三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制.docx
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三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制
三相四桥臂逆变器的工
作原理分析与控制
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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爲的娠础上埔加•个桥VF构成的-M桥轉逆变器町以产生三个砂
立的输出电压。
通过所熠加的第四桥苗产生一个自山度來控制屮件亢电用•可以便逆变JIH具仃
W不平衡负载的能丿几木改对采用正咳脉宽调制技术OPWM)的三相半桥逆变器和-相四桥轉逆变器进行了分析比较•重点分析了正弛波调制和三次淸波注入的PVIM控制的三楣四桥關逆
变盎工作原理•并进行了仿宜比较。
21三相半桥逆变器的工作原理分析
2L1三相半桥逆变器输出纹波分析
半逆变器的开关频率远犬丁•输出频申时.逆变器输山电尺上喪包含调制频率及典済波、开关频率及其谐液的边频帶iMq心SPWM逆变器屮TT咲频率远人丁输山频率.因此打次済波群
远离基波-经过滤液JB谐液須到了抑制.逆变器输出璀木上只剩卜・^5波电压°木节利用平均侑模羽何•将输出电rR/i:
->b开关周期内的平均值近似为输出电爪堪波分蛍的瞬时値來分析电感
电流和输出电压上的纹泼S
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阳2・2甲柑半桥逆变器
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圏2丄三相丫桥逆变湍主电路
用2丄所示为-棚半桥逆变器主电路图「询半桥逆变器毎相的工作方成勺单相半桥祁同.
Jfl—+11的电路結构图如国2.2所示,化一个开关周期内订;|.0 JF 一卒开关周期内输出电压的平均値为: QB □〉-护 JL中•d(b=yP+»JsinSE]•m为调制比•取mj=1•则输Hl电JE为: 图23输出电压U,⑦和电感电流g⑦变化曲线 图23示出了输出电压纯(F)和电感电流纹波山丄①的变化曲线•町以frill.输出电爪过零处电感I: 的电流纹波址大.址大电感电流纹波为: (2® B 叽=AfL 输出滤溅电容充电的平均电流为: (2.7) (28) a«-<=T 电容在T/2时何间隔内充电M】・所以输出电爪纹波为: 3(f)«生L “C2 P 1L2三相半桥逆变器输入电容电压纹波分析 逆变器的间级为DC/DC变换器时.逆变器的输入端电容的的电流可认为是•氏流Sb 逆变器的输入电容承担功率解IS的功能何,在三相半桥逆变器中・输入电容还具仃抑制中虑电 位偏移的作用。 二相半桥逆变器的负试不平衡时・输出中线流过不平衡电流电流£・「L八 •的方向如图2丄所示•作出中线电流*、输入电容电流i"和L、输入电容电压5和%的 近似曲线如图24所示•以A相带2〃战・B.C相空戦为例来分析输入电容I: 电压的脉动.则 攀严3+巧 其叩-厶为输出额迅电流仃效值•0为输出电流初始村位角.収决于JF机瞬间基准电压的瞬时俏-是一个随机虽。 証三相半桥逆变器屮.雯求q=C.-假设输入分Hi电容的初始电压为t/cio= 山如+g=S•nJ以須到CJd+G4=0.又因力id+i,.,=i,•可以得到&•( 曲以上分析可以得到: 分压电容上的电压脉动为: 分压电容上的半均电用为: 则两个分压电容I;的电用不平衛值为: (2」6) I爲厂电卜菟7,cose (217) 山式<2丄0町以得到两个输入分压电容的取備范用为: ■3泌4A 22三相四桥臂逆变器的工作原理分析 2.2.1三相四桥臂逆变器输岀纹波分析 三州的桥愕的毎相桥卩f打第卩q桥借构成一个全桥逆«.但每州的匸作方忒对单利逆变甜右衍不同。 