三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制

1、三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制在传统的三相全桥逆变器的基础I:増加一个桥诗构成的匚:相四桥臂逆变器可以产生三个独 立的输出电通过所增加的第四桥借产生一个自山度来控制m性点电丿心可以使逆变常具有 带不平衡负载的能力。木章对采用正弦牀宽训制技术GPWM)的三相半桥逆变器和三相四桥鸭 逆变器进行了分析叱较，重点分析了正弦波训制和三次谐波注入的PWM控制的三相四桥皆逆 变器I:作原理并进行了仍宾叱较。2.1三相半桥逆变器的工作原理分析三相半桥逆变器输出纹波分析当逆变器的开关频率远大于谕出频率时.逆变器输出电压主要包含调制频率及其谐波、开关频率及我谐波的边频蒂叭 在SPWM逆变和幵关频净远人1；输

2、出频轨 因此髙次谐波群远离基波经过滤波后谐波得到了抑制.逆变器输出基本上只剩下基波电压。本节利用平均值 模型 将输出电压在一个开关周期内的平均值近似为输出电倾波分竝的瞬时值来分析电感电流和输出电爪I：的纹派h、*v图22单相半桥逆变辭ffl21 半桥逆变器主电路图2丄所示为三相半桥逆变器匸电賂阿 三相半桥逆变器每相的匸作方式与单和半桥和同.其中_相的电路结构mm 2.2所示.在一个开关周期内有,H.= (2 1)-,d(f)TtT一个开关周期内输岀电压的平均值为：U.、= Z=d(e)- iE(2.2)JI?A - d(f) = m sin3) m为调制比取vi = 1.则谕出电丿E为：叫(0

3、 =亍啦a)滤波电感上的电流纹波为：A=h *-亍-E)l-d (f)T9d(f)TtT将式(2.2)代入式(2.4)可以紂到电流纹波为:&=冷銚-力(2.3)(2.4)(2.5)图2.3输出电Jig和电感电流皿变化曲线图2.3示出了输出电Jig和电感电流纹波山。的变化曲线町以看出输出电爪过零 处电感上的电流纹波最大.垠大电感电流纹波为：E口皿気(2.6)输出滤波电容充电的平均电流为:E32/1 _ 曲3)(2.7)(2.8)电容在7： /2时间间隔内充电】所以输出电爪纹波为:三相半桥逆变器输入电容电压纹波分析为逆变器的询级为DCZDC变换器时.逆变器的输入端电容丽的电流川认为餐一直流址 逆变

4、器的输入电容承担功率解祸的功能何任三相半桥逆变器中.输入电容还具右抑制中点电 位偏移的作用。三相半桥逆变器的负我不平衡时.输出中线流过不平衡电流Z电流匕.iC2. 的方向如2.1所示.作出中线电诡S输入电容电流和1；输入电容电压5用】的 近似曲线如图2.4所示。以A相带2载.B、C相空戦为例来分析输入电容上电压的脉动则其中.厶为输出额宦电流冇效值，&为输出电流初始相位你 収决于开机瞬间基旌电斥的瞬时 值是一个随机竝。住三相半桥逆变器中雯求q = c2 假设输入分压电容的初始电爪为乙0 = % = e o山如+g = E .可以得到G咕4CJc = 0。又因为icl +ie2 = ix .可以謝

5、到匕=-i.v iC2 =驰,。由以上分析可以得到：i i =夕 J十卩“ =7cos(yf + 0)- cos&十eJ oMJ厶= -Tcidr + UC2O = -Xi-cos(yf + 6- coW+?迓(2.10)Ql)分用电容t的电圧脉动知份压电容上的平均电压为:1 vnrfl*. = E cos 8、1 21&、= -E+ C0$&一 2 加 C、(2-12)(2-13)(2.14)则两个分压电容I:的电压不平衡值为:(2.16)(2.17)山T岛一 L奈厶111(2.16)4以得到两个输入分爪电容的取值范用为：C厂2负22三相四桥臂逆变器的工作原理分析三相四桥臂逆变器输出纹波分析

6、三相四桥臂的無相桥臀与第四桥臂构成一个全桥逆变器.但毎相的工作方武与单相逆变器 有所不同。本节分析了这种悄况：逆变电路的一个桥轉采川SPWM控制，第四个桥臂以固定的 的占空比工作，如胃2，卿示。c/、4/、J/nn 1r1z厂kK4閹2d三杓四桥傳一相电路的工作棋态假设开关频率远大于输出基波频率个开关周期内的输出电压幅值不如阳2.5 d L|j T四个开关管驱动信対Z间的相位关系.由此看出三相四桥臂毎相桥件控制信号的分布并不是随机的。在个开关周期内有四个r作状态.二相四桥碑中单相电路的工作棋态如下:皤空1 1r 厂 cq；: 叶叫匚! M_-I-醐LE(c)如(舗讥图2.6三相四桥臂巾单相电晞

