抑制單相及三相正弦波逆變器偏磁的有效方法

摘要：分析了SPWM逆變電源中直流偏磁產(chǎn)生的原因，對(duì)目前所采用的抗偏磁方法進(jìn)行了比較，提出了以各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁的新方法。可適用于單、三相逆變電源抗偏磁設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)逆變器；偏磁；抑制

1 引言

在SPWM開(kāi)關(guān)型變換器中，主變壓器的偏磁可以說(shuō)是一種通病。只是在各種應(yīng)用場(chǎng)合中，表現(xiàn)的程度不同而已。偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機(jī)械噪聲增大（當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件，使逆變器不能正常工作。因此，抗偏磁是開(kāi)關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本文在比較分析了PWM和SPWM變壓器鐵心的不同磁化過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了SPWM型逆變電源抑制變壓器偏磁的新方法，即以逆變橋各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁。并已成功應(yīng)用在400Hz單、三相系列變頻電源中，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可靠性。

2 變壓器鐵心的磁化過(guò)程及抑制偏磁方法比較

開(kāi)關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過(guò)程與普通變壓器一樣均滿足電磁感應(yīng)定律，為方便分析可認(rèn)為繞組電阻，漏感，變壓器分布電容等都等于零。這樣，加到變壓器初級(jí)繞組的電壓u₁和繞組感應(yīng)電勢(shì)相平衡。因此，

u₁=N₁=N₁Sk_T （1）

式中：B為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

S為鐵心截面積；

N₁為初級(jí)繞組匝數(shù)；

k_T為鐵心面積的有效系數(shù)；

φ為變壓器主磁通。

由式（1）可得磁感應(yīng)強(qiáng)度

B(t)=u₁dt＋B_r （2）

式中：B_r為t=0時(shí)鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

為分析方便將式（2）寫為增量形式并考慮到在PWM和SPWM型逆變器中，u₁為幅值恒定的脈沖量，因而磁感應(yīng)增量變成

ΔB(t)= （3）

從而磁感應(yīng)增量ΔB(t)成為時(shí)間的線性函數(shù)。對(duì)于全橋PWM型逆變電路，正常情況下，變壓器正、反方向的方波“伏－秒”面積相等，鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度與方波脈寬成正比，變化如圖1(a)所示，且磁化曲線對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。而SPWM型逆變電路中各個(gè)脈沖的寬度不一樣，而且隨載波比的變化而變化，ΔB(t)的大小與SPWM脈沖寬度成正比關(guān)系，其電壓波形和鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形如圖1(b)所示。此時(shí)，磁化曲線在一基波周期對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。

(a) PWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

(b) SPWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

圖1 變 壓 器 原 邊 電 壓 及 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度

當(dāng)變壓器原邊含有直流成分時(shí)，PWM型變換電路的正、反方向的方波“伏－秒”面積不再相等，磁通將向某一方向逐漸增加，最終導(dǎo)致變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度而飽和，磁化曲線將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。在SPWM型變換電路中，當(dāng)含有直流成分時(shí)，將在變壓器鐵心中產(chǎn)生恒定的磁鏈。從而使得變壓器磁通在基波周期將不再是正、反方向相同的正弦波，其范圍將由正常時(shí)的±Δφ_1m變?yōu)椋?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" height="14" src="http://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-7/200977103250728.gif" width="13" border="0" style="zoom: 1" alt="" />Δφ_1m＋φ_d～＋Δφ_1m＋φ_d，變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度變動(dòng)范圍也由正常時(shí)的－B_1m～＋B_1m變?yōu)?i>B_d－B_1m～B_d＋B_1m，磁化曲線也將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱，導(dǎo)致半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管損壞^[5]。

不少科技工作者根據(jù)自己的工程實(shí)踐，提出了一些減小偏磁的辦法，并取得了較好的效果^[1]～[5]。其中有些辦法僅適用PWM型直流變換器^[1]～[3]，可以采用校正每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈寬來(lái)消除偏磁，不存在對(duì)輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期脈寬本來(lái)就不相同，采用此方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重地偏離SPWM模式，產(chǎn)生調(diào)制失真，最終使輸出波形發(fā)生畸變。對(duì)于SPWM正弦波逆變器，文獻(xiàn)[4]采用電子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬同一橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管，此方法未考慮到功率開(kāi)關(guān)管的離散性問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]在主變壓器初級(jí)串入一個(gè)采樣變壓器，要求該變壓器和主變壓器的工作特性完全一致，如實(shí)反映主變壓器的工作狀態(tài)。由于材料、器件等諸多因素的離散性，實(shí)際中可能存在一定困難。同時(shí)，在上述方法中，有的還要用到電流傳感器，采樣保持器等價(jià)格較高的元器件，這對(duì)于成本較敏感的電力變換裝置將產(chǎn)生不利影響。而且，對(duì)于三相逆變器將使控制電路變得異常復(fù)雜。因此，對(duì)于正弦波逆變器，尋求一種簡(jiǎn)單，有效，單、三相逆變器均適用的抗偏磁方法是很有意義的。

3 正弦波逆變器抑制偏磁的新方法

概括地說(shuō)，逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱具體原因有：

1）功率半導(dǎo)體模塊（IGBT）開(kāi)關(guān)速度的差異（器件的離散性或非一致性）；

2）功率半導(dǎo)體器件（IGBT）通態(tài)壓降的差異（同上）；

3）各種信號(hào)傳輸延遲的不同。