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      高性能逆變電源的實現與分析

      逆變電源是不間斷電源、靜態航空電源、新能源發電技術等諸多設備的關鍵部件。許多場合要求逆變器能夠輸出小失真的正弦波,因此消除諧波是逆變電源的基本要求之一。本文采用單片機作為控制器,用消諧PWM法產生脈沖信號。詳細介紹了硬件和軟件實現過程。

      1.諧波消除PWM控制

      采用PWM控制技術的主要目的之一是解決逆變電源輸出的諧波問題。高頻PWM控制不僅可以有效降低輸出電壓的諧波含量,而且可以方便地調節輸出電壓。消諧控制的基本思想是:將PWM脈沖波形的開關點相位作為一個未知數,通過對PWM脈沖的傅里葉級數分析,得到輸出電壓的基波和諧波分量的表達式,然后根據基波和諧波幅值的要求,建立一個等于未知數個數的方程組。通過求解方程組,得到每個脈沖的開關時間,并根據這個時間進行控制,那么輸出電壓的基波和諧波的幅值就是期望值。一般情況下,基波的幅值總是一個期望的非零值,而各次諧波的幅值為零,這樣具有消諧PWM控制方程的逆變器就不會包含指定的低次諧波值。

      假設逆變器輸出PWM波形在四分之一周期內有N個開關點,每個開關點對應的相角為(AI = 1,2,...,n),且0≤a1。

      公式(1)是雙極調制中切換角度n的數量為奇數時的表達式,公式(2)是雙極調制中切換角度n的數量為偶數時的表達式,公式(3)是單極調制中切換角度n的數量為偶數時的表達式。假設逆變器的輸出基波電壓幅值與輸入DC總線電壓的比值為M,假設對應于表達式(1)和(2)的PWM波形用于三相逆變器,對應于表達式(3)的PWM波形用于單相逆變器,則相應的諧波消除方程可以分別從表達式(1)-(3)獲得,如表達式(4)-(6)所示。求解上述方程可以得到一組開關角,將開關角轉換成單片機定時計數脈沖數據表,存儲在程序存儲器中進行實時控制。

      2.操縱系統

      控制系統根據給定信號的要求控制和調節主電路的開關通斷,從而控制主電路產生所需的輸出電壓,使輸出電壓盡可能地跟隨給定的電壓信號。圖1顯示了逆變電源硬件電路的基本框圖。觸發脈沖由數字電路產生,完全可以通過控制器的軟件程序實現其功能,節省了成本。與模擬電路相比,該方法具有更強的抗干擾能力。

      逆變電路的控制系統基于AVR單片機,其功能是產生全橋逆變電路中開關管的驅動信號,通過對線電壓和電流的實時采樣,實現逆變電源的調節和保護。對于DC母線側的輸入電壓信號,利用霍爾傳感器對電壓信號進行轉換,然后通過運算放大器組成的射極跟隨器將電壓信號送到窗口比較器。窗口的上限和下限分別對應過壓和欠壓限值。如果在窗口范圍內,則電壓正常,否則輸出過壓或欠壓故障信號。對于DC母線側的電流信號,采樣電阻用于測量。采樣電阻兩端的電壓送入運算放大器進行放大和抗干擾濾波,然后與設定的過流閾值進行比較,實現逆變器輸出或內部電路過流的報警和處理。上述兩種保護信號經過邏輯處理后送到單片機的外部中斷請求輸入引腳。無論引起哪種故障信號,單片機都可以發出中斷請求。單片機響應中斷,阻斷所有開關的驅動信號實現保護,同時給出故障指示。

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