單相數(shù)字變頻電源的國內外研究現(xiàn)狀

1、<p>　　單相數(shù)字變頻電源的國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　[摘 要]變頻電源自誕生以來，便以體積小、重量輕等優(yōu)點，在節(jié)能、變頻調速和改善電能質量方面起到了重要作用。好的變頻電源輸出波形不但要具有高的穩(wěn)態(tài)性能，還應有快的動態(tài)響應，如何利用現(xiàn)有的資源設計出更為優(yōu)秀的變頻電源是研發(fā)人員的工作方向，本文主要研究了單相數(shù)字變頻電源的國內外研究現(xiàn)狀。 </p><p>　　[關鍵詞]

2、單相數(shù)字變頻電源；SPWM；電力電子；控制策略 </p><p>　　中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0356-01 </p><p>　　1 單相數(shù)字變頻電源的研究背景及意義 </p><p>　　變頻電源自1969年誕生以來，便以其體積小，重量輕，功耗低的特點，在電子和電氣領域得到了極其廣泛的應用。變頻電

3、源運用先進的功率電子器件和高頻逆變技術，使傳統(tǒng)的工頻整流電源材料減少70%～80%，節(jié)能20%～30%，動態(tài)反應速度提高2～3個數(shù)量級，并不斷向高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化的方向發(fā)展。 </p><p>　　早期的變頻電源，只需要輸出不斷電、電壓、頻率可調即可，然而，近年來隨著各種電子產品的出現(xiàn)，對能源的重視逐漸加強，對電源的要求也越來越高，除了這些基本要求外，還要考慮對電網的污染等要求。當代社會出現(xiàn)

4、的許多高新技術都與市電的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數(shù)的變換和控制密切相關，變頻技術能夠實現(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率處理，特別是能夠實現(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術的發(fā)展提供有力的支持。 </p><p>　　2 單相數(shù)字變頻電源的國內外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　數(shù)字變頻電源的主要特點：以數(shù)字信息構成智能化變頻電源，模擬組件與數(shù)字組件優(yōu)化組合，電源系統(tǒng)集成化，

5、數(shù)字電源達到高技術指標。數(shù)字變頻電源的核心部分包括電力電子器件、微控制器和控制策略，所以，單相數(shù)字變頻電源的研究現(xiàn)狀從以下3個方面進行闡述。 </p><p>　　2.1 電力電子器件的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　變頻技術作為電力電子的核心技術，隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，變頻技術也隨之發(fā)展。電力電子器件以美國1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為起始點逐漸發(fā)展起來的。在器件的

6、結構上，從分立器件發(fā)展到組合功率變換電路，繼而將功率變換電路、觸發(fā)控制電路和檢測電路等組合在一起構成復雜模塊，目前已經開發(fā)出具有智能化功能的功率模塊IPM。智能功率集成電路能夠提供數(shù)字控制邏輯與功率負載之間的接口，最簡單的形式可由電平移動和驅動電路組成，把來自微控制器的邏輯信號轉換成足以驅動負載的電壓和電流，較復雜的智能功率集成電路能實現(xiàn)以下3項任務。 </p><p>　?。?）控制功能：自動檢測某些外部參量并

7、調整功率器件的運行狀態(tài)，以補償外部參量的偏離。 </p><p>　　（2）傳感與保護功能：當器件出現(xiàn)過載、短路、過電壓、欠電壓或過熱等非正常運行狀態(tài)時，能測量相關信號并能進行相應保護，使功率器件工作在安全工作區(qū)。 </p><p>　　（3）提供邏輯輸出接口：功率模塊的控制由驅動電路來執(zhí)行，它具有處理高壓、大電流或二者兼?zhèn)涞哪芰Α?</p><p>　　2.2 微

8、處理器控制技術的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　最初使用的微處理器控制功率器件時，一般應用單片機來控制。單片機擁有豐富的硬件和軟件資源，但隨著變頻系統(tǒng)的數(shù)據量、實時性和精度要求不斷地增加，單片機的處理能力逐漸達不到系統(tǒng)的要求。 </p><p>　　為了提高數(shù)據處理能力，近年來數(shù)字信號處理DSP發(fā)展迅速，TI公司先后推出具有事件管理器模塊的TMS320F2407、TMS320F2812，已

