（电力电子与电力传动专业论文）三相四桥臂逆变电源控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h et r a d i t i o n a lt h r e e p h a s el n v e r t e rh a sas t r u c t u r ew i t ht h r e ea r m s w h e n b e a r i n gw i t ht h et h r e e p h a s es y m m e t r i c a ll o a d ，t h ep o w e rs u p p l yt h r e e - p h a s e o u t p u tv o l t a g ei ss y m m e t r i c a l b u tw h e nw i t ht h et h r e e p h a s ea s y m m e t r i cl o a d ，t h e l o a dn e u t r a lp o t e n t i a lp o i n tw i l ld r i f t ，s ot h eo u t p u tt h r e e p h a s ei sv o l t a g en ol o n g e r s y m m e t r i c a l a i m i n ga tt h i s ，s c h o l a r sh a v ep r o p o s e dai n v e r t e rt o p o l o g yf o r mw i t h 3 - p h a s ea n d4 一l e g 3 一p h a s ea n d4 - l e gs t r u c t u r ec a ns o l v et h ep r o b l e mo fn e u t r a l p o i n td r i f t ，a n dm a i n t a i n s t h e o u t p u tv o l t a g es y m m e t r y ，w h e nt h e l o a di s a s y m m e t r i c f i r s t l y ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f3 - p h a s ea n d4 - l e gi n a - b cc o o r d i n a t es y s t e m a - p 一0c o o r d i n a t es y s t e ma n dt h ed q 一0c o o r d i n a t e s y s t e m ，a n da n a l y s e d t h e p r i n c i p l e o f t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e ，e s t a b l i s h e d b i s y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t ew i t ha - b ca n dd - q 一0c o o r d i n a t e t h e nt h ep a p e r i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo f3 一ds v mi na - b cc o o r d i n a t es y s t e mf o r3 - p h a s ea n d 4 - l e gi n v e r t e r ，a n da p p l i e di tt ot h ed e s i g nc o n t r o l ，i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t y o ft h r e e - p h a s ev o l t a g ep o w e ro u t p u ta n dt or e d u c et h eh a r m o n i cc o m p o n e n t s i nt h ee x p e r i m e n ts i m u l a t i o n ，a3 p h a s ea n d4 - l e gi n v e r t e rs i m u l a t i o ns y s t e m w a sb u i l t ，w h i c ha d o p t e dt h ed u a l l o o pc o n t r o lw i t hi n n e rl o o pu s i n gc a p a c i t i v e c u r r e n ta n do u t e rl o o pu s i n gc a p a c i t o rv o l t a g e i nt h eb i s y n c h r o n o u sr o t a t i n g c o o r d i n a t e ，t h ep o s i t i v es e q u e n c ec o m p o n e n t ，n e g a t i v es e q u e n c ec o m p o n e n ta n d z e r os e q u e n c ec o m p o n e n to ft h eo u t p u tv