新型簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器

陳賢明

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京210003）

1 前言

為了抑制日益惡化的氣候變化，保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)都很重視節(jié)能減排。除了工業(yè)部門大量消耗電能外，各種家用電器也大量消耗電能，因此也有節(jié)能的潛力。家用電器大多用單相電源。家用空調(diào)、電冰箱等己常采用變頻技術(shù)，需要用到單相橋整流器和單相橋逆變器。本文提出了一種簡(jiǎn)易的單相五級(jí)逆變器方案，即利用中點(diǎn)箝位三級(jí)的橋臂來(lái)代替單相逆變橋中的一個(gè)橋臂，以便較大程度上消除輸出電流中的諧波，得到正弦電流。這種方案的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，輸出電壓為5 電平，故稱為簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器，它可以用于單相的變頻器，也可用于風(fēng)力發(fā)電、光伏電源逆變器之用。本文對(duì)簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器進(jìn)行了原理分析，并對(duì)其進(jìn)行了Matlab／Simulink 的仿真研究，得到了預(yù)期結(jié)果，證明其不失為單相逆變器可選方案之一。

2 新型簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器原理

圖1 簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器原理圖

圖1為新型簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器原理圖。2E為直流電源，經(jīng)電容器C1、C2 分壓，中點(diǎn)O 作為零電位，單相H 型逆變橋的4 橋臂中的任一個(gè)被中點(diǎn)箝位三級(jí)逆變器的一個(gè)橋臂代替。圖中T1～T5、D1～D5 為電力電子雙向開(kāi)關(guān)元件（以下簡(jiǎn)稱T管）。圖中也有反并聯(lián)二極管D。在圖1中，H 橋右上臂被T3、T4 組件和箝位二極管D 及活箝位TD 所代替。逆變器輸出電壓Uab 為a、b 兩點(diǎn)電位Ua、Ub 之差，經(jīng)電感L 接至負(fù)荷Ld。

表1顯示了簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器各T 管導(dǎo)通與輸出電位Ua、Ub 及輸出電壓Uab 之間的關(guān)系，表中1代表導(dǎo)通，0 代表截止。由此可以看出，其Uab 輸出為2E、E、0、－E、－2E，屬5 電平，顯然這對(duì)于減小諧波有利。如果不用脈寬調(diào)制PWM 控制，Uab 輸出的是矩形波。為產(chǎn)生正弦波電流，可以用正弦波脈寬調(diào)制SPWM 控制技術(shù)。

表1 逆變器各T 管導(dǎo)通與輸出電位Ua、Ub 及電壓Uab 之間的關(guān)系

3 簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器仿真

圖2為簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器的Matlab／Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖，其中5LHBI 模塊為簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器，其展開(kāi)圖如圖3所示。它的子模塊Ls、Rs 的展開(kāi)圖如圖4所示。為產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)，可利用圖5為單相五級(jí)逆變器輸出電壓設(shè)計(jì)的PWM控制方案，其中θ 角可選用，以使波形盡量接近正弦。

圖2 簡(jiǎn)易單相五級(jí)逆變器的Matlab／Simulink 仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3 5LHBI 模塊的展開(kāi)圖

圖4 Ls、Rs 的展開(kāi)圖

圖5中標(biāo)出了各級(jí)電平下應(yīng)導(dǎo)通T 管號(hào)，如逆變器輸出＋E電平時(shí)，利用T2、T4導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生＋E 電平，T2、T5 導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生零電平來(lái)形成PWM 控制，對(duì)逆變器輸出＋2E、－E、－2E時(shí)可以類推。圖6是逆變器T 管的驅(qū)動(dòng)模塊Drv－Sgl的展開(kāi)圖，它是按照?qǐng)D5的T 管的導(dǎo)通情況設(shè)計(jì)的，注意這里同步信號(hào)Usa 取自圖2所示的工頻正弦波發(fā)生器Sine。當(dāng)Usa 在正半波時(shí)，Uab＝＋E，PWM＝“ 1”，T2、T4 導(dǎo)通，電流i 正向流出 途 經(jīng) 為：0 →D →T4 →a→L，Ld →b →T2 →－E →0。通常由于負(fù)荷電路中有電感L，當(dāng)T4 截止，PWM由“1”變“0”時(shí)，電流i導(dǎo)通的續(xù)流途徑為：a→L，Ld→b→T2→D5→a。