木节分析了这种情况: 逆变电路的一个桥肖采用SPWM控制.第四个桥鸭以网定的 假设开关频率远人r输th基波频率•一个斤次周期内的输Lh电压W值不变。 用25示出了四个幵关管牀动信弓Z间的柑位关系・由此看相四桥臂侮相桥瞽控制信号的分布并不是随 机的。 在一个开关周期内右叫个「•作状态.三相四桥碟巾单相电路的工作檢态如■ I L-rmnn- w 貓gj§ (b)[fl-fa] 百— I&i 叫空 K —IT £T (9P;-M(◎[朴fj 图2.6: 柑四桥聘巾单相电蹄模态图 [打比]G、2开通・如罔2.60)眇示•A-N两点何输出电压为風电感电流増加•电源何负截覆供能肚■电感I: 电流变化扯为: S-U △L= 018) [f,-h]时刻•0关臥@导通.如图26(1训? 示.A、N两点间输出电JR为零•电感电流经过Q.Q续流.毗时电感I: 电流变化鼠为: -U (219) [h-fjfj甘刻•a关断•fi导通.如谢26©所示•A、N婀点间输出电JR为g•电恿k电流变化蛍为? s-u 耳=— 也吃]&时刻-Q关断-&导通,如国2.6⑷所爪.电易电流处r纸流状&A、N两 点间输山电压为零•电感I: 电流变化处为? -U (220) (221) 由以上分析M以看出•逆变器花一个JT•关周期内有两个电甲输出状匕一个幵关周期内A、 NWAfiiJffilll电用可农爪为, xo 311 £ir-id(0 022) Q二r X— 一个JT・关周期内输出电爪的平均值为: (223) 山式(223)可UI衍到逆变器输出电斥为: 电培电诡纹波可农爪为: 壬P-他兀討(坷-存"中,-討晳扣(0-菲,|r-吗T 兰丄了,Lr IL22 (2.25) 将式(2・23)代入(2.25)町以科到电憊I: 电流纹波为 「51 'an(@O[l■•aiXer)! 。 SS if*L■* S1 -a«(Q卯+-an(a>f)],ffMefV2;cr (2.26) 图27输出电JRu,⑦和电感电流比⑦变化曲线 阳27示出了输山电压40)和电感电流纹汲山丄⑦的变化曲线.可以看出. 处电感上的电流纹波垠人;.址犬电感电流纹波为: 如=— —4/2 (2-27) 输出电压纹波为: EI arG机1--ar(Q0],0 S1 -16/zan(s0Q+-&试30],兀《efM2龙 (2.28) 2.2.2三相四桥臂逆变器输入电容电伍纹波分析 同样以A相带”3载・B.CIH空载为例來分析三相卩q桥臂逆变益输入电压的牀动-三相 负谀不平衡时负我电沆可分解为正用分a、负洋分虽和零用分址°在三相卩q桥Pf逆变器巾•零 用电流逋过第四桥耦流过•所以不平向负我时的零序分S不会彫响到输入电托的纹波。 为了控 制输出二相电用的平衡.备相桥鸭开关函数中仃: 在负序开;Xi曲数.从而可得到正序片空比函数 和负序占空比歯数。 正序电流打斂序占空比函数的乘枳以及叙序电流打正序占空比数的乘枳将在输入电流中产生二次#将征谐波分呆.从而在输入电山上产生西倍于雄频的电压脉动。 系统无法从控制策略I: 消除该淸彼分量.因此.-.m桥臂逆变器需雯输入滤波电容来遊除该谐波电流,使得输入电JK脉动任要求的范田内a 侵设开关件超理想的.考虑到开关萌数中的匸昨分! .t、贵序分址和零库分虽.丼桥僭占空比的农达式为: ! 心=山51£1(3*&—”£^ShXa十&…)十aShXs州◎」) (229) /=dpsin(sf+@d-2ff/3)+aan(Qf+E.+2ff/3)+久sin(3f+&“o) 4(«dpsin(3十十传+2竟/3)+a&论处+8孑<•-2龙/3)十么)&门(3十十%》 &\«心衣*尸十&孑0) 兀屮.rf/A=为伶斥分域対应的山空比函数・pmO)为存序分蚩対应的山 空比帽数初始角. A,B两相桥愕何输出电用的农达貞为; C330) Q31) =(d^•d^)E=j5S[d^siX^f+8“¥fjf6)+d^an(£i>f+0^_^-jt/d)] 同理可紂%和的仗达 丹逆变器U相负载不平衡时,呂桥梓输出电流的衣达式为: L=气gf+32+山Xa+q)+4Egf+匚0) Lb=aan(ef+d■-Iff/3)+rsiiK血f+&…+2;t/3)+IE心t+QJiy.