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-I-基于DSP的数字程控交流电源的研究与设计摘 要本文的核心内容是使用数字信号处理器D S P 进行数字程控交流电源的研究与设计同时进行实际电源系统的制作将 D S P应用于实际的电源系统设计利用D S P 高速的运算能力和丰富的片内资源实现了交流电源与正弦信号发生器的结合得到了正弦波形理想参数可调且稳定性好的正弦功率信号这正是本文课题最大的创新之处本文电源设计输入为 5 0 H z 2 2 0 V单相交流电输出为幅度频率可调的正弦功率信号输出信号波形理想谐波污染小电压幅度在 3 0 3 0 0 V范围内连续可调误差在1 V以内信号频率在 2 0 4 0 0 H z范围内连续可调高频段误差在1Hz 以内低频段误差在0.1Hz 以内设计最大输出功率为 1 K V A 以上特性在一定程度上满足了用户的要求用户在得到轻度谐波污染的电能供应同时又可在步长和范围允许的情况下通过人机界面很方便地改变输出信号的参数得到需要的功率信号本文第一章介绍了电力电子技术和逆变技术的现状和发展状况其中着重对逆变技术的现状和发展作了论述包括了几种不同的逆变技术方法的说明与分析第二章是对系统的基本结构与基础理论的论述重点是本文系统的主电路拓扑工作原理和控制电路实现的算法原理论述并在此基础上对当前电力电子学的热点技术软开关技术和近年来出现的两种新型的 P I D控制算法进行了简单介绍第三章是对系统的硬件电路设计方法与过程的说明包括主电路核心控制部分检测反馈部分人机界面等第四章是系统软件程序设计部分的说明描述了软件总体框架流程正弦脉宽调制S P W M 的算法实现D S P与上位机的通信协议及实现输出信号频率的开环调节和电压闭环调节的具体实现方式第五章是实验部分包括了系统实际运行过程中各电路功能的测试与说明和系统最终实际运行状况测试系统运行测试包括频率开环调节电压闭环调节和输出信号波形分析最后是本文的总结归纳在总结全文的基础上分析了本文系统还需要做的改进工作并对未来逆变电源的发展方向作了探讨关键词 变频SPWMDSPPI 控制-II-STUDY AND DESIGN OF DIGITALCONTROLLEDAC POWER SUPPLY BASED ON DSPABSTRACTThis essay is mainly about the study and design of digital-controlled AC powersupply based on Digital Signal Processor(DSP)and realization of the practical system.Using DSP in design of power supply system,realizing the combination of AC powersupply and sine signal generator by the great computing ability of DSP,getting the sinepower signal with ideal wavechangeable parameters and good stabilization,all of theseare the core of this essay.In this essay,the input of the system is 50Hz/220V single-phase AC power supply,the output is the sine power signal with ideal wave small harmonic and the amplitude andfrequency of the sine wave can be adjusted freely responding to the users orders.Themax output power is 1KVA.All these characters meet partly the demands of users.Whilegetting slight harmonic power supply,users can also get the right signal easily bychanging the parameters.The first chapter is the introduction of the current situation and development of thepower electronic