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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)的電流與其給定值比較而得。Ln上流過(guò)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(lái)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(méi)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(guò)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(lái)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(zhǎng) , 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(wú)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。