o l t a g ew e r er e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e d s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u ti nv a r i o u sl o a dc o n d i t i o n s ，s u c ha s e m p t y l o a d ， f u l l - l o a d ，h a l f - l o a d ，s u d d e n - l o a d ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n sa tl o a dt e r m i n a l ，n o n l i n e a r l o a da n dt h r e e p h a s ea s y m m e t r i cl o a d i no r d e rt or e f l e c tt h ea d v a n t a g eo ft h e 3 - p h a s ea n d4 一l e gi n v e r t e rs y s t e mw i t ha s y m m e t r i cl o a d t h i sp a p e re s t a b l i s h e da t h r e e p h a s ea n dt h r e e a r mi n v e r t e rs y s t e mw i t ht h es a m es i m u l a t i o np a r a m e t e r s ， a n df o c u s e do nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w oa tt h es i t u a t i o nw i t ha s y m m e t r i cl o a d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee s t a b l i s h e d3 - p h a s e4 - l e gi n v e r t e r ，w h i c hw a s c o n t r o l e dt h r o u g hp o s i t i v es e q u e n c e ，n e g a t i v es e q u e n c ea n dz e r os e q u e n c e ，h a s m a n ya d v a n t a g e s ， s u c h a s q u i c kr e s p o n s e ，h i g ha c c u r a c y ，l i t t l et h d ， a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，n o n l i n e a rl o a dc a p a b i l i t y ，i np a r t i c u l a r ，t h ei n v e r t e rh a s o u t s t a n d i n gc a p a c i t yw i t ha s y m m e t r yl o a d a l lo fa b o v ev e r i f i e dt h es u p e r i o r i t yo f t h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：3 - p h a s e4 一l e gi n v e r t e r ；a s y m m e t r i cl o a d ；3 - ds v m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：牡 指导老师签名： 日期：夕f 见多弓f 白q 日期： p d f f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、分析了逆变电源主电路的拓扑结构，针对三相负载不对称等情况，采用了三相 四桥臂逆变电源主拓扑。分析比较逆变电源的多种控制策略，采用双闭环的p i d 控制 方法。 2 、建立三相四桥臂逆变电源分别在a b c 、a - - o 和小g p 坐标系下的模型，通过 理论和实验分析得到三相逆变电源输出不平衡的根本原因，建立r - s 0 坐标系，采用 d - q 0 和m 0 双同步旋转坐标系下双闭环的控制，应用s v p w m 调制技术。 3 、利用m a t l a b 仿真平台，通过对三相四桥臂逆变电源在空载、满载、半载、 突加负载、负载端电压波动、非线性负载和不对称负载下的闭环控制仿真，重点对比 了三相四桥臂逆变器和普通的三相三桥臂分别在带不对称负载时的情况，验证了采用 双同步旋转坐标系下双闭环控制的三相四桥臂逆变电源的优越性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 搬 蛐 孙 签 功 凇 夕 作 乳 姗 瑚 扔 日 位学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 电力电子技术的飞速发展和各行业对电气设备控制性能要求的提 高，使得逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，相应对逆变电源的 要求也越来越高。