9、被廣泛應用在高頻開關電源的控制，采用DSP作為變頻電源的控制核心，可以用最少的軟硬件實現(xiàn)靈活準確的在線控制。 </p><p>　　2.3 控制策略的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　早期變頻器大多采用開環(huán)控制，因為控制結果簡單，應用方便。但由于其波形質量差、諧波畸變率高，動態(tài)響應慢，只能應用在對電壓質量要求比較低的場合，對電壓質量要求較高的場合，則需要閉環(huán)控制，通過合適的閉環(huán)控制策略改善波

10、形質量，減小誤差，提高動態(tài)響應速度。各種閉環(huán)控制策略各有優(yōu)缺點，幾種閉環(huán)控制策略如下： </p><p>　?。?）PID控制。早期對變頻電源的控制通常采用模擬PID控制，單純采用輸出電壓瞬時值反饋，利用模擬PID控制器進行調節(jié)。隨著DSP的出現(xiàn)，瞬時值反饋數(shù)字PID逐漸出現(xiàn)，由于變頻電源在空載時有很強的震蕩性，積分環(huán)節(jié)又產生新的相位滯后，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，比例環(huán)節(jié)的作用不能太強；加上數(shù)字控制的采樣保持、運算時間引

11、入的相位滯后及量化誤差等因素的影響，減小了最大可得到的脈寬，使得變頻電源的輸出電壓波形畸變較高，特別是對非線性干擾抑制較差，通過各種補救措施如采用高速AD和提高開關頻率的方法可以一定程度上提高精度，但性價比較差。 </p><p>　?。?）雙環(huán)控制。由于單電壓環(huán)控制的抗負載擾動性能較差，所以在電壓外環(huán)的基礎上，引入電感電流作為內環(huán)，利用電流內環(huán)快速的抗干擾性能來改善輸出波形，提高動態(tài)響應，增加其抗干擾性能。 &

12、lt;/p><p>　?。?）無差拍控制。無差拍控制是一種基于離散數(shù)學模型實現(xiàn)的PWM方案，它根據正弦參考指令和測量的狀態(tài)反饋變量，由微機來計算下一個開關周期的脈沖寬度，控制功率開關管動作以使下一采樣時刻的輸出電壓準確等于正弦參考指令。 </p><p>　?。?）模糊控制。模糊控制的設計中不需要被控對象精確的數(shù)學模型，模糊控制有著較強的魯棒性和自適應性，查找模糊控制表只需要占用處理器少量的時

13、間，因而可以采用較高采樣率來補償模糊規(guī)則和實際經驗的偏差。模糊控制理論上可以任意精度逼近任何非線性函數(shù)，但受到當前技術水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制。 </p><p>　　2.4 單相數(shù)字變頻電源的發(fā)展方向 </p><p>　　目前，單相數(shù)字變頻電源主要朝著以下幾個方向發(fā)展： </p><p>　?。?）高頻化。理論分析與實踐表明，電器產

14、品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5%～10%，其主要材料可以節(jié)約80%甚至更高，同時還能節(jié)電20%以上。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，原材料消耗顯著降低、電源裝置進一步小型化、系統(tǒng)的動態(tài)反應加快，能夠更加深刻的體現(xiàn)其技術含量。 </p><p>　?。?

15、）模塊化。模塊化的含義包括功率器件的模塊化以及電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元甚至七單元，實質上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。近些年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也集成到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊（IPM），不僅縮小了整機的體積，還方便了整機的設計。有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊（ASPM），它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，把寄生參數(shù)降到最小，從而提高了

16、系統(tǒng)的可靠性。 </p><p>　　（3）數(shù)字化。在傳統(tǒng)電力電子技術中，控制部分是按模擬方式來設計和工作的。而今數(shù)字電路技術則越來越重要，信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、便于軟件包調試和遙感遙測遙調、也便于自我診斷，容錯等技術的植入，電力電子領域以前難以處理的一些問題將迎刃而解。 </p><p>　?。?/p>

17、4）綠色化。隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源的呼聲也越來越高。綠色電源的含義有兩層：首先是顯著節(jié)電。這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，因為節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能對電網產生污染。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應加裝高效濾波器，還應在電網輸入端采用功率因數(shù)校正技術和軟開關技術。 </p><p><b>　　3 小結 </b></p><p>　　總而言