三相四桥臂逆变器

2011-05-20 13:29:10来源: 互联网

摘要:叙述了三相四桥臂逆变器的工作原理与控制方法。

关键词:三相;四桥臂;逆变器Three?phase InverterwithFourBridgeLegs

1前言

三相四桥臂逆变器,主要用于给三相不对称负载供电的UPS、中频变频器和航空机载变速恒频发电系统。它是近两年才出现的一种新型逆变器,主要特点是体积小重量轻。

一般的三相逆变器是只有三个桥臂的三相半桥式逆变器,当给不对称负载供电时,就必须在输出端接入一个△/Y输出变压器,或接入一个中性点形成变压器(NeutralFormedTransformer简称NFT)。NFT是一个变比为1:1的自耦变压器,它虽然比 △/Y输出变压器的体积重量小些,但它的体积重量是随负载不对称的程度而变化的,不对称度越大,它的体积重量也越大。为了除掉输出变压器,减小逆变器的体积重量,可以在三相半桥式逆变器的基础上加入一个桥臂来形成中性点N,如图1所示。这样就构成了适应不对称负载输出的三相四桥臂逆变器。

2三相四桥臂逆变器的开关模态

三相四桥臂逆变器,是由三相半桥式逆变器与一个由S7、S8组成的公用桥臂结合而成的。开关S1、S4与S7、S8组成A相全桥逆变器;开关S3、S6与 S7、S8组成B相全桥逆变器;开关S5、S2与S7、S8组成 C相全桥逆变器;由公用桥臂S7、S8形成中性点。由于S7、S8是公用桥臂,因而A、B、C三相输出电流的激励就发生相互牵制,这是三相四桥臂逆变器控制时必须要解决的难点之一。 假定三相四桥臂逆变器的每个桥臂有两种工作方式:上管导通、下管关断定义为1;下管导通,上管关断定义为0,则四桥臂逆变器共有24=16种开关方式。引入开关电压相量用(uA,uB,uC,uN)表示,其中两种零开关方式:(0,0,0,0)和(1,1,1,1)是相同的,故共有15种不同的开关方式。一个单相全桥式逆变器有三种工作模态。 Mk=

式中k分别代表A、B、C相,则三相逆变器共有 33=27种工作模态如表1所示。由于四桥臂逆变器只有四个桥臂,因而只有15种开关模态。因为有S7、S8中性点形成桥臂的牵制作用,在任一瞬间S7、S8只有一个导通,所以其它三个桥臂的开关不能同时存在相反的激励,故表1中的后12种开关模式不能存在。表

 

相别 开关模态
A相 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1   0 0 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1
B相 0 0 0 1 1 -1 -1 0 0 1 1 0 0 -1 -1   1 -1 0 0 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1
C相 0 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 1 0 -1 0 -1   -1 1 -1 1 0 0 1 1 -1 1 -1 -1
三相工作模态 对应的开关方式 备注
A相MA B相MB C相MC uA uB uC uN
0 0 0 0 0 0 0 ±iN时零模态
1 1 1 1
0 0 1 0 0 1 0 -iN时方式
0 0 -1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 0 0
0 -1 0 1 0 1 1
1 0 0 1 0 0 0
-1 0 0 0 1 1 1
1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0 1 1 0 +iN时方式
0 -1 -1 1 0 0 1
1 0 1 1 0 1 0
-1 0 -1 0 1 0 1
1 1 0 1 1 0 0
-1 -1 0 0 0 1 1
-1 -1 -1 0 0 0 1

2给出了三相四桥臂逆变器的15种开关模态及其对应的开关方式。

表2中的15种开关模态,如果某相的开关模态为1,就表明该相加+E,相电流增加;如果某相的开关模态为-1,就表明该相加-E,相电流减小;如果某相的开关模态为0,就表示该相续流,相电流增加或减小趋势较小。

