高性能逆变电源的研究
摘要
本文针对中频逆变电源的主电路，控制策略以及抗变压器直流偏磁等问题进行了研究。着重于对逆变电源控制策略的研究，从控制策略的角度入手改善逆变电源的输出动态性能，提高逆变电源的稳态精度，同时改善输出电压的正弦度，减少输出电压的谐波含量。
文章从分析电压微分多闭环控制策略的理论基础入手，通过大量的仿真比较验证了该控制策略在改善逆变电源动态和稳态性能以及抑制输出电压谐波方面良好的性能。
对逆变电源输出滤波器进行了详细的研究。采用一种分离式的滤波器设计方式，即先根据使逆变电源稳定工作LC滤波器的条件确定滤波器的参数，再根据分离式谐振阻尼LC滤波器的思想重新修正滤波器的结构和参数。仿真证明该滤波器既具有负载变化时电源稳定的优点，又有分离式谐振阻尼LC输出滤波器对振荡的良好的抑制作用，具有较高的输出电压波形质量。
文章针对逆变电源变压器的设计，控制系统的软硬件设计以及其他附属电路的设计进行了详细的研究，并以5kW、400Hz中频逆变电源为例进行了具体的设计。控制系统采用了美国TI公司专们为基于控制而设计的TMS320F240控制芯片。
针对逆变变压器中存在的直流偏磁问题，提出了一种数字PI电压积分抗偏磁的控制方式。通过检测变压器原边电压在几个周期内的变化量，利用PI调节器得出的控制量来适时的调整触发脉冲的宽度，把变压器直流偏磁限制在较小的范围之内。
In this dissertation, a strong emphasis is paid on the study of maincircuit, control strategy, resisting fulx imbalance in the inverter transformer and so on. At the begin of the dissertation, control strategy is analysed for improving performances of the interver in dynamic, steady-state and minishing harmonious component of the output voltage.
Firstly, the theory of the voltage differential multiloop feedback strategy is analysed . Then a lot of simulation and comparision reaserch validate the excellent performances of the interver in dynamic, steady-state and minishing harmonious component of the output voltage.
A particular study is paid on the deferent filter of the inverter.A segregative filter is adopted. Firstly, work out the filter parameter on the condition that ensures the stability.of the filter.Then modify the configuration and parameter on the idea of the controllability damp resonance. Simulations validate the good qualities in ensuring the stability.of the inverter when load is changed and minishing harmonious component of the output voltage.
In the dissertation, particulatr designs are made on transformer, software and hardware of controlling system and other accessorial circuits.A 5kW, 400Hz interver is designed as a practical illustration. TMS320F240 is adopted in controlling system.F240 is designed by TI crop, for the control.
A digital PI voltage integral fulx imbalance control is proposed for eliminating fulx imbalance in the interver transformer. By measuring the change of primary voltage of the transformer in several periods, PI controller adjusts the width of pulse so that flux imbalance of the transformer is limited in a reasonable scope.
文章从分析电压微分多闭环控制策略的理论基础入手，通过大量的仿真比较验证了该控制策略在改善逆变电源动态和稳态性能以及抑制输出电压谐波方面良好的性能。
对逆变电源输出滤波器进行了详细的研究。采用一种分离式的滤波器设计方式，即先根据使逆变电源稳定工作LC滤波器的条件确定滤波器的参数，再根据分离式谐振阻尼LC滤波器的思想重新修正滤波器的结构和参数。仿真证明该滤波器既具有负载变化时电源稳定的优点，又有分离式谐振阻尼LC输出滤波器对振荡的良好的抑制作用，具有较高的输出电压波形质量。
文章针对逆变电源变压器的设计，控制系统的软硬件设计以及其他附属电路的设计进行了详细的研究，并以5kW、400Hz中频逆变电源为例进行了具体的设计。控制系统采用了美国TI公司专们为基于控制而设计的TMS320F240控制芯片。
针对逆变变压器中存在的直流偏磁问题，提出了一种数字PI电压积分抗偏磁的控制方式。通过检测变压器原边电压在几个周期内的变化量，利用PI调节器得出的控制量来适时的调整触发脉冲的宽度，把变压器直流偏磁限制在较小的范围之内。
In this dissertation, a strong emphasis is paid on the study of maincircuit, control strategy, resisting fulx imbalance in the inverter transformer and so on. At the begin of the dissertation, control strategy is analysed for improving performances of the interver in dynamic, steady-state and minishing harmonious component of the output voltage.
