单相可调逆变电源的控制与仿真

单相可调逆变电源的控制与仿真 邹时亚 (华北科技学院电子信息工程学院, 北京101601) 摘  要：以通用逆变电源为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 目标，采用SPWM脉宽调制作为控制核心，对单相逆变器进行稳压调节与仿真。建立了逆变电路仿真模型，通过输出电压瞬时值进行闭环PID控制，输出电压可在50～220V内调节，适应于一般性负载。 关键词：SPWM; 逆变电源; 单闭环 The Control and Simulation of Adjustable Single-phase Inverter Power Zou Shiya (College of Electronic Information Engineering, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601) Abstract：Aim to general inverter power supply design, using SPWM pulse width modulation as control core, to regulate and simulat the single-phase inverter voltage. The inverter circuit simulation model is established, and the output voltage instantaneous value is controlled by closed loop PID, the output voltage can be adjusted within the 50 ~ 220V, which is suitable for general load. Keywords：sine wave；inverter power；single closed loop 0引言 逆变是对电能进行变换和控制的一种技术，可以实现直流转换为交流的功能。该技术涉及功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制等多种实用设计技术，目前已被广泛应用于工业和民用领域中各种功率变换系统和装置。逆变技术中，电力电子功率器件是用来进行高效电能变换的关键。 1逆变电路工作原理 单相逆变电路的工作原理如图1(a)所示。T1～T4是桥式电路的4个臂，它们由IGBT器件及其辅助电路组成。当开关T1、T4 闭合，T2、T3 断开时，负载电压 为正；当开关T1、T4 断开，T2、T3闭合时， 为负，其波形如图1(b)所示。这样，就把直流电变成了交流电。 图 1 单相逆变电路及波形示例 在图1中，当负载为电阻时，负载电流 和电压 的波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感负载时， 相位滞后于 ，两者波形的形状也不同，图1(b)中给出的是阻感负载时 的波形。设 时刻以前T1、T4 导通， 、 均为正。在 时刻断开T1、T4，同时合上T2、T3，则 的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流方向不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经T2、负载和T3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源回馈，负载电流逐渐减小，到 时刻降为零，之后 反向并逐渐增大。当T2、T3再次断开，T1、T4 闭合时的情况重复前述过程。 2 逆变电源系统结构 单相电压闭环控制的逆变电源系统结构图如图2所示。单相逆变主电路采用单相全桥逆变电路拓扑结构，功率开关管采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，逆变电路输出侧接滤波电感L与滤波电容C组成LC滤波电路。逆变电路控制采用双极性SPWM控制，即开关管T1、T4同时导通和关断，T2、T3也同时导通和关断，并且两组开关管导通相位相反且设置一定的死区，以免因桥臂直通损坏功率器件。 图2 逆变电源结构图 闭环控制方法：闭环控制的目的是使输出电压幅值稳定在要求的给定值，且有较小的稳态误差。本文采用电压单闭环反馈控制，即设计PID调节器，采用输出电压瞬时值单环控制。将经过逆变、滤波后的输出负载电压，用MATLAB软件中的电压模块测出直流电压的数值，通过示波器显示电压的变化情况。同时将负载电压值与给定正弦波信号进行比较形成偏差，再经过比例放大或PID环节处理以实现偏差调节。输出的信号与三角波信号比较，作为SPWM触发脉冲的控制信号，控制逆变桥4个IGBT的开通与关断，从而达到稳定输出电压的目的。 通过调节正弦给定信号幅值，使得逆变电源输出电压在一定范围内可调。通过对输出电压的瞬时值进行负反馈控制，可以使得系统较开环控制时动静态性能得到提高。若希望进一步提高动态、静态性能，还可以增设电流内环，构成多环反馈控制来实现。 PID控制原理 常规PID控制系统原理框图如图3所示。               图 3 PID原理图 图3系统由PID控制器和被控对象组成，它可以根据给定值 与实际输出值 构成控制偏差 。PID控制器调节规律为  。 本文设置时取 =0。                    3 系统仿真实验 图4为电压单环控制的系统仿真模型图。根据 IGBT器件的性质进行参数设定。逆变桥之后的输出电压需要对其进行滤波，滤波电感为10mH，滤波电容0.01F。逆变电路负载采用阻感负载R-L电路，设置电阻10 ，电感为0.012H。 图 4 稳压电源系统仿真模型 图4为直流蓄电池供电系统，直流电压为400V。该模型中设置万用表检测开关管的电压、电流，对输出电压矢量提取幅值，乘以 显示有效值。当给定正弦波峰值400，仿真时间0.2s，此时三角波、输出电压、电流波形分别如图5~图7所示。三角波频率为4000Hz，为清楚起见，图5 三角波是按1000Hz画出的图形。 图 5 三角波波形 图6 输出电压波形                            图7 输出电流波形 将输出电压换算成有效值，有效值在50～220V可调，输出电压幅值如图6，当给定正弦波峰值设定50时、频率为50Hz时，负载端输出交流电压有效值为42.25V，在误差允许范围内，符合设计要求，输出电压范围为50~220V。 在实际调试过程中，应把主电路的输入电压调在一个较低的水平，然后对系统进行调试，待系统工作正常后，可逐步提高输入电压，观察系统的工作情况，直至最大输入电压。实际系统与仿真模型存在一定的偏差，由于系统的滞后特性，我们应适当加大输出电压的采样周期。 4 结论 本文在设计变压变频电源时，运用MATLAB软件实验，达到了预期的控制效果。系统建模和实验表明，在电源系统设计中，采用仿真技术，可提高电源设计的工作效率，减少设计的盲目性。 参考文献 [1] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 第四版，北京：机械工业出版社，2006 [2]   陈江辉，谢运祥，陈兵． 逆变电路的控制技术与策 略[J]. 电气应用，2006，（25）9：102-106 [3] 马学军．单相电压型PWM 逆变器的数学模型和数 字仿真[J]． 黄石高等专科学校学报，2004，20（2）： 1-4 [4]   叶齐峰，金新民．应用Matlab 仿真单相PWM 整流 器的一种简单方法[J]． 电源技术应用，2003，6（1）： 37-40 作者简介：邹时亚 (出生年－), 性别, (籍贯,具体到市)人, 本科，研究方向：电力电子技术、计算机控制 联系方式：Email： 手机：