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便携式发电机逆变电源的研究

时间:2015-07-06 12:31来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,作为一种新兴的电源产品,便携式发电机以其远离电网时输出电能质量高、运行噪音小的特点已在欧美和日本等发达国家的家庭、军事、医疗上得到了广泛的应

第1章 绪论


1.1 研究背景和意义
随着社会的进步,人民生活水平的日益提高,用电器的种类繁多;然而,电能质量好坏已也成为人们逐渐关注的话题之一;如今,我国电力系统已经较几年前有了长足的进步,停电、频率或电压不稳等以前经常发生的现象已经很少出现。然而,用电器种类的不断增加,也造成电网电能质量的不断恶化:各种整流性负载等非线性负载的使用以及大功率用电设备的频繁启停都会给电网带来冲击,从而使电能质量(电压波形、频率)恶化。虽然我们日常生活中使用的用电器在设计之初就对安全使用电压、频率等参数的范围留有一定的裕度,但是在大功率负载启停的时刻依然会从其他负载(如家用电视机、白炽灯等)的工作状态中明显感受到电能质量恶化给负载带来的影响。这些影响对人们的日常生活以及用电器的正常使用带来诸多不便,严重还可能影响用电器的使用寿命。因此,在电网故障的情况下,一些可以对电能质量进行优化或可以依靠外接动力输出高质量电能的装置便应运而生,数码发电机便是这些产品中的一员[1][2]。其相比于普通发电机发出电能的幅值、频率难以有效精确控制,且无论带载多大均需保证汽油机转速一定,以保持输出电能频率为中心频率的缺点而言,数码发电机在电能的产生方式上发生了很大的变化,由传统的交流-交流供电模式变为交流-直流-交流,先将内燃机带动发电机发出的三相交流电进行整流,再将得到的直流电经过逆变后供给负载的供电方式,其输出电能的幅值、频率均可通过数字芯片和先进的控制策略精确调制;从而使输出电能的质量得到很大的提升。由于其特殊的电能产生方式,数码发电机的输出电压频率与幅值可以做到与原动机转速相关性小,从而可以通过判断负载的大小,随时调节原动机转速,以做到降低系统噪声和节省原动机不必要的能耗的目的。目前,由于数码发电机便于携带、噪音低、能耗小以及功率适中等优势,广泛应用于很多电网触及不到的用电场所。因此,对于其相关技术的优化,无论是从科研角度还是从实用角度而言,都具有十分良好的应用前景和意义。
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1.2 便携式发电机发展概况及趋势
作为一种新兴的电源产品,便携式发电机以其远离电网时输出电能质量高、运行噪音小的特点已在欧美和日本等发达国家的家庭、军事、医疗上得到了广泛的应用;随着国内人们生活水平的提高,我国市场对其需求也日渐凸显,其主要应用场合为房车以及野外露营时的优良电源,相比于传统发电机供电系统的中心频率不稳、负载一旦变化便很难实现恒定频率与幅值的电压( CFCV )输出、电压波形畸变大、THD高、不方便移动等缺点以及以内置直流源作为能量来源的 DC /AC电源由于电池容量问题无法长时间工作的不足。便携式发电机由于其电能产生方式的特别之处和结构的特殊使得其在输出电压波形光滑程度、抗扰动能力和工作时间上较其它设备均有提升,所以受到人们的广泛关注[8]。国内同类产品大都功率较小,一般为1~ 2kW ,且在供电时间、输出电能质量、功率因数、运行噪声和产品体积等方面相比于国外产品均有一定差距,多数情况下均在依靠性价比的优势来吸引客户;国内后起之秀有无锡Kipor公司,IG 系列(如图 1-1 所示)是目前该公司最具代表性的产品之一[9]。由于其具有监测负载变化以达到自动调节节气门开度使得油耗仅为普通机组的60%   80% ,大大延长工作时间,已经利用时间上优势迅速占有国内市场。目前,国内其它公司如华盛中天、光合等也开始研发这种新型电源设备。
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第2章 便携式发电机用逆变器的系统设计


2.1 逆变电源主电路拓扑的选择
逆变电源的拓扑结构多种多样,一般来说可分为半桥式、全桥式、单端正激式、单端反激式和推挽式逆变电路等[32],作为便携式发电机的逆变拓扑,以全桥、半桥两种拓扑最为常见,如图 2-1、图 2-2 所示。通过比较不难发现二者区别:1、从开关器件、驱动电路和续流二极管的数量来看:全桥式为半桥式的二倍,性价比方面半桥式占优;2、相同输出电压等级下(如输出电压有效值同为220V时)全桥式直流侧输入电压的大小为半桥式的一半;相比之下,虽然半桥式较全桥式结构简单,但存在着无法应用于大容量系统且控制策略较为单一的缺点,比如在控制策略选取上,半桥结构就只有双极性SPWM 和单极性SPWM 可选,而全桥结构则有双极性SPWM 、单极性SPWM 和倍频式 SPWM 可选,相比之下全桥结构由于器件数量上优势也使逆变器在控制策略上改进得以多种多样;此外,由于半桥式结构中每个开关管上承受的压降均为全桥式的一倍(相同输出电压等级下),因此在同等需求下两种拓扑结构所需的开关管也不尽相同。根据以上分析,综合经济性、目标设计容量以及选用控制算法等因素,本文所用逆变器的拓扑结构为全桥结构。图 2-3 是便携式发电机的系统框图,内燃机经过机械耦合带动发电机运行,其发出的原始交流电能经三相半控整流产生的直流电压供给全桥逆变电路,逆变环节的输出为高频SPWM,然后经过二阶滤波器环节后输出220V、50Hz 交流电,恒频恒压的输出电压由闭环系统实现[33]。