Firstly, the theory of the voltage differential multiloop feedback strategy is analysed . Then a lot of simulation and comparision reaserch validate the excellent performances of the interver in dynamic, steady-state and minishing harmonious component of the output voltage.
A particular study is paid on the deferent filter of the inverter.A segregative filter is adopted. Firstly, work out the filter parameter on the condition that ensures the stability.of the filter.Then modify the configuration and parameter on the idea of the controllability damp resonance. Simulations validate the good qualities in ensuring the stability.of the inverter when load is changed and minishing harmonious component of the output voltage.
In the dissertation, particulatr designs are made on transformer, software and hardware of controlling system and other accessorial circuits.A 5kW, 400Hz interver is designed as a practical illustration. TMS320F240 is adopted in controlling system.F240 is designed by TI crop, for the control.
A digital PI voltage integral fulx imbalance control is proposed for eliminating fulx imbalance in the interver transformer. By measuring the change of primary voltage of the transformer in several periods, PI controller adjusts the width of pulse so that flux imbalance of the transformer is limited in a reasonable scope.
引文
1．刘凤君．正弦波逆变器，科学出版社，2002．
2．林渭勋．现代电力电子电路，浙江大学出版社，2002．
3．李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用，科学出版社，2000．
4．章云，谢莉萍，熊红艳．DSP控制器及其应用，机械工业出版社，2001．
5．张卫宁．TMS320C2000系列DSP原理及应用，国防工业出版社，2002．
6．张明勋．电力电子设备设计和应用手册，机械工业出版社，
7．王世一．数字信号处理，北京理工大学出版社，1997．
8．胡寿松．自动控制原理，科学出版社，2001．
9．张凯，康勇，熊健，陈坚．基于状态反馈控制和重复控制的逆变电源的研究，电力电子技术，vol．34，no．5，pp．9．11，2000．
10．高军，赵向华，杨旭，王兆安．具有电压微分反馈的新型正弦波逆变器控制策略的研究，电力电子技术，第5期，2000，pp．9-12．
11．高军，黎辉，杨旭，王兆安．基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究，电工电能技术，第1期，2002，pp．1-4．
12．李宏，周继华，李治典．全桥逆变电路抗偏磁应用研究，电力电子技术，第3期，1998．8，pp．61-63．
13．高军，杨旭，王兆安．正弦波逆变电源抗偏磁电路的研究，电工电能新技术，第4期，2000，pp．8-11．
14．孙力，聂剑红，杨贵杰，刘莹．SPWM中频电源输出变压器偏磁分析与控制，电机遇控制学报，第5卷，第3期，2001．9，pp．166-170．
15．陈道炼，庄心复．航空静止变流器两级L-C输入滤波器设计，电工技术学报，第2期，1991．5，pp．48-53．
16．姜艳妹，马洪飞，陈希有，徐殿国．一种新颖的用于减小电机终端共模dv／dt的逆变输出滤波器，电机与控制学报，第6卷，第2期，2002．6，PP．123-127．
17．程曙，徐国卿，许哲雄．SPWM逆变器死区效应分析，电力系统及其自动化学报，第14卷，第2期，2002．4，pp．39-42．
18．陈其工，凌有铸，张绍德．IGBT的可靠性与死区补偿，安徽机电学院学报，第14卷，第2期，1999．6，pp．1-4．
19．那慧敏，宁安平，史庆军．一种基于单极调制的SPWM变频电源死区设置的新方法，佳木斯大学学报，第21卷，第2，2003．6，pp．162-165．
20．陈息坤，宋寅卯，李丽娟．CVCF中频逆变电源系统研究，郑州轻工学院学报，第14卷，第1期，1999．3，pp．33-36．
