三相四橋臂逆變器的工作原理分析與控制

1、三相四橋臂逆變器的工作原理 分析與控制三相四橋臂逆變器的工作原理分析與控制在傳統(tǒng)的三相全橋逆變器的基礎(chǔ)I:增加一個橋皆構(gòu)成的三相四橋憫逆變器可以產(chǎn)生三個獨(dú) 立的輸出電JKa通過所埔加的第四橋曾產(chǎn)生一個自由度來控制中性點(diǎn)電JR,可以使逆變器具有 帶不平衡負(fù)載的能力。本章對采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)6PWM)的三相半橋逆變器和三相四橋普 逆變器進(jìn)行了分析比較，重點(diǎn)分析了正弦波調(diào)制和三次諧波注入的PWM控制的三相四橋號逆 變器I:作原理，并進(jìn)行了傷口比較.2.1 三相半橋逆變器的工作原理分析2.1.1 三相半橋逆變器輸出紋波分析當(dāng)逆變器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出頻率時,逆變器輸出電樂主要包含調(diào)制頻率及其諧波、開

2、 關(guān)頻率及其諧波的邊顏帶卜'。在SPWM逆變器中開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出頻率，因此席次南波群 遠(yuǎn)離整波.經(jīng)過濾波后諧波得到了抑制，逆變器輸出基本上只剜下基波電壓。木節(jié)利用平均值 模型町 招輸出電樂在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值近似為輸出電東基波分尤的瞬時值來分析電感圖ZL 半橋逆變器主電路圖22單相半橋逆變器圖2.1所示為三相半橋逆變器主電路圖，三相半橋逆變器蟀相的工作方式與單相半橋相同, 其中一相的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示，在一個開關(guān)冏期內(nèi)有：4= ：QD-,d(f)T<t<T一個開美周期內(nèi)輸出電床的平均值為：5 =5 I： “付=皿£) 一 ；后(2.2)其中- d(f)

3、 =+ r”sin(Q。 . m為調(diào)制比，取i = 1，則輸)出電爪為：(2.3)濾波電感上的電流紋波為:1 P-uT<t<d(tyri p1將式(2.2)代入式(2.4)可以得到電流紋波為：(2.4)(2.5)= >J_sm,3O拉加先妁Q-d©J /圖2.3輸出電JIM。和也感電流打變化曲線圖2.3示出了輸出電東4(f)和電感電流紋波心3的變化曲線，可以看出，輸出電樂過零處電感上的電流紋波最大，最大電感電流紋波為:(2.6)(2.7)(2.8)輸出濾波電容充電的平均電流為：電容在工/2時間間隔內(nèi)充電網(wǎng)，所以輸出電樂紋波為：(。二竺 2八 C 2p=罰句一2.1.

4、2三相半橋逆變器輸入電容電壓紋波分析當(dāng)逆變器的前級為DCZDC變換器時，逆變器的輸入端電容前的電流可認(rèn)為是一直流；也 逆變器的輸入電容承擔(dān)功率解煙的功能【'叫在三和半橋逆變器，3輸入電容還具仃抑制中點(diǎn)電 位偏移的作用。三相半橋逆變器的負(fù)載不平衡時,輸出中線流過不平衡電流電流總、小 上的方向如圖2.1所示，作出中線電流入.、輸入電容電流*和*、輸入電容電樂心和心，的 近似曲線如圖2.4所示。以A相帶26載,B、C相空載為例來分析輸入電容上電壓的脈動，則(2力其中.，為輸出額定電流行效值，8為輸出電流初始相位角，取決于開機(jī)瞬間基準(zhǔn)電出的瞬時 值.是一個隨機(jī)地。(2.15)(2.(10)(2

5、.(11)(2.(12)(2.(13)(2.(14)J2I1L.、dr + S-% = 一 cos(tW + 司)- co36 + -£3o)Cy2分壓電容上的平均電壓為:圖2.4中線電流小、輸入電容電流電和加、輸入電容電東小 和小 的近似曲線在三和半橋逆變器中，要求q = g ,假設(shè)輸入分樂電容的初始電JK為=。門° = e。由2如= E ,可以得到a* +0° = 0。又因?yàn)槿?ie2 = k ,可以得到* =-，iC2 =，.一由以上分析可以得到:i< i = 土 J如4十仇= i-cos(<yf +ff)- cos+ ；EL| 0-分展電容匕的