technology.The basic frame and theories of the system are mentioned inthe second chapter.In the third chapter,the systems circuits are introduced,including themain circuitcontrol circuit sampling circuitfeedback circuit and so on.The 4th chapteris mainly about the software design of the system,such as the whole software framethegeneration of SPWM signalsthe realization of the communication between DSP and thesingle chip.The content of the 5th chapter is experiments,in this chapter,the functions ofevery part of the system are tested in detail.At last,every function and character of thissystem are summarized detailedly.KEY WORDS Frequency Conversion SPWMDSP PI control1 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注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作品成果对本文的研究做出重要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 学位论文作者签名鲁琦 日期2005年 01月 08日2 上海交通大学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同意学校保留并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上海交通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学位论文属于 不保密请在以上方框内打学位论文作者签名鲁琦 指导教师签名殳国华日期2 0 0 5 年 0 1 月 0 8 日 日期2 0 0 5 年 0 1 月 0 8 日上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-1-第一章 绪 论近年来随着各类电力电子装置广泛应用导致电网中的谐波污染日益严重电能质量也随之下降而与此相反由于各种高新技术设备的不断投入使用用户对电能质量的要求越来越高他们希望得到轻度谐波污染甚至无谐波污染的电压稳定的电能供应另外实际中的各类工程项目对电源的具体参数要求存在差别同一场合所要求的电源参数也可能不同普通的交流电源都是固定输出信号即使参数可调也很有限不能满足用户要求举例来讲航空领域所使用的电源要求是A C 1 1 5 V/4 0 0 H z交流电源又如国内电气产品对外出口时由于国外一些国家采用的是 6 0 H z的市电因此在对产品进行调试检测和老化过程中都需要大量的 6 0 H z交流电源但当前的电网供电现状不能满足他们的要求因此对精度高稳定性好且参数可调电源的需求就日趋明显本文正是针对这样的需求进行本文课题的理论研究和实际设计工作本文课题是以电力电子技术理论为基础属于电力电子学的逆变技术部分下面以电力电子技术的现状与发展开始本文1 1 电力电子技术的现状与发展所谓电力电子技术就是利用现代可控大功率半导体开关器件如 SCRMOSFET,IGBT 等在负载与供电电源之间完成所需的电能变换包括电压电流频率相数和波形方面的变换电力电子技术是电力技术发电机变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络电子技术各种电子器件和处理信息的电子电路和控制技术模拟控制理论和数字控制理论三者结合的新兴交叉学科如图1-1 所示电力技术电力设备电力网络电子技术电子器件电子电器电力电子 技术控制技术模拟控制数字控制直流变换器整流器逆变器交流变换器A C图 1-1 电力电子技术与其他学科的关系图 1-2 电力电子变换器的类型D CD CA CF i g 