21．万健如，林志强，杨帆，禹华军．SPWM电压型逆变电路谐波仿真分析，机电工程，第17卷，第6期，2000，50-53．
22．曹立威，吴胜华，张承胜，吴保芳．SPWM谐波分析的一般方法，电力电子技术，第36卷，第4期，2002．8，pp．62-65．
23．单庆晓，潘孟春，李圣怡．采用MATLAB对SPWM进行辅助设计，电源技术应用，第9期，2001．9，pp．472-474．
24．谢运祥，薛英杰．逆变电源的谐波处理方法分析，电力电子技术，第1期，2000，pp．4-6．
25．刘陵顺，尚安利，顾文锦．SPWM逆变器死区效应的研究，电机与控制学报，第5卷，第4期，2001，237-241．
26．彭伟发，赵全，万淑芸，张建民．中频电源主电路设计，现代机械，第1期，2002，pp．63-64．
27．谢力华，苏彦民．正弦波逆变电源的数字控制技术，电力电子技术，第6期，2001．12，pp．52-57．
28．熊蕊，何定桥．逆变器带非线性负载时的输出电压控制技术，华中理工大学学报，第28卷，第1期，2000．1，pp．40-42．
29．陈明清，温家伶．IGBT驱动模块M57962AL的应用研究，制造业信息化，第6期，2002，pp．36-37
30．杨荫福，周党生，刘晶波，李勋．SPWM逆变电源输出变压器直流不平衡问题，华中理工大学学报，第27卷，第6期，1999．6，pp．72-74．
31．杨莉莎，杨荫福，李勋．单相桥式逆变电路输出变压器直流偏磁 的抑制，电力电子技术，第37卷，第2期，2003．4，pp．44-45．
32．周永鹏，沈安文，蔡正英．数字化UPS中的死区效应与补偿方法，电力电子技术，第36卷，第3期，2002．6，PP．19-21．
33．张友军，陈道炼．新颖的可控谐振阻尼LC输出滤波器，电力电子技术，第36卷，第3期，2002．6，pp．50-53．
34. Poh Chiang Loh, Michael John Newman, Daniel Nahum Zmood, Donald Grahame Holmes.A Comparative Analysis of Multiloop Voltage Regulation
Strategies for Single and Three-Phase UPS Systems.IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 18,no.5,September 2003.
35. Dacid Figoli.Gernerating a PWM Signal Modulated by an Analog Input Using the TMS320F240 EVM, Digital Signal Processing Solutions,January 1999.
36. Mohammed S Arefeen.Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices,Digital Signal Processing Solutions,November 1997.
37. TMS320F/C24X DSP CONTROLLERS. Reference Guide, Printed in USA by Tarrant Dallas Printing, Inc.
38. Naser M. Abdel-Rahim,John E. Quanicoe.Analysis and Design of a Multiple Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage-Source UPS Inverters.IEEE Trans. Power Appli,vol. 11,no.4,pp.532-541, July 1996.
39. Kalyan P.Gokhale, Atsuo Kawamura, Richard Hoft. Deadbeat Microprocessor Control of PWM Inverter for Sinusoidal Output Waveform Synthesis.PESC' 28-36,1985.
40．王念旭等．DSP基础与应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，2001．
41．张雄伟等．DSP集成开发与应用实例，北京：电子工业出版社，2002．
42．陆治国等．电源的计算机仿真技术，科学出版社，2001．
43．萧岚，严仰光．谐振直流环节单相逆变器的参数设计，电力电子技术，1998，第4期．
44．孙扬声．自动控制理论，水利出版社，1986．
45．钱照明等．不间断电源UPS的新技术，电工技术学报，1999，增刊，pp．40-44．
46．蒿伟，陈坚．SPWM逆变器的并联运行，电力电子技术，1997．8，第3期．
47．丁道宏．电力电子技术，第二版，航空工业出版社，1999，263—265．
48．张占松等．开关电源的原理设计，电子工业出版社．
49．严仰光．航空航天器供电系统，航空工业出版社，1995，153—157．
50．胡文斌，萧岚．3KVA并联逆变器模块研究，电力电子技术，2001，第5期．
51．刘志军等．一种新颖的三相SPWM技术，电力电子技术，1997．
52．黄俊主编．电力电子变流技术，机械工业出版社，1986．
53．刘明亮主编．振荡器的原理与应用，高等教育出版社．
54. Luigi Malesani, Palo Tomasin, PWM Current Control Techniques of Voltage Source Converters-A Survey. IEEE PESC'92 Conf.Rec.,1992.
