单相全桥逆变器控制技术基础

√滞环控制的环宽由两部分构成,固定直流分量和一个两倍网侧电 压频率波动的余弦分量,式中和Kt1、Kt2可以由电路自身参数来 确定,这些参数包括直流侧电源电压Ud、滤波电感L和所设定的 开关频率F。
双闭环控制
为什么要进行闭环控制？
开关器件非理
对逆变器的输出进行 高频滤波，即可得到理想 的正弦波，为什么需进行 闭环控制呢？
滞环控制
双极性滞环控制 在电流的正半周，S1始终导通 ◆当电感电流i小于电流基准 信号i*，且小于环宽-H时，此时导 通S4，逆变器桥臂间的输出电压 为Ud，滤波电感承受正电压，电 感电流上升。 ◆当电感电流i大于电流基准 信号i*，且大于环宽H时，此时导 通S2，逆变器桥臂间的输出电压 为0，滤波电感承受负电压，电感 电流下降; 当处于电网电压负半周时， 可作类似分析， 逆变器桥臂间的 输出电压为-Ud 和 0。
单相全桥逆变器控制技术基础
目录
1. SPWM控制 2.滞环控制 3. 电压电流双闭环控制 4.PID
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SPWM控制
单相全桥逆变器拓扑结构
逆变器的两种调制技术
SPWM
开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。和 滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐 波少。
滞环控制
滞环调制采用瞬时值比较方式，虽存在开关频率不固定的 缺点使滤波器设计困难(可设计可变环宽控制策略使开关频率固 定; 但它具有自动峰值限制能力，电流跟踪精度高、动态响应快、 不依赖负载参数和无条件稳定等优点。
wt
8
SPWM控制
Tc u uc A D
■在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功 率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的 方法称为自然采样法。 ■规则采样法 ◆是一种应用较广的工程实用方法，其效 果接近自然采样法，但计算量却比自然采样 法小得多。 ◆方法说明 ☞取三角波两个正峰值之间为一个采样 周期Tc，使每个脉冲的中点都以相应的三角 波中点（即负峰点）为对称。 ☞在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波 采样而得到D点，过D点作一水平直线和三 角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B 点时刻tB控制功率开关器件的通断。 ☞可以看出，用这种规则采样法得到的 脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度 非常接近。
PID
PID
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PID
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PID
双闭环控制 单相全桥逆变器建模
应用状态空间平均法处理逆变器的前提条件是逆变器的输出频率 远小于其开关频率,即在一个开关周期内,可以使用电路中变量的平 均值来代替其瞬时值。经过状态空间平均法处理后,可方便采用经 典理论对被控对象进行分析和研究。
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双闭环控制 单相全桥逆变器建模
逆变电源的负载电流io，对于其输出电压uo。来说是一个扰动量
G(s)体现了变换器系统的输出对其 给定参考电压的跟踪性能; 而Z(s)体现了变换器系统的负载电流 对其输出的扰动特性,可以等效为逆 变电源系统的输出阻抗
双闭环控制
基于PI控制的双闭环控制的系统框图
双闭环控制
基于电流滞环控制的双闭环控制的系统框图
PID
PID
PID
PID
PID
PID
PID
i i i* i* +D I
O i* -D I
t
滞环控制
单极性滞环控制
◆当电感电流i大于电流基准信 号i*，且大于环宽H时，此时导通 S2、S3，逆变器桥臂间的输出电 压为-Ud，滤波电感承受负电压， 电感电流下降; ◆当电感电流i小于电流基准信 号i*，且小于环宽-H时，此时导通 S1、S4，逆变器桥臂间的输出电 压为Ud，滤波电感承受正电压， 电感电流上升。
双闭环控制
• 电压环的作用是跟踪和稳定输出电压，它的设计大多采取 PI 调节器模式。 • 电流环的作用是使逆变器的动态响应加快， 负载适应能力 加强，并具有输出电流限制能力，提高系统的可靠性。
双闭环控制
根据内环电流反馈釆样对象的不同,逆变器的双闭环控制可分 为两种: •电容电流内环、电压外环：釆用滤波电容电流作为内环反 馈量时,电容电流成为被控对象，电容电流的微分作用会使得 电容输出电压得到提前矫正，这种双闭环控制的优点是对线 性和非线性负载均有很好的动态抑制作用。在这种双闭环控 制中电流限幅环节只能限制电容电流的大小，负载电流和电 感电流则不受其约束，所以这种控制的缺点是无法做到对电 路的限流保护。 •电感电流内环、电压外环：以电感电流作为内环反馈量时， 可以通过限制滤波电感电流来实现对逆变器的过流保护，但 是这种双闭环控制抑制负载扰动的能力不如以电容电流为反 馈量的双闭环控制。
当逆变器的调制波频率和输出滤波器截止频率远小于载波频率,且调制波的幅
值 小于载波幅值时,逆变桥和后续的PWM环节一起可以简化为一个比例放大器,其放
大系数为n=Ud/Um，逆变器双闭环控制采用电压外环PI控制,电流内环仅为一个P控 制。
电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制的系统框图
