400Hz三环三相逆变器的设计

开关电源 三相逆变器 三相逆变器的设计 电力电子

维普资讯

第2 5卷第 6期20 0 8年 6月

机

电

工

程

VO _ 5 l 2 NO 6 .

M ECH ANI CAL& ELECTRI CAL ENGI NEERI NG AGAZI M NE

J n. 2 08 u 0

4 0H三环三相逆变器的设计 0 z张宁，健将，湘宁石何(江大学电气工程学院，江杭州 3 0 2 )浙浙 10 7

摘要：三相逆变器为载体，对以往双环控制一直存在的静差问题，析了几种减小静差的方案，以针分然

后采用外环输出电压平均值反馈、中环输出电压瞬时值反馈、内环电感电流反馈的三环控制策略，电路对

进行了建模，并通过 Sb r a e进行了仿真实验。实验结果证明，方案既能增加系统的可靠性，该又可以在限宽的范围内有效地减小静差。关键词：相逆变器；三电压平均值；环控制；差三静

中图分类号：M4 4 T 6

文献标识码： A

文章编号：01 45 (08 0— 03 0 1— 5120 )6 06— 4 0

D e i n o he 4 0 H z t e -o p t e - a e i e tr sg ft 0 hr e l o hr e ph s nv r e

Z HANG nn,S inja g,HE xa gnn ig HI a— n j i in—ig( ol efEetcl n ie i Z ea gU i r t, aghu3 2,C i ) C lg l r a E gne n e o ci r g, h n n e i H nzo 07 hn i f v sy 1 0 aAbs r c t a t:Ac o di o t e s e dy s a e e r r c u e y t e t - o p c n r l h hr t o s o e r a i h t a— t t r c r ng t h t a - t t r o a s d b h wo l o o t o,t e t ee me h d f d c e s ng t e s e dy s a e e— r r we e a a y e o r n l z d,a h c n r l s h me f i e n uc o u r n o p, mi dl i t n a e u la e o p n u e v r g nd t e o to c e o nn r i d t r c r e t l o d e nsa t n o s vo t g l o a d o t r a e a

e v la e l o s i t o u e o t g o p wa n r d c d,t e c r u t wa i h ic i s s mul t d. Th e u t f t e e p r me tpr v h t,t e p a n r a e h e i bi t ae e r s ls o h x e i n o e t a h l n i c e s s t e r la l y i o h yse,r d e he s a i e r r i d r ng ft e s tm e uc s t t t c r o n wi e a e. Ke y wor ds:t r e p s n e t r a e a e v l e o o t g h e— ha e i v re; v r g a u f v la e;t r e l o o r l t a y s g e e o h e—o p c nto;s e d— t t r r

于每相半桥结构都彼此独立而且参数一致，因此对三相电路的设计可以简化为其中一相的单相半桥电路设按反馈类型来分，变器可以分为电压型和电流逆型两种；按控制策略来分，有 PD控制、则 I滑模变结构控制、差拍控制、复控制和模糊控制等无重。目=

计，图 1示。设计时只需要考虑三相基准波的相如所

位要精确相差 10度即可。其中，入直流母线电压 2输通过两串连电容分压得到 E和 E,想情况下， 。理 EE:= E,。

前，中大功率逆变器中应用最广的控制方式是输出在电压瞬时值和电感电流双环反馈 P控制，种控制方 I这式由于采用了电感电流作为内环，使在输出短路的即情况下，电感电流也不会无限增大，而是被限定在一定范围内，而增加了系统的可靠性。但由于输出电压从瞬时值和电感电流双环反馈控制很难保证系统在 4 0 0 H处的增益足够大， z从而导致静差问题比较严重。

