重載下逆變器三閉環(huán)控制策略研究

秦斌，黃鷹

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

重載下逆變器三閉環(huán)控制策略研究

秦斌，黃鷹

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

為解決傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制逆變器在重載下掉壓嚴(yán)重的問題，本文采用增加一個輸出電壓有效值反饋環(huán)的方法，使之形成三閉環(huán)控制系統(tǒng)。在分析三閉環(huán)控制原理的基礎(chǔ)上，采用matlab搭建該系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了仿真實驗。通過對比雙閉環(huán)控制與三閉環(huán)控制仿真波形，相比于雙閉環(huán)控制，三閉環(huán)控制更能有效解決逆變器在重載下掉壓的問題。

逆變器；SPWM；三閉環(huán)控制

0 引言

逆變器在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、證券、銀行和航空航天等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越廣泛。隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，用戶對逆變器也提出了更高的性能要求。傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制的逆變器在重載下存在掉壓問題，而三閉環(huán)控制可以很好地解決逆變器在重載下掉壓嚴(yán)重的問題。

圖1 逆變器主要結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 inverter main structure

1 三環(huán)控制及其主電路

逆變器主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主拓?fù)洳捎萌珮蚪Y(jié)構(gòu)，功率管的驅(qū)動信號由正弦波(調(diào)制波)和三角波(載波)交截獲得[1-2]。單相逆變器的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，最內(nèi)環(huán)是電感電流瞬時值環(huán)，中間環(huán)為電容電壓瞬時值環(huán)，最外環(huán)為輸出電壓有效值環(huán)。其中，瞬時值電流環(huán)主要起到一個校正輸出電壓波形的作用，瞬時值電容電壓環(huán)主要起到一個校正輸出電壓相位的作用，而有效值輸出電壓環(huán)主要起到一個讓輸出電壓幅值穩(wěn)定的作用[3]。

圖2 三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Three closed-loop control structure diagram

瞬時值電流內(nèi)環(huán)采用P(Proportional，比例)調(diào)節(jié)器，瞬時值電容電壓環(huán)采用PI(proportional-Integtal，比例-積分)調(diào)節(jié)器，有效值輸出電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器。傳統(tǒng)的調(diào)制器采用的是單極性和雙極性方式的SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)，輸出脈沖頻率和開關(guān)頻率是相等的，這種調(diào)制方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；缺點是在大功率場合下，開關(guān)頻率不能太高，其原因在于：1)開關(guān)頻率過高，功率開關(guān)管會嚴(yán)重發(fā)熱，易損壞功率開關(guān)器件；2)開關(guān)頻率過高，功率開關(guān)管高速通斷，會產(chǎn)生過高電壓尖峰，擊穿開關(guān)管和其他器件；3)開關(guān)頻率過低，功率器件的開關(guān)損耗增大，逆變器效率降低，并且開關(guān)頻率降低會使輸出波形THD(total harmonic distortion，總諧波失真)變高，達(dá)不到所要求的性能指標(biāo)。

為了改善輸出波形質(zhì)量，傳統(tǒng)的做法是增大電感或者電容，或者增加三閉環(huán)控制器中的比例系數(shù)，但是這種方法會使設(shè)計的逆變器體積變大，增大有色金屬的消耗，從而使成本增加[4-5]。另外在實際數(shù)字控制系統(tǒng)中，過大的比例系數(shù)容易造成系統(tǒng)振蕩，故本文調(diào)制器的調(diào)制方式采用單極倍頻式SPWM。

2 單極性倍頻SPWM調(diào)制

2.1 單極性倍頻SPWM調(diào)制原理

單極性倍頻SPWM調(diào)制原理如圖3所示。從輸出特性看，單極性倍頻調(diào)制方式和單極性SPWM調(diào)制時輸出一樣的脈沖。不同的是，由于倍頻，因而載波頻率提高了一倍。在SPWM脈沖序列經(jīng)過驅(qū)動模塊后，4個功率管在不同模式和相同的功率開關(guān)管開關(guān)頻率下工作，逆變器的輸出電壓脈沖比單極性SPWM調(diào)制方式增加了一倍，所以單極性倍頻SPWM也稱為雙重SPWM調(diào)制方式。

由圖3可知，單極性倍頻的調(diào)制方式的實質(zhì)是把需要調(diào)制的基準(zhǔn)正弦波與相差為半個周期的兩個三角波載波得到的SPWM脈沖序列去控制相應(yīng)的全橋功率開關(guān)管，從而得到相應(yīng)的正弦脈沖序列。單極性倍頻調(diào)制方式包含兩個三角載波信號Uc1和Uc2，并且此載波信號相差為半個開關(guān)周期。

2.2 逆變輸出濾波器設(shè)計

逆變器的輸出LC濾波器主要用來濾除開關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波[6-7]。單極性倍頻調(diào)制方式的電感量值L大小一般由電感電流的最大紋波決定，最大紋波值取為滿載電流的15%比較恰當(dāng)。

