逆变器波形控制及辅助功能研究硕士学位论文.doc
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1、硕士学位论文 逆变器波形控制及辅助功能研究逆变器波形控制及辅助功能研究 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Research on the Wave Control and Auxiliary Funcitons of Inverter Candidate:Zhang Ning Major:Power Electronics and Electric Drive Supervisor:Prof. Kang Yong Huazho
2、ng University of Science and Technology Wuhan, Hubei P.R. China 430074 April, 2006 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已标明引用的内容外,本论文 不包含任何其他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: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留并
3、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 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: 年 月 日 年 月 日 I 摘 要 目前在许多重要场合使用了逆变器,对逆变器的输出电压的波形、动态响应速 度和技术功能的要求也越来越高。因此进一步开展提高逆变器性能研究是十分必要 和有意义的。本文主要研究三相逆变电源的波形控制以及一些逆变器功能的设计, 主要内容有如下几
4、个方面: 三相逆变电源是多输入多输出的耦合系统,由于坐标变换和空间电压矢量概念的 引入,使得三相系统可以灵活的在各种坐标系之间转换。本文将负载处理为扰动基 础上,建立了三相逆变电源在静止 ABC、静止、旋转 dq 坐标系下的数学模型。 并使用 matlab 软件对三相逆变器进行了仿真,考虑了死区对逆变器的影响。最后分 析了影响逆变器输出电压波形的几个重要原因。 为了获得高质量输出电压,发展了多种多样的波形控制技术。基于三相系统在 dq 坐标下的特点,本文介绍了重复控制内模的控制器,对实际系统设计了重复控制 器并在 matlab 中进行了仿真给出了仿真波形。通过数学分析和仿真说明了重复控制 存在
5、动态响应速度慢和存在稳态误差的缺点,给出了 PI 瞬时值控制加重复控制内模 的控制器。最后比较的 PI 瞬时值控制加重复控制内模的控制器和重复控制、PI 瞬时 控制在带整流性负载和突加负载的波形,指出了 PI 瞬时值控制加重复控制内模的控 制器在三相逆变器中的优点。 为了保证逆变器对负载供电的质量和供电安全,还设计了逆变器切换和抗冲击性 负载的功能。在切换中使用数字化锁相环保证两台逆变器能够时刻保持相位的一致。 分析了导致输出变压器直流不平衡的主要因素,在此基础上使用软件抗偏磁的方法 来抵消变压器的直流偏磁。实验结果表明,所提方案简单有效,大大改善了系统的 性能和可靠性。 关键字:三相逆变器电
6、源 重复控制 瞬时反馈 锁相环 限流 II Abstract The inverters are widerly used in many important situation, where Fast response and little distorted output voltage is required. It is needed and significative to improve the quality of output voltage. This dissertation focuses on the output voltage control and some im
7、portant function of three phase inverters. The followings are the main work: Three phase inverters are multi-input multi-output coupling systems. With the introduction of the concept of voltage space vector and coordinate transformation, it is possible to let three-phase system transform among the d
8、ifferent coordinates. Supposing load as disturbance, models in ABC three phase stator coordinate, two- phase stator coordinate and two-phase rotating coordinate are established. Using MATLAB, the dq inverter simulating model is established where dead time effect is considered.Finally the several aff
9、ect output voltage reasons are analysed. To achieve high quality output voltage, diverse voltage waveform control techniques have been developed. Based on the characters of three phase systems in dq coordinate, repetitive control strategy is introduced and one repetitive controller is designed for a
10、 system.Using MATLAB,the simulation waves are got . With the mathmatics analysis and these waves ,the repetitive control faults that are slowly dynamic response and steady error are explained. one control strategy is present which is base component instantaneous feedback control model paralleling wi
11、th harmonic component repetitive controller is given to solve these faults.Comparing the output voltage of repetitive controller with instantaneous feedback controller paralleling with repetitive controller, the merits of instantaneous feedback controller paralleling with repetitive controller are p
12、ointed out. In order to safely supply power to load ,the inverter functions of switching and current limiting are designed. Two inverters use the digital phase lock loop to ensure they have accord phase. The paper analyzed the main cause causing the magnetic bias and proposed a sofware method. Exper
