一種單相全橋逆變器的設(shè)計

雷鵬娟,鄭 昊

(1.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程系,河北 承德 067000)2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心,河北 承德 067000)

隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展及各種用電設(shè)備對電能質(zhì)量要求的不斷提高,近些年對逆變器的研究也層出不窮。 當(dāng)前,許多用電設(shè)備由于對供電電源電壓波形的質(zhì)量有明確的要求,所以所使用的供電電源并非正弦工頻交流電,而是需要將其經(jīng)過一定的變換從而得到幅值、頻率等參數(shù)滿足各自所需的電能形式,如各種通信電源、醫(yī)用電源、航空航海電源和化工電源等。 基于此,對逆變器輸出電壓電流的控制及研究有非常重要的價值和現(xiàn)實意義[1]。 單相全橋逆變器是目前單相逆變器中發(fā)展最快的一個分支,也是極具代表性的電路結(jié)構(gòu),因此,本文從單相橋式逆變器入手,對其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及影響輸出波形的因素進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)仿真電路并進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果顯示了系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)可以很好地保持輸出電壓穩(wěn)定,驗證了系統(tǒng)采取控制方案的正確性和可行性。

1 單相全橋逆變器主電路拓?fù)?/h2>

單相全橋逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示,該電路為無源逆變電路,由四個功率開關(guān)管V1、V2、V3、V4 和與其對應(yīng)的反并聯(lián)二極管及負(fù)載組成[2]。 根據(jù)實際需要,負(fù)載的形式可以是純電阻負(fù)載、阻感負(fù)載、阻容負(fù)載,甚至可以是交流電動機。 電路在工作時保持V1 和V2 交替導(dǎo)通,V3 和V4 交替導(dǎo)通,以此得到Ed、-Ed和0 三種電平信號。

2 影響單相橋式逆變器輸出波形的因素

2.1 載波參數(shù)對輸出波形的影響

載波是指被調(diào)制以傳輸信號的波形。 在PWM 調(diào)制中,載波信號的幅值、頻率及相位都會影響逆變器的輸出波形質(zhì)量。 1)逆變電路運行過程中,經(jīng)常會由于直流電源側(cè)發(fā)生擾動而使得逆變電路輸出波形發(fā)生畸變,這時通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整載波幅值以使自然采樣點發(fā)生改變可以有效地補償這一波形畸變;2)PWM 調(diào)制過程中,由于調(diào)制信號發(fā)生局部改變,使得載波的采樣點發(fā)生改變,這時通過調(diào)節(jié)載波的相位(或通過一定的相移),可以顯著地減小輸出電壓的波形畸變率;3)采用PWM 調(diào)制時,輸出電壓的諧波主要集中在載波頻率fc及其倍頻2fc、3fc……處,改變載波頻率,可以有效地改變輸出電壓的頻譜分布,從而提高輸出電壓的波形質(zhì)量。

2.2 載波比對輸出波形的影響

在PWM 控制電路中,把載波信號頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比定義為載波比(也用字母N表示)[3]。 由于載波頻率fc會影響輸出電壓的頻譜分布,所以載波比N的數(shù)值也會對輸出波形的諧波次數(shù)產(chǎn)生很大影響。 研究發(fā)現(xiàn):對于無死區(qū)的PWM 逆變電路,載波比越大,諧波次數(shù)越高,經(jīng)過濾波之后的輸出電壓波形就越平滑;對于有死區(qū)的PWM 逆變電路,載波比越大,則輸出電壓中的低次諧波含量越多,由此引起的開關(guān)損耗也會增大,使得逆變電路效率變低。 本文仿真時在未進(jìn)行死區(qū)設(shè)置情況下,得到圖2 所示的載波比分別為100、200、400 時的輸出電壓波形。

從圖2 可以看出:對于無死區(qū)的逆變電路,在一定范圍內(nèi),載波比越高,逆變電路輸出電壓中的諧波越小,輸出波形質(zhì)量越高。 但是在仿真過程中也發(fā)現(xiàn),載波比增大,開關(guān)頻率也隨之增大,這不僅對開關(guān)管及硬件電路提出了更高的要求,也使得系統(tǒng)整體運行速度變緩慢。 所以,在實際應(yīng)用中,載波比并不是越高越好,要根據(jù)電路的具體情況選擇合適的載波比,才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.3 逆變橋臂死區(qū)時間對輸出波形的影響