圖5 單相五級(jí)逆變器輸出電壓

當(dāng)Uab＝＋E 時(shí)，i 負(fù)向流動(dòng)途徑為b→L，Ld→a→D4→TD→0→C2→D2→b。當(dāng)T4 截止、T5 導(dǎo)通時(shí)，電流i 轉(zhuǎn)為續(xù)流途徑a→T5→D2→Ld，L→a。

附錄中還列出了Uab＝＋2E、－E、－2E 情況下電流i 的流動(dòng)途徑和續(xù)流途徑，并說(shuō)明需要裝設(shè)活箝位TD 管的原因。

圖6 T 管驅(qū)動(dòng)模塊Drv－Sgl 的展開(kāi)圖

圖6中的ga 是PWM 的控制信號(hào)，它是由圖2中的單周控制模塊OCC 產(chǎn)生的。

圖7是OCC 的展開(kāi)圖，其輸入的被控信號(hào)是逆變器輸出電流ia，參考信號(hào)Refa 采用的是和Ref成正比的Sine 信號(hào)，要讓OCC 中比較器compa 正確比較，交流的ia 和Refa 均需用絕對(duì)值，圖中的開(kāi)關(guān)Switch 用于積分器1／S 清零用。

圖6結(jié)構(gòu)圖中還有一些用于電壓、電流的測(cè)量單元，電流有效值顯示以及若干示波器Scope，用于觀察仿真結(jié)果。

該仿真電路元件參數(shù)如下：直流電源E1，E2＝250v，電感L＝10mH，負(fù)荷Load，電阻5Ω，電感0.1mH，二極管D 管壓降0.8V，全控型開(kāi)關(guān)T 管IGBT，管壓降1V，通態(tài)電阻Ron＝0.001Ω，吸收電路電阻Rs＝100kΩ，單周控制用時(shí)鐘頻率clk＝2kHz，仿真用Ref＝（1－6）＊10－4安·秒。圖8為仿真得到的單相五級(jí)逆變器T 管驅(qū)動(dòng)脈沖，顯然它和圖5所要求的T管導(dǎo)通、截止是一致的。圖9為單相五級(jí)逆變器Ref＝0.0012 安·秒時(shí)的Matlab／Simulink 仿真結(jié)果。

圖7 OCC 模塊的展開(kāi)圖

圖8 單相五級(jí)逆變器T 管驅(qū)動(dòng)脈沖圖

圖9（A）為逆變器負(fù)荷電壓U／負(fù)荷電流i 波形圖，因負(fù)荷電感較小，功率因數(shù)接近1。圖9（C）為逆變器輸出端口A，B 間電壓Uab，它為5級(jí)階梯的PWM 脈沖波，因其受OCC 控制，參考電壓為正弦，所以此調(diào)制波相當(dāng)于正弦脈寬調(diào)制SPWM 波形。圖9（B）為逆變器輸出電感L 上的電壓降，它起著電流濾波的作用，保證了矩形階梯調(diào)制波至正弦波負(fù)荷電壓U 的過(guò)渡，其濾除電流諧波，本文選用5 級(jí)階梯波脈寬調(diào)制方案。圖5中的θ＝30°角的選擇是隨意的，應(yīng)進(jìn)一步探討其優(yōu)化值。另外，為得到更好的正弦負(fù)荷電流，只靠單一電感L 濾波是不充分的，應(yīng)探討改進(jìn)和優(yōu)化。

圖9 單相五級(jí)逆變器Matlab／Simulink 仿真結(jié)果

圖9（D）、（E）為直流側(cè)電源E1、E2 上下電流id＋、id－的工作情況。圖9（F）表示了OCC 單元積分值Jiadt 和參考值Refa 波形比較，前者能很好跟蹤后者，說(shuō)明比較器工作正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的簡(jiǎn)易單相5 級(jí)逆變器設(shè)計(jì)方案在原理上是可行的，它只增加少許器件，并利用SPWM控制能獲得較好的電壓波形，Matlab／Simulink 仿真結(jié)果表明它是可行的。方案利用圖6所示的T管驅(qū)動(dòng)模塊，并從圖8所示的驅(qū)動(dòng)脈沖可以看出，T1、T2 管不作PWM 控制，有可能用晶閘管代替，這有利于降低逆變器的成本。