现在许多用电设备都不直接从电网上采取交流电，而 是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需的电能形式。 一些重要的用电部门和用电设备尤其是航空航天和舰艇对供电质量的要 求越来越高，要求电压、频率、波形准确完好，动态性能良好，不能受 到电网的任何干扰，要求一个干净、抗干扰的电源条件。 从2o 世纪7 0 年代以来，各种电力电子设备和装置在电力系统、工 业、交通、家庭中得到广泛应用使得电网中产生大量谐波。这些谐波所 造成的危害日益严重，它们使电能的生产、传输和利用的效率降低，使 电气设备过热、产生振动和噪音，严重时设备甚至不能正常工作，这在 铁路、冶金等行业中尤为明显。在这些行业，当大功率非线性用电设备 运行时，会给电网注入大量电力谐波，导致电网电压严重失真。在电网 电压严重失真时，电压会出现正负半波不对称、波形严重畸变，频率也 会发生变化。这样的供电电压，即使是一般电力用户，也难以接受；更 无法用其作为检修、测试的电源。在这种情况下，传统的控制理论与技 术的局限性难以满足用户需求。随着更高性能的微处理芯片和外围芯片 的出现，加上一些更先进的数字控制理论及综合控制理论的不断涌现， 为逆变电源控制技术提供了新的思路，使得以前一些不可能实现的控制 方法成为可能，可以很好的满足生产实践的需要。 现代电力电子技术在各种高质量、高可靠性的电源中起关键作用。 而逆变电源正是现代电力电子技术的具体应用。随着人类社会不断发展， 环境恶化和资源枯竭的问题目益严重，可再生清洁能源的应用越来越多， 比如说太阳能电池和燃料电池，它们都是直流电源。另外，直流输电， 以其节约能源、线路造价低、无系统稳定性问题等优点再次兴起。如果 日常生活生产中要利用这些直流电源，就需要逆变。 我们国家人均能源占有率低，煤和石油都属于不可再生能源，早晚 有耗尽的一天，且它们会污染环境，对人类生存繁衍造成威胁。所以我 国乃至全世界各国都积极行动，提倡节约能源，保护生态环境，走可持 续发展之路。这其中包含两个非常切实可行的方案，其一是变频调速技 术，另一个则是鼓励开发利用太阳能、风能、生物质能、热泵、地热、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 p i ni 皇曼曼蔓曼舅笪曼皇曼量鼍 燃料电池等新能源。前者中比较常见的交直交变频就含有逆变电源的 部分。后者那些新能源也多为直流电源，需要经过逆变再为我们生活和 生产所用。所以说逆变电源技术有着巨大的发展需要。顺应了当今世界 “节约能源、保护环境”的主题【2 】。 1 2 逆变技术发展趋势 1 2 1 p w m 软开关技术 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之 一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研 究工作，是当前逆变器的发展方向之一。软开关并不是没有损耗的，它 只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的 谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。 软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现p w m 软开关技术， 也就是将软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来的优点， 又能实现软开关工作。为此，必须将l c 与开关器件组成一个谐振网络， 使p w m 逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压 开通和关断，一般工作情况下则不发生谐振，以保持p w m 逆变器工作 特点【4 1 。 1 2 2 多电平技术 上述p w m 高频软开关逆变技术产生的背景是为了提高传统逆变器 的输出波形质量，该技术缺点是具有较高的d d t ，别d t ，以及由此引起 的较高的开关应力及较强的e m i 。因此，多电平逆变技术，成为当前高 压大功率逆变器的一个发展方向。与p w m 高频软开关逆变技术的思路 相反，多电平逆变技术的出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所 有逆变开关都工作在基频或低频，以达到减小开关应力，改善输出电压 和电流波形的目的。 1 2 3 并联技术 用分布式电源系统代替集中式电源供电系统也是电源系统的发展方 向之一。与集中式电源系统相比，分布式电源具有以下优点：提高系统 的灵活性，可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了模块的功率 密度，使电源系统的体积、重量下降；各个模块的功率半导体的电流应 力减小，提高了系统的可靠性；分布系统可方便的实现冗余；减少产品 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 种类，便于标准化【5 1 。 1 2 4 低谐波、高精度输出技术 开关电源技术近年来发展迅速，对低谐波、高精密电源需求也越来 越多。高精度、低谐波电源对保护用电设备、减小对电网的污染等方面 都具有很大的作用。 