55. Y.Y.Tzou and H.J.Wu.Design and implementation of a microprocessor-based uninterruptible power supply, IEEE Trans. Industry Applications.vol.[A]6,no.4,pp.542-546, July/Aug, 1980.
2．林渭勋．现代电力电子电路，浙江大学出版社，2002．
3．李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用，科学出版社，2000．
4．章云，谢莉萍，熊红艳．DSP控制器及其应用，机械工业出版社，2001．
5．张卫宁．TMS320C2000系列DSP原理及应用，国防工业出版社，2002．
6．张明勋．电力电子设备设计和应用手册，机械工业出版社，
7．王世一．数字信号处理，北京理工大学出版社，1997．
8．胡寿松．自动控制原理，科学出版社，2001．
9．张凯，康勇，熊健，陈坚．基于状态反馈控制和重复控制的逆变电源的研究，电力电子技术，vol．34，no．5，pp．9．11，2000．
10．高军，赵向华，杨旭，王兆安．具有电压微分反馈的新型正弦波逆变器控制策略的研究，电力电子技术，第5期，2000，pp．9-12．
11．高军，黎辉，杨旭，王兆安．基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究，电工电能技术，第1期，2002，pp．1-4．
12．李宏，周继华，李治典．全桥逆变电路抗偏磁应用研究，电力电子技术，第3期，1998．8，pp．61-63．
13．高军，杨旭，王兆安．正弦波逆变电源抗偏磁电路的研究，电工电能新技术，第4期，2000，pp．8-11．
14．孙力，聂剑红，杨贵杰，刘莹．SPWM中频电源输出变压器偏磁分析与控制，电机遇控制学报，第5卷，第3期，2001．9，pp．166-170．
15．陈道炼，庄心复．航空静止变流器两级L-C输入滤波器设计，电工技术学报，第2期，1991．5，pp．48-53．
16．姜艳妹，马洪飞，陈希有，徐殿国．一种新颖的用于减小电机终端共模dv／dt的逆变输出滤波器，电机与控制学报，第6卷，第2期，2002．6，PP．123-127．
17．程曙，徐国卿，许哲雄．SPWM逆变器死区效应分析，电力系统及其自动化学报，第14卷，第2期，2002．4，pp．39-42．
18．陈其工，凌有铸，张绍德．IGBT的可靠性与死区补偿，安徽机电学院学报，第14卷，第2期，1999．6，pp．1-4．
19．那慧敏，宁安平，史庆军．一种基于单极调制的SPWM变频电源死区设置的新方法，佳木斯大学学报，第21卷，第2，2003．6，pp．162-165．
20．陈息坤，宋寅卯，李丽娟．CVCF中频逆变电源系统研究，郑州轻工学院学报，第14卷，第1期，1999．3，pp．33-36．
21．万健如，林志强，杨帆，禹华军．SPWM电压型逆变电路谐波仿真分析，机电工程，第17卷，第6期，2000，50-53．
22．曹立威，吴胜华，张承胜，吴保芳．SPWM谐波分析的一般方法，电力电子技术，第36卷，第4期，2002．8，pp．62-65．
23．单庆晓，潘孟春，李圣怡．采用MATLAB对SPWM进行辅助设计，电源技术应用，第9期，2001．9，pp．472-474．
24．谢运祥，薛英杰．逆变电源的谐波处理方法分析，电力电子技术，第1期，2000，pp．4-6．
25．刘陵顺，尚安利，顾文锦．SPWM逆变器死区效应的研究，电机与控制学报，第5卷，第4期，2001，237-241．
26．彭伟发，赵全，万淑芸，张建民．中频电源主电路设计，现代机械，第1期，2002，pp．63-64．
27．谢力华，苏彦民．正弦波逆变电源的数字控制技术，电力电子技术，第6期，2001．12，pp．52-57．
28．熊蕊，何定桥．逆变器带非线性负载时的输出电压控制技术，华中理工大学学报，第28卷，第1期，2000．1，pp．40-42．
29．陈明清，温家伶．IGBT驱动模块M57962AL的应用研究，制造业信息化，第6期，2002，pp．36-37
30．杨荫福，周党生，刘晶波，李勋．SPWM逆变电源输出变压器直流不平衡问题，华中理工大学学报，第27卷，第6期，1999．6，pp．72-74．
31．杨莉莎，杨荫福，李勋．单相桥式逆变电路输出变压器直流偏磁 的抑制，电力电子技术，第37卷，第2期，2003．4，pp．44-45．
32．周永鹏，沈安文，蔡正英．数字化UPS中的死区效应与补偿方法，电力电子技术，第36卷，第3期，2002．6，PP．19-21．
