单相全桥逆变器单周期控制技术研究

本科毕业设计(论文）单相全桥逆变器单周期控制技术研究*燕 山 大学212年6月本科毕业设计（论文）单相全桥逆变器单周期控制技术研究学院（系）:里仁学院 专 业： 学生 姓名：* 学 号:* 指导 教师：* 答辩日期：012年6月17日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电气工程及自动化系 学号学生姓名专业班级应电82题目题目名称单相全桥逆变器单周期控制技术研究题目性质.理工类:工程设计 （）；工程技术实验研究型（ );理论研究型( ）;计算机软件型（ );综合型( ）。2.文管类（ ）；外语类（ );4。艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2。论文（ ）题目来源科研课题( ） 生产实际( ）自选题目( ) 主要内容掌握单周期控制的基本原理，并将其应用于单相全桥逆变电路。掌握PSIM仿真软件,仿真实现单相空间矢量调制的单相全桥逆变器。基本要求。设计单相全桥逆变器的主电路结构及元、器件参数2.设计单周期控制算法3仿真实现单周期控制的单相全桥逆变器参考资料1.IEE相关期刊文献2.中文核心期刊3相关领域专著周 次14周-8周91周136周178周应完成的内容文献阅读，英文文献翻译掌握基本概念和基本方法系统软硬件设计，熟练使用仿真软件仿真研究，结果获取撰写毕业设计报告书，答辩指导教师：*职称:副教授 01年12月日系级教学单位审批: 年 月 日II / 76摘要单周期控制是一种基于开关变量积分的新型非线性控制策略，能有效地抑制电源电压的扰动，但对负载扰动抑制能力有限。单周期控制技术克服了常规W 技术固有的缺点:单周期控制的开关频率是固定的，既改善了输出波形的质量，又降低了输出波形的谐波含量；单周期控制的开关变量平均值在一个开关周期内严格跟踪参考给定，且开关变量平均值与控制参考之间既没有稳态误差，也没有暂态误差。而且,将单周期控制技术运用到单相全桥逆变器中可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。因此，本文选择了对单相全桥逆变器的单周期控制技术的研究工作.本文通过使输入电压发生突变来证实单周期控制对系统输入侧扰动的抑制作用，并利用电力电子仿真软件PSI对系统进行详细的仿真分析，从而利用仿真结果证实了方案的可行性.关键词 单周期控制；单相全桥逆变器；PSIMAbsrctTe inglecyclectrolis a e noliearotro strtegy ased othe sitc varle integal, it canefectively inibit e suppl vltage disturbae， load distubancerejetion capaiity iited。Singl-cycle cotrol techni oercom theinherent ortcoming f covetonalPWMechloy： singlecycle ontrlf swiinrequency ixed,botht impvethe quality oft utput wavefm， but l redus the harmoic cnetf th outpt weform；te avrage single-cle contrl o he witchvaibl n a ichincyc and sicy ollwthe referene given， nd ntherthe steysate errr in the switcvarabe bewe the averae conro rece， tere i o tansient error。 Mreoer， singlecyce cntro ecniue appleto lhase ullbrid inerer cafective ovrcome he defcts the traitonal voltag feedbakcorol， but lo o no have t cnsider hhumancompsatin in the urent mo contrl。 Therefoe, wehavechosa iglecycle singepase fulbridginerer ontrolthnolgy sach.This rtic conirmed y amuation in te put vlage to he sinlecycle controofte hibir effect of dstrbance o t systm input side, and taid siuatn nalysis of poeeleronic simulaion oftar PI sys to take advatageof the slai rest confirm h fesiilityKeyordsne-yce contol；Siglephse ullbridge inveer；PSIM目 录摘要IAbtracI第1章绪论11 课题背景11。1.1 逆变电路的现状与发展11。1. 单周期控制技术的特点及研究现状41。2 本文研究的主要内容5第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理6。1引言2。 单相全桥逆变器的基本原理63 单周期控制在buck变换器中的应用实例8.。1 基本bck变换器2.3. 