1 2 5 数字化控制 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势，也是逆变技术 发展的趋势，目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。虽然数字 控制极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度， 但数控变换器在实际使用中还存在许多待解决的问题，例如：变换器开 关动作对采样的严重干扰；检测的量化误差导致控制精度显著下降；高 速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下降；开关功率变换器数字化的 数学模型研究不够深入等。 1 3 三相逆变器控制的特殊性 三相逆变器的控制较单相逆变器而言有其自身的特点。 ( 1 ) 控制方式与其拓扑结构关系密切 按拓扑结构可以分为带变压器和不带变压器的逆变电源。其中不带 变压器的又可分为三相三线制逆变电源和三相四线制逆变电源。而带变 压器的逆变电源常常由于变压器接法的不同而采用不同的控制方式。在 需要直流侧与交流侧电气隔离的场合采用带变压器的逆变器，而且为了 阻止逆变桥输出p w m 脉冲电压中所含的3 倍频谐波这样的零序分量传输 到输出端，三相逆变器中变压器常常被连接成y 或y n ( 虼代表有中线的 y 连接) 方式6 1 。 在不同的坐标系下对三相逆变电源进行控制时，所需控制器的个数 取决于逆变电源有无中线。在三相逆变器中可以运用谐波注入p w m 、空 间矢量p w m ( s v p w m ) 等脉宽调制技术来提高逆变器的逆变系数，提高直 流电压利用率，这类技术只能用于带变压器的三相逆变器中，不能用于 不含变压器的三相逆变器。原因是谐波注入p w m 、s v p w m 中含有3 次低 频谐波，在无变压器的三相逆变器开环运行时，3 次谐波无法被输出滤波 器衰减而传输到输出端；在波形反馈闭环控制运行时，控制器的调节作 用将抑制p w m 中3 次谐波，这样谐波注入p w m 或s v p w m 提高逆变系数的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 功能被抵消而与初衷相违。所以三相逆变器控制方式的选择与其拓扑结 构紧密相关。 ( 2 ) 三相逆变器在不同坐标系下有不同形式的等效模型 为了分析问题的方便，而且不同的控制策略依赖于不同形式的对象 模型，大量的文献建立了基于不同坐标系下的三相逆变器数学模型，并 提出了相应的控制策略。常见的有： ( a ) a b c 坐标系下的模型 ( b ) 仅0 坐标系下的模型 ( c ) d q 0 坐标系下的模型 在不同的坐标系下对三相逆变电源进行控制，+ 有各自的优缺点。例 如，a b c 坐标系和仅口0 坐标系下各个轴上的状态变量不存在耦合，因而可 以作为独立p w m 逆变器单独进行控制，且对于无中线的三相逆变器系统 a 口0 坐标系下只用两个控制器就可以实现对它的完全控制。在d q o 坐标系 下控制可以实现基波无静差，同样对于无中线的三相逆变器系统若在d q o 坐标系下进行控制可以只用两个控制器。但a 口0 坐标系下和d q o 坐标系下 进行控制都需要对反馈量进行繁琐的坐标变换。另外还有在r s o 坐标系下 的控制，也需要进行繁琐的坐标变换。 ( 3 ) 不平衡负载 除单相p w m 逆变器输出波形畸变的全部因素外，不平衡负载也是引 起三相逆变器输出波形畸变的重要因素。因为不平衡负载含有负序、零 序负载电流。当负序、零序电流流过三相逆变器输出阻抗时，会产生负 序、零序输出电压，导致三相逆变器输出电压三相不对称畸变，降低了 三相逆变器供电品质。 三相逆变器输出电压的不平衡和畸变都可能导致电子设备的工作失 常甚至损坏，例如不平衡的三相电压可以在电机绕组产生负序电流，从 而增加电机的内部损耗和温升，如果电机工作在额定工作状态就有可能 使电机过热甚至严重损坏。谐波电压引起的谐波电流也可以在磁性元件 ( 如变压器，电机等) 中流动从而增加额外的损耗和温升，它在电机中产生 的脉动转矩也会影响电机的正常工作，谐波电流还会产生严重的e m i 噪声 干扰通讯和计算机系统，此外谐波电流还有可能引起过流继电保护器和 保险的误动作1 7j 。 电压不平衡可以定义为： 垩烹当掣1 0 0 ( 1 - 1 ) 圪+ + 圪 。 其中，一是最大相电压有效值，圪加曲是最小相电压有效值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 逆变电源的性能指标 波形质量指标对于正弦波逆变器来说，最主要的是要输出性能良好 的正弦波，而实际逆变器的输出波形除了含有所需要的基波外还有一些 谐波，为了评价输出波形的质量，引入下述几个性能指标【8 卜【9 1 。 ( 1 ) 谐波系数h f ( h a r m o n i cf a c t o r ) ：第n 次谐波系数矾城定义为 第n 次谐波分量有效值同基波分量有效值之比。 职= k ( 1 2 ) ( 2 ) 总谐波系数t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nf a c t o r ) ：总谐波系数 表征了一个实际波形同其基波分量接近的程度。输出为理想正弦波时了 t h d 为零。 t h d = 軎( 曙) 尼 ( 1 - 3 ) t ，、_ 一，i ， 、 ( 3 ) 畸变系数d f ( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ：通常逆变电路输出端要经l c 滤波器后再接负载( 其中，l 串联在电路中，c 并联在负载两端) 。