采用双环控制的四桥臂三相逆变器

　　摘要：介绍了三相四线逆变器的结构，提出了一种新的双环控制方案，给出了仿真结果。

　　1　引言

　　三相逆变器一般是采用三个桥臂组成的拓扑结构，为了给不对称负载供电，必须在输出端加入一个中点形成变压器（Neutral Formed Transformer, NFT），如图1 所示。中点形成变压器是变比为1的自耦变压器，工作频率为输出交流电的频率，体积和重量很大，而且体积和重量随着负载不对称的程度变化而变化，不对称度越大，NFT的体积重量也越大。

　　图1　带NFT的三相逆变器

　　为了省去中点形成变压器，减小逆变器的体积和重量，可以在图1所示的逆变器的基础上加入一个桥臂，将三相输出的公共点（即中点）通过电感Ln接在该桥臂中间，从而构成四桥臂三相逆变器，如图2 所示。

　　图2　四桥臂三相逆变器

　　2　逆变器的工作原理

　　从图2可以看出，在逆变器带对称负载时，电感Ln上的电流为零，开关管VT7、VT8无须需动作，这时每相桥臂根据本相的需要选择开关状态，比如A相电流偏小，则VT1导通，VT2关断；在逆变器带不对称负载时，电感Ln上流过电流，大小为三相电感电流之和的反相，这时每相桥臂仍根据本相的需要选择开关状态，而第四桥臂的开关状态由电感Ln上流过的电流与其给定值比较而得。Ln上流过的电流是三相电感电流之和的反相, 其给定值是三相电感电流给定值之和的反相。图三为控制原理图。

　　图3　控制原理图

　　本电路采用定频调节，由同步脉冲CP信号给出每个周期所需的导通信息。每个桥臂的上下管为互补导通，中间有一定的死区。对于A、B、C三相，每相独立地控制自己的桥臂，以A相为例，采用双环调节，外环为电压环，内环为电流环，电压给定VrA是50Hz正弦波，它与输出反馈电压VoA经运放后，得到电流给定irA，电流给定irA与电感电流iLA比较后得到桥臂开通信息，比如irA大于iLA ，则上管导通，此开通信息在同步脉冲到来时发出并控制逆变桥。

　　第四个桥臂中的开关状态的决定方法与前三个桥臂类似，只是没有用电压外环。

　　3 中点电感的选择

　　当三相电流不对称时，中点电感Ln上将流过电流，电感量的大小由几个方面的因素决定，并与相电感结合起来考虑。

　　首先，Ln对每相电流都有平衡效果，当负载不平衡度在限定范围内时，如电感上的电流小于每相电流的一半，Ln尽量大一点有利于整体滤波效果；其次，Ln及每相电感对电流跟踪速度有很大影响，为了得到良好的动态性能，Ln不能太大；，还要从Ln及每相滤波器的体积重量及损耗的角度考虑。设四个电感前端的电压分别为V1、V2、V3、V4，电流分别为i1、i2、i3、i4，中点电压为Vn ，设三相电感大小为L , Ln = k L 。

　　仿真表明，Ln的大小为相电感L的一半时，能兼顾到体积重量、滤波效果和动态性能。

　　4 仿真结果

　　本电路用Saber软件进行仿真，仿真电路中的参数为：直流输入电压300V, 输出相电压115V，输出频率400Hz，开关频率200kHz，三相滤波电感0.4mH, 滤波电容10uF,　电流波形中1伏代表10安的电流。

　　图4为三相负载对称时三相电压和电流波形， 第四桥臂电感Ln=0.2mH, 每相负载都是10欧的电阻。 图5为三相负载对称时三相电压和电流波形， 第四桥臂电感Ln=1mH, 每相负载都是10欧的电阻。 图6为三相负载对称，每相负载都是10欧的电阻，Ln分别为0.2mH和1mH时， Ln上的电流及C相的电流，由图可见，Ln=0.2mH时 Ln上的电流纹波较大，Ln=1mH时 Ln上的电流纹波较小，但C相的电流纹波在两种情况下相差不大。 图7为三相负载不对称时三相电压和电流波形， 第四桥臂电感Ln=0.2mH, 三相负载分别是20欧的电阻、10欧的电阻、10欧的电阻。 图8为三相负载不对称时三相电压和电流波形， 第四桥臂电感Ln=0.2mH, 三相负载分别是20欧的电阻并10uF的电容、10欧的电阻、10欧的电阻串2mH的电感。

　　从图中可以看到，Ln的大小对自身的电流纹波影响大，当Ln取值较大，第四桥臂电流纹波很小，这时三相电流纹波主要由相电感L的大小决定；无论什么性质的负载，输出均能得到三相对称的输出电压，而且具备了良好的起动性能。

　　5 结论

　　(1)　四桥臂三相逆变器省去了三相逆变器中必须的中点形成变压器，大大减小了电源的体积重量。

　　(2)　第四桥臂电感的电流给定为三相电感电流给定值之和的反相，第四桥臂开关管的控制简单，实现了三相电压的解耦控制。

　　(3)　中点电感Ln的大小为相电感的一半时，能兼顾到体积重量、滤波效果和动态性能。

　　(4)　整个逆变器具有良好的起动性能。