1、分类号_ 密级_U D C _硕 士 学 位 论 文PWM 逆变电源瞬时值反馈控制技术研究2A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the RequirementsFor the Degree of Master of EngineeringResearch on the instantaneous feedback control technology of PWM invertersCandidate : Zhou LiangMajor : Power Electronics and Electric DriveSupervisor : A
2、ssociate Prof. Peng LiHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaApril , 2006 3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研
3、究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。保密 ，在_ _年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘 要在不允许供电中断的重要用电场合,大量使用着 UPS 系统。而逆变器是 UPS 系统的核心部件,要求它具有高质量的输出电压波形。尤其是在带非线性负载情况下仍然要有接近正弦的输出波形。因此,发展了多种多样的逆变器波形控
4、制技术。本文的主要内容是 PWM 逆变电源瞬时值反馈控制技术，瞬时值反馈控制是根据当前误差对逆变器的输出波形进行有效的实时控制，如果控制器设计合理，既可以保证系统具有很好的稳态性能，同时也可以保证系统有快速的响应速度。全文围绕电压单环瞬时值控制技术及电容电流内环和电压外环双环瞬时值控制技术这两种控制方法，进行了理论分析,同时结合仿真和实验来探讨如何提高 PWM 逆变电源的静、动态性能，改善输出波形质量。基于状态空间平均法和线性化技术给出了 PWM 逆变器的传递函数形式和状态方程形式的数学模型，详细分析了死区效应、过调制和非线性负载对单相全桥逆变器输出电压的影响，指出引入输出电压瞬时值反馈控制来
5、解决非线性负载带来的扰动,抑制谐波是合理的方案。对于逆变电源的控制策略,可以采用重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制或者 PID 控制, 由于采用 PID 控制容易兼顾控制系统的稳态性能和动态性能。而且算法简单、易于实现、可靠性高，已经成为迄今为止最通用的控制方法。本文研究了基于极点配置的 PID 控制器的设计方法,仿真结果显示这种 PID 控制器性能优越,同时还提出一种 PI 调节器结合电压微分反馈的调节方式,并指出这种调节方式和 PID调节其实是等效的,而且是一种简化的双环形式,因此是一种简单而有效的调节方式。对现今普遍采用的电压电流双环控制，分为电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环
6、两类进行了分析比较，重点研究了单相逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统特性，并对其内、外环调节器的选取及其设计做了大量仿真，仿真结果显示电容电流内环电压外环双环控制系统具有比电压单环瞬时值反馈控制系统更优越的性能。本文最后在一台样机上实现了电容电流内环电压外环双环控制，实验结果与理论分析相符，能够得到较满意的动态和稳态波形。II关键词：PWM 逆变器 极点配置 PID 控制 双环控制AbstractUninterruptible Power Supply(UPS)systems are widely used for supplying critical loads which can no
7、t afford utility power failure. A inverter is the core of a UPS system. High quality output voltage waveform is required for these inverters. To achieve nearly sinusoidal output voltage even with nonlinear loads, many waveform correction techniques have been proposed. This dissertation focuses on th
8、e research of the instantaneous feedback technology of PWM inverters. Since the instantaneous feedback technology is a real-time control according to the current error of the output waveform .Once the controller is designed properly, it can improve system dynamic response with nice static characteri
9、stics. Analysis and simulations are centered on two control approaches which are single loop controller with instantaneous voltage feedback and dual-loop control with voltage and current feedback to discuss how to improve both dynamic and static characteristics, thereby to reform the output waveform
10、 of PWM inverter.Based on the state-space averaging and linearization technique, the mathematical model is given in form of transfer function and states equations. The influence of dead-time, over- modulation and nonlinear loads on output voltage in single-phase full-bridge inverters is analyzed in
11、detail. The method which brings output voltage feedback in the control loop to eliminate the disturbance of nonlinear load is reasonable.Of all sorts of strategies, there are repetitive control, deadbeat control, sliding-mode control and PID control. The PID control method is in favor of balancing t
12、he dynamic and static characteristics of the control system, easy to be calculated and realized. Above all it is reliably, and thus it is becoming the most universal control method. The design method of PID controller based on pole-assignment is proposed in this paper. The simulations indicate that
13、this PID controlled inverter provides nice characteristics. A method of PI controller combined with instantaneous differential voltage is also proposed, which is equivalent to PID control in essence and can be seen as a simplified dual-loop form. Accordingly it is a simple but effective adjustment.T