若逆变 电路输出的，n 次谐波有效值为圪，则经l c 滤波器衰减以后输出到负载 的1 1 次谐波电压吃近似为( 不考虑负载的影响) 矿1矿 小奇壶= 赢 ( 1 - 4 ) ，z 政c 适当地选择l ，c 使n 次谐波容抗远小于感抗：五 刀c o l ，历1 刀2 国2 ， 即谐振角速度c o o = ； n o ) 。于是有下式： ql c ”赢2 鬲v n0)2 2 嵩 o 5 ，1 2 们以2 ( 旦) ：( 型) 2 v 叫 蛾鳓 上式( 1 9 ) 表明逆变电路输出端的1 1 次谐波电压经l c 滤波器后要衰减 n ：( 旦) ：倍。谐波阶次越高，经同一l c 波器衰减后对负载的影响越小。 铴 总谐波系数t h d 显示了总的谐波含量，但它并不能告诉我们每一个谐波 分量对负载的影响程度。很显然，逆变电路输出端的谐波通过滤波器时， 高次谐波将衰减得更厉害，为了表征经一阶l c 滤波后负载电压波形还 存在畸变的程度，引入畸变系数d f ，并定义如下： 1 d f = 二- k ( 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 于第n 次谐波的畸变系数d f 可定义为： o f n = v n ( n 2 k ) ( 1 7 ) ( 4 ) 最低次谐波l o h 但o w e s t o r d e rh a r m o n i c ，：最低次谐波定义为与 基波频率最接近的谐波。 除了上面所定义的几个波形性能指标外，对于正弦波逆变器来说， 还应该包括以下的指标：逆变效率；单位重量( 或单位体积) 输出功率； 可靠性指标；电磁干扰e m i 和电磁兼容性e m c 等。 对于三相逆变电源而言，除了上述波形质量指标以外，还有一个很 重要的指标：带三相不对称负载能力。这也是本文重点研究和解决的问 题。 1 5 本文研究工作的意义与主要内容 逆变电源的控制非常关键，其基本目标是：( 1 ) 输出电压的谐波畸变 率小，特别是在非线性负载下的总谐波畸变率；( 2 ) 输出电压稳定，包括 其幅值和频率；( 3 ) 系统的动态响应快；( 4 ) 系统抗过载的能力和抗负载冲 击的能力强。本文研究的三相四桥臂逆变电源，在达到上述目标的同时， 还需要具有很强的带三相不对称负载的能力。 拟主要进行如下研究工作： ( 1 ) 研究三相逆变电源的结构及工作原理，选择主电路拓扑结构，分 析比较逆变电源的多种控制策略，建立三相四桥臂逆变电源分别在 a b c 、仅口一0 和d q 0 坐标系下的模型； ( 2 ) 通过理论和实验，分析三相逆变电源输出不平衡的根本原因，建 立r s 一0 坐标系，采用d q 0 和r s 0 双同步旋转坐标系下电容电压外环、 电容电流内环的双闭环控制。分析三维空间矢量调制的原理，采用 s v p w m 调制技术； ( 3 ) 建立m a t l a b 仿真模型，通过对三相四桥臂逆变电源在空载、 三相对称负载、突加负载、负载端电压波动、非线性负载、三相不对称 负载等各种情况下的闭环控制仿真，重点对比三相四桥臂逆变器和普通 的三相三桥臂分别在带不对称负载时的情况，验证三相四桥臂拓扑结构 在带三相不平衡负载时的优越性，验证所建立的双同步旋转坐标系下双 闭环控制的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇曼皇曼曼曼曼鼍曼皇曼量皇曼m l i eii ,i i i = = , 曼曼曼皇皇 第2 章三相逆变电源主电路拓扑结构及控制分析 逆变电源的作用是将直流输入电压转变为正弦交流电压输出，根据 其主电路储能元件的不同，般可以分为电压型和电流型两大类。电压 型电路具有结构简单、重量轻、控制方便、响应速度快等特点，因而被 广泛采用。一般情况下，小功率逆变电源选用单相逆变电路做为主拓扑 结构，大功率逆变电源则多选用三相逆变电路做为主拓扑结构。常见的 单相正弦逆变电源主电路主要有半桥式、全桥式、推挽式三种结构，其 中以全桥逆变电路应用最为广泛。在三相逆变电路中，应用最广的是三 相桥式逆变电路，其中常用的是三相组合式逆变电路和三相四桥臂逆变 电路。 2 1 单相逆变电源的基本拓扑及其工作原理 2 1 1 半桥式逆变电路原理 半桥式逆变电路的如图2 1 所示，它有两个可控开关管，每个开关 管和一个反并联一个二极管。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电 容，且c1 = c 2 ，因此，开关器件状态变化时，每个电容两端的电压保持 矿2 不变，使得两个电容的联接点为直流电源的中点。负载连接在直流 电源中点和两个开关管的联结点之间。由于逆变器运行时有低阶的电流 谐波注入，因而电容器c1 和c 2 的容量较大，很显然，桥臂上的两开关 管( t1 和t 2 ) 不能同时导通，否则将引起直流环节电压源k 短路。 图2 - 1 单相半桥式逆变电路结构 开关器件t 1 和t 2 的基极信号在一个开关周期内各有半周正偏，半 周反偏，且二者互补。当t1 闭合( t 2 断开) 时，输出电流f 。和图中所示的 力一向相同；当t 2 闭合( t l 断开) 时，输出电流i 。和图中所示的方向相反。 输出电流i 。的方向决定了实际导通的器件是开关管还是二极管。 单相半桥式逆变电路的输出端电压只有正负两个状态，因此只能进 行两电平的控制。