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2.2 正弦脉宽调制技术
正弦脉宽调制SPWM 是工频逆变器中最为常用的调制技术,它具有方法简单,易于实现等优点,但是相比于电机控制中的SVPWM 调制,其直流电压利用率较低,这种调制方法基本原理可用“面积等效”原理予以概述 [34]。SPWM 调制所要实现的功能为通过调整三角载波与正弦波的调制度以实时调整交流输出电压的幅值和频率。根据逆变器输出的高频SPWM 电压的极性不同,可将它们分为单极性与双极性两类,其中单极性又分为普通单极性和倍频式单极性[35],下面将对三种波形对开关管的驱动效果以及各自特点加以分析。双极性SPWM 输出的SPWM 波形无论在调制波的正半周还是负半周均有正有负,且四个开关管的工作频率均为载波频率10KHz。图 2-4 为双极性SPWM生成原理示意图。从图 2-4 最后一个波形可以看出,双极性SPWM 波形特点为在调制波的任意一个半周期内均存在正的面积和负的面积。由面积等效原理可知,调制波前半周期内,输出正的正弦,正的SPWM 波对正弦波贡献为正,负的SPWM 波相当于对正弦波做负功;在正弦波的后半周时,负的SPWM 波对正弦波的贡献为正,正的SPWM 波对正弦波的贡献为负。通过分析可知,这种依靠“正贡献”—“负贡献”产生正弦波的方式效果并不理想,且开关损耗较大。
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第 3 章 逆变电源控制策略的仿真与分析......21
3.1 瞬时值 PID 控制.........21
3.1.1 PID 控制器模型....21
3.1.2 MATLAB 下仿真模型及结果分析.........22
3.2 瞬时电压值外环重复控制....... 28
3.3 本章小结....... 39
第 4 章 逆变系统的硬件软件设计....40
4.1 逆变电源系统的整体结构....... 40
4.2 逆变电源硬件部分设计.... 41
4.3 系统软件设计...... 53
4.3.1 基于 DSP 的 SPWM 脉冲发生方法...... 53
4.3.2 控制部分软件设计..... 59
4.4 本章小结....... 61
第 5 章 逆变器仿真与实验结果分析.......62
5.1 仿真验证....... 62
5.2 实验波形分析...... 64
5.3 本章小结....... 67


第5章 逆变器仿真与实验结果分析


5.1 仿真验证
关于本文设计系统的闭环控制策略已在第三章有详细的论述与验证,此处不再赘述,本章的仿真验证主要围绕第二章关于单极性、双极性以及倍频式SPWM 的优劣进行研究。由于低通经滤波器后的输出电压波形主要为基波形式,三者优劣比较并不是十分明显,本文通过SIMULINK 自带的FFT Analysis工具对三者的输出电压进行谐波分析,图 5-1、图 5-2 以及图 5-3 分别是在相同负载条件下(输入直流电压恒定350V ,负载20Ω 纯阻性、低通滤波器 L =1.1mHC = 20μF,等效电感串联阻抗 0.6Ω ,正弦波调制度 0.7 )在开频率不变10KHz 情况下双极性、单极性以及倍频式SPWM输出波形的谐波分析,在相同条件下,三者的优劣可以通过谐波含量直观反应。在相同条件不同调制方式下,从三个输出电压波形THD值分析中可以清楚看到,本文所选用的倍频式SPWM相比于其他两者具有明显的优势,这种优势不但具有理论意义,而且在实际工程中也可以为滤波器的设计提供参考,即相同条件下由于倍频式调制方式先天的优势:相同开关频率下产生的谐波含量更小。因此在相同需求下与其想匹配的滤波器器件参数可以适当减小,这样做的好处在于整体设备的重量和体积均大幅下降,降低成本。与软件设计中不同的是,仿真设计中倍频式调制方法与双极性SPWM的产生有异曲同工之处,而单极性SPWM却与前两者不同,下面介绍本文倍频式与单极性SPWM生成仿真模块,双极性产生方法与双极性相类似,只需去掉一组调制波与载波的比较即可,产生出脉冲后按照图 2-4、图2-5、图2-6所示的形式分别发给每个功率开关器件即可。
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总结


本文设计逆变系统的应用对象为便携式发电机,是一种新型的离网式电源设备,具有噪音低、污染小、可移动性好等特点,论文研究结果具有一定理论意义和实用价值。
1、结合桥式逆变器两种常见拓扑结构的优缺点,选择逆变器主电路拓扑为单相全桥,逆变电源采用倍频式SPWM 调制方式,闭环对空载传递函数的幅频特性、相频特性有影响,对逆变器建模,为闭环设计提供理论依据。
2、逆变电源整体设计包括硬件和软件两个方面。硬件部分可分为驱动部分设计(包括LC低通滤波器、模拟信号采样电路、功率器件驱动和隔离电路、保护电路)和主控部分设计(采用芯片TMS320F2812,A/ D环节调理电路设计);软件部分包括主程序设计(对系统运行所需要的变量和寄存器进行配置)、中断子程序设计(包含模拟信号的采集、控制算法以及SPWM 波的生成)。
3、采用两种闭环控制策略进行仿真验证。在非线性系统下,采用 PI 控制器的仿真波形存在无法进行非线性畸变波形补偿的不足。采用重复理论设计控制器参数,仿真结果表明,其对整流性负载补偿具有有效作用,但存在动态响应较慢的缺陷;
4、采用瞬时电压重复控制与电感电流 P 控制相结合的控制策略,仿真结果表明,“互补”式复合控制,充分发挥二者优势并弥补不足,所设计系统可以满足需求。
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参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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