14、he voltage and current dual-loop control system is divided into inductor-current feedback and capacitor-current feedback. The comparison of both is given in the paper. The characteristics of the inverter with the dual-loop control using capacitor-current IIIfeedback and voltage are obtained and anal
15、yzed. A mass of simulations are made to design both the inner and outer controller. The simulations indicate that this voltage and current dual-loop control system is superior to single loop controller with instantaneous voltage feedback in characteristics.Finally, a single-phase inverter applying o
16、utput voltage and capacitor-current feedback control is researched in the paper and the experimental results accord with theoretic analyze. And it can get nice static characteristic and well dynamic response.Keywords: PWM inverter, pole assignment, PID control, dual-loop controlIV目 录摘要.Abstract.1 绪论
17、1.1 引言 .(1)1.2 波形控制技术的重要性 .(2)1.3 控制方案综述 .(2)1.4 选题依据和本文主要研究内容 .(8)2 高频 PWM 逆变电源的分析2.1 引言 .(10)2.2 逆变器的数学模型 .(10)2.3 影响单相 PWM 逆变器性能的因素 .(13)2.4 本章小结 .(17)3 PWM 逆变电源电压瞬时值反馈控制的研究3.1 引言 .(18)3.2 逆变器的 PID 控制 .(18)3.3 设计实例及仿真 .(21)3.4 硬件电路 .(26)3.5 PI 调节器结合电压微分反馈 .(27)3.6 本章小结 .(30)4 PWM 逆变电源双环控制技术研究4.1
18、引言 .(31)4.2 单相逆变器的双环控制 .(31)4.3 实现极点配置的双环控制器的条件 .(33)4.4 基于极点配置的双环控制器的设计 .(34)4.5 本章小结 .(51)5 实验结果5.1 主电路及其性能指标 .(52)5.2 实验波形 .(53)V5.3 本章小结 .(56)6 全文总结6.1 本文的研究内容 .(57)6.2 今后的工作展望 .(58)致谢 .(59)参考文献 .(60)附录 1（攻读硕士学位期间发表论文目录） .(63)附录 2（攻读硕士学位期间参加的主要科研项目） .(64)11 绪论1.1 引言：所有的电子设备都需要良好稳定的供电，通常我们能够直接获得的
19、电能有两种形式：直流电和交流电。由蓄电池或直流发电机可获得直流电，由火力发电、水力发电、核能发电以及风力发电可获得交流电。但用电设备可能需要各种各样的电能形式，如电压大小可调的直流电或大小、频率可调的交流电。这就需要应用电力电子技术来对电能进行控制和转换，以达到合理、高效使用能源的目的。 电力电子技术是一门使用电力电子器件，通过电力电子变换电路及相应的控制理论，实现对电能的高效变换和控制的技术，具体包括对电压、电流、频率、相位、波形、相数、有功以及无功等参数的变换和控制。电力电子技术的开端始于 1956 年普通晶闸管的问世，目前正向着全控化、高频化、数字化、模块化以及智能化方向发展，其应用范围
20、已从传统的工业、交通、电力等部门扩大到国防、信息、家用电器以及航空航天等各个领域 16。 通常，我们将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变器。若按直流电源的性质来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。在电压型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。电压源的交流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。为使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管。电压型逆变器适用于向多电机供电、不可逆传动、恒速系统以及对快速性要求不高的场合。在电流型逆变器中，直流电源是交流整流后经大
21、电感滤波形成的电流源。电流源的交流内阻抗近似为无穷大，桥臂输出电流为幅值等于输入电流的方波电流。为减小负载感应电势加在功率开关上的反向电压降，必须在功率开关上串联二极管。电流型逆变器适用于单电机传动、加减速频繁运行或需要经常反向的场合。 若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器。其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。 目前逆变器主要用于两类工业功率控制装置中：一是恒压恒频逆变器，主要用于 UPS 电源、航空机载电源和机车辅助电源等应用场合。这是一种在负载或直流电源在一定范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交
22、流正弦波的电源装2置，简称 CVCF 逆变器。二是变压变频逆变器，主要用于交流调速系统中。这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置，简称 VVVF 逆变器。 本文以电压型全桥 CVCF 逆变器为主要研究对象，为便于表述，以下简称为逆变器。对于逆变器的性能指标，除了需要满足可靠性、体积、重量、效率、电磁兼容性等基本指标外，对供电质量也有具体的要求。这一要求体现为稳态和动态两个方面的指标。对于稳态指标，要求逆变器的输出电压幅值、频率要在一定的范围之内，波形要尽量接正弦，波形质量可以用总谐波畸变量（THD）来表征，一般要求低于 5。对于动态指标，主要是在突加、突减负载时，输出电压振荡
23、尽可能小，并且动态调整时间尽可能短。1.2 波形控制技术的重要性由于非线性负载大多含有非线性元件，其伏安特性呈现非线性。对于这种负载，即使供电电压为标准正弦波，负载电流也是严重畸变的，其中包含丰富的低次谐波。由于逆变器的输出阻抗不为零,所以这些低次谐波电流必然在逆变器输出端产生谐波压降，导致输出电压畸变。因此非线性负载是影响 PWM 逆变器输出电压波形质量的主要因素。而如今最常见的非线性负载就是二极管整流大电容滤波型负载。除了非线性负载之外，在实际的 PWM 过程中,为防止逆变器桥臂上下端元件直通短路而设置的死区也对波形质量有一定影响。死区的存在，使得理想 PWM 输出电压中叠加了一组高频脉冲
24、。其幅值、重复频率与 PWM 脉冲相同，宽度等于死区时间，包络线为方波。后者的极性与逆变桥输出电流相反，其频率则为基波频率。显然，这一波形中含有开关频率以下的低次谐波，直接增加了输出电压的波形畸变。死区时间在一个开关周期中所占份量越大，对波形质量影响就越大。对于由理想开关构成、并且只带线性负载的 PWM 逆变器，只要实施某种 PWM 技术，不难获得理想的正弦波输出电压。可惜，受到非线性负载和 PWM 调制过程中的死区等因素的影响，使得基于开环的 PWM 技术无法确保输出电压波形满足要求。因此逆变器的闭环波形控制技术成了非常热门的课题,而其焦点又主要集中在选择和设计合适的调节器方面。1.3 控制方案综述逆变器输出波形控制技术从总体上可分为两大类：（1）基于周期的控制。（2）基于瞬时的控制。