()为桥臂中点和电容中点 (、)两点 ab

之间的电压。

Z

u() o s

本研究比较几种减小静差的方法，引入三环控并制策略：环输出电压平均值反馈、外中环输出电压瞬时值反馈和内环电感电流反馈，探讨 4 0Hz 0三环三相逆变器的设计。

图 1半桥逆变器示意图

本研究在设计过程中，讨论里面两环的模型设先计问题，然

后再考虑如何解决静差问题。制系统的内控 环采用采样电感电流，这样可以保证：即使在输出短路的情况下，电感电流也不会无限增大，而是被限定在一

1拓扑介绍本研究采用的三相逆变器是半桥合成式结构，由收稿日期： 0 8— 1—1 20 0 0

定范围内。这种自动限流的特性增加了系统的可靠性。对于外环，出电压采样瞬时值，输能在反映出输出电压

作者简介：张

宁 (9 3一)男，宁铁岭人，要从事大功率三相逆变器方面的研究。 18,辽主

开关电源 三相逆变器 三相逆变器的设计 电力电子

维普资讯

·

6 4·

机

电

工

程

第 2 5卷

的瞬时变化，而使输出电压波形能及时的跟踪基准从正弦波。

一

步增大；因而，需要加入补偿网络来调整其开环特

性，补偿函数的幅频曲线示意图，图 4所示。如

2模型建立 2 1主电路建模 .图 3简化的控制系统方框图 Loo p Gai n

由半桥逆变电路平均值模型及图 1可以得到，滤波电感电流对桥臂间电压基波的传递函数 G s为： ( )G

=

—

—

—

·

() 1

L s (L+ C 2+ rc

+

+1

图 4电压环补偿函数幅频曲线图

输出电压对电感电流的传递函数 G ( )为： sG,

补偿后的系统闭环传递函数的 b d o e图，图 5所如示。图 5中可以看出，从空载和满载的闭环幅频增益相() 2

=SJ 乙5十 1

差较大，在 4 0 H基波频率处，且 0 z由于受补偿函数对于整个系统相位裕度的影响，环幅频增益无法取的开

2 2电流环设计 .

根据式 ( ) 1和式 ( )以及图 1另外将电压环和电 2,流环补偿网络转换成传递函数的形式，则该控制系统

很大，而导致输出电压相差较大，从静差问题严重。1 OO 5 0

方框图，图 2示。中， s如所其 G ( )为电流内环补偿网络

要。 _

5 O

传递函数， s G ( )为电压环补偿网络的传递函数。H(

.

10 0 1

1 0

1 0 1× 1 1× 1 1×1 0 0 0 0 1z

(1 a幅频特性曲线

: 墨-: 5-

1 98

图 2外环输出电压瞬时值内环

电感电流双环控制框图

-

20 7 1

1 0

1 1× 1 1× 1 1×10 00 0 0

j Hz 7

由图 2可以得到，加补偿的电流内环开环传递未函数 ( )为： sT i一

f相频特性曲线 b )

图 5补偿后的系统闭环传递函数 =

。,

k· s R￡ Gd )· (

() 3 2 4静差问题的分析 .

在未加补偿前，电流环也是稳定的。工程应用在

中，一般选择单纯的比例环节作为电流环的补偿网络， 另外引入一个高频极点，开关次纹波进行衰减。对 加入控制补偿网络后的电流环开环传递函数 ( )和闭环传递函数 G山 ( )分别为： s s( )= k· ()· 。 s s G s R G()=

输出电压与基准正弦波幅值和系统闭环函数的关系为： ㈩ 可以看出，通过提高，者提高 I 或 G ()I: s

G T~ ( )· s i s ()_

4) (

可以消除静差。于提高 I 对 G两种方法。2 4 1负载电流正反馈 . .

( ) , s I:笔者提出了

一

山

:

㈣

2 3电压瞬时值环设计 .

具体的实现方式是：样负载电流，电压环产生采与的 i t号相加，为修正后的电流基准信号。负 ()信作载电流正反馈补偿函数，图 6所示。从定性的分析如

将电流内环看成一个整体 G ( )这时总的控 s,制系统框图，图 3所示。如

电压环未加补偿时的控制开环传递函数为：()= G s ( )· s K s G; )· o ( () 6

来看，当加载时，载电流变大，而电流基准信号变负因大，而使与三角比较的调制波变大，而达到增大输从进出电压，补偿静差的效果。从幅频特性角度，图 6中从

由分析可知，系统低频增益过低，高频衰减也须进

开关电源 三相逆变器 三相逆变器的设计 电力电子

维普资讯

第 6期

张

宁，:0 z环三相逆变器的设计等 4 0H三

可看出引入负载电流正反馈对于系统 4 0 H 0 z处增益的影响。图中两条曲线分别表示了引入负载电流正反

—丽……一蔬

馈后对于原来系统开环传递函数的补偿函数，可见， 当满载时，负载电流正反馈会对原系统在 4 0 H处给予 0

z一

图 8输出电压有效值反馈的控制框图

个很大的增益补偿。但是，由图 6也可以看出，反正

馈的引入在给电压开环传递函数带来低频增益补偿的同时，也降低了系统的稳定性。l 5

图 9电压环简化框图

1 0

要 5O.