单周期控制2。4双极性调制方式下的单周期控制技术基本原理分析1125 本章小结14第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计153引言132 主电路参数设计153.2.1 输出滤波器的设计1532。2 滤波器参数选择173.2。3 负载电阻的参数设计13.。4 主开关（OSFET)的选择193。2.5 驱动器件的设计19。 控制电路参数设计23.3。1积分器参数设计20。 比较器设计233.3 触发器的设计233。4 双向电子开关的设计223 本章小结2第4章 基于单相全桥逆变器的单周期控制的仿真结果244引言24。2电路仿真软件S的概述244。2。 S的仿真环境的介绍244。.2 SIM仿真软件的运行阶段244。2。3PSM仿真软件的电路结构24。3 系统仿真2643。1 仿真结果274。4 本章小结30结论3参考文献3致谢3附录13附录241附录346附录51附录5 64第1章 绪论11 课题背景 随着信息技术的发展,技术的不断成熟,滑模变结构控制,重复控制等新的控制方式克服了常规控制策略对电路模型的精确性以及电路参数的非线性与时变性的依赖的缺点,使系统的可靠性和精度得到不断提高，控制系统鲁棒性和对负载的适应能力不断增强。但是，这些先进的控制策略在实现上都存在着不同的问题，如变结构滑模控制固有的抖震无法保证系统可靠地运行，为了避免抖震而采取措施又增加了设计的复杂性；重复控制的响应速度比较慢，同时重复控制需要对负载连续自动的辨识和一个非常复杂的补偿网络才能保证系统的稳定性。 将各种控制算法结合起来取长补短虽然弥补了各种控制策略的不足，但是同时增加了系统设计的复杂性,形成了控制的高精度与系统的复杂性之间不可协调的矛盾。单周期控制是一种典型的实用非线性控制技术，其特点是，在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，无论是稳态还是暂态, 它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值,在逆变电源中采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。随着当代电气技术的逐步发展，一些控制技术和控制方法应运而生，种类繁多的控制方法面对目前高速发展的社会逐步遭到科技领域的延伸以致淘汰。目前需求的具备高精度、高稳定性、高速度与抗干扰能力的控制技术逐步浮出水面。就在20 世纪0年代初，美国加州理工学院的K。M。Sedly 博士提出了一种大信号非线性控制理论方法单周期控制理论（n Ccle otrol）,它是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的。1。1.1 逆变电路的现状与发展随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换,从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如充电器、通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、化工电源、汽车电源、绿色照明电源、不间断电源、医用电源、航空、航海、铁路交通、生产线、实验室等等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。这门学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（WM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压稳频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多种学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。按照输出电压的相数分类，逆变电路可以分为单相逆变电路和三相逆变电路。三相逆变电路按照输出有无中线又可以分三相四线制逆变电路和三相三线制逆变电路。按照逆变电路的额定输出功率分，逆变电路可分为小容量逆变电路(05kVAkVA）、中等容量逆变电路（k50kVA)及大容量逆变电路(50kVA 以上).逆变电路之所以能得到广泛的应用,是因为它能实现以下功能：变频（逆变电源将市电转换成用户所需频率的交流电）、变相(逆变电源能将单相交流电转换成三相交流电，也能将三相交流电转换成单相交流电）、逆变（逆变电源能将直流电转换成交流电）、提高电质量（逆变电源能将低质量的市电电压转换成高质量的稳压稳频的交流电压）。逆变器广泛用于工业、交通、能源、航空航天等领域。为了满足实际应用的各种要求，人们希望逆变器的输出电压（电流）、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，比如，有些系统对输出电压波形正弦失真度有严格的要求。基于此，研究逆变器的输出电压谐波是很有实际意义的。逆变器按输出相数可以分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。在单相逆变器中,常采用WM 调制方式对开关管进行控制,在PW 调制方法中有方波调制、正弦波调制、矢量空间调制等。方波调制尽管直流利用率高，但输出电压的谐波含量也高，且正弦度较差；而SPWM调制能获得较好的正弦波,目前已被广泛应用.