半桥式逆变电路使用的功率开关器件较少，电路结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 u n lnw_n h i , ! 曼曼曼曼皇曼曼 较为简单，但主电路的交流输出电压幅值仅为杉2 ，且直流侧需要两个 电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。但是，半桥逆变电 路控制较为简单，且使用元件少、成本低，因此在小功率等级的逆变电 源中常为采用。 2 1 2 全桥逆变电路原理 图2 2 所示为单相全桥逆变电路。全桥逆变电路可以认为是由两个 半桥式逆变电路组合而成，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路， 主要用于大容量场合。在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大 输出电压是半桥逆变电路的两倍。这意味着输出功率相同时。全桥逆变 电路的输出电流和通过开关管元件的电流均为半桥逆变电路的一半。在 大功率场合，这是一个显著优点，可以减少所需并联的元件数。对于电 压型全桥逆变电路，其常用的开关模式主要分为双电压型控制和单电压 型控制两种方式。 图2 2 单相桥式逆变电路结构图 全桥逆变电路可以认为是由两个半桥式逆变电路组合而成，在单相 电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。在相同的 直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的两倍。 这意味着输出功率相同时。全桥逆变电路的输出电流和通过开关管元件 的电流均为半桥逆变电路的一半。在大功率场合，这是一个显著优点， 可以减少所需并联的元件数。对于电压型全桥逆变电路，其常用的开关 模式主要分为双电压型控制和单电压型控制两种方式。 在同样的输入直流电压时，桥式逆变电源的输出电压有效值比半桥 式高一倍，这样在同样的控制方式下，桥式电路电压的有效利用率就比 半桥式电路高了一倍。由于桥式电路的输出具有0 电平，这样控制时就 可多种控制方式，构成三电平逆变电路。如果用桥式电路构成单个逆变 单元，可以组合成三相逆变电路，而且还可以通过逆变单元的串联方便 的组成高压逆变器。因此，单相逆变器采用桥式拓扑结构具有显著的优 点【10 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 3 推挽式逆变电路原理 推挽式逆变电路如图2 3 所示，推挽式逆变电路的隔离变压器的原 边需要带有中心抽头。推挽式可工作于p w m 方式或方波方式，输出波 形与全桥逆变电路相同。从图中可以看出，推挽式电路比全桥电路少用 了一半开关器件，但器件承受电压却也增加了一倍，为2 k ，所以适用于 原边电压比较低的场合。 ， a 图2 3 推挽式逆变电路结构图 推挽式逆变电路的主要优点为，导通路径上的串联开关元件数在任 何瞬间都只有一个，当逆变器的直流输入来自较低的电压源( 如电池) 时， 尤为突出。在这种场合，导通回路上的开关元件数的增加将导致能量利 用率的明显下降。推挽式逆变器的另一优点是两个开关元件的驱动电路 具有公共地，这将简化驱动电路的设计。推挽式电路的主要缺点是很难 防止输出变压器的直流饱和，另外和单电压极性切换全桥逆变电路相比， 它对开关器件的耐压值也高出一倍。 相对于开关频率而言，逆变器的输出电流变化是比较缓慢的。因此， 在开关切换的动作区间内，可认为逆变器的输出电流不变。当开关切换 动作发生时，逆变器的输出电流从变压器原边的半个绕组向另外半个绕 组转移。若绕组间为理想的紧耦合，则在转移过程中没有任何能量损失。 但实际变压器总有漏抗，由于漏漏抗存在，在开关动作时，部分能量消 耗在开关上或消耗在用来保开关的阻尼电路中，开关元件每次动作都要 强制某一绕阻的电流到零，在设计时，必须考虑这一点【。 表2 1 三种主电路拓扑结构的分析比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i_ i- ii i i 。 ： ii iii曼曼曼曼曼皇曼 通过分析和比较，我们可以得到发现： 半桥逆变的主电路所用的开关器件少，电路驱动简单，开关管的端 电压也不高，半桥式拓扑抗不平衡能力很强，变压器铁芯双向磁化，利 用率高，但存在桥臂直通现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入 电流，在中小功率的逆变器中可以得到广泛应用。 全桥式电路开关管电压不高，输出功率大，变压器铁芯双向磁化， 利用率高，功率管承受电源电压，流过输入电流，易采用软开关工作方 式。但全桥变换器功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且电压器铁芯 存在直流偏磁现象，桥臂存在直通现象，比较适合大功率场合【l 引。 推挽式电路用的开关器件少，输出功率大，但是开关管电压高，适 用于原边电压比较低的功率变换器。推挽式拓扑结构简单，变压器铁芯 双向磁化，相同铁芯尺寸下，推挽电路能够比正激式电路输出更大的功 率。但电路必须有良好的对称，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和， 另外，变压器绕组必须紧密偶合，减小漏感，从而降低功率管的关断电 压尖峰，这提高了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额 的要求。 