【導(dǎo)讀】本篇文章主要對(duì)逆變電源的消諧問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的介紹與分析，希望通過(guò)本文的介紹能夠讓大家領(lǐng)悟逆變電源的實(shí)時(shí)控制。
逆變電源在電路中的作用異常重要，對(duì)于UPS、中篇電源等設(shè)備來(lái)說(shuō)，逆變電源是其最為重要的核心部件之一。因此逆變電源的輸出電壓與頻率問(wèn)題成為了人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。如何降低諧波含量與改善輸出波形一直是眾多研究者們一直在不斷探索的課題。
本篇文章當(dāng)中，小編將對(duì)逆變電源的消諧技術(shù)進(jìn)行介紹，目前領(lǐng)域當(dāng)中較為常見(jiàn)的減低諧波含量的調(diào)節(jié)方式有兩種，第一種，對(duì)逆變電源的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波；第二種，通過(guò)改變逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主電路上進(jìn)行波形重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量。
諧波頻率與開(kāi)關(guān)頻率脫不開(kāi)關(guān)系，當(dāng)諧波越小，就意味著開(kāi)關(guān)頻率越高，這一特點(diǎn)對(duì)于高頻PWM調(diào)制尤其明顯。而波形重構(gòu)方式往往需要多個(gè)逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級(jí)數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。
理論分析表明，早在1973年提出的消諧控制策略能有效地克服上述問(wèn)題，它只需要較少的開(kāi)關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好的濾波效果，具有開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經(jīng)過(guò)近二十年的研究至今仍未實(shí)際應(yīng)用，其主要原因是消諧模型的求解復(fù)雜，難以獲得實(shí)時(shí)控制效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一問(wèn)題終究會(huì)得到解決，從而使消諧方法走向?qū)嵱谩?nbsp;
消諧PWM模型的分析
利用PWM調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和降低諧波含量是目前最為普及的技術(shù)，在中小功率逆變電源中應(yīng)用非常廣泛，PWM的生成方法也很多。消諧PWM控制就是一種經(jīng)過(guò)計(jì)算的PWM控制策略，其基本方法是：通過(guò)PWM控制的傅里葉級(jí)數(shù)分析，得出傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某些特定的諧波為零，便得到一個(gè)非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型，按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。消諧模型的建立是與PWM控制方式相關(guān)的，以電壓型逆變器為例，根據(jù)不同的PWM特點(diǎn)，建立的模型可歸納為兩種：即單極性脈沖控制模型和雙極性脈沖控制模型。
圖1單相電壓型逆變器電路
如圖1所示，若在正半周內(nèi)使開(kāi)關(guān)器件S1、S4處于通斷變換狀態(tài)時(shí)，而S2、S3一直關(guān)斷，則輸出為單極性正脈沖，而在負(fù)半周對(duì)開(kāi)關(guān)器件S2、S3通斷控制，而S1、S4一直關(guān)斷，則輸出為單極性負(fù)脈沖，因此脈沖波形可用圖2（a）表示。在這種控制方式下，為了降低開(kāi)關(guān)損耗，可使同一橋臂中的一個(gè)開(kāi)關(guān)管（如S2或S4）在半個(gè)周期內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。PWM波形的獲得靠橋臂的另一個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2（a）波形的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為：
若每個(gè)橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件是互補(bǔ)通斷的，則輸出PWM波形為雙極性的，此時(shí)的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：
在上述兩個(gè)模型中，若在1/4周期內(nèi)有N個(gè)脈沖，則可用來(lái)消除N-1個(gè)特定的諧波。
消諧模型的求解算法
消諧模型以往都是采用牛頓迭代法來(lái)求解，其初值的選取與迭代過(guò)程所需的時(shí)間及收斂性質(zhì)密切相關(guān)，若初值選得不好，離真實(shí)解距離太遠(yuǎn)，將導(dǎo)致迭代運(yùn)算時(shí)間很長(zhǎng)甚至不收斂，而在求解前要獲得離真實(shí)解不遠(yuǎn)的初值并非一件容易的事，若要設(shè)想在實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程中進(jìn)行求解運(yùn)算，則迭代初值的獲取更為困難。當(dāng)然文獻(xiàn)雖然總結(jié)了一套選取初值的辦法，但仍不是最有效的方法。為了改善收斂特性，也可在牛頓迭代算法中采用超松弛因子，但是這種方法將使收斂速度變慢，不利于快速求解。1999年后，研究者提出了運(yùn)用同倫方法求解消諧模型的新算法。
利用同倫算法求解消諧模型，可以有效地避免牛頓迭代方法對(duì)迭代初值敏感的缺點(diǎn)，并且具有收斂速度快、收斂范圍廣、計(jì)算容易等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)消諧模型求解的理想算法。
從以上的講解中大家也能夠看到，實(shí)際上逆變電源非常適合于消諧控制設(shè)計(jì)。但其中的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題卻一直存在，導(dǎo)致不能完全得到發(fā)揮。本篇文章主要對(duì)逆變電源的消諧問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的介紹與分析，希望通過(guò)本文的介紹能夠讓大家領(lǐng)悟逆變電源的實(shí)時(shí)控制。