1-1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o w e r e l e c t r o n i c s a n d o t h e r k n o w l e d g esF i g 1-2 T y p e s o f p o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r t o r根据变换前后电能的形式划分电力电子变换器可分为四个类型DCDC 变上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-2-换器是将一种直流电能变换成另一种直流电能的变换器ACDC 变换器也称为整流器是将交流电能变换成直流电能的变换器DCAC 变换器也称为逆变器是将直流电能变换成交流电能的变换器4ACAC 变换器将一种交流电能变换成另一种交流电能的变换器包括交流调压器和变频器如图 1-2 所示电力电子技术作用示意图如图 1-3 所示从图可知电力电子技术包含以下方面的内容1电力电子器件主要研究在电能变换中所应用的各种大功率半导体开关器件的工作原理特性以及设计制造的技术2电力电子电路用各类大功率半导体开关器件构成的不同的电能变换主回路这些基本主回路的构成工作原理和设计计算等属于电力电子技术的基础理论3控制和驱动部分包括驱动主回路工作的触发电路和满足各种要求的控制电路这部分内容涉及微电子技术数字控制检测反馈等信息处理与信号控制同样的电力电子电路由于控制技术的电力电子电路部分电源控制驱动部分负载图 1-3 电力电子技术功能示意图Fig 1-3 Function of power electronics in application system改进可使主电路的性能大大提高所以新控制方式的研究和新控制工具的应用已是电力电子技术的重要内容4各种特殊应用由能实现各类基本功能的电力电子电路组合起来加上一定的微电子控制手段籍以实现某种需要的电能变换或组成以控制为目的的工业应用装置这是电力电子技术的应用领域以下本节将从以下几个方面来论述电力电子技术的现状与发展11 1 1 电力电子理论的新发展电力电子新技术将渗透到传统的电工学科的许多分支对传统的电工理论提出许多新的挑战电工理论正在进一步活跃起来主要表现为1电力电子器件是以开关方式运行的非线性元件迫切需要建立非线性电路理论并解决分布参数问题2电力电子装置多数是谐波源给电网带来了严重的谐波污染有源补偿和有源滤波新技术是抑制电网污染改善电力品质的有效措施3电力电子技术向高频大功率方向发展分布参数问题日益重要这给场路结合的电工新理论提出了许多新课题例如提出了功率无感母线的新概念和基于这种新概念的高频大功率变换装置的优化设计4为了分析和设计多变量非线性强耦上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-3-合的交流电机调速系统需要进一步应用和发展已有的非线性控制理论5电力电子开关电路中常发生重复性的瞬态过程它不同于常规电路中的过渡过程分析需要借助计算机仿真和最优化设计方法对其进行精密的计算分析6节能效果更好使用更方便的矩阵式交交变频系统很可能替代已普遍采用的交直交变频系统其中许多新问题需要研究解决7对频率相位相数波形等参数的充分研究和综合调控特别是三相以上的多相电机多相变换系统的原理设计理论实现及其带来的效益将引起重视8电力电子技术呼唤新电工材料的出现如制作新器件的碳化硅等新型半导体材料高磁能积的铷铁硼等永磁材料低磁损耗且工作频率达几十千赫的非晶态与超微晶磁性材料高导热且高绝缘性能的氮化铝和金刚石等材料9适合于非正弦量测量的新型电工仪器仪表的出现10与电力电子紧密相关的集成化电子化的新型智能电机其原理设计和应用等众多课题需要深入研究1 1 2 电力电子器件的新进展电力电子器件是电力电子装置的基础绝缘栅双极晶体管IGBT已成为第三个电力电子器件发展平台减小通态压降提高工作频率二者最佳折中是 IGBT向高频大功率化挺进的基本要求其中沟槽形结构的实现是第四代 IGBT 的基本特征这种准三维集成工艺是大规模集成电路两维集成的深化单串多并封装在一个管壳里的结构是 IGBT 走向大功率化的必由之路IGBT 会取代电力晶体管GTRIGBT 将成为在高电压大功率应用领域中 GTO 晶闸管的潜在竞争者IGBT 的电流密度是相同电压的功率 MOSFET器件的 2.5倍其芯片比 MOSFET 器件小成本低因此高速 IGBT如 IR 公司的 WARP 系列APT 公司的 GT 系列霹雳型的出现将成为开关电源中广泛使用的 MOSFET 器件的强有力的竞争者在 GTO 晶闸管芯片内增设一组 MOSFET 管来实现开关就是 