6、電壓脈動為:則兩個分壓電容上的電樂不平衡值為：(2.16)2 W* |(2.17)由式(2.16)可以得到西個輸入分壓電容的取值范困為： rW 2H2.2三相四橋臂逆變器的工作原理分析2.2.1 三相四橋臂逆變器輸出紋波分析三一四橋皤的海相橋臂與第四折臂構(gòu)成一個全橋逆變隔 但斑相的工作方式與單相逆變器 有所不同。本節(jié)分析了這種情況：逆變電路的一個橋料采用SPWM控制，第四個橋普以固定的 。的占空比匚作？如圖2.5所示。4區(qū)A G圖2.5三和四橋臂一相電路的工作模態(tài)假設(shè)開關(guān)須率遠(yuǎn)大于輸出基波頻率，一個開關(guān)冏期內(nèi)的輸出電壓幅值不變。對25示出了 四個開關(guān)管弱動信號之間的相位關(guān)系，由此看出三和四橋臂

7、斑相橋情控制信號的分布并不是隨 機(jī)的。在一個開關(guān)周期內(nèi)有四個.作狀態(tài)，三相四橋橢中通用電路的工作模態(tài)如下：-圖2.6三相四橋除單相電踣模態(tài)圖SJ &、£開通，如圖2.6所示，A、N兩點(diǎn)間輸出電壓為助電感電流增加,電 源向負(fù)載提供能盤，電感上電流變化量為：(2.18)時刻,。關(guān)斷，一導(dǎo)通，如圖26(切所示，A、N兩點(diǎn)間輸出電壓為期.電感 電流經(jīng)過Q、Q續(xù)流.此時電感上電流變化室為:：(2.19)/ Y 一時刻，2關(guān)斷，。導(dǎo)通，如圖26©所示，A、N兩點(diǎn)間輸出電樂為人 電感 上電流變化量為,Q20)E-U& =-U如L與時刻，&關(guān)斷，。，導(dǎo)通，如圖26(

8、所示，電感電流處于續(xù)流狀態(tài)，A、N兩 點(diǎn)間輸出電壓為期.電感上電流變化搔為，(2.21)由以上分析可以看出，逆變器在 個開關(guān)周期內(nèi)有兩個電平輸出狀態(tài)，一個開關(guān)周期內(nèi)A、N兩點(diǎn)間輸出電樂可表示為t(2.22)(2 23)o,h(OT-LT <f<|r-U(/)3110,-T <t<T O' ， 1一個開關(guān)周期內(nèi)輸出電東的平均值為：S,="u 才= (/)_；£由式(2.23)可以得到逆變曙輸出電壓為:(2.24)電感電流紋波可表示為:d（o-Lr,o<t< Ld（t）T - 1 t-U1131木卜北陽，丁函-產(chǎn)"產(chǎn)-那f)

9、中山© -如丁 - ys ”,.Lt,£t <t<TL 2 ' 2 ''(2.25)將式Q.23）代入Q.25）可以得到電感上電流紋波為(2.26)輸出電JK幡值(2.27)(2.28)圖2.7輸出電-4s和電感電流M變化曲線圖2.7示出了輸出電壓/©和電感電流紋波了的的變化曲線，可以看出， 處電感上的電流紋波母大，最大電感電流紋波為：M =-4"輸出電樂紋波為:E1 就1電饑1 - -suXOl o w « 不16jr °E1-j 6 f 1slM+ 34 0f 4 2萬2.2.2三相四橋臂逆變器

10、輸入電容電壓紋波分析同樣以A相帶2/3裁，B. C相空載為例來分析三相四橋臂逆變器輸入電壓的肽動。三相 負(fù)祓不平衡時負(fù)載電流可分解為正序分量、偵序分量和零序分量。在三相四橋神逆變器”3零 序電流通過第四橋臂流過，所以不平衡負(fù)載時的零序分量不會影晌到輸入電用的紋波。為了控 制輸出三相電壓的平衡,牛相橋白開關(guān)函數(shù)中存在負(fù)序開關(guān)函數(shù),從而可得到正序占空比函數(shù)和負(fù)序占空比函數(shù)。正序電流4負(fù)序占空比函數(shù)的乘積以及負(fù)序電流與正序占空比函數(shù)的乘積 將在輸入電流中產(chǎn)生二次亦特征諧波分，他，從而在輸入電壓上產(chǎn)生兩倍于基須的電壓脈動。系 統(tǒng)無法從控制策略卜.消I除該靖波分量”因此.二相四橋臂逆變器需要輸入濾波電容