13、imental result proves that the proposed method is very simple and practical and the system quality and reliability is improved. Keywords: three-phase inverter repetitive control instantaneous feedback control digital phase lock loop current limiting III 目 录 摘要I ABSTRACTII 1 绪论 1.1 电力电子技术(1) 1.2 逆变器概
14、述(1) 1.3 逆变器的控制技术(5) 1.4 本文研究的主要内容(11) 2 PWM 逆变器的数学模型 2.1 三相逆变器的数学模型(12) 2.2 三相逆变器的仿真(18) 2.3 逆变器存在的问题(21) 2.4 本章小结(23) 3 逆变器波形控制研究 3.1 重复控制理论(24) 3.2 常用的重复控制器(25) 3.3 重复控制器的设计与仿真(28) 3.4 重复控制器的缺点(34) 3.5 改进的重复控制(36) 3.6 本章小结(42) 4 逆变器的辅助功能 4.1 逆变器切换技术(43) IV 4.2 逆变器抗冲击保护的功能(47) 4.3 逆变器抗直流偏磁(50) 4.4
15、 本章小结(54) 5 全文总结.(56) 致谢.(58) 参考文献.(59) 附录 攻读硕士学位期间发表的论文.(63) 1 1 绪 论 1.1 电力电子技术 电力电子技术(Power Electronics)是二十一世纪重要的关键技术之一。美国电 气和电子工程师协会(IEEE)对电力电子技术的阐述是:“有效地使用电力半导体 器件,应用电路和设计理论以及分析开发工具,实现对电能的高效能变换和控制的 一门技术,它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换1。 电力电子技术包括电力电子器件、电力电子变换技术和控制技术三个部分,其中 以电力电子器件的制造技术为核心技术。电力电子技术是电力、电子、控制三
16、大电 气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展,电力电子技术又与现代控 制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前,电力电子 技术已逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。 电力电子器件是电力电子技术的基础,电力电子技术是随着电力半导体器件的 发展而发展的。从 1957 年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始,到 70 年 代后期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世,期间伴随着微电子技术和电力 电子技术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形成了一 个新的全控型器件大家族。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化的方 向发展2。 电力
17、电子变换技术就是利用电力电子开关器件作为开关管,按一定的拓扑结构 连接的电能控制、变换电路所完成的变换功能。按其功能大致可分为:(1)AC/DC 整 流器;(2)DC/AC 逆变器;(3)DC/DC 斩波器;(4)AC/AC 直接变换器。在各种电力电 子装置中,逆变电源是应用范围最广的,直接 DC/AC 变换或间接 AC/AC 变换的场 合,都需要逆变电源。 1.2 逆变器概述 1.2.1 逆变器的应用范围和分类 随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益 2 密切,而电子设备都离不开可靠的电源,一些重要的用电部门(如机场、医院、银 行)和一些重要的用电设备(如计算机
18、、通信设备)对供电质量的要求越来越高, 不仅要求不停电,还要求电压、频率、波形准确完好,如不间断电源 (Uninterruptible Power Supply,简称 UPS)广泛应用于计算机、程控交换机、数据 处理系统、医疗诊断仪及精密电子仪器等不能中断供电的场合。所以电源是电子设 备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性,电子设备的故障 60 来自于电源,于是电源越来越受到人们的重视。仅就其中的开关电源而言,2000 年 我国的产值在 1999 年的基础上上升了 14%,达到 80 亿(其中通信电源 48 亿,电力 电源 32 亿) ,它仅占世界开关电源总产值的 4.6 。 逆
19、变器的应用如此广泛,类型也很多。其基本类型有1-3: 1. 按直流电源的类型,逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆 变器的输入为直流电压源,逆变器将输入的直流电压逆变输出交流电压;电流型逆 变器的输入端串接有很大的电感,形成平稳的直流电流源,逆变器将输入的直流电 流逆变为交流电流输出。 2. 按输出交流电压的性质,可以分为恒频恒压正弦波逆变器和方波逆变器,变 频变压逆变器,高频脉冲电压(电流)逆变器。 3. 按逆变器的结构,可以分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器 4. 依据开关器件及其关断(换流)方式的不同可分为采用全控型开关的自关断 换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的
20、强迫关断晶闸管逆变器两类。晶闸管逆变器 也可利用负载侧交流电源电压换流(又被称为有源逆变器) 、负载反电势换流或负载 谐振换流。 逆变器的输出可以做成任意多相。实际应用中大都只采用单相或三相。早期, 中高功率逆变器采用晶闸管开关器件,晶闸管一旦导通就不能自行关断,关断晶闸 管需要设置强迫关断(换流)电路。强迫关断电路增加了逆变器的重量、体积和成 本,降低了可靠性,也限制了开关频率。现今,绝大多数逆变器都采用全控型电力 半导体开关器件。中等功率逆变器多用 IGBT、IGCT,大功率多用 GTO,小功率则 用 P-MOSFET。 本文主要研究恒压恒频的电压型逆变器,以后所指逆变器如没有特殊说明都是
21、 这种逆变器。 3 1.2.2 PWM 逆变器的工作原理 直流/交流电功率变换称为逆变,逆变器的输入是直流电,输出为交流电。逆变器由 主电路和控制系统两部分组成。图 1-1 为单相逆变器的主电路图。 由图 1-1 可见,当开关 S1、S4 导通,S2、S3 关断时,输出端可获 得正极性的瞬时电压;而当 S2、S3 导通, S1、S4 关断时,输出端即获 得负极性的瞬时电压。以一定的频率 切换两组开关的导通状态,即可实现 由直流电压到交流电压的变换。 S1(S4)与 S2(S3)的驱动信号互 补,即 S1、S4 有驱动信号时, S2、S3 无驱动信号,反之亦然。 S1、S4 和 S2、S3 周期
22、性地改变通、 断状态,周期 T 对应 2 弧度,输出 电压 V 基波频率 f=1/T,角频率 =2f。 如果在期间,S1、S40t 有门极驱动信号而同时处于通态, S2、S3 截止,则;在VUd 期间,S2、S3 有门极驱2t 动信号而同时处于通态,T1、T4截止,则。因此输出电压 V,是图 1-2 所示VUd 180宽的方波电压,幅值为。简单的按照这种方法控制,只能获得方波型交流电Ud 压输出,其谐波含量很大,幅值也无法调节。而在实际应用中通常希望逆变器输出 电压、功率以及频率能够得到有效的控制和调节。逆变器输出电压的频率仅取决于 开关管驱动信号频率,因此逆变器频率控制比较简单,逆变器电压和
23、波形控制则比 较复杂,逆变器的波形控制技术在后面详细介绍,而逆变器输出电压可以通过 PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)技术可以解决这个问题。 PWM 技术的理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象。采样控制理论 有一个重要的原理冲量等效原理1-3:大小、波形不相同的窄脉冲变量,作用于惯 图 1-2 逆变电路电压波形 S1、S4导通 S2、S3导通 S1、S4导通 V t Ud S4 L O A D S1 S2 Ud + S3 图 1-1 单相逆变器的主电路图 4 性系统时,只要它们的冲量,即变量对时间的积分相等,则它们所形成的电流响应就相同。 因此只要对逆变器的
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