MOSFET 栅控晶闸管MCT的构想集成化门极换流晶闸管 IGCT 在 HVDCSVG 等电力系统工频应用中将很有前途在较高工作频率20KHz下高压 IGBT正在实用化把 IGBT 和 GTO 晶闸管二者优点结合起来的注入增强栅晶体管IEGT正在迅速开发中它们在中高压大功率电机调速中将发挥优势MOSFET 器件和功率双极晶体管已平分秋色前者呈上升趋势在一般开关电源中MOSFET 器件虽然受到高速 IGBT 的挤压但仍在不断改进向更高频率更低通态电阻的方向发展例如美国 APT公司开发出 120MHz 150W/300V1MHz 1200V/26A 的 MOSFET器件向微波吉赫GHz频段逼进美国哈里斯公司开发出 30200V 系列导通电阻为几个毫欧的大电流 MOSFET器件这些体现了 MOSFET器件的优势所在近年来碳化硅SiC电力电子器件的研发工作进展很快各种功率器件都已证明可用碳化硅来制造尽管目前碳化硅分立器件的面积因受材料晶格缺陷的限上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-4-制而远不能与硅功率器件相比其额定通态电流远不及硅功率开关器件大产量成本可靠性等问题也对其商业化进程的推进有所限制但是碳化硅器件在电力电子技术领域替代硅器件的进程已经开始美国 Cree公司目前已有耐压 300V600V和 1200V电流 20A 及其以下的碳化硅肖特基势垒二极管系列产品出售德国Infineon 公司西门子集团出售的碳化硅肖特基势垒二极管系列产品也已达到300V/20A600V/12A 的水平这些器件都具有反向漏电流极小几乎没有反向恢复时间零恢复等明显优点其高温特性也非常好从室温到由管壳限定的 175其反向漏电流几乎没有什么增加若能采用耐高温的管壳这些器件的工作温度可超过 300目前许多公司已在其 IGBT 变频或逆变装置中用碳化硅肖特基势垒二极管替代硅快恢复二极管取得提高工作频率大幅度降低开关损耗的明显效果其总体效益远远超过碳化硅器件与硅器件之间的价格差异造成的成本增加可以预见要不了多少年电力电子装置和系统的性能就会因为碳化硅器件的广泛应用而得到极大的全面改善2碳化硅是 21世纪上半叶最可能成功和成熟的功率半导体器件材料大功率智能化模块IPM也已成为电力电子科技领域的一个研究重点例如由于分布式电源系统 DPSDistributed Power System的发展美国海军研究所提出了集成电力电子模块 PEBBPower Electronic Building Block计划以设计舰艇的 DPS采用标准电力电子模块封装将很多元器件组装在一起从而将电路设计工程提高到系统级其中包括功率开关器件集成无源器件表面贴装元件驱动控制检测保护等电路母线散热器等甚至将功率变换器逆变器的标准电路与电机控制电路电源电路开关等集成为一个模块由于不同的元器件电路集成片的封装或相互联接产生的寄生参数已成为影响电力电子系统性能的关键问题所以采用 IPM 方法可以减少设计工作量使生产自动化提高系统质量可靠性和可维护性缩短设计周期降低成本IPM 是单层单片集成一维封装而 PEBB电压高电流大属于多层多片集成三维封装结构更复杂多方向散热热设计也更重要其中待解决的基本问题有结构的确定和通用性问题新型电力电子器件的评估开关单元拓扑高压功率器件单片集成并与检测控制电路集成在同一基片上的问题大功率无源元件集成三维封装控制寄生参数和寄生影响使它们极小热流处理软件设计接口与系统兼容性性能预测可靠性冗余和容错等这些问题都需要跨学科联合研究1 2 逆变技术的现状与发展DCAC 逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置供交流负载用电或与交流电网并网发电如果是通过直流电动机交流发电机组来实现这种电能的逆变则称为旋转变流机如果是通过功率半导体器件来实现这种电能的逆变则称为静止变流器由于静止变流器在体积重量变换效率可靠性电性能等方面上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-5-均比旋转变流机优越因此静止变流器必将并且正在逐步取代旋转变流机本文讨论的逆变技术均指静止变流器一般认为逆变技术的发展可以分为两个阶段19561980年为传统发展阶段这个阶段的特点是开关器件以低速器件为主逆变器的开关频率较低波形改善主要以多重叠加法为主体积重量较大逆变效率低正弦波逆变器开始出现1980年至今为高频化新技术阶段此阶段的特点是开关器件以高速器件为主逆变器的开关频率较高波形改善以 PWM 法为主体积重量小逆变效率高正弦波逆变技术发展趋于完善而在 PWM 