一款多功能逆變電源的設(shè)計方案

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，但對突變較快的波形，效果不是很理想。

函數(shù)信號發(fā)生器，是實驗教學(xué)中常用的設(shè)備。能產(chǎn)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(shù)，即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。但是他們都為小信號波，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，完全實現(xiàn)數(shù)字化控制。

主電路設(shè)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(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個電平組成：±4Udc,±3Udc,±2Udc,±Udc,0.由于輸出電平的數(shù)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(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;當(dāng)參考信號變化相當(dāng)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(lián)單相全橋逆變器拓?fù)?/p>

控制設(shè)計

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，能夠使用DSP實現(xiàn)數(shù)字化控制。對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，四個開關(guān)管都關(guān)斷;在t3時刻，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時跟隨困難的情況，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，對主逆變器滯環(huán)控制策略為：

式中：T為微分時間常數(shù)。

上述不等號取等號情況，則實際環(huán)寬h′為：

當(dāng)穩(wěn)態(tài)或者電壓變化率不大時微分環(huán)節(jié)很小，可忽略，h′較大;當(dāng)電壓突變時微分環(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。[!--empirenews.page--]

仿真

利用Matlab,根據(jù)所提出主電路和控制設(shè)計建立模型。對圖1的二重級聯(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(dāng)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(dāng)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(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，主電路采用二重級聯(lián)單相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，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(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，完全實現(xiàn)數(shù)字化控制。最后通過Matlab仿真，證實設(shè)計方案的多功能逆變電源是可行的。