7、模态阳U Q、2开通如图2.6所耳 A、N两点何输出电压为風电感电流増加.电源向负栽提供能就.电感上电流变化厳为：E-Ug =(2.18)g f|时刻 Q关断 02导通如图26(b)所示 A、N两点间输出电压为零电感 电流经过续流此时电感上电流变化駅为二-U(2.19)h-fj匚时刻 关断.Q导通.如图2.6所示 A. N两点间输出电压为盘电感上电流变化量为,(2.20)g打时刻 Q关断 Q导通 mm 2.6(d)所凤电感电流处于续流状匕 A.N两点间输山电压为零电感上电流变化显为？-1/见=竺(2.21)由以上分析可以看出逆变器任个开关周期内有两个电平输出状态一个开关周期内A.N两点间输出电

8、压可表示为*05 ?如A o,h(OT-LT f|r-U(/)311ET-d(f)tT0,-T tT? r ，(2.22)一个开关周期内输出电压的平均值为:0,=右.仏2=邮-扣由式(2.2耳可以得到逆变器输出电压为(2.24)电感电流纹液可表示为*lL厂，osrsLd(r)T- ItL 22，2 r 4 z-t71131(2.25)l-TP-“切几齐(尹-TtT-d(t)1-矢 |t，- A s X.Lt,t frL 2 r 2 r r将式(2.2 3)代入(2.25) nf以再到电感上电流纹波为(2.26)输岀电(2-27)(2-28)图2.7输出电爪U和电感电流皿(f)变化曲线罔2.7示

9、出了输曲乜压叫和电感电流纹汲阿的变化曲线，可以看出, 处电憊上的电流纹波圮大，最大电感电流纹波为：厶 =皿4/1输出电压纹波为:亠.sin(如1 -0 JrE1 .-j 6 彳 曲龙少1 + -n切f2”三相四桥臂逆变器输入电容电压纹波分析同样以A相带2/3仪B. CI:消除该谐彼分;二 因此.二和四桥臂逆变器石要输入滤波电容来遊除该谐 波电流，使得输入电压脉动任要求的范购内a假设开关僧是理想的考世到开关函数中的匸炸分孤 如学分駅和零爪分戢.肖桥臂占空 比的农达式为，= dsin(a+E J + 2 siiM + J + d0 録珑加+ Q_)d& = d、现加 +乞一2拜 /3) + d,

10、sin(Qf+ “ +2% /3) +rf0 曲1(巾+0” 0)d, = d sin(Gf + 乞.+ 2k /3) + a + 色代 _ /3) + 心+ E d)dx二心血gf+&打Jtfr d= pm为伶序分晁对应的占空比说数.耳川分山0）为徐用分杲对应的占 空比晌数初始角。A B两相桥怦间输出电賦的衣达式为；J =(心dE = j3Edp sm(Qfr nf6) + dn shf+ &宀刀 /6)(2.30)同理可得.相.的农达式。并逆变器 刑纯载不平衡时，K桥眸输山电流的农达式为：L =人+色Az*iX加+G+ 4沁+ 0。）Lr = Z,十& “ 一 2齐 /3）十厶 sin（曲

11、十 十 2药 /3） + Zu aia?f + 0）iu = Jr siit + d . +2 /3） + I、sm（a）t+6 “ - 2 /3） + Itl siif + 6 ） A =-珂曲3 + & J览卜 肛比=卩皿0）为备序分址对应的电流峰值 ,（p,%0为各序分量对应的电流初 始角.宜流侧输入电流为:(2.34)lllq.29）和（2.引）代入代（2.32）珂以謝到输入电流瞬时值的衷达式加i-= I人 CQS(0, e. p) + dnln CM ”3垢-心厶co?3+q p+Q-厲人 co2 + 5,_fl +%n)则输入电流的交流分盘为:心（2妙）二話心厶5（2曲+乞广0“）

12、&35（加州耳“+0逆变器输入电压打输入电沆的关系为(2-35)则输入电压的二次谐波电压対:u (2切/) =-d I 曲(加+ & +& ) + d I sh(2E + &.十& )1 m 4qC u P a 、a _ pc. M / p 、$_穴 c八ft!(236)A相带2Z3韓B、C相空猱时Wf =/p=|； r根臟(230可以御到输入电容应满足:c ja +2)(2-37)由式(230)可以得到输岀线电压的峰值心满足：U/7金g+dj所以(2-38)(2-39)由以上分析可以紂到输入电容的取值范田为:八12必匕(2-40)山以上分析M以看出.同样功率等级的三相四桥常逆变器所需的输入滤