逆变器中输出变压器和交流滤波电感的体积重量占主要部分为了减小输出变压器和交流滤波电感的体积重量提高逆变器的功率密度高频化是主要发展方向之一但高频化也存在问题如开关损耗增加电磁干扰增大此外导体的集肤效应与临近效应电容的 ESR 以及磁元件的寄生参数等问题都需要解决其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题为了解决这些问题最有效的方法有两个一是提高开关器件的速度二是用谐振或准谐振的方式使逆变开关工作在软开关状态这就使人们对谐振的研究产生了兴趣1970 年F.C.Schwarz 提出电流谐振技术1975 年 N.O.Sokal 提出电压谐振技术这两项技术都是用 LC 与开关器件共同组成一个串联或并联谐振电路利用回路在一个开关周期内的全谐振使器件工作在零电压转换或零电流转换的软开关状态从而把开发损耗减小到零这就是最早的软开关方式这种方式虽然有效但它不能按照 PWM方式工作20 世纪 80 年代初美国弗吉尼亚电力电子技术中心VPEC对谐振技术作了改进提出了准谐振变换技术即把 LC 回路在一个开关周期内的全谐振改为半谐振或部分谐振这使软开关与 PWM技术的结合成为可能1986 年美国威斯康星大学的 D.M.Divan 教授提出了直流谐振环软开关逆变技术随后又与O.D.Patterson 共同提出了伪谐振支路软开关技术受到了电力电子学界的普遍关注从此时开始掀起了全球性研究软开关技术的热潮3软开关技术的最终目的是实现 PWM 的软开关技术也就是将软开关技术引进到 PWM 逆变器中使它既能保持原来的优点又能实现软开关工作为此必须把 LC 与开关器件组成一个谐振网络使 PWM 逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振实现软开关转换平时则不谐振以保持 PWM 逆变器的特点PWM 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一是实现电力电子技术高频化的最佳途径也是一项理论性最强的研究工作它的研究对于逆变器性能的提高和进一步的推广应用以及电力电子学技术的发展都有十分重要的意义是当前逆变器的发展方向之一按照交流用电负载与输入直流电源的电气隔离元件的工作频率逆变技术可分为低频环节和高频环节两大类而非电气隔离型逆变器可以看成是电气隔离型逆变器的特殊情况下面以此划分来论述逆变技术的发展与现状1上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-6-1 2 1 低频环节逆变技术方波阶梯波合成脉宽调制三种逆变器的共同特点是用来实现电气隔离和调整电压比的变压器工作频率等于输出电压频率其体积和重量大音频噪声也大故称为低频环节逆变器低频环节逆变器电路结构如图 1-4 所示该电路结构由逆变器工频变压器以及输入输出滤波器构成D CL F A C直 流 电 源滤 波 器工 频 或 高 频 逆 变 器工 频 变 压 器滤 波 器交 流 负 载图 1-4 低频环节逆变器电路结构F i g 1-4 C o n f i g u r a t i o n o f l o w f r e q u e n c y i n v e r t e r c i r c u i t1.方波逆变器 方波逆变器的输出电压为方波是最简单发展最早的一种逆变器其电路拓扑主要有推挽式半桥式和全桥式三种方波逆变器具有如下特点1电路结构简单单级功率变换 DCLFAC双向功率流变换效率高2功率开关工作频率低技术成熟应用广泛3工频变压器体积重量大4输出电压总的谐波畸变度达 48%输出滤波器的体积重量大5对于电网电压和负载的波动系统动态响应特性差6变压器和输出滤波电感产生的音频噪声大2.阶梯波合成逆变器 为了减小方波逆变器输出波形的谐波含量可以将多个方波逆变器移相叠加从而构成阶梯波合成逆变器阶梯波的阶高按正弦规律变化如果每个周期阶梯波的阶梯数为 2N则需要 N 台单相方波逆变器或 N/3 台三相方波逆变器每个功率电路相同可采用推挽式桥式或三相桥式电路阶梯波合成逆变器具有如下特点1单级功率变换 DCLFAC双向功率流变换效率高但电路复杂功率开关数多2功率开关工作频率低技术成熟应用广泛3工频变压器体积重量大4输出电压 THD 低输出滤波器的体积重量小5对于电网电压和负载的波动系统动态响应特性好6变压器和输出滤波电感产生的音频噪声得到改善7逆变器输出电压的调节难度较大8整机的体积重量仍较大3.