2 2 三相桥式逆变电路 在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路，这种逆变电 路由三个基本桥臂组成，如图2 4 所示。因此，可以利用已知的关于基 本桥臂的结论来分析三相桥式逆变电路。 图2 4 三相桥式逆变电路 与单相桥式逆变电路相同，p w m 三相全桥逆变电路所要实现的目标 是将恒定的直流输入电压整形为正弦波形的三相交流输出电压，并控制 输出电压的幅值和频率。 为了输出对称平衡的三相输出电压，可将互差1 2 0 。的三个正弦波控 制信号电压与同一个三角波载波信号比较，产生所需的开关控制信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 采用是1 8 0 。导电型控制方式，即每个桥臂的导电角度为1 8 0 。，同一相上下 两个桥臂交替导电，各相开始导电时间依次相差1 2 0 。因为每次换相都 是在上下两个桥臂之间进行的，所以称为纵向换相。这样在任一瞬间， 将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个桥臂和下面两个桥臂，也可能 是上面两个桥臂下面一个桥臂同时导通。 为了防止1 8 0 。导电型同一相上下两个桥臂的开关元件同时导通而引 起直通短路的现象，要采取“先关断后导通”的方法。即先给应关断的器 件关断信号，待其关断一定时间裕量后，再让应导通的器件开通，两者 之间留一个短暂的死区时间。 除1 8 0 。导电型外，还有1 2 0 。导电方式，即每个桥臂导电1 2 0 。，同一相 上下两个桥臂的导通有6 0 。的间隔，各相的导通时间依次相差1 2 0 。，所以 称为1 2 0 。导电型。这样，每次换相都是在上面三个桥臂内或下面三个桥 臂内依次进行，因此称为横向换相。在任何一个瞬间，上下三个桥臂各 有一个桥臂导通。1 2 0 9 导电型不存在同一相上下两个桥臂直通短路的问 题，所以不需要考虑死区时间问题。但同1 8 0 。导电型相比，它的交流输 出线电压明显降低，因此一般电压型全桥逆变电路都采用1 8 0 。导电型【l3 1 。 2 3 抗三相负载不对称的三相逆变电路 随着三相正弦波逆变电源应用越来越广泛，对三相逆变电源的研究 也日益深入。三相逆变电源不同于单相逆变电源，保证三相电压的对称 输出，是对其最基本的要求，三相不平衡问题包括两个方面，即三相负 载不平衡和三相电源不平衡。三相负载不平衡是指三相系统中每相的复 阻抗不完全相等；三相电源不平衡是指三相电力系统中的三相电动势不 平衡。在三相逆变器等设备中，主要指由于负载不平衡引起三相输出电 压不平衡。 上节讨论的三相桥式逆变电路当三相负载完全对称时，其各相输出 电压也完全相同，对负载和电源都不会产生不利影响。但当某一相负载 突然增大或减小时，即三相负载不平衡时，由于逆变器使用其中一相电 压进行控制，且由于逆变器只能采用相同的调制比来调节三相交流电压 输出，这样必然会使逆变器的三相输出电压出现不平衡现象，这将给用 电设备带来许多不利影响。所以普通的三相桥式逆变器抗三相负载不对 称的能力较差。因此，需要从电路拓扑结构和控制方法上进行改进，以 使三相逆变电源具有良好的抗三相不平衡负载能力。 2 3 1 采用y 变压器的逆变电源 在传统的三相三桥臂逆变器和负载之间加一个y 变压器，y 形连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 次级能给不平衡负载所产生的中性电流提供电流通路，而形初级则给 由负载不平衡引起的或3 及3 的倍数次谐波零序电流提供环流通路【l 4 | 。 但】，变压器工作在基波频率，因而体积、重量较大，成本较高，且连 接非线性负载时】，变压器的伏安容量也要相应增大。由于这种结构的 逆变器，只能消除3 及3 的倍数次谐波的零序电流，无法消除其他次谐 波的零序电流，用很大的局限性，故不予考虑。 图2 - 5a r - 变压器的逆变电源 2 3 2 采用分裂电容式三相逆变电源 采用分裂电容式三相逆变电源，用直流输入电源的中点作为中性点 也可以带不平衡负载，如图2 6 所示。这时三相逆变器等效成三个独立 的半桥逆变器i l5 | 。 但是，由于中性电流直接流过直流分压电容，因此需要较大电容， 仅能应用于较小功率的场合，还存在对分压电容进行电压平衡的问题。 同时，它还具有直流电压利用率低和需要对分裂电容电压进行平衡控制 的缺点，所以也不采用。 图2 6 采用分裂电容式三相逆变电源 2 3 3 三相组合式逆变电源 图2 7 所示的三相逆变电路是由三个相互独立的单相逆变电路连接 而成，这三台输出电压相位互差1 2 0 。的单相逆变器经过组合，能够实现 三相交流输出【16 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i u v w 图2 7 三相组合式逆变电源结构图 与桥式电路相比，这种电路需要的开关器件个数加倍，为l2 个，而 且三相负载的各相往往不能单独引出。但这种控制方式在控制电路上相 互独立，每相都有各自的输出电压反馈，而且每相的s p w m 脉冲宽度都 可以独立调节。因此即使某一相负载变化，也只会引起该相调制比发生 变化，其他两相则不会受到任何影响，能够继续稳压跟踪指令电压，即 是单相负载达到额定值，也会保证三相输出电压始终处于相对平衡状态， 可以具有10 0 的抗三相负载不对称能力。 由于三相组合式逆变电源是由三个单相逆变器星形联结构成，故其 可实现单相和三相四线制供电，易于实现模块化结构、在线热更换、n + 1 模块冗余技术，可靠性高，并且具有极强的带不平衡负载能力。