11、束港除該諧 波電流，使得輸入電底脈動在要求的范用內(nèi)a假設(shè)開關(guān)管是理想的，考慮到開美函數(shù)中的正序分量、負(fù)序分吊:和與序分量，孫橋普占空 比的表達(dá)式為，!* = d. sin(3f+6 J + 4 sirtX+ 包 D + d)皿5 + 旦 Jda = d、sin(Bf+6"、-2" /3) + d,豆«血“ +2萬 /3) +rf0 血乂切1+8.,，o)4 = d sin(8/ + G. . + 2r /3)十 4 sin(8,十4 e -2務(wù) /3) +4+優(yōu) °) C 9)a=4)區(qū)嶺，+/ °)其中,對a=Rag為備存分量對應(yīng)的占空比函數(shù)

12、，%式人=”4。)為備序分量對應(yīng)的占 空比函數(shù)初始向dA、B兩相橋曾間輸出電JR的表達(dá)式為；坦3二("-直鴻=、行機(jī)d.sm(Gf+C + 力/ 6) + & siiX>f+- n /6)(2.30)同理可得小C和Q”的表達(dá)式。與逆變器三相仇我不平衡時，各橋忤輸出電流的非達(dá)式為："=4 如Qf 十 e ,)十 z,出。，+«)+)»i/JB = J,疝1噂"十e ”一 2% /3) + /“ sirQf + C “ + 2開 /3)十 Z(I siilQ"十£. °)晨=J. siiryt + d -

13、 +2力/3) +人 sinj(Gf+6 , - 2萬/3) + 41sh乂皿+ 8 J。"1) 一-3"2 + 2 0)其中，4 (k=p,幾0)為牛序分量對應(yīng)的電流峰值，g ,(k = p,0)為各序分量對應(yīng)的電流初 始角B直流惻輸入電流為:? = 4乙+知而+4%+/£。工)由式Q29)和(23)代入式Q .3劣可以得到輸入電流瞬時值的表達(dá)式為,' =，同( c。式包0-&. p)+ d,，。儂- -e; j3 "Q33)十-< 】八c。即矽"4+a)一 用乙co42以+d+ a.，則輸入電流的交流分地為：(2.34

14、)】小(2砒)=；-d/os(2M + aj+0,)-&(cos(%f +色,“+.)逆變器輸入電座與輸入電流的關(guān)系為:(2.35)則輸入電壓的二次諧波電壓為:(236)u (2of) =-d I shlQS + e +0 ) + d I 疝42加 + 夕 + 6 )1An、 / JtyC 工。C 、d一戶 J。 、dj ，_“fl!A相帶2Z3載，B、C相空載時有乙=4=嬴4，根據(jù)式(2.36)可以得到輸)入電容同滿足;(2.37)由式(2.30)可以得到輸出線電壓的峰值U.4s滿足：所以(2.38)(2.39)(2-40)0出4百用乙+4)d +d > - = °&

15、quot; 曲 2由以上分析可以得到勵入電容的取值范附為：C 1 12曲.由以上分析可.以看出，同樣功率等級的三相四橋皆逆變器所需的輸入濾波電容遠(yuǎn)小于三相 半橋逆變器，所以與三相半橋逆變器相比，三相四橋皆逆變器體枳和垂玷得到了減小。在第四 橋碑固定占空比的三和四梅鴨逆變器中，其輸出電壓、輸出電氏紋波最大值和電感電流紋波最 大值與三相半橋逆變器相同，所以這種控制模式下的三相四橋以逆變器實(shí)際上等同于三湘半橋 逆變器，雖然三相之間獨(dú)立輸出，但直流電任利用率低a為了克服這一三點(diǎn),可以通過在調(diào)制 波中登加基波的諧波波形甚至三角波、方波以及可編程的波形來提高門.流電年利用率叫2.3采用三次諧波注入法的三相