在设计平均值外环时，内环闭环作为被控对象。把 外环的参考值是输出电压的参考幅值，馈量是输出反1 0 1 0 1× 1 0 0 1× 1 4 1 1× l 0 1X 0‘ O

5 1

jHz V

电压的幅值信号，两个都是直流量。由于外环仅调这节输出电压的幅值，环的输出只是改变内环参考正外弦波的幅值。从控制的角度看，控对象的输入是被 4 0 H正弦波的幅值，出也是 4 0 H正弦波的幅 0 z输 0 z值，实际上被控对象的传递函数也就是内环闭环传递

(幅频特性曲线 a )2 O.

2

.

2 446

-

.

6 8

1

1 0

1 0 1 0 4 1×1 0 ×1 1X1 o 0jH z V

函数幅频特性上 4 0 H频率对应的增益。所以可以 0 z把图 8中虚线的部分等效成一个比例系数 K 则简化框图，图 9所示，:如且

() b相频特性曲线

图 6负载电流正反馈补偿函数

242 ..

谐振电路

K=l。( ) 。 sl G:。时，外环进行建模。对

() 8

如图 7所示， 4 0H在 0 z处引入谐振，而可使 4 0从 0 H处的闭环函数的增益近似无穷大。但是该方法主要 z是在 d q方法的基础上引进的，需要采用数字控制才能实现，而本研究出于追求系统稳定性，用的是模拟控采

然后再对外环在 4 0 H处的增益进行考虑的同 0 z

3 S b r真 ae仿Sb r真框图，图 1 ae仿如 0所示。在本研究采用的

制，以该方法很难在本研究的控制方法中使用。所B d a rm s o eDig a8 0 6 0

三相逆变器中，每相半桥结构都彼此独立而且参数一致，因此对三相电路的仿真可以简化为其中单相半桥电路。其仿真结果，图 1所示。如 1

鲁4 02 0 0l

图 7 4 0 Hz处引入谐振 0

提高，笔者引入了输出电

压平均值反馈的方法。,2 5外环电压有效值环 .图 1 S b r仿真框图 0 ae

输出电压有效值反馈的控制框图，图 8所示。如 对输出电压反馈值进行取平均值，以此来间接反映输出电压的有效值。获得的平均值再和某一固定直流基准量进行比较，经过比例积分环节，生的值再与某再产一

给定的正弦波相乘，乘得到的正弦波再作为反馈相电感电流的基准值。该方法可以使由输出电压得到的

直流量稳定在给定的直流基准附近，制输出电压有控效值在负载变化很大时稳定在预先设定值附近，而从使静差趋于零。t

图 1 S b r仿真结果图 1 ae

开关电源 三相逆变器 三相逆变器的设计 电力电子

维普资讯

·

6 6·

机

电

工

程

第2 5卷

4实验结果空载以及 1k时输出电压波形，图 1、 1 W如 2图 3所示。从图中可看出，电路加载后，出电压的有效值输基本不变，浮动不超过 1V, 基本达到了预期的要求。 由输出电压的傅立叶分析可知，输出电压中，在三

模，同时分析比较了几种减小静差的方法，着利用接

Sbr a e对模型进行了仿真，后在实验中得出实际波最形，从而验证了引入外环输出电压平均值反馈可以减少静差。参考文献 ( eeec ) R frn e: []叶智俊，辉强， 1严余运江， .种简单的递变器输出直流等一分量消除方法[]机电工程，0 7 2 ( )5 J. 2 0,4 9:0—5 . 2 []白志红，仲超 .相电流型多电平递变器的 C SS WM 2张单 P—P

次谐波在谐波中占主要地位，这样会对前级造成很大影响，是当采用三相时，但对前级的影响将会大大减少。J l {

\\/ _厂：

。/ 一/ 』。

、 . l\, ^\ \/i『/l _\ .

技术[]机电工程，0 7 2 ( )9—1,7 J. 2 0,4 7: 07 . []阮新波，仰光 . 3严四桥臂三相逆变器的控制策略[]电工 J,技术学报，00 1 ( )6—6 . 2 0,5 1:1 4[]陈东华 .时值控制逆变器技术研究[ .京：京航 4瞬 D]南南空航天大学自动化学院，0 3 20 .

『 ER CK O ,MAK I 5] I S N RW S MOVI C D.F n a naso o u d me tl fP w— e eto is M] n d lwe a e cP bih r, rElcrnc『 .2 d e .K u rAc d mi u l es s20 01.

