兩種典型控制方法在逆變器控制器中的比較

摘要：對比分析了逆變器控制中的電容電流反饋和電感電流反饋兩種控制方式。推導了控制器的控制模型，分析了控制器的設計方法，給出了各種突加負載及恒定負載狀態(tài)下的實(shí)驗結果，指出了兩種控制方法的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗在800VA的逆變器中進(jìn)行,逆變器的開(kāi)關(guān)頻率是30kHz，輸出電壓是400Hz,115V有效值的正弦波。

關(guān)鍵詞：電容電流；電感電流；控制器

0 引言

逆變器可以采用的控制方法種類(lèi)繁多，不同的控制方法都有其獨特的優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)合[1][2]。從控制環(huán)路的角度看，可以分為開(kāi)環(huán)控制、單環(huán)控制、雙環(huán)控制以及多環(huán)控制。

開(kāi)環(huán)控制無(wú)論在靜態(tài)特性或動(dòng)態(tài)特性方面都無(wú)法滿(mǎn)足UPS逆變器的要求。為了獲得逆變器輸出電壓良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，可以采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值反饋控制。這種控制方法能夠實(shí)時(shí)地調節輸出電壓的波形，比較好地抑制元器件的非線(xiàn)性特性和直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響，在一定程度上改善了逆變器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。但是由于這種控制方法只有單電壓環(huán)控制，當負載發(fā)生比較大的動(dòng)態(tài)變化時(shí)（如負載的電流突然變大），逆變器的輸出電壓會(huì )有比較大的畸變，而且動(dòng)態(tài)調節比較慢。由于這種系統是二階振蕩環(huán)節，負載越輕，動(dòng)態(tài)調整時(shí)間越長(cháng)，且輕載時(shí)閉環(huán)系統的根軌跡靠近虛軸，系統穩定性差。為了進(jìn)一步提高逆變器的控制特性，可以采用雙環(huán)和多環(huán)控制，由于多環(huán)控制比較復雜，目前實(shí)際應用中采用很少。雙環(huán)控制由于控制性能良好，控制方便而得到了較多的應用。本文針對輸出電壓和濾波電容電流反饋以及輸出電壓和濾波電感電流反饋的兩種典型雙環(huán)控制方法進(jìn)行了對比分析。

1 兩種反饋環(huán)路的逆變器控制模型

圖1是全橋逆變器的主電路圖，Vd是直流電壓源，S1～S4是4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，L和C是濾波電感和濾波電容，用于濾除逆變系統中的高次諧波。rL和rC是濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗。ZL是負載，負載可以是純阻性也可以是非線(xiàn)性等。圖1所示的逆變器主電路圖由于開(kāi)關(guān)器件的存在是個(gè)非線(xiàn)性系統。但是，當器件的開(kāi)關(guān)頻率遠遠大于逆變器輸出電壓的基波頻率時(shí)，可以用狀態(tài)空間平均和線(xiàn)性化技術(shù)來(lái)分析。按照圖1所示，可以得到下面的逆變器模型的動(dòng)態(tài)方程：

（1）

（2）

v0=（3）

iL=iC＋iZ（4）

式中：iC，iL，iZ分別是電感、電容、負載的電流。

圖1 全橋逆變器的主電路

上面的動(dòng)態(tài)方程顯示了逆變器中各個(gè)量的相互關(guān)系。在上面建立方程的過(guò)程中，逆變器可以看作一個(gè)具有恒定增益的放大器。以前面的動(dòng)態(tài)方程為基礎，可以設計一個(gè)如圖2和圖3所示的控制器模型。其中的系數定義如表1所列。

圖2 電感電流反饋逆變器控制模型原理框圖

圖3 電容電流反饋逆變器控制原理框圖