13、波电容远小于三相 半桥逆变器所以与三相半桥逆变益相比.三相四桥借逆变器体枳籾亟竝得到了減小。在第四 桥VI固定占空比的三相四梯傅逆变器中，其输出电压、输出电压纹波最大值和电感电流纹波圮 大值与三相半桥逆变器相冋，历以这种控制楔式下的三相四桥醤逆变器实际上等同于三删半桥 逆变器,虽然三相之间独立输出,但直流电压利用率低.为了克服这缺点,可以通过在调制 波中叠加基波的谐波波形甚至三角波、方波以及可編程的波形来捉裔r就电爪利用率。2.3采用三次谐波注入法的三相四桥臂逆变器三次谐波注入法原理为了便于分析，假设直流电源E分为二 屮间电包为S如图28所示.四个桥怙的中 间点电压分别为卩八均、城、5 电感电

14、流分别为匚八吒8、iu，三相输出电压分别为Hu、 地八“输岀电流为八I;八高频三角波的频率为但远大于调制信号频率，滤泼器 = L = Lc =l . t = C = 6 = C, 12、C7很人。为了便于分析，暂时忽略Z I:的低频电压分量和（7上的低 频电流分蛍；逆变桥的上下管为互补导通，凋制信号与三角波交截所御的脉冲信号控制上管， 其互补信号控制下管。设四个拼背的调制信号分别为“、%、.、。三相四膵轄中,+ioa +*0 J由町、知、妝和第四桥讲的中间点电位叫共同决定14*、 由第四桥臂的调制信号叫.、决定，与叫八、无关。假设兀=Ua% =6 祖3一12）（2.41）U ；. = U si

15、i f- 240 ）忽略缸.字、LV的低频分爼：.有dt a dt血） 一冷） = 2如S（Q）7.v（Q）=气 sQ42）耳3-址3 = %为了降低电澹电JR,捉高电爪利用率，可以通过改变训制电压.使心、均、心的帕值陽 低。由式（2.4刀可以看出,%、如、为逆变器输出三相电压输出.在逆变器输出电压幅值 恒定时，只能通过改变玉才能改变气、吟、Uf O用三次谐波注入的正弦波调制时,如图2.9所示。调制波气八%、%、叫为匸snw/ + fcsin3of)口圾砒一 12(f) 血辺)2一 240 ) +A ail现f)图29注入二次谐波的调制波如采魁=1. 0.14fc则仏.心哄的幅值小于三角波的郦

16、值.不会出现过调制。 馮、%波形相同,相位不同,得E口川(切)=-(sineyj + k 113( t)丿-12)+上血迥/)an(Q/ - 240) + k 血初/)(2.44)5 =寻先血3由式(24切可以得到三相输出电压为:- E u J = silica t lU厉 rt(2.45)EVU = -?aiXpJ-120,)V3 % =护3-240“)由式(2.45)可以看出，当采用三次済波注入的正弦波调制方法时，逆变器输出相电賦幅值为% =耐馆。而采用常规的止弦波调制时，第四桥骨的控制信号是固址山空比为0J的方波, 第四桥呼中点的平均电压与输入中点电压相同.输出相电旳）MilA EI2.

17、直流电压利用率偏 低。在调制信号中注入三次谐波后，宜流电爪利用率碾高了 13.4%s2 3 2三相四桥瞽逆变器的PWM控制及仿真对正弦波调制和采用三次谐波注入调制的三相四桥轉逆变器进行仿抵不考虑开关铮死区、 管压降、电畴分布阻抗零因素的影响，伪陽数为：直流側输入电Jl=300r,调制比2 = 0.98 , 开关频率/广20 口输山电爪频率/= 400Jfc .输出滤波电感,=24O“H澹波电容 C = 20/iF 6衣2.1是儿种负诙条件下齐相输出电压耳、渝岀电压THD.输出电乐相位恥 衣 2.1为正弦波调制的三相叫桥VWj A-数据，系统宜流电压利用率为0$表2.2为三次谐波注入 调制的三相

18、四桥裨仿戎数热 直流电压利用率为0.58e农2丄正弦波调制的三相四桥臂仿真数据输出负ABCUO(偽P（度）THD(%)UC(伏)P（度）THD(%)UO(伏)P(呀THD三相空裁107.901.5%107.92401.5%107.91201.4%2B不对称107.401.2%107.22401.0%107.21201.0%三相满载107.200.9%107.22401.0%107.21201.0%a2.2 次谐波注入训制的三相四桥柠仍戊数据负投ABCq（伏（度）THD(%)U（伏）*(/THDW（伏）（囲THD3)三相空载124.901.6%124.92401.6%124.91201.6%2B不对称124.501.3%123.82401.0%123.21201.0%三相满载123.S01.0%123.82401.0%123.81201.0%图2.10为三沈溝波注入调制的三相艸