一種單相全橋逆變器的設計

雷鵬娟,鄭 昊

(1.河北石油職業技術大學 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研究中心,河北 承德 067000)

隨著電力電子控制技術的發展及各種用電設備對電能質量要求的不斷提高,近些年對逆變器的研究也層出不窮。 當前,許多用電設備由于對供電電源電壓波形的質量有明確的要求,所以所使用的供電電源并非正弦工頻交流電,而是需要將其經過一定的變換從而得到幅值、頻率等參數滿足各自所需的電能形式,如各種通信電源、醫用電源、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實意義[1]。 單相全橋逆變器是目前單相逆變器中發展最快的一個分支,也是極具代表性的電路結構,因此,本文從單相橋式逆變器入手,對其主電路拓撲結構及影響輸出波形的因素進行分析,在此基礎上設計系統仿真電路并進行仿真,仿真結果顯示了系統設計的參數可以很好地保持輸出電壓穩定,驗證了系統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撲

單相全橋逆變器主電路拓撲結構如圖1 所示,該電路為無源逆變電路,由四個功率開關管V1、V2、V3、V4 和與其對應的反并聯二極管及負載組成[2]。 根據實際需要,負載的形式可以是純電阻負載、阻感負載、阻容負載,甚至可以是交流電動機。 電路在工作時保持V1 和V2 交替導通,V3 和V4 交替導通,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 載波參數對輸出波形的影響

載波是指被調制以傳輸信號的波形。 在PWM 調制中,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量。 1)逆變電路運行過程中,經常會由于直流電源側發生擾動而使得逆變電路輸出波形發生畸變,這時通過適當的調整載波幅值以使自然采樣點發生改變可以有效地補償這一波形畸變;2)PWM 調制過程中,由于調制信號發生局部改變,使得載波的采樣點發生改變,這時通過調節載波的相位(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的數值也會對輸出波形的諧波次數產生很大影響。 研究發現:對于無死區的PWM 逆變電路,載波比越大,諧波次數越高,經過濾波之后的輸出電壓波形就越平滑;對于有死區的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,由此引起的開關損耗也會增大,使得逆變電路效率變低。 本文仿真時在未進行死區設置情況下,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:對于無死區的逆變電路,在一定范圍內,載波比越高,逆變電路輸出電壓中的諧波越小,輸出波形質量越高。 但是在仿真過程中也發現,載波比增大,開關頻率也隨之增大,這不僅對開關管及硬件電路提出了更高的要求,也使得系統整體運行速度變緩慢。 所以,在實際應用中,載波比并不是越高越好,要根據電路的具體情況選擇合適的載波比,才能保證系統的穩定運行。

2.3 逆變橋臂死區時間對輸出波形的影響

逆變橋臂死區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 為理想調制波,U2 為設置死區之后的調制波,Td為設置的逆變橋臂死區時間。 由于死區時間的設置,會使得逆變電路理想調制波與實際調制波之間存在一定的誤差電壓,對誤差電壓進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橋臂開關管直通的情況,死區的加入可以很好地避免這一現象。 若負載為感性時,由于死區引起二極管續流,所以可使開關管實現零電壓開通,減小開關損耗;但是二極管在續流時,也會使輸出電壓基波幅值減小,并且產生出與N和死區時間成比例的高次諧波,這個缺點在電動機的變頻調速系統中尤為顯著。 圖4 為加入死區前后的輸出波形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%,且加入死區后,輸出電壓的幅值有一定的減小。 所以為了保證系統在加入死區后可以正常運行且提高電壓利用率,經常采用電壓補償法或電流補償法對二極管續流的情況進行補償,以此來減小續流引起的誤差電壓。 本文經過比較,選擇電壓補償法對誤差電壓進行補償。

3 系統設計與仿真分析

在對影響逆變器輸出波形因素的分析基礎上,本文設計了采用電壓外環電流內環控制的單相橋式逆變電路,并搭建了系統的整體電路,進行了仿真分析[4]。 圖5 為系統采取的雙閉環控制框圖。 表1 為設置的系統仿真參數。

表1 系統仿真參數

為了驗證系統采取的控制策略及參數的正確性和合理性,對系統的運行過程進行了仿真,結果如圖6 所示。 從圖6 中可以看出:系統在穩態情況下運行時,輸出電壓和輸出電流諧波較小,滿足設計要求。

為了驗證系統的動態性能及抗干擾性能,對負載突變時系統的調節情況進行了仿真。 仿真過程包括3 個階段:1)起始時刻,負載電阻10 Ω,輸入給定電壓220 V;2)0.1 s 負載突變為5 Ω,輸入給定電壓220 V;3)0.33 s 負載電阻仍保持為5 Ω,交流給定電壓變為。 以上過程對應的仿真結果如圖7和圖8 所示,從圖中可以看出,系統采取的控制策略可以保證系統在發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%),即整個調節過程中輸出電流的紋波可以滿足設計要求,說明了設計的電流內環具有較好的動態響應特性和抗干擾能力。

4 結論

單相全橋逆變器是目前單相逆變器中發展較為迅速的分支,本文以單相全橋逆變器為分析對象,介紹了其電路拓撲結構,之后從載波參數、載波比、開關管死區等幾個方面分析了對逆變器輸出電壓波形的影響,在此基礎上,設計了采用電壓外環電流內環控制的單相全橋逆變電路系統并進行了仿真分析,仿真結果顯示,當給定或負載發生變化時,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%,驗證了系統控制方案及選取參數的有效性。