逆变电路的应用范围非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时,就需要逆变电路。另外,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路.现代电力电子技术的快速发展为逆变技术的采用提供了必要的条件，采用逆变技术的优越性主要表现在以下几个方面：1)灵活的调节输出电压或者电流的幅值和频率。通过控制回路，可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或电流的幅值和频率按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活的变化。2)将蓄电池中直流电转换成交流电或其他形式的直流电.这种转换的用途很广,不间断电源设备在电网停电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流电，供计算机等用电设备使用,不间断其工作,从而不会造成太大的损失.程控电话交换机二次电源是一种 CC 变换器,它把蓄电池中(或者一次电源送来的)直流电变换成其他形式的直流电供交换机使用,它不会因为交流电网停电或剧烈变换而影响工作。3）明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料.很多用电设备中,变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量。变压器绕组匝数和有效横截面积之积与变压器绕组中所加电压的频率成反比关系，如果能将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器的体积和重量会明显减小，当然也节约了制作变压器的铜材和磁性材料。4)高效节能。采用逆变技术高效节能主要表现在：电动机变频调速代替恒转矩、电动机制动时的有源逆变代替功耗电阻、提高功率因数、减小变压器体积的同时也减小了变压器的功耗。5）动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性很好.具体表现为:对电网波动的适应能力强（源效应好）,负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定,纹波小等。6)保护快.由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号的反应快，从而增加了系统的可靠性.然而逆变技术作为一种重要的电能变换技术已经广泛应用于交流电机调速、不间断电源、新能源开发等领域。11。2 单周期控制技术的特点及研究现状单周期控制技术是通过对滤波电路的输入电压进行积分，使其在一个周期内跟踪参考信号的电压值。它是一种典型实用的非线性控制技术,其特点是,在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动,既没有稳态误差，也没有暂态误差,无论是稳态还是暂态,它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值,在逆变电源中采用单周期控制技术,可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷,同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿.单周期控制技术的突出优点在于其无论在稳态还是在暂态情况下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号，即能在一个周期内，有效地抵制电源侧的扰动，既没有静态误差也没有动态误差，动态响应快速,对输入扰动抑制能力强.开关变换器是脉冲式的非线性动态系统，大多数采取的控制方案是首先通过线性化控制方程逼近这个非线性动态系统,然后再采用线性反馈技术进行控制。这种方法限制了开关非线性系统的功能。而单周控制没有这种限制,因而得到了学术界的广泛认可，也成为了目前学者们研究的热点,这也成为选题的依据之一。 脉宽调制（P）逆变技术是实现逆变器输出正弦化的有效方法，其基本原理是采用一组不同宽度的脉冲序列来等效正弦波电压.WM 控制技术的发展主要集中在4 个方面:（1）如何提高逆变器直流侧电压利用率；(2)在输出基波电压不变的前提下，如何尽可能消除谐波；()如何改善控制性能；（4)如何改变谐波频谱分布.然而，单周期控制与其它现有PWM控制方法相比，结构简单、响应速度快、稳定性好、可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求，这对课题的研究具备很大的吸引力.目前来看，单周控制已在DCD变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、交流稳压电源、静止无功发生器以及功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等诸多方面得到广泛应用.然而在国外，已有公司开始致力于将单周控制模块化并投入到商业运营。近年来,国内外主要针对于单周期控制变换器可行性、单周期控制变换器的建模和单周期控制变换器的稳态和动态性能方面进行研究，这也是本课题的研究趋势.单周期控制作为一种新型的控制方式，由于响应速度快、自适应性强等特点,在各种电路拓扑中得到了广泛地应用。现阶段单周期控制基本上都是采用模拟控制的方式，需要通过模拟电路来实现一个可以快速复位的积分器和一个稳定的积分常数。