采用雙環(huán)控制的四橋臂三相逆變器
介紹了三相四線逆變器的結(jié)構(gòu),提出了一種新的雙環(huán)控制方案,給出了仿真結(jié)果。
1 引言
三相逆變器一般是采用三個(gè)橋臂組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為了給不對(duì)稱負(fù)載供電,必須在輸出端加入一個(gè)中點(diǎn)形成變壓器(Neutral Formed Transformer, NFT),如圖1 所示。中點(diǎn)形成變壓器是變比為1的自耦變壓器,工作頻率為輸出交流電的頻率,體積和重量很大,而且體積和重量隨著負(fù)載不對(duì)稱的程度變化而變化,不對(duì)稱度越大,NFT的體積重量也越大。
圖1 帶NFT的三相逆變器
為了省去中點(diǎn)形成變壓器,減小逆變器的體積和重量,可以在圖1所示的逆變器的基礎(chǔ)上加入一個(gè)橋臂,將三相輸出的公共點(diǎn)(即中點(diǎn))通過電感Ln接在該橋臂中間,從而構(gòu)成四橋臂三相逆變器,如圖2 所示。
圖2 四橋臂三相逆變器
2 逆變器的工作原理
從圖2可以看出,在逆變器帶對(duì)稱負(fù)載時(shí),電感Ln上的電流為零,開關(guān)管VT7、VT8無須需動(dòng)作,這時(shí)每相橋臂根據(jù)本相的需要選擇開關(guān)狀態(tài),比如A相電流偏小,則VT1導(dǎo)通,VT2關(guān)斷;在逆變器帶不對(duì)稱負(fù)載時(shí),電感Ln上流過電流,大小為三相電感電流之和的反相,這時(shí)每相橋臂仍根據(jù)本相的需要選擇開關(guān)狀態(tài),而第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)由電感Ln上流過的電流與其給定值比較而得。Ln上流過的電流是三相電感電流之和的反相, 其給定值是三相電感電流給定值之和的反相。圖三為控制原理圖。
圖3 控制原理圖
本電路采用定頻調(diào)節(jié),由同步脈沖CP信號(hào)給出每個(gè)周期所需的導(dǎo)通信息。每個(gè)橋臂的上下管為互補(bǔ)導(dǎo)通,中間有一定的死區(qū)。對(duì)于A、B、C三相,每相獨(dú)立地控制自己的橋臂,以A相為例,采用雙環(huán)調(diào)節(jié),外環(huán)為電壓環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán),電壓給定VrA是50Hz正弦波,它與輸出反饋電壓VoA經(jīng)運(yùn)放后,得到電流給定irA,電流給定irA與電感電流iLA比較后得到橋臂開通信息,比如irA大于iLA ,則上管導(dǎo)通,此開通信息在同步脈沖到來時(shí)發(fā)出并控制逆變橋。
第四個(gè)橋臂中的開關(guān)狀態(tài)的決定方法與前三個(gè)橋臂類似,只是沒有用電壓外環(huán)。
3 中點(diǎn)電感的選擇
當(dāng)三相電流不對(duì)稱時(shí),中點(diǎn)電感Ln上將流過電流,電感量的大小由幾個(gè)方面的因素決定,并與相電感結(jié)合起來考慮。
首先,Ln對(duì)每相電流都有平衡效果,當(dāng)負(fù)載不平衡度在限定范圍內(nèi)時(shí),如電感上的電流小于每相電流的一半,Ln盡量大一點(diǎn)有利于整體濾波效果;其次,Ln及每相電感對(duì)電流跟蹤速度有很大影響,為了得到良好的動(dòng)態(tài)性能,Ln不能太大;最后,還要從Ln及每相濾波器的體積重量及損耗的角度考慮。設(shè)四個(gè)電感前端的電壓分別為V1、V2、V3、V4,電流分別為i1、i2、i3、i4,中點(diǎn)電壓為Vn ,設(shè)三相電感大小為L , Ln = k L 。
仿真表明,Ln的大小為相電感L的一半時(shí),能兼顧到體積重量、濾波效果和動(dòng)態(tài)性能。
4 仿真結(jié)果
本電路用Saber軟件進(jìn)行仿真,仿真電路中的參數(shù)為:直流輸入電壓300V, 輸出相電壓115V,輸出頻率400Hz,開關(guān)頻率200kHz,三相濾波電感0.4mH, 濾波電容10uF, 電流波形中1伏代表10安的電流。
圖4為三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)三相電壓和電流波形, 第四橋臂電感Ln=0.2mH, 每相負(fù)載都是10歐的電阻。 圖5為三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)三相電壓和電流波形, 第四橋臂電感Ln=1mH, 每相負(fù)載都是10歐的電阻。 圖6為三相負(fù)載對(duì)稱,每相負(fù)載都是10歐的電阻,Ln分別為0.2mH和1mH時(shí), Ln上的電流及C相的電流,由圖可見,Ln=0.2mH時(shí) Ln上的電流紋波較大,Ln=1mH時(shí) Ln上的電流紋波較小,但C相的電流紋波在兩種情況下相差不大。 圖7為三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)三相電壓和電流波形, 第四橋臂電感Ln=0.2mH, 三相負(fù)載分別是20歐的電阻、10歐的電阻、10歐的電阻。 圖8為三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)三相電壓和電流波形, 第四橋臂電感Ln=0.2mH, 三相負(fù)載分別是20歐的電阻并10uF的電容、10歐的電阻、10歐的電阻串2mH的電感。
從圖中可以看到,Ln的大小對(duì)自身的電流紋波影響大,當(dāng)Ln取值較大,第四橋臂電流紋波很小,這時(shí)三相電流紋波主要由相電感L的大小決定;無論什么性質(zhì)的負(fù)載,輸出均能得到三相對(duì)稱的輸出電壓,而且具備了良好的起動(dòng)性能。
5 結(jié)論
(1) 四橋臂三相逆變器省去了三相逆變器中必須的中點(diǎn)形成變壓器,大大減小了電源的體積重量。
(2) 第四橋臂電感的電流給定為三相電感電流給定值之和的反相,第四橋臂開關(guān)管的控制簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了三相電壓的解耦控制。
(3) 中點(diǎn)電感Ln的大小為相電感的一半時(shí),能兼顧到體積重量、濾波效果和動(dòng)態(tài)性能。
(4) 整個(gè)逆變器具有良好的起動(dòng)性能。
評(píng)論