-/ Ul \ l\/V V ~

\ 1::\/ ,\ f / \/\/ :

f 。

一\ 0\㈠一 //一 。

,

图 1空载输出电压波形 2

图 1 1k输出电压波形 3 W

5结束语本研究首先将三相逆变器解耦成单向逆变器进行了分析，后对采用三环控制策略的逆变器进行了建然

[] Z O 6 MO D D N,H L SD G t i a a urn rg O ME .Sa o r f mecr t e— t n yl e u t no P net swt zr s ays t e o[] l i f WM ivr r i eo t d t e r r J . ao e h e a I r n n P we lcr nc,0 3,8 3): 1 EE ta so o r E e to is2 0 1 ( 8 4—8 2 2.

[编辑：张

翔]

(接第 5上 6页 )

此外，对含谐波源的电压闪变问题，针笔者提出了一

实[]陈祥训 .时跟踪电压闪变幅度的移动不变小波分析方 5法[]中国电机工程学报，0 4 2 (0:—7 J. 2 0,4 1 ) 1 . [] QIL,Q AN L— i ART S D,e 1 nt lReut i 6 i I ewe,C E ta.Iia s l n i s PoyA ayi f a n e ci c v ies C] rn nls o H r i Sl t eA te Fl r[ . s r mo c e v i tPr c e i s f EEE Po r En n e i So it Ge e a o e dng o I we gie rng cey n rl

种修正方法，以有效地提取输入信号的包络。但可由于 Po y法对于噪声的抑制能力比较弱，对于 rn算故

含有强噪声污染的电压闪变信号的分析还需要作进一步的研究。参考文献 ( ee e c ) R frn e:

M e tn ei g, Mo te l Ca a a: 0 nra, n d 20 6.

[]丁屹峰，浩忠， 7程吕干云， .于 P

oy法的谐波和间等基 r算 n谐波频谱估计[]电工技术学报，0 52 ( 0:4— 7 J. 20,0 1 ) 9 9 .[] 8FEI LAT E A. De e to f v la e e e o e us n r n a t c i n o o t g nv l p i g p o y—

[]肖湘宁· 1电能质量分析与控制[·京：国电力出版 M]北中社，0 4 20 .

n lsshlett nfr to J] I ay i—i r r s m meh d『 . EEE r n a t n b a o T a s ci s o o we l e y,0 6, 1 4 2 91—2 9 . n Po rDei r 2 0 2 ( ):0 v 0 3

[] 2

HUANG S J,LU C W . En n e e to gt le uiae t ha c m n fdiia q v lnv la e fik rm e s e e tva c nt o swa ee rnsor otg c e a urm n i o i l nu u v ltta f m

[] 9

LOBOS, REZMER J,KOGL N J Anay i fPo rS s I H . lsso we y—

[] I E rna t n n P w r D l ey 20, J . E E T a sci so o e e vr, 0 4 1 o i 9(:6 2) 6 3—6 0 7.E LNADY,S A ALAM A M .M iiain o h otg u t— M tg t ft e v la ef cua o l

t r s ns s gWaee、 dPoyMe o[] E E e Ta i t U i vl s n rn t d C .IE m ne n ta hPot o rTe h Co fr nc Ot一 1 h S p e b r ro P we c n ee e l h 3t e tm e,Pot ro,Po t g l EEE, 0 . r u a:I 2 01

[] 3

t n uig neiet iubne x atnt h i e J . - i s s fc n d trac t co cnq[] E o n a fi s er i e ulcrcP w rS se sac 2 O,7( 4 2 6—2 5 eti o e y tmsRee rh,O 7 7 3— ):6 7.S OLI AN ,HAW ARY E. M e s r me to we y— M SA M a u e n fpo rs stm

sv la e a i k rl v l o o rqu l y nay i: a e otg nd f c e e esf r p we ai a lss l t

谢胡等电[ 0肖晋宇，小荣，志祥， .力系统低频振荡在线辨 1]识的改进 Poy法[]清华大学学报： rn算 J.自然科学版，20 4 (:8 0 4,4 7) 8 3—8 7 8.

[] 4

s t A t eet t n bsd a o t[] Eeti t i L V s t smao ae l rh J . l r ac a i i g im c cP we y tmsRee r h,0 0,2 6 4 7—4 0 o rS se s a c 2 0 2 ( ):4 5.

[编辑：张

翔]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6g04.html