48--220单相逆变器仿真设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书单相逆变器仿真研究1概述随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等）都不是直接使用交流电网作为电源，而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、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，就需要逆变。另外，交流电机调速变频器、UPS、感应加热电源等使用广泛的电力电子装置，都是以逆变电路为核心。本文以单相DC-AC逆变器为研究对象，设计了一种基于全桥式结构的SPWM逆变器。以TI公司低功耗16位单片机MSP30FX169为核心，根据反馈的电压或电流信号对PWM波形作出调整，进行可靠的双闭环控制，逆变部分采用MSP430数字化SPWM控制技术，以尽可能减少谐波。为降低开关损耗，防止产生噪声，将开关频率设置为20KHZ。系统具有短路保护，输入过压和过流保护功能，针对开关管，还完善了抑制浪涌电流，开断缓冲和关断缓冲等功能。设计的硬件电路主要包括全桥式逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路等。重点分析了SPWM控制算法，并给出了软件实现SPWM波形的过程。采用无差拍控制和传统的PI控制方法相结合的复合控制方法，既利用了无差拍控制的快速动态响应特性，又利用了PI控制具有强的鲁棒性，据此设计的控制器能够使逆变器的输出电压很好地跟踪正弦波，在电容性整流负载下输出电压也具有很好的正弦性，在MATLAB/SIMULINK下建立了电源系统的仿真模型，完成了控制器的参数设计，并给出电源在不同负载下和主电路滤波器参数变化下的输出电压仿真波形，证明了本方案设计的逆变器能够得到优质的正弦交流电。1武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2方案论证2.1主回路拓扑结构方案选择逆变电源主电路结构的选取应该遵循以下几个原则：选用尽量少的开关器件，这样可以提高系统的可靠性，并且降低成本；尽量减少逆变电源中的电容值、电感值，和减少电容电感元件在逆变电源中的数量，这样可以减小整个逆变电源设备的体积，提高其可靠性，同时也应该降低设备的成本；电路拓扑结构应该有利于逆变电源最终输出电压中谐波的消除，输出电压频率及幅值的调节。鉴于此点，本文所设计的逆变电源采用全桥式拓扑结构。2.2电源控制方法方案选择常用的逆变电源控制方法有正弦脉宽调制（SPWM）、特定谐波消除（SHEPWM）和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）。SHEPWM只能消去指定的谐波分量，并没彻底改善电压波形，且计算工作量大，不利于实时控制。SVPWM是20世纪80年代中期由日本学者在交流电机调速中提出，SVPWM在各类三相逆变电路中得到了广泛应用，但在逆变电路中尚不多见，而SPWM容易实现对电压的控制，控制线性度好，鉴于此点，本文所设计的逆变电源采用SPWM控制方式。2武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3系统设计及控制原理3.1硬件设计3.1.1逆变器硬件系统结构设计逆变器的硬件系统框图如图1所示。系统由逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路、显示电路构成。输入为48V直流电，经主电路逆变成交流信号，再经过后级滤波电路滤除高次谐波，最终输出有效值为36V的正弦波信号，再经过36V~220V变压器，得到220V交流电，单片机MSP430FX169产生四路PWM信号，控制驱动芯片TLP250，从而实现对逆变主电路的两个开关管的控制。采样电路检测输出电压、电流，反馈到控制端进行可靠的双闭环控制，使系统运行更加稳定，同时提高了系统抵抗输入干扰的能力，使系统的输入干扰不至于引起很大的输出脉动。