圖3 單極性倍頻式SPWM示意圖Fig. 3 Single polarity SPWM frequency doubling type diagram

本文設(shè)計的單相逆變器為5kW，輸出電壓為220U，頻率為50Hz,由以上參數(shù)和分析可知：

設(shè)逆變橋輸出電壓脈沖幅值為Uab，直流側(cè)母線電壓為E，則占空比為。再根據(jù)紋波電流公式可得電感紋波電流的具體表達(dá)式為：

逆變器輸出端采用了電感L和電容C構(gòu)成的二階低通濾波器，用以濾除輸出端高次諧波。因為電感L根據(jù)最大紋波電流已經(jīng)確定，所以只要根據(jù)LC濾波器的截止頻率就可以確定電容C。因為本文采用的是單極性倍頻SPWM調(diào)制，輸出端諧波則為2倍開關(guān)頻率的偶次倍諧波，根據(jù)工程的經(jīng)驗值，取1/10倍開關(guān)頻率作為LC濾波器的截止頻率，即：

因為實際電路中，逆變器大多數(shù)器件都存在一定非線性，基準(zhǔn)正弦波也不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，因而低次諧波會混在輸出波形中。所以一般工程上，會將電容量C適當(dāng)增大，這樣可以有效抑制低次諧波[8-9]。將電感值代入上式中計算，3即可得電容值：

在實際電路中可取電容為10μF，電感值為1mH。

3 Matlab仿真及結(jié)果分析

3.1 雙閉環(huán)控制仿真結(jié)果及分析

1)基于雙閉環(huán)原理，雙閉環(huán)采用常規(guī)SPWM調(diào)制，采用Matlab/SimUlink搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真實驗。雙閉環(huán)空載波形和突加負(fù)載波形分別如下圖4和圖5所示。

圖4 空載波形Fig.4 Light wave

圖5 突加重載后的波形Fig. 5 After the sudden increase load waveform

2)從圖4可知，雙閉環(huán)控制下的逆變器在空載下，輸出電壓輸出波形在穩(wěn)態(tài)下沒有出現(xiàn)波動，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但是在時間t=0.2s時突加負(fù)載后，如圖5所示，逆變器輸出電壓從t=0.2s時刻開始出現(xiàn)掉壓現(xiàn)象，達(dá)到了一個新的穩(wěn)態(tài)，并且不能還原到突加負(fù)載前的穩(wěn)態(tài)，即沒有辦法自我修復(fù)突加負(fù)載下的掉壓問題。

3.2 三閉環(huán)控制仿真結(jié)果及分析

1)基于雙閉環(huán)原理，雙閉環(huán)采用常規(guī)SPWM調(diào)制，采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真實驗。三閉環(huán)空載波形和突加負(fù)載波形分別如下圖6和圖7所示。

2)從圖6可知，三閉環(huán)控制下的逆變器在空載下，輸出電壓波形經(jīng)過短暫的暫態(tài)后進(jìn)入了預(yù)期穩(wěn)態(tài)，不在出現(xiàn)波動，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。當(dāng)在在時間t=0.2s時突加負(fù)載后，如圖7所示，逆變器輸出電壓從t=0.2s時刻開始出現(xiàn)掉壓現(xiàn)象，但是只掉壓兩個周波時間后，輸出波形重新回到了沒有突加負(fù)載前的穩(wěn)態(tài)，由此可見，三閉環(huán)控制可以有效解決逆變器在重載下的掉壓問題。

4 結(jié)論

本文針對雙閉環(huán)控制下的逆變器在重載下的掉壓問題，提出在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加一個電壓有效值外環(huán)的方法，用以解決雙閉環(huán)控制的逆變器在重載下的掉壓問題，并在matlab/simulink環(huán)境中進(jìn)行了仿真實驗，通過分析和對比雙閉環(huán)控制與三閉環(huán)控制的逆變器輸出電壓波形，結(jié)果證明，三閉環(huán)控制可以有效解決逆變器在重載下掉壓的問題。

圖6 空載波形Fig. 6 Light wave

圖7 突加重載后的波形Fig. 7 After the sudden increase load waveform

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Research on Triple-closed Loop Control Strategy of Single Phase Inverter under the Heavy Load

QIN Bin, HUANG Ying
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

To solve the problem of the traditional double closed loop control inverter's voltage drop under heavy load, a triple-closed loop control system for the inverter is presented in the way that a feedback loop of output voltage RMS is added to the traditional double closed loop in this paper. Based on the analysis of triple-closed loop control principle, the system model is built by using MATLAB and the simulation experiment is carried out. The simulation results show that the triple-closed loop controllers can solve the problem of voltage drop under heavy load more effectively, comparing with the double closed loop control.

inverter; SPWM; triple closed loop control

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.02.06

國家自然科學(xué)基金項目(61074067)。

秦斌(1963-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向: 復(fù)雜工業(yè)過程建模與優(yōu)化控制; 黃鷹(1986-), 男, 碩士研究生, 研究方向為: 現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)。

秦斌，黃鷹．重載下逆變器三閉環(huán)控制策略研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(2)：33-37