双闭环控制
逆变器双闭环控制采用电压外环PI控制,电流内环仅为一个P控制，可得逆变器 输出传递函数为
■调制法 ◆把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 ◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三 角波应用最多。
载波uc在ur的正半 周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性 的三角波。 在电流的正半周，V1始终导通 u
想
死区时间 负载扰动
非线性负载
直流侧电压波 动
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双闭环控制 逆变器控制方法发展趋势
单环控制
多环控制
有效值恒定 反馈控制 模拟控制 线性控制
瞬时值反馈 控制 数字控制 非线性控制、 智能控制
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双闭环控制
电压电流 双闭环控制
电压电流双闭环控 制即电压外环，电 流内环的设计。
O
uc
ur
wt
uo uof
uo Ud O
wt
-U d
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SPWM控制
◆双极性PWM控制方式
u
ur uc
☞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。
wt
O
uo Ud O -Ud
u of
uo
☞在ur的半个周期内，三角波载波有正 有负，所得的PWM波也是有正有负， 在ur的一个周期内，输出的PWM波只有 ±Ud两种电平。 ☞在ur的正负半周，对各开关器件的控 制规律相同。
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SPWM控制
■用PWM波代替正弦半波 ◆将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为 /N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的 脉冲序列组成的。 ◆把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的 矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部 分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分 面积（冲量）相等，这就是PWM波形。 ◆对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。
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SPWM控制
■
面积等效原理
◆是PWM(脉冲宽度调制)控制技术的重要理论基础。
◆原理内容：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。 ☞效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 ☞如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略 有差异。
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双闭环控制
电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制的系统框图
电压给定信号Uref与反馈信号Uo相减得到电压误差,电压误差经过电压调节器 Gv(s)；得到电流环的给定信号iL'，iL'与电感电流瞬时值iL相减得到电流环的误差， 再经过电流调节器Gi(s)得到控制逆变器开关所需的控制信号。
双闭环控制
滞环控制
单极性与双极性滞环控制性能对比
◆缺点：需要增加参考电流信号过零比较器； ◆优点：与 4 个开关管均工作于高频状态的单极性滞 环控制相比，本控制方式只需2个开关工作于高频状态， 开关损耗明显减小，提高了逆变器效率。另外，谐波含量 也得以减少。
滞环控制
变环宽滞环控制 • 固定开关频率，令f=F：
V 1, V 2导通时 1 Si V 3, V 4导通时 0 (1 0 2 ' ) / Tc
u AB U d (2Si 1) U d [2(1 0 2 ' ) / Tc 1] U d a sin wr tD
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滞环控制
■滞环比较方式有单极性滞环控制 和双极性滞环跟踪控制，变环宽滞 环控制等三种。 ◆滞环控制也分为电流型和电压 型两种，电流滞环跟踪控制应用最 多。 ◆电流滞环跟踪控制原理：电流 基准信号i*与电感电流i进行比较得 到电流误差信号i*-i,电流误差信号 经过滞环比较器生成开关管的控制 信号,从而控制变换器输出电流的 变化趋势,使其纹波始终处在设定 的正负环宽内,以达到准确跟踪基 准电流的目标。
ur B
O
tA
tD
tB
t

2

2
uo
'

'
t
O
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SPWM控制
☞和'的确定 设正弦调制信号波为
式中，a称为调制度，0≤a<1；wr为正弦信 号波角频率，从图中可得如下关系式
ur a sin wr t
1 a sinw r t D 2 /2 Tc / 2
因此可得

Tc (1 a sin wr t D ) 2