脉宽调制逆变器 阶梯波合成逆变器改善了输出电压波形质量但同时增加了电路拓扑的负载程度将正弦参考波与高频三角形载波相交生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥的功率开关逆变器就可输出谐波含量小的正弦脉宽调制电压如果合理地解决功率开关的高频开关损耗那么脉宽调制逆变器将同时具有方波逆变器和阶梯波合成逆变器二者之优点而没有它们的缺点上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-7-脉宽调制逆变器具有如下特点1 电路拓扑简洁 单级功率变换 DCLFAC双向功率流变换效率高2变压器仍工作在工频体积大且笨重其体积和重量仅和输出电压的频率有关与逆变器的开关频率无关提高逆变器开关频率并不能减小变压器的体积和重量3输出电压 THD 小且输出滤波器的体积重量小4对于输入电压和负载的波动系统的动态响应特性好5变压器和输出滤波电感产生的音频噪声得到改善6功率器件的开关频率高开关损耗增加降低了变换效率1 2 2 高频环节逆变技术为了克服低频环节逆变技术的缺点Mr.Espelage 于 1977 年提出了可变高频环节逆变技术新概念该系统由一个并联逆变器和十二个晶闸管组成的周波变换器构成具有简单的自适应换流高频电气隔离独立的有功能量和无功能量控制固有的四象限工作能力等优点如图 1-5 所示受当时半导体器件的限制谐振储能电路工作频率局限在 2KHz4KHz范围未完全体现高频环节逆变技术的优越性图 1-5 可 变 高 频 环 节 逆 变 系 统直 流 电 源并 联 逆 变 器高 频 谐 振 储 能 电 路滤 波 器NABC周 波 变 换 器F i g 1-5 H i g h f r e q u e n c y-c h a n g e a b l e i n v e r t e r s y s t e m用高频变压器替代低频环节逆变器中的工频变压器克服了低频环节逆变技术的缺点显著提高了逆变器特性因此该技术引起了人们极大的兴趣取得了显著的研究成果按照功率的传输方向高频环节逆变技术可分为单向型Unidirectional PowerFlow Mode和双向型Bi-directional Power Mode两类按照功率变换器的类型高频环节逆变技术可分为电压源Voltage Mode 或 Buck Mode和电流源CurrentMode 或 Buck-Boost Mode或直流变换器型DC-DC Converter Type和周波变换器型Cycloconverter Type两类直流变换器型高频环节逆变技术又可分为平滑直流型工频全波整流型两种因此高频环节逆变器的种类颇多其类型划分也较复杂以下本节仅对单向电压源和双向电压源进行论述1.单向电压源高频环节逆变技术 单向电压源高频环节逆变器,就是在直流电源和逆变器之间加入一级高频电气隔离直流变换器使用高频变压器实现电压比调上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论-8-整和电气隔离省掉了体积庞大且笨重的工频变压器降低了音频噪声单向电压源高频环节逆变器具有单向功率流三级功率变换变换效率不够理想的特点这类高频环节变换技术成熟应用十分广泛为了解决传统 PWM 技术方案存在的开关频率升高时功率器件开关损耗和电磁干扰问题有人提出了谐振式单向电压源高频环节逆变器实现了功率器件的软开关降低了开关损耗和电磁干扰但该电路拓扑十分复杂降低了变换效率和可靠性因此在不增加功率变换级数和拓扑复杂程度的前提下如何实现单向电压源高频环节逆变器的软开关技术解决开关频率升高时功率器件的开关损耗和电磁干扰问题是高频环节逆变技术的一个研究重点2.双向电压源高频环节逆变技术 基于 Forward 变换器的双向电压源高频环节逆变器的电路结构由高频变压器周波变换器以及输入输出滤波器构成具有双向功率流两级功率变换变换效率和可靠性高等优点但是这类逆变器存在一个固有的缺点即控制输出电压的周波变换器采用了传统的 PWM 技术而造成的不可避免的电压过冲传统的 PWM 技术周波变换器在器件换流时打断了高频变压器漏感中连续的电流于是导致高频变压器和周波变换器之间的电压过冲由于这个原因这类方案都需要另外采用一些缓冲电路或有源电压钳位电路来吸收存储在漏感中的能量但这就增加了功率器件数和控制电路的复杂程度为了解决这一固有缺陷于是有人提出了串联谐振式双向电压源高频环节逆变器实现了功率器件的零电压或零电流开关较好地解决了开关损耗和电磁干扰问题但控制过于复杂因此在不增加拓扑复杂性地前提下如何解决双向电压源高频环节逆变器固有的电压过冲问题和实现周波变换器的软换流技术也是高频环节逆变技术的研究重点本章小节本章是对本文理论研究所属学科领域的现状和发展状况进行论述的部分首先给出电力电子学的现状和近年来的发展情况包括了理论现状及新发展和电力电子器件的现状及最新进展随后针对电力电子技术中的重要组成部分逆变技术的现状和发展进行论述对逆变技术最新出现的逆变理论仍然存在的问题和未来发展的方向作了分析说明上海交通大学硕士学位论文 第二章 系统基本理论-9-第二章 系统基本理论 第二章 系统基本理论 2.1 系统基本结构 2.1 系统基本结构 本文所论述的对象是一个变频变压的交流电源系统，系统基本结构框图如图 2-1所示。