33．张友军，陈道炼．新颖的可控谐振阻尼LC输出滤波器，电力电子技术，第36卷，第3期，2002．6，pp．50-53．
34. Poh Chiang Loh, Michael John Newman, Daniel Nahum Zmood, Donald Grahame Holmes.A Comparative Analysis of Multiloop Voltage Regulation
Strategies for Single and Three-Phase UPS Systems.IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 18,no.5,September 2003.
35. Dacid Figoli.Gernerating a PWM Signal Modulated by an Analog Input Using the TMS320F240 EVM, Digital Signal Processing Solutions,January 1999.
36. Mohammed S Arefeen.Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices,Digital Signal Processing Solutions,November 1997.
37. TMS320F/C24X DSP CONTROLLERS. Reference Guide, Printed in USA by Tarrant Dallas Printing, Inc.
38. Naser M. Abdel-Rahim,John E. Quanicoe.Analysis and Design of a Multiple Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage Feedback Loop Control Strategy for Single-Phase Voltage-Source UPS Inverters.IEEE Trans. Power Appli,vol. 11,no.4,pp.532-541, July 1996.
39. Kalyan P.Gokhale, Atsuo Kawamura, Richard Hoft. Deadbeat Microprocessor Control of PWM Inverter for Sinusoidal Output Waveform Synthesis.PESC' 28-36,1985.
40．王念旭等．DSP基础与应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，2001．
41．张雄伟等．DSP集成开发与应用实例，北京：电子工业出版社，2002．
42．陆治国等．电源的计算机仿真技术，科学出版社，2001．
43．萧岚，严仰光．谐振直流环节单相逆变器的参数设计，电力电子技术，1998，第4期．
44．孙扬声．自动控制理论，水利出版社，1986．
45．钱照明等．不间断电源UPS的新技术，电工技术学报，1999，增刊，pp．40-44．
46．蒿伟，陈坚．SPWM逆变器的并联运行，电力电子技术，1997．8，第3期．
47．丁道宏．电力电子技术，第二版，航空工业出版社，1999，263—265．
48．张占松等．开关电源的原理设计，电子工业出版社．
49．严仰光．航空航天器供电系统，航空工业出版社，1995，153—157．
50．胡文斌，萧岚．3KVA并联逆变器模块研究，电力电子技术，2001，第5期．
51．刘志军等．一种新颖的三相SPWM技术，电力电子技术，1997．
52．黄俊主编．电力电子变流技术，机械工业出版社，1986．
53．刘明亮主编．振荡器的原理与应用，高等教育出版社．
54. Luigi Malesani, Palo Tomasin, PWM Current Control Techniques of Voltage Source Converters-A Survey. IEEE PESC'92 Conf.Rec.,1992.
55. Y.Y.Tzou and H.J.Wu.Design and implementation of a microprocessor-based uninterruptible power supply, IEEE Trans. Industry Applications.vol.[A]6,no.4,pp.542-546, July/Aug, 1980.