三相四橋臂逆變器

摘要：敘述了三相四橋臂逆變器的工作原理與控制方法。

關(guān)鍵詞：三相；四橋臂；逆變器Three?phase InverterwithFourBridgeLegs

1前言

三相四橋臂逆變器，主要用于給三相不對稱負(fù)載供電的UPS、中頻變頻器和航空機(jī)載變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。它是近兩年才出現(xiàn)的一種新型逆變器，主要特點(diǎn)是體積小重量輕。

一般的三相逆變器是只有三個(gè)橋臂的三相半橋式逆變器，當(dāng)給不對稱負(fù)載供電時(shí)，就必須在輸出端接入一個(gè)△/Y輸出變壓器，或接入一個(gè)中性點(diǎn)形成變壓器（NeutralFormedTransformer簡稱NFT）。NFT是一個(gè)變比為1：1的自耦變壓器，它雖然比 △/Y輸出變壓器的體積重量小些，但它的體積重量是隨負(fù)載不對稱的程度而變化的，不對稱度越大，它的體積重量也越大。為了除掉輸出變壓器，減小逆變器的體積重量，可以在三相半橋式逆變器的基礎(chǔ)上加入一個(gè)橋臂來形成中性點(diǎn)N，如圖1所示。這樣就構(gòu)成了適應(yīng)不對稱負(fù)載輸出的三相四橋臂逆變器。

2三相四橋臂逆變器的開關(guān)模態(tài)

三相四橋臂逆變器，是由三相半橋式逆變器與一個(gè)由S7、S8組成的公用橋臂結(jié)合而成的。開關(guān)S1、S4與S7、S8組成A相全橋逆變器；開關(guān)S3、S6與 S7、S8組成B相全橋逆變器；開關(guān)S5、S2與S7、S8組成 C相全橋逆變器；由公用橋臂S7、S8形成中性點(diǎn)。由于S7、S8是公用橋臂，因而A、B、C三相輸出電流的激勵就發(fā)生相互牽制，這是三相四橋臂逆變器控制時(shí)必須要解決的難點(diǎn)之一。 假定三相四橋臂逆變器的每個(gè)橋臂有兩種工作方式：上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷定義為1；下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷定義為0，則四橋臂逆變器共有24=16種開關(guān)方式。引入開關(guān)電壓相量用（uA，uB，uC，uN）表示，其中兩種零開關(guān)方式：（0，0，0，0）和（1，1，1，1）是相同的，故共有15種不同的開關(guān)方式。一個(gè)單相全橋式逆變器有三種工作模態(tài)。 Mk=

式中k分別代表A、B、C相，則三相逆變器共有 33=27種工作模態(tài)如表1所示。由于四橋臂逆變器只有四個(gè)橋臂，因而只有15種開關(guān)模態(tài)。因?yàn)橛蠸7、S8中性點(diǎn)形成橋臂的牽制作用，在任一瞬間S7、S8只有一個(gè)導(dǎo)通，所以其它三個(gè)橋臂的開關(guān)不能同時(shí)存在相反的激勵，故表1中的后12種開關(guān)模式不能存在。表

2給出了三相四橋臂逆變器的15種開關(guān)模態(tài)及其對應(yīng)的開關(guān)方式。

表2中的15種開關(guān)模態(tài)，如果某相的開關(guān)模態(tài)為1，就表明該相加＋E，相電流增加；如果某相的開關(guān)模態(tài)為－1，就表明該相加－E，相電流減??；如果某相的開關(guān)模態(tài)為0，就表示該相續(xù)流，相電流增加或減小趨勢較小。

3三相四橋臂逆變器的HCPM控制

三相四橋臂逆變器由于設(shè)置了由S7、S8組成的中性點(diǎn)形成橋臂，這相當(dāng)于能夠?qū)崿F(xiàn)三相四線制輸出，此時(shí)各相電路就具有了獨(dú)立性，各相的輸出電壓和電流只取決于各相的負(fù)載變化。因此采用具有獨(dú)立控制性能的三態(tài)滯環(huán)電流脈沖調(diào)制（HysteresisCurrentpulseModulator，簡稱HCPM）控制方式是比較合適的，其A相電路框圖如圖2所示。它的控制規(guī)律是：

當(dāng)Δi>＋h時(shí)（2h為滯環(huán)寬度），S1和S8導(dǎo)通， S4和S7關(guān)斷，A相加＋E，使相電流增大；當(dāng)Δi－ h時(shí)，S4和S7導(dǎo)通，S1和S8關(guān)斷，A相加－E，使相電流減??；當(dāng)－h(huán)Δi＋h時(shí)，S1和S7或S4和S8導(dǎo)通，逆變器A相續(xù)流。這樣，使A相輸出電流在給定的滯環(huán)寬度2h范圍內(nèi)跟蹤給定電流ira，經(jīng)交流濾波器LfA、CfA濾波后，即可得到正弦波電流輸出。

