交流電源控制電路設(shè)計(jì)

周健，何陶然

（中國人民解放軍空軍預(yù)警學(xué)院，貴州黔南，550600）

引言

目前，隨著石油、煤和天然氣等主要能源的日益緊張及面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境問題，新能源的開發(fā)和利用越來越得到重視。為了社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和可再生能源的利用，利用風(fēng)能、太陽能等新能源的微電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)-逆變技術(shù)，能將這些新能源轉(zhuǎn)化而來的直流電能變換成交流電能供給負(fù)載使用或與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位，對(duì)逆變器控制電路的改善意義可見一斑。

1 逆變器電流控制方式

首先考慮逆變器控制電路的選擇問題，通常說來有逆變器電流滯環(huán)控制以及逆變器單極性電流SPWM控制兩種控制方式，下面將通過分析比較兩種方式的工作原理，比較兩種方式孰優(yōu)孰劣。

1.1 電流滯環(huán)控制

圖1為逆變器電流滯環(huán)控制三態(tài)滯環(huán)比較器的工作原理。圖1中，δ為滯環(huán)寬度。當(dāng)iLf＜irefδ時(shí)，VS1、VS2導(dǎo)通，iLf上升，UAB＝Uin；當(dāng)iLf＞iref+δ時(shí)，VS3、VS4導(dǎo)通，iLf下降，UAB＝-Uin；當(dāng)iref-δ＜iLf＜iref+δ時(shí)，VS2、VS4導(dǎo)通，iLf通過VS2、VS4續(xù)流，UAB＝0。

圖1 電流滯環(huán)控制電路及三態(tài)滯環(huán)比較器原理

電流滯環(huán)控制逆變器具有很好的穩(wěn)定性，其電流內(nèi)環(huán)高度穩(wěn)定，但控制系統(tǒng)中含有滯后環(huán)節(jié)，所以動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢；電流滯環(huán)控制逆變器開關(guān)頻率不固定，逆變器輸出電壓中諧波分布廣，濾波器設(shè)計(jì)不易，多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)與仿真。當(dāng)電流滯環(huán)控制逆變器平均開關(guān)頻率與電流SPWM控制逆變器開關(guān)頻率相等時(shí)，要獲得濾波后相同質(zhì)量的輸出波形，前者的濾波器要比后者大得多。

1.2 單極性電流SPWM控制

圖2為電流SPWM控制電路波形。uc分別與ie、-ie交截產(chǎn)生四個(gè)開關(guān)管控制信號(hào)。當(dāng)ie＞uc時(shí)，VS1導(dǎo)通、VS4截止，UAO＝Uin／2；當(dāng)ie＜uc時(shí)，VS1截止、VS4導(dǎo)通，UAO＝-Uin／2；當(dāng)-ie＞uc時(shí)，VS3導(dǎo)通、VS2截止，UBO＝Uin／2；當(dāng)-ie＜uc時(shí)，VS3截止、VS2導(dǎo)通，UBO＝-Uin／2；UAB＝UAO-UBO。

圖2 電流SPWM控制電路及波形

單極性電流SPWM控制系統(tǒng)中不存在滯后環(huán)節(jié)，故動(dòng)態(tài)性能良好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快；單極性電流SPWM控制逆變器的開關(guān)頻率固定，輸出電壓只含有偶數(shù)倍載波頻率處的奇數(shù)倍旁帶諧波，最低次諧波集中在2倍載波頻率附近，濾波器易于設(shè)計(jì)。

因此，從提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，降低輸出電壓的THD，減小濾波器，改善輸出電壓波形質(zhì)量的角度考慮，電流SPWM控制逆變器性能更優(yōu)越。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 基準(zhǔn)正弦波電路

單相基準(zhǔn)正弦波電路由振蕩分頻、階梯波合成和有源濾波電路組成，如圖3所示。振蕩分頻電路由晶振和4060組成，用來產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)；階梯波合成電路將時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)循環(huán)移位和權(quán)電阻合成后輸出2N塊階梯波；階梯波經(jīng)有源濾波電路后，輸出高質(zhì)量的基準(zhǔn)正弦電壓。

圖3 單相基準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生電路

2.2 電壓電流雙閉環(huán)控制電路

圖4 為電壓電流雙閉環(huán)控制電路。圖4（a）為電壓外環(huán)控制電路，圖4（b）為電流內(nèi)環(huán)控制電路。圖4（a）中，Vout為輸出電壓，經(jīng)差動(dòng)放大器檢測后與電壓基準(zhǔn)正弦波信號(hào)VASIN進(jìn)行相減后的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)Iref。圖4（b）中，If為檢測的濾波電感電流信號(hào)，電流參考Iref與電流反饋If的差值經(jīng)P調(diào)節(jié)器后一路送比較器，另一路反相后送比較器，與三角波相比較輸出 兩路SPWM信號(hào)V1、V2。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制電路

2.3 功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

圖5 為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路。輸入的兩路信號(hào)經(jīng)HCNW4504光耦隔離后送IR2110，最后產(chǎn)生兩路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別送到逆變器一個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管的柵-源極。

圖5 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

2.4 保護(hù)電路

為了保護(hù)逆變器開關(guān)管不致因過流而損壞，設(shè)置了如圖7所示開關(guān)管過流保護(hù)電路。開關(guān)管電流檢測信號(hào)經(jīng)AD620后送比較器，若電流超過保護(hù)設(shè)定值，則比較器輸出由低變高跳變，4013將這個(gè)跳變鎖存，4013的1腳輸出高電平，這個(gè)高電平信號(hào)送封鎖逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

圖6 保護(hù)電路

3 結(jié)束語

逆變器作為一個(gè)重要的電力電子設(shè)備已經(jīng)得到越來越廣泛的使用，其性能也隨著現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在不斷的提高，本文設(shè)計(jì)的控制電路目的在于希望能將逆變器的輸出性能進(jìn)一步提升，只是處于分析仿真階段，還有很多進(jìn)一步的工作去開展，設(shè)計(jì)的全面性也有待提，下一步作者將實(shí)現(xiàn)該電路進(jìn)行實(shí)際的電路分析測試。

進(jìn)一步研究工作設(shè)想：

（1）將本文設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將硬件電路做出并進(jìn)行測試；

（1）逆變器控制電路的優(yōu)化改善；

（3）對(duì)于逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的研究開展，單個(gè)逆變器的控制方案相對(duì)來說已經(jīng)趨于成熟，要想真正在實(shí)際應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效率的提高研究方向需要對(duì)準(zhǔn)逆變器的并聯(lián)控制；

（4）編寫程序?yàn)槟孀兤鞑⒙?lián)打下基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：第一部分是對(duì)逆變器輸出電壓數(shù)字鎖相從而產(chǎn)生并聯(lián)逆變器電流參考信號(hào)，第二部分是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率的自動(dòng)分配管理。