逆變橋臂死區(qū)時間對逆變器輸出電壓影響的示意圖如圖3 所示。 圖3 中U1 為理想調(diào)制波,U2 為設(shè)置死區(qū)之后的調(diào)制波,Td為設(shè)置的逆變橋臂死區(qū)時間。 由于死區(qū)時間的設(shè)置,會使得逆變電路理想調(diào)制波與實際調(diào)制波之間存在一定的誤差電壓,對誤差電壓進(jìn)行傅里葉分析可得到諧波基波電壓有效值(UΔ1)如下:

逆變電路工作時可能會出現(xiàn)橋臂開關(guān)管直通的情況,死區(qū)的加入可以很好地避免這一現(xiàn)象。 若負(fù)載為感性時,由于死區(qū)引起二極管續(xù)流,所以可使開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通,減小開關(guān)損耗;但是二極管在續(xù)流時,也會使輸出電壓基波幅值減小,并且產(chǎn)生出與N和死區(qū)時間成比例的高次諧波,這個缺點在電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中尤為顯著。 圖4 為加入死區(qū)前后的輸出波形FFT(快速傅立葉變換:Fast Fourier Transform)分析。從圖4 中可以看出:加入死區(qū)前后的輸出波形THD(總諧波失真:Total Harmonic Distortion)分別為2. 01% 和3.01%,且加入死區(qū)后,輸出電壓的幅值有一定的減小。 所以為了保證系統(tǒng)在加入死區(qū)后可以正常運行且提高電壓利用率,經(jīng)常采用電壓補償法或電流補償法對二極管續(xù)流的情況進(jìn)行補償,以此來減小續(xù)流引起的誤差電壓。 本文經(jīng)過比較,選擇電壓補償法對誤差電壓進(jìn)行補償。

3 系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

在對影響逆變器輸出波形因素的分析基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制的單相橋式逆變電路,并搭建了系統(tǒng)的整體電路,進(jìn)行了仿真分析[4]。 圖5 為系統(tǒng)采取的雙閉環(huán)控制框圖。 表1 為設(shè)置的系統(tǒng)仿真參數(shù)。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

為了驗證系統(tǒng)采取的控制策略及參數(shù)的正確性和合理性,對系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖6 所示。 從圖6 中可以看出:系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下運行時,輸出電壓和輸出電流諧波較小,滿足設(shè)計要求。

為了驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能及抗干擾性能,對負(fù)載突變時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況進(jìn)行了仿真。 仿真過程包括3 個階段:1)起始時刻,負(fù)載電阻10 Ω,輸入給定電壓220 V;2)0.1 s 負(fù)載突變?yōu)? Ω,輸入給定電壓220 V;3)0.33 s 負(fù)載電阻仍保持為5 Ω,交流給定電壓變?yōu)椤?以上過程對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖7和圖8 所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)采取的控制策略可以保證系統(tǒng)在發(fā)生擾動情況下輸出電壓很好地跟蹤給定電壓。 圖9 為輸出電流的FFT 分析。 從圖9 可以看出,電流波形的THD 為0.75%(一般要求小于5%),即整個調(diào)節(jié)過程中輸出電流的紋波可以滿足設(shè)計要求,說明了設(shè)計的電流內(nèi)環(huán)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性和抗干擾能力。

4 結(jié)論

單相全橋逆變器是目前單相逆變器中發(fā)展較為迅速的分支,本文以單相全橋逆變器為分析對象,介紹了其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),之后從載波參數(shù)、載波比、開關(guān)管死區(qū)等幾個方面分析了對逆變器輸出電壓波形的影響,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制的單相全橋逆變電路系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)給定或負(fù)載發(fā)生變化時,輸出電壓不僅可以很好地跟蹤給定電壓,而且電流的波形總諧波失真約為0.75%,驗證了系統(tǒng)控制方案及選取參數(shù)的有效性。