图1硬件系统框图3.1.2主回路及驱动电路设计由全桥式电路工作原理可知，同等输入情况下，每个开关管承受的电压应为半桥式的两倍，为推挽式的一半，并且输入侧为低压大电流状态，为了尽可能地降低导通损耗，提高整个系统的效率，两个开关管应选取具有低导通压降的功率MOSFET开关管。通过计算，本设计选择额定电压为150V，额定电流为30A的开关管IRF540。驱动30A/100V的MOSFET选用光电耦合器TLP250，它是具有驱动能力的快速光耦，还可以对控制电路和主电路起光电隔离作用。TLP250最大输入电流为20mA，最大输出电流为1.5A，可以驱动50A的MOSFET。芯片工作电压为10V～35V，可直接取自12V直流输入端。3.1.3输出滤波电路设计逆变主电路输出的是SPWM波，需经交流滤波器滤除高次谐波分量，方可得到正弦波。3武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书因此，滤波器的LC参数配置对输出正弦波的失真度影响极大。这里选择Γ型滤波器，它是按低通滤波器的方法进行计算，使滤波器的基波频率落在通带内，从而达到抑制谐波，保留基波的目的。逆变电路输出脉宽调制波中的谐波主要分布在开关频率附近，因此一般选择LC滤波器的谐振频率应满足：ϖn=1nLC=0.1×2πƒs(1）其中n为变压器变比，ƒs为开关频率。滤波器的特征阻抗为：ρ=nLC（2）假设负载阻抗为RL，可取系统特征阻抗为ρ=（0.5～0.8）RL。本实验输出测试电压有效值为36V，则n=7,设置ƒs=20KHZ，RL=25Ω，取ρ=0.6RL。联立上三式，经过计算得L3=24uH，C3=5.3uF。3.2SPWM波的软件设计SPWM波形的产生由MCUMSP430FX169实现，MSP430FX169是一款高端机，它采用RISC、哈佛总线结构、流水线取指令方式，具有指令集少、低功耗、高速度、体积小、功能强及抗干扰能力强等特点，集成了更多的外围模块，本设计中应用了TMR2定时器、ECCP、I/O口、A/D等模块。MSP430FX169单片机的外围功能模块ECCP具有PWM波发生功能，利用此模块实现数字化SPWM，执行速度很快。生成SPWM的控制算法有多种，本设计采用规则采样法实现单极性SPWM控制，其原理如图2所示［2］。图2对称规则采样法原理图取三角波两个正峰值之间为一个采样周期TC，采样频率即是开关频率20kHZ。规则采样法使每个脉冲的中点都与对应的三角波重合，如图2，在三角波的te时刻对正弦信号波采样得到E点，过E点作一水平线和三角波分别交于A、B两点，在A点时刻tA和B点时刻tB分别控制MOS管的通断。假设在正弦调制波的一个周期内，三角载波数为N，即将一个周期N等分，若三角载波幅值定义为1，调制度定义为M，正弦波周期为Tr，则第4武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书i个采样点为：ti=Tri(i=1,2,3⋅⋅⋅N)N（3）设正弦波调制信号为：ur=Msinωrt（4）式（4）中：M=Urm/Ucm，0M1，程序初始设M为0.7，上电后系统的双闭环负反馈对其产生修正作用；ωr为调制波的角频率，与最终输出的信号频率相等，即为50HZ。由图2得关系式（5）：T/21=CMsinωrteδ/2（5）因此可得脉宽时间为δ=TCMsinωrte（6）因此第i个矩形波的脉宽时间为：δ=Msin(2πi/N)i（7）一个正弦周期为0.02s，三角载波频率为20kHZ，因此一个正弦波周期的采样点个数为：0.02×310N==4001/20（8）可借助于MATLAB软件计算1/4个周期100个采样点的导通时刻，及对应的脉冲宽度，然后将这些脉冲宽度值编制成表，存于单片机的程序存储器中。产生的脉冲是一系列由窄到宽再由宽到窄的波形，即SPWM波。MSP430FX169单片机的ECCP外围功能模块PWM功能的实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以TIMER2作为PWM的时基。设置方向寄存器TRISC2=0、TRISD5=0，P1A、P1B为输出模式。设置ECCP模块控制寄存器CCPCON1的P1M1:P1M0=00，CCPΧM3：CCPΧM0=1100，即输出P11、P12、P13、P14四路带死区控制调制的PWM。设置死区控制寄存器PWM1CON=0x0A，即死区时间为1us。