采用数字控制自身的特点和优势来实现单周期控制可以很方便的实现积分复位和保证控制器的参数不随时间和环境的变化而变化.又可以充分利用数字控制在实时通讯和状态监测等方面的优势。2 本文研究的主要内容本文通过大量阅读相关文献，了解了单周期控制技术的基本原理与基本概念，并将其应用于单相全桥逆变电路中。通过对单相全桥逆变电路的基本原理的理解与对但周期控制技术的掌握，将二者结合起来，在双极性调制方式下实现对全桥逆变电路的单周期控制。之后通过掌握电力电子常用仿真软件SM仿真软件,熟练使用后仿真实现单相空间矢量调制的单相全桥逆变器。本文所要研究的主要内容如下：（1) 在绪论中，我们对本次设计课题的背景进行了概述,并对单周期控制技术的特点与研究现状做了详细的阐述。（） 在第二章中，我们对单相全桥逆变器及单周期控制技术的基本原理进行了详细的论述与分析,了解到单周期控制方法实现简单，对单相全桥逆变器的输入输出扰动具有较强的鲁棒性,且动态响应速度快,在此逆变电路中采用单周期控制技术,可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷,同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿,因此本次设计选择对单周期控制进行研究。（3）第三章里我们对本次设计中主电路与控制电路的相关参数的计算给出了计算公式并进行了计算，并对所用到的器件进行了选型。（4）在最后一章里我们利用了电力电子仿真软件PSIM进行了系统仿真工作，给出了相关波形，验证了单周期控制在单相全桥逆变器中的可行性。第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理2.1引言 单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量（通常为斩波波形）的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合,比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。下面介绍单周期控制技术在单相全桥逆变电路中的功能与应用。我们先由buk变换电路的单周期控制为例来介绍基本原理内容.2 单相全桥逆变器的基本原理与整流相对应,把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相连接时，称为无源逆变.本次毕业设计所选用的单相全桥逆变器为无源逆变电路。图-单相全桥逆变电路电路如图2-1所示，直流侧为电压源，交流侧为阻感性负载，共有四个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成.每个桥臂都由一个IGBT和与它反并联的二极管组成。当给IGBT加关断信号时,IGBT一定关断，但给IGT加导通信号时,GBT不一定就能导通，IGB是单向器件，能否导通取决于流过负载的电流是否与IGT的导通电流方向一致。如果一致,则IGB导通;如不一致，则对应的二极管导通.电压型全桥逆变电路的原理图如图2-1所示，它共有四个桥臂,可以看成由两个半桥电路组合而成的。把桥臂1和作为一对，2和3作为一对,成对的两个桥臂同时导通,两对交替各导通80度.其输出电压的波形为矩形波，其幅值Um=E.全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为普遍的。前面分析的都是Uo为正负电压各为18度的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值,只能通过改变直流电压E的大小来实现。在阻感负载时,可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种调压方式叫做移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度.在上图中,各个IGBT的栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，而且S1和S2的栅极信号互补，S3和4的栅极信号互补，但3的基极信号不是比1落后0度,而是只落后（0180).也就是说，S3和S4的栅极信号不是和S2与S的栅极信号同相位，而是前移了18-。这样一来,输出电压就不再是正负各为8度的脉冲，而是正负各为的脉冲.各IG栅极信号U1G4及输出电压Uo、输出电流Io的波形图如图22所示。下面我们对它的工作过程进行一下具体分析。图2 单相全桥逆变电路的移相调压方式波形图设在t1时刻前S1和S导通,输出电压为E，1时刻S3和S4栅极信号反向，S截止，而因为负载电感中的电流不能突变,3不能立刻导通，V导通续流.因为S1和D同时导通,所以输出电压为零。到t时刻S1和S2栅极信号反向，S1截止，而S2不能立刻导通，D导通续流,和VD3构成电流通道,输出电压为-E。到负载电流过零并开始反向时，VD和VD3截止，S2和S开始导通，输出电压Uo仍为。t时刻3和S4栅极信号再次反向,S3截止，而S4不能立刻导通,4导通续流,输出电压再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为。改变的值，就可以调节输出电压了。 单周期控制在buc变换器中的应用实例。31 基本buck变换器假定输入电压为Vg开关频率为常数。