16、四橋臂逆變器2.3.1 三次諧波注入法原理為了便于分析，假設(shè)直流電源E一分為二，中間電位為。，如圖2.8所示a四個橋?yàn)车闹?間點(diǎn)電壓分別為以、小、弭、，電感電流分別為必、L，三相輸出電JK分別為、 應(yīng)八七,輸出電流為L、L,、四。B32.8三相四橋竹結(jié)構(gòu)圖高頻三角波的頻率為A且遠(yuǎn)大于調(diào)制信號頻率，濾波器。= 4 =。=1、 d = g = q. = c, n工、c：很大。為了便于分析，暫時忽略上上的低頻電1E分量和（7上的低 頻電流分量；逆變橋的上下管為互補(bǔ)導(dǎo)通，訓(xùn)制信號與三角波交被所得的膿沖信號控制上管， 其互補(bǔ)信號控制下管。設(shè)四個橋砰的調(diào)制信號分別為匕、%、心、%。三相四標(biāo)皆中，L F +

17、.金口,由七、%，山和第四橋寓的中間點(diǎn)電位人共同決定如、 4B、&由第四橋他的調(diào)制信號”V決定，與k、丹6、,無關(guān)。假設(shè)；如=4皿吟=Q,出Q#-120"）（2.41）U ；. = U240"）忽略L%、工卷、21中的低須分量，有 dt ar dt（傘）-3如=3/，43）一&（。）= 35Q42）出 3）-&3） = 4為了降低電源電JR，提高電東利用率，可以通過改變謠制電JR,使%、%、4的幅值降 低。由式。.42）可以看出，4,、地-u“.為逆變器輸出三相電去輸出在逆變器輸出電壓幅值 恒定時-只能通過改變、才能改變%、1%、Uf O用三歡誨波注

18、入的正弦波湖制時，如圖2.9所示。刺制波%、/、%、氣，為。sm4J 十后sin3G。-12。)sin 勸 j)(2.43)圖29注入三次諧波的洞制波如果洲=1, 0.14后02,則匕八 七、嗔的幅值小于三角波的幅值.不會出現(xiàn)過調(diào)制“ 。如、l波形相同，相位不同，得 E口式)="-(sineyj + k sin3 M力/3)=/-120')十七曲1%.力43)sui(4)ot- 240") + k 仙%,力(2.44)由式(2.4可以得到三相輸出電JK為：n4nCE=51118 tE=當(dāng)應(yīng)1/-12)=如法一240")(2.45)111(2.45)”以看出

19、，與采用一次諧波注入的正弦波調(diào)制方法時，逆變黑輸出相電樂幅值為 R =EJ后。而采用常規(guī)的正弦波調(diào)制此 第四橋臂的控制信號是固定占空比為0.5的方波， 第四橋噌中點(diǎn)的平均電壓與輸入中點(diǎn)電壓相同.輸出相電壓時dU.=5/2,直流電壓利用率偏 低。在調(diào)制信號中注入三次諧波后，直流電JK利用率提卷了 13.4%“2 3 2三相四橋臂逆變器的PWM控制及仿真對正弦波調(diào)制和采用三次諧波注入調(diào)制的三相四新臂逆變器進(jìn)行仿氟不考慮開關(guān)管死區(qū)、 管壓降、電路分布阻抗等因素的影響，仍寬參數(shù)為：直流側(cè)輸入電壓S = 30or,珊制比】=0.98 , 開關(guān)須率£ = 20雄，輸出電壓頻率f = 400死，輸

20、出濾波電感4=240作H .濾波電容 二2。湎-表21是幾種負(fù)載條件下備相輸出電壓色、輸出電壓THD、輸出電壓相位入 表 2.1為正弦波調(diào)制的三相四橋皆仍真數(shù)據(jù)，系統(tǒng)直流電壓利用率為0.5,表2.2為三次諧波注入 調(diào)制的三相四橋彎仿真數(shù)據(jù).直流電壓利用率為0.58e表2.1正弦波表制的三相四折代仿真數(shù)據(jù)、輸出 負(fù)我ABCU您W （度）THD(%)U C(伏)（度）THD (%)U（伏）<P(嘮THD的三相空載107.901.5%107.92401.5%107.91201.4%2B不對稱107.401.2%107.22401.0%107.21201.0%三相滿載107.200.9%107.22401.0%107.21201.0%表2.2 t 諧波注入調(diào)制的三相四橋臂仿真數(shù)據(jù)蒯11 貪戰(zhàn)ABC5 （伏）夕 THD(%)工（伏）血THD 的（伏）夕（度）THD的三相空載124.901.6%124.92401.6%124.91201.6%2B不對稱124.501.3%123.82401.0%123.21201.0