3三相四桥臂逆变器的HCPM控制

三相四桥臂逆变器由于设置了由S7、S8组成的中性点形成桥臂,这相当于能够实现三相四线制输出,此时各相电路就具有了独立性,各相的输出电压和电流只取决于各相的负载变化。因此采用具有独立控制性能的三态滞环电流脉冲调制(HysteresisCurrentpulseModulator,简称HCPM)控制方式是比较合适的,其A相电路框图如图2所示。它的控制规律是:

当Δi>+h时(2h为滞环宽度),S1和S8导通, S4和S7关断,A相加+E,使相电流增大;当Δi<- h时,S4和S7导通,S1和S8关断,A相加-E,使相电流减小;当-h<Δi<+h时,S1和S7或S4和S8导通,逆变器A相续流。这样,使A相输出电流在给定的滞环宽度2h范围内跟踪给定电流ira,经交流滤波器LfA、CfA滤波后,即可得到正弦波电流输出。

对于三相四桥臂逆变器,要用三个HCPM分别对逆变器的三相进行控制,但要注意解除由于S7和 S8公用桥臂造成的电流激励的相互牵制,解决的办法是用中性点电流iN控制S7和S8的导通。三相逆变器在实现三相四线制输出时,三相星形负载虽不对称,但三相相电压是对称的,因此三相负载电流也是不对称的,使中线电流iN不等于零。中性点桥臂的S7和S8就是专为iN的流通而设置的,所以电流iN就决定了开关S7和S8的工作状态。为了说明简单,假定三相星形负载是大小不相等的纯电阻负载,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)

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

当只有A相有负载时

iN=iA=Imsinωt

当只有A、B相有负载时,假定RA=RB,

则:iN=iA+iB=-iC=-Imsin(ωt+2π/3)

当三相负载对称时,RA=RB=RC则:

iN=iA+iB+iC=0

从以上分析可知:中线电流iN有三种值:iN=0,

iN=+iN和iN=-iN。iN的的检测有两种方法,如图4所示。其中图4(a)是用两个小直流电容Cd1=Cd2形成直流电压中点N1作为中性点对iN进行检测;图4( b)是用小型NFT形成的中性点N1作为中性点对iN进行检测。当三相负载对称时iN=0,S7和S8都不导通;当iN=±iN时,±iN的正半周使S8导通,±iN的负半周使S7导通,逆变器四个桥臂在-iN和+iN时的开关方式如表2所示。这样,S1~S6的控制就可以采用带有电流内环的所有PWM控制电路,例如三相HCPM控制电路等。理论分析表明,采用iN控制S7和 S8的导通可以使控 制 精 度 提 高 , 可 以 使 输 出 电 压 、 电 流 的 波 形 更 接 近 于 正 弦 波 , 可 以 使 S1~ S6与 S7、 S8的 控 制 分 开 独 立 进 行 。

起 动 过 程 : 起 动 前 S7和 S8处 于 关 断 状 态 , 控 制 电 路 的 直 流 电 压 已 加 上 。 在 起 动 瞬 间 iN=0, 所 以 电 流 互 感 器 的 CT2的 次 级 无 感 应 电 压 发 生 , “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 正 电 压 使 交 流 开 关 S9导 通 , N′ 与 N1点 之 间 有 电 流 iN流 过 , 电 流 互 感 器 CT1次 级 的 感 应 电 压 使 S7或 S8导 通 ( iN正 半 周 使 S8导 通 , iN负 半 周 使 S7导 通 ) , 逆 变 器 进 入 工 作 状 态 。

正 常 工 作 过 程 : 在 iN过 零 期 间 , S7和 S8不 导 通 , CT1和 CT2次 级 无 感 应 电 压 , “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 正 电 压 使 S9导 通 。 iN流 通 并 在 CT1次 级 感 应 出 电 压 使 S7或 S8导 通 , 此 时 , iN的 大 部 分 由 N′ 点 到 N2点 通 过 S7或 S8流 通 , 并 在 CT2的 次 级 感 应 出 电 压 , 使 “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 零 电 压 将 S9关 断 , 使 iN全 部 通 过 S7或 S8流 通 , 进 入 到 iN≠ 0期 间 。 此 时 , 虽 然 N1点 与 N2点 电 位 不 等 , 但 由 于 S9的 关 断 就 切 断 了 N1到 N2点 之 间 流 过 的 电 流 , 以 提 高 逆 变 效 率 。