当开关S导通时，二极管D截止,其两端电压Vd等于直流输入电压Vg,即Vg=V：当开关管S关断时，二极管导通,其两端电压d0。因此,输入电压经开关管S斩波后获得开关变量Vd，其平均电压Vd为:图- buck变换器 （2-）由L、组成的低通滤波器将开关变量Vd传输给输出端获得稳态直流电压,同时滤除大部分不理想的高频成分。由于电感没有稳态直流压降,因此，输出电压Vo等于开关变量Vd的平均值，则通过调节占空比d就可以调节输出电压的大小。2。2 单周期控制如果采用单周期控制技术，便可以有效的克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。图2所示为单周期控uck变换器原理图. 假定开关频率为Fs1/T为常数.电路开始工作时，由D触发器产生恒定频率的开关脉冲，开通开关S，二极管D两端的电压Vd经积分器开始积分（初始状态为零),当积分器输出电压i达到给定值Vref时，比较器输出翻转,触发器发出关断信号关断开关S，与此同时,触发器发出的复位信号使实时积分器复位为零，为下一周期做准备。由上面分析，不难得出下式: 图24 uck变换器单周期控制原理框图 (2-2）如果给定参考信号Ve为常数,则二极管两端的平均电压V就为常数，从而输出电压Vo就为常数。如图5所示。压Vi的斜率直接反映了输入电压Vg的变化.当输入侧电压升高，Vnt的上升斜率就陡，这样积分值Vnt达到给定信号Vref的时间就比较短，从而占空比d就比较小;反之，当输入电压降低时，积分值nt达到给定信号Vref的时间就比较长,占空比就相对较大。图25 二极管电压积分值随Vref变化曲线如果给定信号Ve是时间变量的函数时，二极管的平均电压也会实时跟踪时间变量给定信号的变化.如图所示是当给定信号ref以正弦的规律变化时，二极管两端电压的积分值也会实时跟踪给定参考电压Vref的变化。在单周期控制中，占空比d由下式决定： (）由上式可知，占空比d是输入电压Vg和给定参考电压rf的非线性函数。采用这种非线性控制，使得V电压的平均值在每一开关周期内都与Vre完全相同,并且与输入电压V的大小无关。这样，输出电压Vo就是给定信号Vref的线性函数，可以用下式来表示： （2-4）采用这种非线性的控制方法，开关变量Vd平均值的过渡过程将在一个开关周期内完成，因此定义这种控制方法为单周期控制（OneCce Corol)。由于这种控制方式是在假定电路处于准稳态的条件下而推出的控制方法,所以又称做为准稳态控制SS（Quai-SedyState Cnrl）。2. 双极性调制方式下的单周期控制技术基本原理分析控制技术运用到单相全桥逆变器中，因此不能像uck变换器那样由触发器产生复位脉冲复位积分器，而是要顾及到逆变电路中的交流变量,因此,本文在其中加入了窄为了获得比较理想的正弦波输出,逆变器通常采用正弦脉宽调制（SWM)方式.正弦脉宽调制可以分为双极性调制(BPWM）方式和单极性调制(PM）方式.在这两种调制方式中所有的功率管均工作在高频状态。虽然和双极性调制相比,单极性调制的开关频率在“实效上”增加了一倍，使得输出电压波形的谐波频谱有所改善，但其代价是产生了较大的开关损耗，频率越高，损耗越大,二者相矛盾。本次设计所研究的是在双极性调制方式下的单周期控制技术在单相全桥逆变器中的应用.单周期控制的基本思路是设计一个控制内环控制开关变化器的开关变量，使其在一个开关周期内的平均值等于参考信号，从而跟踪给定控制输出。本次设计是将单周期脉冲发生器。窄脉冲发生器具体是由一个RS触发器和一个延时器组成.当控制电路中的触发器的Q的下降沿产生了复位信号时，先由窄脉冲发生器将信号传送给积分器使其复位，然后在度过极短的时间后由延时装置对窄脉冲发生器中的触发器复位，即给R端一个高电平，从而积分器可以由零继续对开关变量积分，本次设计的延时器时间为s，即为窄脉冲发生器的脉宽宽度。如图2所示为窄脉冲发生器的仿真图.图26 窄脉冲发生器本次毕业设计课题的基本设计思路是将单周期控制的相关原理运用于单相全桥逆变电路中.如图所示为双极性调制方式下的单相全桥逆变器单周期控制技术原理图,该控制器包含一个积分（复位)器，比较器，R-S触发器和积分器电路复位.其基本工作原理为：当时钟到来时，RS触发器被置位(Q变为1），关断S、4触发S2、S3在这个开关状态下,控制变量Vd=-E。反相积分器开始对Vd进行积分，积分器的输出电压Vint从初始值开始单调上升。当Vit上升到控制参考信号ref时，由比较器的输出端产生一个复位脉冲将触发器复位(Q变为0），开始下一个开关状态，关断2、S3触发S、S。同时Q的下降沿产生一个窄脉冲来复位积分器。积分器在复位之后将从零开始积分。在这个开关状态下，控制变量Vp=E,积分器输出电压Vint一直单调下降.当时钟信号到来时，开始下一个周期。以后的每个开关周期,开关都以相同的规律工作,且每个开关周期内，积分器瞬时复位，正向、反向积分各一次。在这种控制方式下，逆变器的四个开关均处于高频状态，开关损耗较大，并且由于单周期控制在一个时钟周期内认为参考电压不变化，所以在这种调制方式下电压波形质量不理想。图2 单相全桥逆变器单周期控制原理框图我们再介绍一下控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形。如下图28所示,为控制参考电压Ve为正和负的两种稳态时的波形图。图28 控制参考电压ef为正和负的两种稳态时的波形图通过这样的控制，图2-8中在T1T内开关变量Vp的平均值与ef成正比。在稳定状态下，T1T2时间间隔等于T3时间间隔，因此，在开关周期中，Vp的平均值与Vref成正比，因为这个规律是重复循环的，所以Vp的平均值在每一个开关周期中都与Vef成正比。