［1］邱曉林等.基于Matlab 的動(dòng)態(tài)模型與系統(tǒng)仿真工具——Simulink 3.0／4.X［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

［2］王忠禮，段慧達(dá)，高玉峰.MATLAB 應(yīng)用技術(shù)——在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］吳天明，謝小竹，彭 彬.MATLAB 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

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［5］陳賢明，呂宏水，劉國(guó)華.單相整流／逆變H 橋剖析及仿真研究［A］.第二屆全國(guó)電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.長(zhǎng)沙，2011.141－152.

附：當(dāng)Uab＝＋2E，－E，－2E 情況下電流i 的流動(dòng)途徑和續(xù)流途徑附圖1表示了圖2中負(fù)荷LOAD 上的電圧U 和感性電流i以及逆變器輸出的五級(jí)PWM 電圧Uab 及U，i 各種方向下的分區(qū)（U 為Uab 的基波）。

在附圖1中，U 表示負(fù)荷電壓，i 表示感性負(fù)荷電流，Uab表示逆變器AB 端輸出電圧。A 區(qū)U 正i 負(fù)；B 區(qū)U、i 都正；C區(qū)U 負(fù)i 正；D 區(qū)U、i 都負(fù)。［Ⅰ］當(dāng)Usa 在正半波時(shí)：

＊＊＊Uab＝＋2E 時(shí)，PWM＝“1”，T2、T3、T4 導(dǎo)通，電流i 正向流出途徑為＋E→T3→T4→a→L，Ld→b→T2→－E→C2，C1→＋E。通常由于負(fù)荷電路中有電感L，當(dāng)T2 截止，T1 導(dǎo)通，PWM由“1”變“0”，電流i 導(dǎo)通的續(xù)流途徑為a→L，Ld→b→D1→T2→T3、T4→a。

＊＊＊Uab＝＋2E 時(shí)，負(fù)電流－i 流動(dòng)途徑為b→Ld、L→a、D4、D3→C1、C2→D2→b；負(fù)電流－i 的續(xù)流途徑為a→D4、D3→T1→b→Ld、L→a。

［Ⅱ］當(dāng)Usa 在負(fù)半波時(shí)：

＊＊＊ Uab＝－E 時(shí)，PWM＝“1”，T1、T4 導(dǎo)通，負(fù)電流－i 流出途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a，D4→D→0→C1→＋E；T1、T3、T4 導(dǎo)通，負(fù)電流－i 的續(xù)流途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a，D4、D3→＋E。

＊＊＊Uab＝－E 時(shí)，T1、T4 導(dǎo)通，正向電流i 流動(dòng)途徑為a、Ld、L→b→D1、＋E→0、TD→T4→a；T1、T3、T4 導(dǎo)通，電流＋i 的續(xù)流途徑為a、Ld、L→b→D1→T3、T4→a。

［Ⅲ］當(dāng)Usa 在負(fù)半波時(shí)：＊＊＊ Uab＝－2E 時(shí)，PWM＝“1”，T1、T5 導(dǎo)通，負(fù)電流－i 流出途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a→T5→－E→C1、C2→＋E；T2、T5導(dǎo)通，電流－i 的續(xù)流途徑為a→T5→－E→D2→b→Ld、L→a。＊＊＊Uab＝－2E 時(shí)，T1、T5 導(dǎo)通，正向電流i 流動(dòng)途徑為a、Ld、L→b→D1→C1、C2→D5→a；T2、T5 導(dǎo)通，電流＋i 的續(xù)流途徑為a→Ld、L→b→T2→D5→a。

由此可以看出，當(dāng)Uab＝＋E 時(shí)i 負(fù)向流動(dòng)和當(dāng)Uab＝－E時(shí)i 正向流動(dòng)，它們都必需流過(guò)活箝位TD，這就是為什么必需有TD 的原因。