對于三相四橋臂逆變器，要用三個(gè)HCPM分別對逆變器的三相進(jìn)行控制，但要注意解除由于S7和 S8公用橋臂造成的電流激勵的相互牽制，解決的辦法是用中性點(diǎn)電流iN控制S7和S8的導(dǎo)通。三相逆變器在實(shí)現(xiàn)三相四線制輸出時(shí)，三相星形負(fù)載雖不對稱，但三相相電壓是對稱的，因此三相負(fù)載電流也是不對稱的，使中線電流iN不等于零。中性點(diǎn)橋臂的S7和S8就是專為iN的流通而設(shè)置的，所以電流iN就決定了開關(guān)S7和S8的工作狀態(tài)。為了說明簡單，假定三相星形負(fù)載是大小不相等的純電阻負(fù)載，即：RA≤RB iC，

iA=uA/RA=(Im＋ΔIA)sinωt=Imsinωt＋ΔIAsinωt

iB=uB/RB=(Im＋ΔIB)sin(ωt－2π/3)

=Imsin(ωt－2π/3)＋ΔIBsin(ωt－2π/3)

iC=uC/RC=Imsin(ωt＋2π/3)

iN=iA＋iB＋iC=ΔIAsinωt＋ΔIBsin(ωt－2π/3)

由余弦定理、正弦定理及圖3可知：iN=· sin(ωt－α)α =arcsin

當(dāng)只有A相有負(fù)載時(shí)

iN=iA=Imsinωt

當(dāng)只有A、B相有負(fù)載時(shí)，假定RA=RB，

則：iN=iA＋iB=－iC=－Imsin(ωt＋2π/3)

當(dāng)三相負(fù)載對稱時(shí)，RA=RB=RC則：

iN=iA＋iB＋iC=0

從以上分析可知：中線電流iN有三種值：iN=0，

iN=＋iN和iN=－iN。iN的的檢測有兩種方法，如圖4所示。其中圖4（a）是用兩個(gè)小直流電容Cd1=Cd2形成直流電壓中點(diǎn)N1作為中性點(diǎn)對iN進(jìn)行檢測；圖4（ b）是用小型NFT形成的中性點(diǎn)N1作為中性點(diǎn)對iN進(jìn)行檢測。當(dāng)三相負(fù)載對稱時(shí)iN=0，S7和S8都不導(dǎo)通；當(dāng)iN=±iN時(shí)，±iN的正半周使S8導(dǎo)通，±iN的負(fù)半周使S7導(dǎo)通，逆變器四個(gè)橋臂在－iN和＋iN時(shí)的開關(guān)方式如表2所示。這樣，S1～S6的控制就可以采用帶有電流內(nèi)環(huán)的所有PWM控制電路，例如三相HCPM控制電路等。理論分析表明，采用iN控制S7和 S8的導(dǎo)通可以使控 制 精 度 提 高 ， 可 以 使 輸 出 電 壓 、 電 流 的 波 形 更 接 近 于 正 弦 波 ， 可 以 使 S1～ S6與 S7、 S8的 控 制 分 開 獨(dú) 立 進(jìn) 行 。

起 動 過 程 ： 起 動 前 S7和 S8處 于 關(guān) 斷 狀 態(tài) ， 控 制 電 路 的 直 流 電 壓 已 加 上 。 在 起 動 瞬 間 iN=0， 所 以 電 流 互 感 器 的 CT2的 次 級 無 感 應(yīng) 電 壓 發(fā) 生 ， “ 過 零 點(diǎn) 檢 出 ” 電 路 輸 出 正 電 壓 使 交 流 開 關(guān) S9導(dǎo) 通 ， N′ 與 N1點(diǎn) 之 間 有 電 流 iN流 過 ， 電 流 互 感 器 CT1次 級 的 感 應(yīng) 電 壓 使 S7或 S8導(dǎo) 通 （ iN正 半 周 使 S8導(dǎo) 通 ， iN負(fù) 半 周 使 S7導(dǎo) 通 ） ， 逆 變 器 進(jìn) 入 工 作 狀 態(tài) 。

正 常 工 作 過 程 ： 在 iN過 零 期 間 ， S7和 S8不 導(dǎo) 通 ， CT1和 CT2次 級 無 感 應(yīng) 電 壓 ， “ 過 零 點(diǎn) 檢 出 ” 電 路 輸 出 正 電 壓 使 S9導(dǎo) 通 。 iN流 通 并 在 CT1次 級 感 應(yīng) 出 電 壓 使 S7或 S8導(dǎo) 通 ， 此 時(shí) ， iN的 大 部 分 由 N′ 點(diǎn) 到 N2點(diǎn) 通 過 S7或 S8流 通 ， 并 在 CT2的 次 級 感 應(yīng) 出 電 壓 ， 使 “ 過 零 點(diǎn) 檢 出 ” 電 路 輸 出 零 電 壓 將 S9關(guān) 斷 ， 使 iN全 部 通 過 S7或 S8流 通 ， 進(jìn) 入 到 iN≠ 0期 間 。 此 時(shí) ， 雖 然 N1點(diǎn) 與 N2點(diǎn) 電 位 不 等 ， 但 由 于 S9的 關(guān) 斷 就 切 斷 了 N1到 N2點(diǎn) 之 間 流 過 的 電 流 ， 以 提 高 逆 變 效 率 。