控制可概括为: （5)其中I和C1分别为电阻值和电容值。 (26)其中，= R1Ts ，Ts为开关周期。 K是电压从Vef到Vp的增益。 当Vref是一个大型的交流信号，没有直流稳定状态,因此从T1到T2的时间间隔不一定等于T3到T4的时间间隔。不过，当V频率远低于开关频率时，这是通常情况下，临近周期的（-T1）是非常接近的(T4 T）的，因此，本控制技术是有效的.单周期控制的新扩展可以适用于任何双极型开关转换器，如半桥、全桥、或四象限Cuk变换器等。2 本章小结本章先介绍了单相全桥逆变器的基本原理，再简单介绍了bc变换器的工作过程及单周期控制技术在buck变换器中的应用,引出了一种新型的控制方式-单周期控制技术的基本原理,并将在双极性调制方式下运用在单相全桥逆变器之中，从而有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷,同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿，证实了单周期控制系统具有良好的稳定性。第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计3。1 引言上一章重点讨论了单周期控制技术与单相全桥逆变器的相关原理,并将该控制方法运用到单相全桥逆变电路中，从而得出该控制方法的优点和该种控制方法适用于多种情况,比如:恒导通时间、恒关断时间、变导通时间和变关断时间等。本章将以恒定开关频率为例，来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。3.2 主电路参数设计本次设计的实验条件如下： 输出电压有效值:200V 输入直流电压：400V 输出功率：1kw 开关频率：0kH3。2。1 输出滤波器的设计对于VCF一类电源,由于负载对输出电压的失真度要求比较严格，实际输出电压失真度往往高于允许值，因此需要进一步抑制谐波含量；另外，CVCF电源的输出频率是恒定的,因此在逆变输出和负载之间附加输出滤波器是常用措施。在交流逆变电源中，逆变器输出的滤波器是必不可少的重要组成部分,它的作用在于减少逆变器输出电压中的谐波，使输出电压波形正弦化.一般对滤波器的要求如下：）使输出电压的单次谐波及总谐波含量降到指标允许范围内；2）在直流侧欠压且满载时，输出电压仍能达到额定值且不出现低次谐波;3)不过分影响逆变电源带非线性负载的能力；4)空载时滤波器输入电流要小；5）成本低、体积小、重量轻、原件少。为了减少损耗，输出滤波器都是由电感和电容组成的,不含有电阻.常见的滤波器有串联谐振滤波器、并联谐振滤波器、型滤波器、m 型滤波器等。在逆变电源中,虽然加入初衷是为了衰减谐波,但 LC滤波器的加入也给逆变电源带来了一些负面的影响,主要表现如下：1）增大了逆变器开关器件的负担；2）影响逆变电源的带负载能力,当直流侧欠压或者负载过大时，输出电压可能达不到额定值,即使能达到额定值,输出电压也可能因为过调制而出现低次谐波畸变;3）影响逆变电源系统的输出阻抗，如果 LC 参数选择不当，使系统的输出阻抗过大，不仅会使逆变电源对非线性负载的适应性减小,而且会使系统的动态特性变坏。所以LC滤波器参数的设计应当重视。由于型滤波器原件少，又有低通滤波特性,所以不仅适用于中小功率的逆变电源，且适合在大功率逆变电源中应用。本文所采用的 C滤波器就是型滤波器.基于单周控制技术的逆变电源,单周控制技术属于瞬时值反馈控制技术,当载波比足够大且不出现过调制时，一旦输出电压中出现较大的低次谐波时,无论是死区时间还是非线性负载引起的,通过控制，最终可使得输出电压中的低次谐波很小,所以在设计滤波器时,主要考虑高次谐波的衰减。 常用输出滤波器属无源滤波电路,是一种具有选频特性的端网络,按其频带分布可分为低通、高通和带通型；按其结构可分为电感输入型和电容输入型两种。作为电压源逆变电路输出滤波器最常见的是电感输入型的低通滤波器如图，当外加角频率满足 (）有 (32)与此相应的频率为 (3)式中,为滤波电路的截止频率。设逆变电路的输出频率为f，其最低次谐波电压Uk的频率为，他们与应保持： （34）因为只有这样，滤波电路对逆变输出电压基波分量的分压比最大,而对谐波电压的分压比最小，从而保证基波无衰减传输,而谐波（含最低次谐波)被抑制在规定范围内。图31 型滤波器本次设计中，f取0H，取开关频率20kHz,因此的取值可以是1000Hz。3。2。2滤波器参数选择（1）的选择 将根据滤波器的滤波能力选择，所谓滤波器的滤波能力Bo指谐波电压通过滤波器的衰减率,也就是滤波器对谐波的分压比。 （5)式中，和分别是滤波器出端和入端最低次谐波电压幅值。Bo与的关系是 （3) (3）因此,可按要求求出o值和满足要求的从而确定相应的。（2）滤波电路特征阻抗Zo的选择LC型滤波电路的特征阻抗Zo可表示为 (3-8）而Z与负载电阻R应保持如下关系 （-9)(3)滤波电路参数选择 由式38和式-9有 (310)由式有 （3-1） 根据给定的Ro和确定的联解上面两个式子，设计中可取较大的Lo和较小的Co;也可取较小的o和较大的o，使其乘积不变,但和Co的选取还要考虑下列因素： （) 对负载电压和逆变电路输出电流的影响：串联电感o上的基波压降(即负载电流的基波分量在Lo上的压降）将是负载基波电压产生变化;而并联电容Co的基波电流与负载电流相加将改变逆变电路的输出电流. （) 对负载侧功率因数的影响：在纯阻负载时，Co中的基波电流将使逆变桥输出电流增大；但在感性负载下,由于C中的容性电流与负载中的感性电流方向相反,因此,若o并不过大时，逆变桥电流反而减小。