系统输入为市电，主电路由不控整流、直流滤波、逆变电路和交流 LC 滤波电路构成，控制部分由人机界面、主控单元、驱动部分和反馈部分构成。ACACDCLC隔离驱动主控单元人机界面PWM驱动信号PWM控制信号隔离反馈键盘显示 图 2-1 系统基本结构图 Fig 2-1 The basic frame of system 实际上本文系统也是一种变频电源。根据主电路来划分，一般将变频电源分为两大类：交交变频和交直交变频。前者由 SCR 组成，在少数特大功率场合使用，后者现在主要由 GTO 以及 IGBT 等自关断器件组成，可应用于多种场合。交直交变频电源是指将交流输入变成直流，再由直流逆变成交流的方式。这种间接变频电源，又可分为电压源型和电流源型，如图 2-2a、b 所示。易知本文系统属于交直交电压源型变频电源。ACACDCCEd(a)电压源型(a)Style of voltage power supply 上海交通大学硕士学位论文 第二章 系统基本理论-10-(b)电流源型(b)Style of current power supply 图 2-2 交直交变频电源类型 Fig 2-2 Style of AC-DC-AC frequency-changeable power supply 电压源型或电流源型变频电源的确切含义是指变频器的直流中间回路属于何种滤波方式，即属于电压滤波还是电流滤波。电压源型采用较大容量的电容器进行滤波，直流回路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源；电流源型采用较大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形平直，输出阻抗很大，电流不易变化，相当于直流恒流源。电流源型逆变器的主要特点：直流回路大电感滤波；输出电流波形为矩形；输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦；输出动态电阻大；再生制动方便，不需附加设备；过流及短路保护容易；动态特性快；对开关元件要求耐压高，关断时间无严格要求；线路结构简单；运用范围为单机。电压源型逆变器的主要特点：直流回路大电容滤波；输出电流波形决定于逆变器的电压与负载电动机的电动势，有较大谐波分量；输出电压波形为矩形；输出动态电阻小；再生制动需要在直流侧并联制动电阻或在电源侧反并联逆变器；过流及短路保护困难；动态特性较慢，采用 PWM 方式则快；对开关元件耐压要求不高，关断时间要求短；线路结构比较复杂；运用范围多级、变频或稳频电源。2.2 脉宽调制的基本原理2.2 脉宽调制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。上述结论是 PWM 控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲波代替一个正弦半波。把图 2-3a 所示的正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，都等于/N，但它们的幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果将上述脉冲序列用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等份的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图 2-3b 所示的脉冲序列，这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲的ACACDCLId上海交通大学硕士学位论文 第二章 系统基本理论-11-宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。(a)(b)图 2-3 脉宽调制控制基本原理图 Fig 2-3 The basic theory of PWM 按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来了。