由 以 上 分 析 可 知 ： 開 關(guān) S7和 S8工 作 在 基 頻 ZCS狀 態(tài) ， 故 可 以 采 用 無 反 并 聯(lián) 二 極 管 的 晶 閘 管 作 開 關(guān) ， 以 減 少 成 本 ， 提 高 逆 變 效 率 。

當(dāng) 三 相 四 橋 臂 逆 變 器 采 用 iN控 制 S7和 S8導(dǎo) 通 ， 與 S1～ S6采 用 HCPM進(jìn) 行 控 制 時(shí) ， 這 兩 種 控 制 是 互 不 相 關(guān) 的 ， 可 以 分 別 獨(dú) 立 進(jìn) 行 控 制 。 對 于 S1～ S6的 HCPM控 制 過 程 是 這 樣 的 ： 三 態(tài) HCPM周 期 地 對 濾 波 電 感 電 流 iLfA和 給 定 電 流 ira進(jìn) 行 采 樣 保 持 （ Sample/Hold， 簡 稱 S/H） ， 濾 波 電 感 LfA即 是 濾 波 電 感 ， 又 是 HCPM的 積 分 環(huán) 節(jié) ， 它 給 電 流 閉 環(huán) 控 制 提 供 一 個(gè) 斜 坡 函 數(shù) ， 在 采 樣 點(diǎn) 上 ， 如 果 ira－ iLfA=Δ i－ h時(shí) ， 則 S1和 S8導(dǎo) 通 ， 將 ＋ E加 到 LfA兩 端 ， 使 iLfA增 大 ； 如 果 ira－ iLfA=Δ i >＋ h， 則 使 S4和 S7導(dǎo) 通 ， 將 － E加 到 LfA兩 端 ， 使 iLfA減 小 ； 如 果 ira－ iLfA=Δ i， － hΔ i＋ h， 則 使 S1和 S7或 S4

和 S8導(dǎo) 通 ， 將 LfA短 路 逆 變 器 續(xù) 流 。

4 采 用 負(fù) 載 電 流 前 饋 式 電 壓 調(diào) 節(jié) 器

在 采 用 HCPM控 制 時(shí) ， 為 了 提 高 逆 變 器 的 動 態(tài) 響 應(yīng) 速 度 ， 應(yīng) 采 用 電 壓 、 電 流 雙 閉 環(huán) 控 制 ， 電 壓 調(diào) 節(jié) 作 外 環(huán) ， 電 流 調(diào) 節(jié) 作 內(nèi) 環(huán) ， 外 環(huán) 采 用 了 PI調(diào) 節(jié) 器 。 這 對 于 逆 變 器 來 說 ， 當(dāng) 負(fù) 載 變 化 時(shí) 輸 出 電 壓 也 發(fā) 生 變 化 ， 輸 出 電 壓 有 靜 差 。 為 了 消 除 電 壓 靜 差 ， 在 采 用 PI調(diào) 節(jié) 器 的 基 礎(chǔ) 上 又 加 入 了 電 流 正 反 饋 iAf和 給 定 電 壓 ura的 微 分 支 路 。 電 流 正 反 饋 iAf與 PI的 輸 出 ir以 及 ura微 分 支 路 的 輸 出 信 號 三 者 相 加 作 為 電 流 調(diào) 節(jié) 器 的 給 定 信 號 。 這 種 調(diào) 節(jié) 方 式 稱 作 “ 負(fù) 載 電 流 前 饋 式 電 壓 調(diào) 節(jié) 器 ” ， 其 原 理 框 圖 如 圖 5所 示 。 這 種 電 壓 調(diào) 節(jié) 器 的 傳 遞 函 數(shù) 是 個(gè) 常 數(shù) ， 其 特 點(diǎn) 是 與 負(fù) 載 變 化 無 關(guān) ， 無 論 負(fù) 載 如 何 變 化 其 輸 出 電 壓 總 是 等 于 給 定 電 壓 ur， 不 產(chǎn) 生 電 壓 靜 差 。

5 結(jié) 語

采 用 中 線 電 流 iN控 制 S7和 S8的 導(dǎo) 通 ， 是 比 較 精 確 的 控 制 方 式 ， 它 消 除 了 S7和 S8橋 臂 對 三 相 電 流 的 牽 制 作 用 ， 可 以 使 用 于 多 種 類 型 的 帶 電 流 內(nèi) 環(huán) 控 制 的 PWM控 制 電 路 。

采 用 電 流 前 饋 式 電 壓 調(diào) 節(jié) 器 ， 可 以 消 除 輸 出 電 壓 的 靜 差 ， 可 以 提 高 逆 變 器 的 動 態(tài) 響 應(yīng) 速 度 。