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1、采用电感电流内环的单相逆变器设计0 引言 要得到性能稳定的逆变器并联系统，其单台逆变器的性能非常重要，因此，单台 逆变器的控制方法选择就显得尤为重要。常见的单闭环控制技术主要有电压瞬时 值反馈、无差拍控制和重复控制等方案。为了满足某些应用场合的高性能指标要 求，近来又出现了电压电流双闭环控制。该方案的电流内环增大了逆变器控制系 统的带宽，从而使逆变器动态响应加快，同时加强了对非线性负载扰动的适应能 力，也减小了输出电压的谐波含量。依据内环电流反馈的不同，逆变器双闭环控制可分为电感电流内环电压外环和电 容电流内环电压外环两种。在以滤波电容电流作为内环反馈的控制方法中，如果 在电容电流内环电压外环
2、控制系统中增加电流限幅环节，其只能限制电容电流大 小，而负载电流和电感电流完全不受其约束，因而不能通过限流实施对逆变电源 的保护。在以滤波电感电流作为内环反馈时，通过限制滤波电感电流即可实现逆 变器的过流保护。因此，通过对以上两种控制方法进行比较，本文采用以滤波电 感电流作为内环反馈的控制方案。1 逆变器系统模型 图I所示为单相全桥逆变电源的主电路原理图。图中，Ud是逆变桥直流输入电 压。L是输出滤波电感，C是输出滤波电容，r是输出电感、死区效应以及滤波 电容的等效电阻。对于图 1 所示的单相全桥逆变器，可得到下面的单相逆变电源的连续域数学模型式：2 逆变器控制系统的设计本文的双闭环控制结构由
3、外环电压调节器和内环电流调节器组成。其中外环电压 调节器Gv(s) 般采用比例一积分(PI)调节器，内环电流调节器Gi(s)可以采用 比例(P)调节器。图2所示是逆变器电感电流内环电压外环控制系统的结构框图。在这个双环控制方案中，电流内环采用PI调节器，简称双环PI-P控制方式。其 中电流调节器Gi(s)的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，以使整个系统工作 稳定，并且保证有很强的鲁棒性；电压外环也采用 PI 调节器的作用是希望使输 出电压波形能瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环的双环控制方式的动态响 应速度很快，而且静态误差也很小。设电压电流调节器分别为：(s)諾】申融匚斗即则由图2可以推导
4、出其闭环传谨函数为：曲 QWJYQ/)(4)試中，闭环传谨函数的特征方程为双环控制系统的控制器参数可以按常规方法设计，但需考虑两个调节器之间的响 应速度、频带宽度的相互影响与协调。由于控制器设计步骤比较复杂，因此还需 要反复试验验证；而采用极点配置方法则可以大大简化设计过程，同时能满足高 性能指标要求，因此，这种设计方法具有明显的优越性。本文采用的是基于极点 配置的逆变器系统控制器的设计方案，这种控制器设计方法简洁明了，参数计算 容易，而且与性能指标之间有直接的量化关系，可以实现优良的动、静态特性。 此外，为了使系统超调更小，响应更快，首先应该要求预期系统特征方程可以写 成如下的形式：D (s
5、)=(护*2f如+(1出$時他J其次，应该取g =0. 7,以使得系统具有最小的超调量。之后，再依据对调节时 间的设计要求，便可以确定3n的合适取值，一般取3n略小于谐振频率的值。这样，将g和3 n代入(6)式后，就可得出系统的预期特征方程，然后比较方程 系数，就可得到系统的参数值。3 单台逆变器的仿真图3所示是在PSIM下构建的逆变器仿真模型。该模型主要有三部分：主电路、 控制器和 PWM 脉冲生成模块。其中控制器用于实现电压电流双环控制，为产生 PWM脉冲提供调制信号；PWM脉冲生成模块采用双极性调制方式。根据整个系统 的闭环特征方程，并综合考虑系统的控制要求，再通过选取阻尼比和自然角频率
6、， 就可以得到系统控制器的参数。考虑到单相全桥逆变器系统控制的性能要求，在 此基础上所确定的最终系统仿真参数如下：直流母线电压： Ud=200 V；额定输出电压： Uo=110V；额定输出电压频率： f=50 Hz；额定输出功率： S=1 kVA；开关频率： fc=20 kHz；滤波电感： L=05 mH；滤波电容：C=10p F；K2P=314， K1P=64， Kli=20096， Kv=00128， KL=01。200 CO-1QW EH电压JOO.Oddoom-200 oa图4给出了在输入电压为200V,额定负载分别为ZL=100Q时的输出电压和输出 电流仿真波形；由图4可见，输出电压
7、频率均能稳定在50H z；图5所示为负载 突减时的仿真波形,其中突变部分是负载ZL=20Q切换到ZL=40Q时的输出电压、 电流仿真波形；图6为负载突增时的仿真波形，其中突变部分是负载ZL=40Q切 换到 ZL=20Q 时的输出电压、电流仿真波形；通过以上仿真波形图可知，该系统 工作稳定，静态误差小，并具有很强的鲁棒型，同时，这种电流内环电压外环的 双闭环控制的动态响应速度非常快，因此可见，用该方法对该系统控制电路进行 设计是有效而可行的。4 实验验证笔者设计了一台lkVA的逆变电焊电源实验样机，其系统的核心控制器是TI的 DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是一款
8、高性能16位数字信号处理器, 是 TI 公司定点 DSP2000 系列中的一员，它是专门为控制与运动控制的数字化实 现而设计的。该DSP可完成逆变器输出电压频率的控制、负载电压和电流取样、 开关管的导通关断时间控制等。其软件实现流程图如图7所示。|播抑*优|册s出电乐piire 询唄nx*咖:n-心* 脚I理票啟話容可 強iQ I：甘9值|i 止全中芳井埠為期1帯胡魅血犠电曲词图8 所示是数字控制逆变器的交流电流测试波形，由图 8 可以看出，本系统的交 流输出电流十分稳定，完全能够满足设计要求。5 结束语采用电感电流内环的双闭环控制逆变器系统，可利用电流内环快速、及时的抗扰 性来有效地抑制负载扰动的影响，在负载突变和非线性负载下，均具有较高的稳 态精度和较快的动态响应。实验和仿真结果表明，这是一种性能优异的控制方法。