但是这 种拓扑结构三个单相逆变器输出存在相位匹配问题，并且需要元件多， 成本过高【1 7 】【”】。 2 3 4 三相四桥臂逆变电源 对于传统的三相三桥臂逆变电源，当三相负载不对称时，负载中性点 电位将会发生漂移，输出三相相电压不再对称，使得负载不能正常工作。 三相四桥臂逆变电源，在三相三桥臂的基础上增加一个桥臂作为三相负 载的中性点，将三相输出的公共点( 即中性点) 接在该臂对上，从而构成四 臂对三相逆变电源，如图2 8 所示。 图2 8 三相四桥臂逆变电源 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 m l , m m 通过对四个桥臂上下开关的状态进行控制，实现输出三相对称且稳 定的相电压。通过增加的这个臂对，直接控制中性点电压，并且产生中 性点电流流入负载【2 叫。这增加的一个自由度，使得三相四臂对逆变电源 具有三个独立的可控电压，三相输出电压完全解耦，从而有能力在不平 衡负载下维持三相电压的对称输出。 三相四桥臂逆变拓扑具有固有的不平衡处理能力，其第四桥臂中点 直接与负载中性端相连，可直接对中性电流进行控制，且具有电路形式 简单、体积小、控制灵活、无需大的直流链接电容和直流电压利用率高 的优点，现已出现了多种控制方法，应用前景广阔。 通过综合比较，本文采用三相四桥臂逆变器做为三相逆变电源主电 路拓扑结构。 2 4 逆变器波形畸变原因 在分析逆变器控制技术之前，我们应该先分析逆变器产生波形畸变 的原因，这样才能做到对症下药，有的放矢。 引起逆变电源波形畸变的原因既有内部的，又有外部的。其中内部 原因主要是逆变电源本身输出阻抗的存在以及死区的影响，而外部原因 最主要的是非线性负载的影响【2 1 1 。 2 4 1 死区影响 三相逆变电源由三个桥臂组成，其中每个桥臂包括上下两管。处于 工作状态时，上下两个桥臂交替导通，驱动波形如图2 9 ( a ) ，由于任何开 关器件从开通状态到关断都需要一定的时间，如果严格按照上管关断时 下管立即开通的时序，就可能造成在上管还没有完全关断的情况下，下 管已经开通，这样的直接后果就是桥臂直通短路。 乏= ) ( a ) + t 。 砀兰：f 一1 乙1垒f f_ 曼霹二i ，ljll4l6oj 西瓷函琶i ， + 2 e l ，一2 e 图2 - 9 死区对输出波形的影响 为防止短路直通现象的发生，通常让每个开关管在导通前延迟一段 时间，如图2 9 ( b ) 中的时间t d ，在保证开关管关断后才开通另一个，这样 就能避免直通现象的发生。这段延迟时间就叫做“死区”，由于死区的加入， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 s 页 逆变桥的输出波形较理想情况下叠加了一个负方向的脉冲波形，对死区 波形进行傅立叶分析，可以发现死区引入了l c 滤波器难以消除的低次谐 波分量，并且主要是奇次谐波，使得输出电压畸变。 2 4 2 负载阻抗影响 逆变电源的输出阻抗逆变电源等效电路如图2 10 所示，其中尺。为逆变 器等效电阻。分析电路的输出阻抗，将电压源和负载阻抗置零，可得到 下式： l 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0 图2 10 逆变电源等效电路 图2 11 逆变电源输出阻抗 z 。=i 1 ( 止+ 天。) 琵1 + ( 豇+ r o ) = 面万j o l 而+ r o ( 2 - 1 ) ，：砌础。c + 1 一缈2 l c 、。 根据式( 1 1 ) 中倒变化时可以画出输出阻抗频率特性如图2 1l ，在l c 滤波器谐振峰值纰处输出阻抗达到最大值，逆变电源给负载供电时，负 载电流将在输出阻抗上形成压降影响逆变电源输出波形质量【22 1 。 2 4 3 非线性负载影响 非线性负载对输出波形的影响。整流负载是工业场合中使用最为广 泛的负载类型。以单相桥式整流为例，如图2 12 ，输入交流电压“i 经过桥 式整流后变为直流f 。，由于“，呈正弦变化，其只有高于电容c 端电压时整 流桥才有电流i 。流过。如上节分析，逆变电源本身存在内阻，当有电流通 过逆变桥时会产生压降，而没有电流流过时等效内阻又不产生压降，因 此在二级管导通和截止过程中输出电压波形会有很大的变化，形成电压 畸变【2 引。整流负载造成的电压畸变通常是畸次谐波，在带隔离变压器的 三相系统中多为5 、7 、9 、1 1 次谐波【24 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 - _ i 么 c 一 “= c 7 u 一 ， z么么 图2 12 三相整流型非线性负载 2 5 逆变电源控制思想综述 逆变电源的控制目标是提高其输出电压的稳态和动态性能。稳态性 能主要是指输出电压的稳态精度；动态性能主要是指输出电压的 t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载突变时的动态响应水平。在这些 指标中对输出电压的t h d 要求比较高，这些指标与逆变电源的控制策略 息息相关 25 】。 现在逆变器的数字控制方法有：数字p i d 控制、重复控制、无差拍 控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络控制等。 2 5 1pld 控制 p i d 控制是目前为止应用最为广泛、最为成熟的一种控制技术，以 其结构简单、鲁棒性好、易于实现等