由 以 上 分 析 可 知 : 开 关 S7和 S8工 作 在 基 频 ZCS状 态 , 故 可 以 采 用 无 反 并 联 二 极 管 的 晶 闸 管 作 开 关 , 以 减 少 成 本 , 提 高 逆 变 效 率 。

当 三 相 四 桥 臂 逆 变 器 采 用 iN控 制 S7和 S8导 通 , 与 S1~ S6采 用 HCPM进 行 控 制 时 , 这 两 种 控 制 是 互 不 相 关 的 , 可 以 分 别 独 立 进 行 控 制 。 对 于 S1~ S6的 HCPM控 制 过 程 是 这 样 的 : 三 态 HCPM周 期 地 对 滤 波 电 感 电 流 iLfA和 给 定 电 流 ira进 行 采 样 保 持 ( Sample/Hold, 简 称 S/H) , 滤 波 电 感 LfA即 是 滤 波 电 感 , 又 是 HCPM的 积 分 环 节 , 它 给 电 流 闭 环 控 制 提 供 一 个 斜 坡 函 数 , 在 采 样 点 上 , 如 果 ira- iLfA=Δ i<- h时 , 则 S1和 S8导 通 , 将 + E加 到 LfA两 端 , 使 iLfA增 大 ; 如 果 ira- iLfA=Δ i >+ h, 则 使 S4和 S7导 通 , 将 - E加 到 LfA两 端 , 使 iLfA减 小 ; 如 果 ira- iLfA=Δ i, - h<Δ i<+ h, 则 使 S1和 S7或 S4

和 S8导 通 , 将 LfA短 路 逆 变 器 续 流 。

4 采 用 负 载 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器

在 采 用 HCPM控 制 时 , 为 了 提 高 逆 变 器 的 动 态 响 应 速 度 , 应 采 用 电 压 、 电 流 双 闭 环 控 制 , 电 压 调 节 作 外 环 , 电 流 调 节 作 内 环 , 外 环 采 用 了 PI调 节 器 。 这 对 于 逆 变 器 来 说 , 当 负 载 变 化 时 输 出 电 压 也 发 生 变 化 , 输 出 电 压 有 静 差 。 为 了 消 除 电 压 静 差 , 在 采 用 PI调 节 器 的 基 础 上 又 加 入 了 电 流 正 反 馈 iAf和 给 定 电 压 ura的 微 分 支 路 。 电 流 正 反 馈 iAf与 PI的 输 出 ir以 及 ura微 分 支 路 的 输 出 信 号 三 者 相 加 作 为 电 流 调 节 器 的 给 定 信 号 。 这 种 调 节 方 式 称 作 “ 负 载 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器 ” , 其 原 理 框 图 如 图 5所 示 。 这 种 电 压 调 节 器 的 传 递 函 数 是 个 常 数 , 其 特 点 是 与 负 载 变 化 无 关 , 无 论 负 载 如 何 变 化 其 输 出 电 压 总 是 等 于 给 定 电 压 ur, 不 产 生 电 压 静 差 。

5 结 语  

采 用 中 线 电 流 iN控 制 S7和 S8的 导 通 , 是 比 较 精 确 的 控 制 方 式 , 它 消 除 了 S7和 S8桥 臂 对 三 相 电 流 的 牵 制 作 用 , 可 以 使 用 于 多 种 类 型 的 带 电 流 内 环 控 制 的 PWM控 制 电 路 。

采 用 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器 , 可 以 消 除 输 出 电 压 的 静 差 , 可 以 提 高 逆 变 器 的 动 态 响 应 速 度 。

关键字:三相  逆变器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0520/article_8791.html
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