装载寄存器T2CON的T2CKPS位，置T2CON=0x05，将预分频设置为1：4。寄存器PR2决定PWM的周期，本试验系统的单片机以40MHZ振荡频率工作（一个周期为0.025us）,需产生20KHZ的PWM波（一个周期50us）,PR2=50/(0.025*16)-1=124。PWM占空比的设定通过寄存器CCPR1L和CCPR1CON5:4共10位数据写入得到，其中CCPR1L为高8位CCPR1CON5:4为低2位，程序在运行过程中的任何时候都可以修改占空比，修改后的占空比将在下一个PWM周期更新。5武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书SPWM的主程序流程图如图3所示。进入程序执行初始化后，程序在中断程序中进行查表，然后根据查表值从单片机的P11、P12、P13、P14引脚输出相应宽度的脉冲，从而控制TLP250驱动开关管IRF540。中断程序入口现场保护PWM数据表读到末端？否是返回PWM数据首端读取PWM数据根据采样值以及读取的PWM数据重新计算PWM占空比更新PWM占空比现场恢复中断返回图3SPWM主程序流程图3.3仿真建模单台逆变器的模型见图4。其中Vdc是母线电压；Lf、Cf是逆变器的滤波电感和滤波电容；R是输出负载；Rf是滤波电感的等效电阻；M是占空比，是一非线性函数、但是由于电源的滤波电容的等效电阻都非常小，对系统的影响不大，一般不予考虑。图4单台逆变器模型6武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书上述模型是非线性的，在SPWM工作方式下，如果载波频率fs远远大于基波频率f，则可以通过平均值模型进行线性化。然后在静态工作点附近做扰动，得到逆变器小信号模型如下：vatVatR=mLfCfRS2+(Lf+RfRCf)S+Rf+R（9）VdciIfLfS+Rf=mLfCfRS2+(Lf+RfRCf)S+Rf+RiCf=mLfCfRS2+(Lf+RfRCf)S+Rf+RLfCfRS2+(Lf+RfRCf)S+Rf（10）VdcRCfS（11）就逆变器的控制方法而言，主要有单电压环瞬时值调节；电感电流内环、电压外环瞬时值调节；电容电流内环、电压外环瞬时值调节三种方案，考虑到并联时，为减小逆变器内部的环流，应尽可能的让单相逆变器回路呈电流源性质，其框图见图5。图5双环控制系统的逆变器框图电流环一般采用P调节，我们取调节比例系数Kip=2。则电流环闭环Bode图见图6。从图6可以看出，电感电流采用P调节后，负载参数对内环增益特性的影响减小。内环带宽增大，呈现出更好的低通滤波器性质，在低频段的相位误差非常小。7武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书图6电流内环P调节闭环Bode图从电流环的传递函数可以得出系统外环开环传递函数如下，Bode图见图7。Gvc(S)=KipGic(S)R1+RCfS1+KipGic(S)（12）图7电压外环的开环Bode图从上图可以看出，系统的相位裕量为87.5o。转折频率为7.9k。为了减小输出电压和参考电压之间的静态误差，采用PI调节是一种较好的方法。PI调节环采用如下参数：Kvp=1,fvpcross=500HzGvpi(s)=Kvp(1+1/2πfvpcross)外环采用PI调节后的系统开环Bode图见图8，从图中可以看出：系统在低频段50Hz处有50dB的增益，增益变大，说明系统的跟踪性能变好，相位裕量为84o，说明系统所设计的匹配参数具有良好的动态性能。这个结论与后面的实验结果是一致的。8武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书图8系统开环Bode图9武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4系统原理与仿真结果4.1总电路图10武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4.2仿真实验4.2.1MATLAB软件仿真结果与分析两路SPWM波分别对应输出正弦波的正负半波，分别控制两组开关管交替导通。36V正弦波交流电经过变压器，得到2