经计算可知,L可取235H，C可取18uf。3.2 负载电阻的参数设计设计条件给出的输出功率为P=1kw,而输出电压的有效值为U=00，从而根据公式有 （312)因此，主电路输出侧负载电阻Ro可知 (313)3.2.4主开关(MSET)的选择主开关的选择应考虑电流最大值和电压最大值的152倍的裕量。MOET允许的最大电压考虑到输入侧直流电源的电压E（V）的12倍裕量，即为002=800V。电路中的输出电流为Io=P/Uo=000200=5A,因此所选用的MOSFT能够承受的电流为50A。32.5 驱动器件的设计图3-2IR2110外围管脚图本次设计的驱动器件为IR20。如上图所示为IR2110引脚图。3.3控制电路参数设计331 积分器参数设计积分器是控制电路中极为重要的一个部分，积分器电路参数主要就是时间常数=RC电阻Ri和电容Ci的选择。根据前面的分析，选择积分器的时间常数等于开关周期，则有： (-14）式中,k为从Vref到Vd的增益。如此可见，开关频率为2kH，于是有开关周期为50u,k的取值一般为1/41/，经过计算可取Ri=4.8k,i1。9uf。本次选取的积分器是由运算放大器LM58构建而成的，如图所示.图3- LM35引脚图3。3.2 比较器设计本次设计中选用的比较器为LM339，如图所示。图 LM3引脚图图中,为输出端,2为负输入端，3为正输入端，4接地,5接正电源。.3.3 触发器的设计本次设计选用的触发器为CD401,如图所示为C4013引脚图。图35 CD403引脚图.4 双向电子开关的设计本次设计选择的双向电子开关为CD0,如图36所示。图3-6 CD4016引脚图.4 本章小结本章主要以恒定开关频率为例,来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。在已给定的设计条件下，对主电路滤波器参数设计、输出负载电阻及相应开关器件（如OSFET）的设计、控制电路积分器的参数设计以及的选取工作进行了安排与落实,为下面的仿真实验工作做好了理论基础准备。第4章 基于单相全桥逆变器的单周期控制的系统仿真4.1 引言前几章中对单相全桥逆变器单周期控制电路进行了理论分析，并给出了详细的参数设计，分析和设计的结果都需要经过计算机仿真和实验进行验证.下面我们先来介绍一下本次设计所用的电路仿真软件PM，再对系统进行仿真验证工作。42 电路仿真软件PSIM的概述4.1 PSIM的仿真环境的介绍IM的全称为Pwer Simulaion，意为电力电子仿真软件。它提供了强大的仿真环境，高效、便利的用户接触界面,为电力电子以及电动机驱动系统的设计、数字控制与数值分析带来了诸多方便。PIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件. PIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能,为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。 本仿真解析系统，不只是回路仿真单体,还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如,在电机驱动开发领域,控制部分用MALA/Simink实现，主回路部分以及其周边回路用SIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMG实现，由此进行连成解析,实现更高精度的全面仿真系统。 4。2。2 PSIM仿真软件的运行阶段主要包括三个阶段:PI电路示意性程序、IM仿真器、SIMVW波形形成过程项目。软件运行时这三个部分依次进行，其流程图如图所示。不同的阶段，有不同的文件类型:PM电路示意性程序的输入文件类型为*。Sch；SM仿真器的输入文件类型为cct、输出文件类型为*t；SIMVEW波形形成过程项目的输入文件类型为.xt。图41PSI软件运行流程图4.2.3 PSl仿真软件的电路结构电路结构分为四个部分：电力电子电路、开关控制器、控制电路和传感器。这四部分之间的关系如图所示:电力电子电路包括变压器、转换装置、联结感应器、谐振分支.控制电路可以控制各种元器件，例如：逻辑元器件（包括lifop和逻辑门）、非线性元器件(包括乘法器和除法器)以及S域和Z域里的元器件。控制开关的过程为:控制电路产生门信号，此信号通过开关控制器，最后反馈到电力电子电路来进行具体控制。传感器的作用是测量电力电子电路的电流值或电压值，并把所测信号传入控制电路中。图2 PSI电路结构关系4.3 系统仿真为了对系统的控制方案的可行性进行验证,下面进行系统的仿真研究。 仿真参数如下:输入直流电压：=40输出滤波电感：=235H输出滤波电容：Co=18f输出电阻：R=40积分电阻:i=48k积分电容:Ci=1。9nf开关频率：=20kz仿真电路如图所示，该电路的关键器件在于积分器和复位单元。积分器的时间常数由积分电阻R和积分电容Ci设定.积分器的复位信号由器件窄脉冲发生器和开关S构成,在下一周期前复位电路发出复位信号,使积分器复位。图4-3 仿真电路3。 仿真结果现在我们来分析下面的波形。应用PI软件对电路进行仿真，控制量跟随给定信号波形图如下：图44 控制信号跟随给定信号波形图如上图所示，红色线为控制信号，蓝色线为给定正弦信号。