推荐-CVCF逆变器课程设计word格式 精品

第0章引言本文提出了一种将重复控制与引入积分控制的极点配置相结合的混合型控制方案。

其中重复控制改善系统的稳态性能，极点配置改善系统的动态特性。

两种控制方式互为补充，可以同时实现高品质的动态响应和高质量的输出电压波形在电力电子装置中，以CVCF逆变器为核心的UPS得到了广泛的应用，对其输出波形主要的技术要求包括低的稳态总谐波畸变率（THD）和快速的动态响应，由于非线性负载、PWM调制过程中的死区和逆变器系统本身的弱阻尼性等因素的影响，采用一般的闭环PWM控制效果不理想。

本文以PID控制模块、RSM 模块,采用重复控制反馈改善系统的稳态性能，采用引入积分控制的极点配置改善系统的动态特性，实验结果表明，本方案可以同时实现高品质的稳态和动态特性。

第1章单相逆变器的概论1.1单项逆变器的基本原理逆变器通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。

它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成．单相恒压恒频率正弦波逆变器电源一般用在对电源质量要求很高的场合。

总的原理是直流经振荡电路产生脉动直流（开关管间断导通关闭）或交流电再通过变压器在次极感应出所需电压的交流电。

逆变器的工作原理：1.直流电可以通过震荡电路变为交流电2.得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电）3.对得到的交流电进行整流得到正弦波逆变分有源逆变和无源逆变，本设计中为有源逆变。

1.2 单相逆变器主电路拓扑结构单相逆变器主电路主要有半桥式、全桥式、推挽式3种，拓扑结构如图1—1所示。

（1）半桥电路输出端的输出的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低；但在半桥电路中，可以利用两个大电容C1、C2会补偿不对称的波形，这是半桥电路的优点所在。

（2）全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路的利用率大1倍。

但全桥、推挽式电路都存在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。

（3）推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线电压只有一个开关管的管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。

推挽式比较适合低压输入的场合。

低压输入的推挽式变压器原边绕组砸数较少，一般采用并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度较大。

它的优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。

缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。

中、大容量逆变器多采用全桥结构，它的控制方法比较灵活，主要有双极性和单极倍频两种。

对于开关器件的选择，小容量逆变器多用MOSFET，大容量正弦波输出地逆变器多用IGBT，特大容量逆变器选择GTO。

本设计中仿真电路是用的单相全桥电路逆变。

1.3驱动电路驱动电路是主电路与控制电路之间的接口电路。

合理的驱动电路可以使开关管工作在较理想的状态下，缩短开关时间，减小开关损耗，提高系统的运行效率。

另外，有些保护措施往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。

驱动电路的基本作用是：将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的电压或者电流，应该具有一定的功率，使器件能够可靠地开通或关断。

驱动电路往往还需要提供电气隔离环节。

目前，在常用的驱动电路中，广泛使用的电力电子器件是MOSFET和IGBT，变压器隔离驱动的驱动脉冲的占空比必须小于50%，否则变压器的磁通不能复位。

而采用SPWM调制方式时，开关管的驱动脉冲不可避免的有超过50%的情况，因此，小容量逆变器中，电力MOSFET多采用高压隔离驱动的集成芯片，而在中大容量逆变器中，IGBT则采用厚膜集成驱动电路模块。

1.4正弦波脉宽调制（SPWM技术）正弦波脉宽调制技术即SPWM技术，它利用面积冲量等效原理获得谐波含量很小的正弦电压输出。

正弦脉宽调制波中谐波分量主要分布在载波频率以及载波频率整数倍附近。

在目前使用的中小容量逆变器中，三角波的工作频率在8kHz-40 kHz之间。

因此，采用SPWM的逆变器输出电压波形中，基本不包含低次谐波，几乎所有谐波的频率都在几千赫兹以上。

这样，逆变器所需的滤波器尺寸可以大大减小。

对于单相全桥逆变电路，目前装置中常采用SPWM硬开关，SPWM控制策略有双极性SPWM和单极性SPWM两种。

无论是双极性SPWM还是单极性SPWM，都可以采用正弦调制波Usin和三角载波Utri比较进行调制，且逆变桥中同一桥臂的上下两个开关管（即T1和T2，T3和T4）的驱动信号总是互补的（忽略死区）。

其区别在于两个桥臂调制规律之间的关系不同。

此次设计采用的就是单极性的SPWM控制。

单向全桥逆变电路单极性的SPWM控制规律，如图1.2所示。

1.5输出电压波形控制随着逆变器的广泛应用人们对输出电压的质量要求也越来越高。

不仅要求逆变器的输出电压稳定、而且要求输出电压正弦度好，动态响应快。

与此相适应，逆变器的波形控制技术从开环控制发展到输出电压瞬时反馈的闭环控制。

1.5.1输出电压开环控制以往的逆变器对波形采用开环控制，它只有电压平均值的反馈闭环控制，没有波形瞬时值的闭环控制。

逆变器直接用希望的正弦信号波和三角载波进行比较获得SPWM波。

随着单片机等数字器件的发展，波形的开环控制逐渐采用了数字方法，从而出现了几种新型的SPWM技术，如载波调制SPWM、载波注入PWM 以及最优PWM等。

新型的PWM方法虽然可以在一定程度上改变逆变器的输出电压质量，减少波形畸变，但开环控制仍不可避免地具有以下局限性。

（1）输出波形质量差，总谐波畸变率高。

虽然在理想情况下，开环控制可以得到正弦度很好的输出电压，但它对各种非理想因素引起的输出电压畸变却无能为力，包括开关死区对输出电压的影响以及非线性整流负载引起的输出电压波形畸变。

（2）系统动态响应速度慢。

当负载突变时，输出电压会出现很大的波动，并且需要很长的时间才能恢复稳定。

1.5.2输出电压闭环控制：为了克服以上缺点，将波形闭环反馈控制策略引入到逆变器的控制中，产生了各种瞬时值反馈控制策略。

从而保证了输出电压波形的正限度，消除了各种非线性因素对输出电压的影响。

当然与开环控制相比，闭环控制也有不足之处。

首先，由于引入了输出量反馈，必须相应地使用各种检测元件，系统成本的增加；其次如果控制系统设计不好，运行过程中由于各种因素影响，有可能造成逆变器输出电压振荡不稳定，使得系统的可靠性降低。

目前，各种小型逆变器的波形控制既有采用开环，也有采用闭环。

对电能质量要求不太高的小容量逆变器多采用开环；中大容量逆变器的用户一般对输出电能的质量要求较高，而检测和控制电路的成本在整个系统中所占比重又非常小，因此，中大容量逆变器多采用波形闭环控制。

综合考虑，在此次设计采用的就是闭环控制比较合适。

第2章用MATLB搭建的仿真电路模型本章主要讲述应用MATLAB仿真软件搭建单相CVCF正弦波逆变器的电路模型，分析各模块的具体功能。

2.1 MATLAB软件简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。

这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。

目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。

对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。

通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。

为克服上述困难，美国Mathwork 公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。

目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。

其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。

在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。

不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。

但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。

实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。

Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。

自推出后即风行美国，流传世界。

2.2单相CVCF正弦波逆变器的电路模型根据课程设计任务要求和技术要求，及本课程设计单相CVCF正弦波逆变器的具体电路模型，如图2.1所示。

图2.1 CVCF正弦波逆变器电路图单相CVCF正弦波逆变器的电路模型主要有PID控制模块、RSM模块、SPWM等等模块格成。

2.3 PID模块控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

PID控制的基本模型，如图2.2所示。

图2.2 PID控制的基本模型1.比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

2.积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。