器性?xún)r(jià)比的不斷提高， 逆變電源已進(jìn)入了智能化階段， 可用集成元件來(lái)方便地組成控制電路。目前由集成元件實(shí)現(xiàn)的控制電路主要有專(zhuān)用集成芯片法和微機(jī)生成法。專(zhuān)用的生成SPWM的芯片如SA838、SA868、HEF4752、SLE480等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、可靠性高;微機(jī)生成法控制電路由單片機(jī)采用軟件方式產(chǎn)生，目前市場(chǎng)上有許多性?xún)r(jià)比高的單片機(jī)， 如PIC系列或引腳少的MC51系列單片機(jī)， 可用指令產(chǎn)生SPWM， 并可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、管理和保護(hù)。

　　在單相DC/AC變換電路中， 為了簡(jiǎn)化控制電路結(jié)構(gòu)， 還可以采用電壓型PWM集成控制芯片如SG1525、TL494 等構(gòu)成SPWM控制器， 利用控制芯片內(nèi)部產(chǎn)生的三角波與由外部輸入的正弦調(diào)制波進(jìn)行比較得到SPWM波形。這時(shí)三角波的幅值是不能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此利用輸入電壓的變化來(lái)調(diào)節(jié)三角波幅值的前饋控制思想無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，可將前饋電壓的采樣值按照電路的輸入輸出關(guān)系UO1 = KUIVc/ Vr進(jìn)行歸一化換算后， 與反饋電壓、給定電壓進(jìn)行綜合比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后連接到變?cè)鲆娣糯箅娐啡フ{(diào)節(jié)正弦波的幅值，從而實(shí)現(xiàn)電壓前饋和電壓反饋控制。利用集成元件實(shí)現(xiàn)電壓-電壓控制的電路原理如圖4 所示。

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　　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　按照上述控制方法對(duì)圖2所示電路進(jìn)行仿真與試驗(yàn)， 逆變主回路為IGBT全橋電路， 試驗(yàn)參數(shù)為:輸入直流電壓UI =200 V，交流輸出電壓有效值為100V， 設(shè)計(jì)功率為5kW， 開(kāi)關(guān)頻率為50kHz ， L="10"μH，C =1μF。當(dāng)輸入電壓由100V躍變?yōu)?50V時(shí)， 如圖5(a) 所示， 傳統(tǒng)電壓反饋控制與前饋型電壓- 電壓控制輸出電壓的仿真結(jié)果分別如圖5(b) 和圖5(c)所示，三角波變化如圖5(d) 所示。

　　仿真結(jié)果表明，前饋型電壓- 電壓控制對(duì)輸入電壓波動(dòng)的反應(yīng)靈敏， 能夠及時(shí)的調(diào)整載波的幅值，達(dá)到瞬間穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　結(jié)論

　　本文提出了一種采用前饋調(diào)整三角載波和反饋調(diào)整正弦波相結(jié)合的電壓- 電壓復(fù)合控制方案，并全面地說(shuō)明了控制電路由集成元件構(gòu)成時(shí)的應(yīng)用方法。試驗(yàn)結(jié)果表明此控制方法較好地解決了輸出電壓瞬態(tài)偏離問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。