正弦波逆变器控制方法研究

正弦波逆变器控制方法研究

淮阴师范学院

学士学位论文

正弦波逆变器控制方法研究

姓名：尹悦

申请学位级别：学士

专业：电气工程及其自动化指导教师：潘建

20120324

摘要

正弦波逆变器室系统能量的最终输出端，其波形质量直接影响到负载的运行状况及带载能力。通常正弦波逆变器采用模拟电路进行控制，然而，模拟电路控制系统存在元器件的老化、温漂效应、对电池干扰较为敏感、使用元器件的数目较多等缺点。随着逆变技术的发展以及高速数字信号处理器（DSP）的出现，使全数字化控制的正弦波逆变器成为可能，尤其是先进控制算法的应用，进一步改善了输出波形的稳态性能和动态性能，并且可以简化整个系统的设计。

原创性声明

本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。

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第一章：绪论

1.1引言

石油、天然气和煤等一次性能源日益枯竭，再生能源将逐渐成为人类使用的主体能源，近年来对新能源的开发利用，使得燃料电池、太阳能电池的使用越来越广泛，也使用电方式产生重大变革。在已有的很多种电源中，如蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要把直流电转换成交流电供负载使用，这种把直流电变回交流电的过程，就是逆变。逆变电源就是这种能进行电能转换的装置。功率半导体器件是逆变电源的关键部件，经历了从不控型、半控型到全控型的过程，现已进入到高频化、大容量、易驱动模块化和智能化的时代。它的发展代表了逆变技术的发展，一般认为，逆变技术的发展可以分为如下两个阶段：

1956~1980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，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现。

1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是，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(Pulse.WidmModulation，脉宽调制)为主，体积重量小，逆变效率高，正弦逆变技术发展日趋完善。

现在看来影响逆变技术未来发展的主要因素主要有以下两点：

（1）PWM软开关技术

逆变器的脉宽调制（PWM）技术早在晶闸管时代就已经出现了，正弦脉宽调制（SPWM）在全控型器件出现以后得到了迅速的发展，这种技术是用一种参考波（通常是正弦波，有时也用阶梯波或方波等）为“调制波”，而以N倍于调制波频率的正三角波或锯齿波为“载波”。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列来等效调制波。用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。因为当调制波为正弦波时，

输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦函数规律变化，因此，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制（SPWM）技术。

随着大功率高频全控开关器件大量出现，逆变器的PWM控制技术受到了人们的高度重视并且得到了飞速的发展。尤其是最近几年，微处理器用于实现PWM控制技术后，使得现代控制理论的控制方法能够应用于逆变器的PWM 控制，大大提高了现代逆变器的性能。而且由于采用了数字电路实现PWM控制，使得逆变器的控制电路简化，稳定性提高，逆变器的数字化控制已成为逆变器发展的主流。

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，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对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。但这里必须指出，软开关并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路

中的谐振元件上，总量上可能有所减少。

软开关逆变技术研究的重要目的之一是实现PWM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逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况下则不发生谐振，以保持PWM逆变器工作特点。

（2）数字化控制技术

逆变电源的数字化极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，这是现代逆变技术发展的趋势。

但这数字化并不是简单地指在系统中应用了数字器件，如单片机等，而是指整个系统的控制都是由数字器件（主要指微处理器）的计算算法和控制算法来完成。为了与数字化相适应，各种各样的逆变电源离散控制方法纷纷涌现，包括数字PD控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等，有力地推动逆变电源控制技术的发展。

2SPWM的产生及常用拓扑结构介绍

2.1 PWM 原理及产生方法

2.1.1PWM原理

正弦波脉冲调制的控制思想是利用开关元件来控制线路，按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。其脉冲基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波，又称SPWM 波。

2.1.2 等效面积法

面积等效法是产生脉宽调制波的一种基本方法，是把一个正弦波的每个半周分成N等分，这样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，如图2-1所示的脉冲序列。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

根据正弦波划分的模块等效成矩形的面积S，计算出高脉冲的时间。