当蓝色给定正弦信号为正时，开关变量被积分器积分达到给定值Vrf后被复位,继而反向积分至下一周期;当蓝色给定正弦信号为负时,开关变量同样被积分器积分到给定值被复位，从而反向积分至下一个开关周期.因此形成上面的波形图。如图4-5与46,分别为给定正弦信号大于零和小于零时的波形图。图4- 给定信号为正时的积分曲线图- 给定信号为负时的积分曲线如图47为输出交流正弦波形图。图47 输出交流正弦波形图在开始的半个周期内,输出电压V1存在振荡尚未稳定，继而趋于稳定后表现为理想的正弦波形.然而，由系统输出电压波形我们不难发现该系统存在着直流偏移量，这是因为在实际电路中,由于器件的不理想，带复位功能的积分器复位时间不是瞬时的，故不能满足瞬时复位这一要求。由于其他器件的限制,如开关频率采用2kz,即开关的周期是5s。本文所采用的积分器复位时间最短也在 1s，那么积分器复位时间与开关周期相比,占空比是 2%。正是由于复位时间过长而导致了输出电压有较大的直流偏移量和交流纹波影响。由而对于本次设计研究的单周期控制技术能很有效的抑制输入侧的电压扰动,现在将输入直流电压由原来的400V突变为30V，再来看仿真的输出波形，突变发生在30s时刻,如图-。由仿真结果可见,将单周期控制技术应用于单相全桥逆变电路中可以有效抑制来自电源侧的扰动,单周期控制技术对单相全桥逆变器的输入输出扰动具有很强的鲁棒性。图48 3m时刻输入电压突变300V后输出电压波形图44 本章小结本章根据第二章中控制参考电压为正和负两种情况时开关变量被积分器积分值波形的不同形式，介绍了本电路中V3与V4的跟随关系的基本原理内容并给出相应仿真波形图，并给出了输出电压的正弦波形式,解释了其直流偏量的影响。并通过对更改了输入电压的电路进行仿真后，仿真结果使我们得出结论，该方法实现简单，对单相全桥逆变器的输入输出扰动具有较强的鲁棒性，且动态响应速度快,是一种实用有效的工程方法。结论现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学.随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。脉宽调制(PWM)逆变技术是实现逆变电源的常用技术.而运用逆变技术的逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压稳频的交流输出。对于逆变电源而言，提高逆变电源的性能是非常重要的.其中,减少功率器件的开关次数可以降低开关损耗。脉宽调制逆变技术是实现逆变器输出正弦化的有效方法。但常规的 PWM控制技术虽然能减少谐波、提高直流电压利用率、高动态响应等，但逆变电源输出波形的特性仍有待提高。针对工业应用中的实际需要及逆变电源的性能指标,本文提出了基于单周控制技术的电压型逆变电源研究.本文运用一种新型 PWM控制技术-单周期控制(oneycle conroler)技术，来提高逆变电源的输出品质因素，为以后研究单周控制技术运用到工频逆变电源、中频逆变电源及变频调速电源领域打下了良好的基础。本次设计从双极性调制的角度出发，对单相全桥逆变电路进行了详细的研究，并运用单周期控制技术作为控制策略.在本次设计中，详细地阐述了单周期控制的基本原理，并以其在buc变换器中的应用作为实例来说明单周期控制的特点与优势,从而将单周期控制技术运用于单相系统，经过诸多的理论分析与仿真验证工作，我们可以得出以下结论:（1） 通过采用单周期控制技术来实现单相全桥逆变具有控制实现简单、动态响应快、系统易于稳定和恒频工作的特点。可广泛用于各类逆变电源，如车载、船载电源等。(2） 将单周期控制技术应用与单相系统,进行了大量的理论推导，以buck电路为例详细给出了电路设计参数的计算公式。(3) 在理论分析中忽略了电感两端的电压,所以电流有滞后电压的现象，而且随着电感的增大或者是负载的加重,滞后角度越大。（) 单周期控制系统是通过对滤波电路的输入电压进行积分,使其在一个周期内跟踪参考信号的电压值。它是一种典型实用的非线性控制技术,它能够在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差,无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值.() 单周期控制方法实现简单，对单相全桥逆变器的输入输出扰动具有较强的鲁棒性，且动态响应速度快,在此逆变电路中采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷,同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。（6) 基于上述理论设计了100W 单相全桥逆变电路单周期控制仿真系统，并通过电力电子仿真软件P进行仿真研究，证实了方案的可行性。()在仿真工作中，本文设计了输入电压突变的情形,在此对输出电压进行仿真得出单周期控制对输入侧电压扰动的抑制作用。在近几年的研究中，单周控制技术直接应用于各种类型的 PWM技术、谐振技术、软开关变换器等方面。随着单周控制理论进一步的推广，其应用面会覆盖更多的领域。单周控制技术是一种通用的控制方法，取得了良好的控制效果,为现代开关电路控制打开了方便之门。综合各方面考虑,单周期控制技术是一种很有发展前景的控制策略。参考文献1 李爱文，张承慧 现代逆变技术及其应用 科学出版社，2000 年2张惠,冯英 电源大全 西安交通大学出版社，19 年 1月3 陈伯时 电力拖动自动控制系统机械工业出版社，992年4 王兆安，黄俊电力电子技术 机械工业出版社,2000 年5 Zgbo Hu,Bo h