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形了，但是，这种计算是很繁琐的。较为实用的方法是采用调制的方法，即把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制逆变电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅度的脉冲，这正好符合 PWM 控制的要求。2.2.1 单极性调制方式与双极性调制方式 2.2.1 单极性调制方式与双极性调制方式 根据上文结论，PWM 脉宽调制是通过调制波（正弦波或其他波形）和载波（三角波或锯齿波）的比较生成控制逆变器中功率开关状态的脉冲序列的。按载波信号类型划分，PWM 调制方式分为单极性调制和双极性调制。下面以一个电力晶体管构成的电压源型单相桥式逆变电路为例来说明二者的原理。1.单极性调制方式 逆变电路如图 2-4 所示，设负载为电感性，对各晶体管的控制按下面的规律进行：在调制波正半周期，让晶体管 V1一直保持导通，而让晶体管 V4交替通断。当 V1和 V4导通时，负载上所加的电压为直流电源电压 Ud。当 V1导通而使 V4关断后，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通过二极管VD3续流，负载上所加电压为 0。如负载电流较大，那么直到使 V4再一次导通之前，VD3一直持续导通。如负载电流较快地衰减到 0，在 V4 再一次导通之前，负载电压也一直为 0。这样，负载上的输出电压u0就可得到 0 和 Ud交替的两种电平。同样，上海交通大学硕士学位论文 第二章 系统基本理论-12-调制电路uruc调制波载波UdV1VD1V3V4V2RLu0VD2VD3VD4 图 2-4 单相全桥 PWM 逆变电路 Fig 2-4 Single-phase full bridge PWM inverter 在负半周期，让晶体管 V2一直保持导通，而让晶体管 V3交替通断。当 V3导通时，负载被加上负电压-Ud，当 V3关断时，二极管 VD4续流，负载电压为 0，这样负载电压u0就得到-Ud和 0 两种电平。最终，在一个调制波周期内，逆变器输出的 PWM 波形就由Ud和 0 三种电平组成。控制 V4或 V3通断的方法如图 2-5 所示。uc0tUdUdu0u0furu0t 图 2-5 单极性 PWM 控制方式原理图 Fig 2-5 The theory of single polarity PWM control mode 载波uc在调制波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。调制波ur为正弦波。在ur和uc的交点时刻控制晶体管 V4或 V3通断。在ur正半周，V1保持导通，当uruc时使 V4导通，负载电压u0Ud，当uruc时使 V4关断，负载电压u00；在ur负半周，V1关断，V2保持导通，当uruc时使 V3关断，u00。这样，就得到了 SPWM 波形u0。图中的虚线u0f表示u0的基波分量。像这样在ur的半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得的 PWM上海交通大学硕士学位论文 第二章 系统基本理论-13-波形也只在一个方向变化的控制方式就称为单极性 PWM 调制方式。2.双极性调制方式 图2-4的单相桥式逆变电路在采用双极性调制方式时的波形如图 2-6 所示。在双极性方式中ur的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向 uucur0 tUdu0u0f0 t-Ud 图 2-6 双极性 PWM 控制方式原理图 Fig 2-6 The theory of double polarity PWM control mode 变化的，所得到的 PWM 波形也是在两个方向变化。在ur的一个周期内，输出的 PWM波形只有Ud两种电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当uruc时，给晶体管 V1和 V4以导通信号，给 V2和 V3以关断信号，输出电压u0Ud。当uruc时，给V1和 V4以关断信号，给 V2和 V3以导通信号，输出电压u0Ud。可以看出，同一半桥上下两个桥臂晶体管的驱动信号极性相反，处于互补工作状态。在电感性负载的情况下，若 V1和 V4处于导通状态时，给 V1和 V4以关断信号，而给 V2和 V3以导通信号后，则 V1和 V4立即关断，因感性负载电流不能突