=打ar(Qf+d户+2龙/3)+厶sin(a+d“■2才/3)+人aiX^f+0J(V八3人心3+00) K 朮流侧输入电流为: (232) (233) (334) i』町必"打十认+%v 111^(2.29)^1(231)代入式Q.32)可以側到输入电流I瞬肘值的衣达式为, C=扌風几cos<$j"-0』十厲匚GOS(&J”J] 3 甘卜4处°冷01勺』十°>"儿2彳曲+6,+G")】 则输入电流的交流分駅为: -(2时)=1卜讥皿购+齢+「)一瓦几皿如+8—+0.)] 逆变器输入电用打输入电流的关系为: 则输入电爪的二次淸波电爪为: (2.36) U(加A=3[dIan(2ef+E+6)+dIsi«(? 0f+叭+6)1 梯、/4c■0代、d■G/0#/t|t、rf_rt/介/J M A相诽2/3我,B、C村空载时仃/・了户■扌/,It册人(2・36可以符到输入电容应满足; 037〉 山式(2・30)可以得到输山线电JK的雌値7a满足: 038〉 所以 ,■y^jaW (2.39) d+d>-^=— "“品E2 山以I: 分析M以用到输入电容的収值范用为: (2-40) 山以I: 分析可以看出•同样功率等级的三郴四桥轉逆变器所需的输入滤波电容远小于三相半桥逆变器.所以打三相半桥逆变器相比.三相四桥节f逆变器体枳和車a得到了減小。 心第四桥眸网51^片空比的二相四桥臀逆变KS-I'.K输出电JR、输出电压纹波址大值和电憊电流纹波址人值打三村半桥逆费器相同・折以这种控制按兀F的-m桥僭逆^^^器实际上等同于三相半桥逆变器.虽燃乙相之何砂龙输出.但九流电压利川率低.为了克服这•缺点•诃以通过在调制波中叠加舉波的淸波^? ^形捷至二角波、方波以从町編程的波形来捉#5]1流电托利用率0叭 2.3采用三次谐波注入法的三相四桥臂逆变器 3.3.1三次谐波注入法原理 为了便于分析.假红£[流电源£-分为二屮何电位为0,如用2・8所示.四个桥鸭的中间点电JK分别为"八如、以•、以•电感电流分别为L、*“、3、U柑输出电用分别为24*、遇八%•输W电流为■八―八♦& wc 闇2・8三相阿桥愕结构圈 商频-角波的频率为A且远大于调制信忖频率.滤彼器、 5=57仝、且上、C7狼儿为了便于分析.暂时忽略上I: 的低频电压分墨和(7I: 的低频电流分竝;逆变桥的I: 下詹为互补导通,调制倍号対三角波交戴所御的脉冲信号控制I: 詹,英旦补信号控制下管。 没四个桥裨的调制信対分别叽、%、U,、U,■« 三相贝桥fll'.i"也m・由叫、U,.U,和第四桥特的中间心电位叫其同决能叫八叫八%•妝山第四桥肖的调制信号叫、•决逹・打1怙、也、耳C无关。 假设 |i怙=Uanyr Q41) %=5Sil®丿-12(r) 气c=E血«/-240“〉 忽略L字.L辿、i事屮的低夠分此冇 dte#dt Q42) 吗(Q)-5(Q)f伽 为了降低电源电JR,捉商电压利用举,可臥適过攻变调制电压・使地八均、%的幅值P节低。 由式€-4刁II]■以看出,%、2如、IV为逆变器输tH三相电用输出.往逆变器输出电用幅值恒迅时•貝能通过改变片才能改变叫、吗、气, 用三次齿波注入的正弦波调制时・如罔29所示•调制彼。 八气『气・2为二 =方(msine』十上s! in3w_X) %=令伽sin(ds„f-120")+ksiii3d>/) 咲=為(利-240)+Asiii3(v/) %=詁血込f (2,44) (245) hU9注入三次淸波的调制波 如果加=1,0.14 g 匕(3)=祁an®』+kain>;) \3 吗-(Q)=号(期siiX^d>.,f-240")+ftsin3ii>7)叫=备ksLgf 山式(2.44)町以側到三相输出电乐为: rE U,=f S *也I=话Jfln@"12Cr) 73 JP 山式04耳可以看乩•片采用三次i肯波注入的正弦波调制方法时,逆变器输出柑电压幅值为Un鼻而采用常规的正弦波训制时.第四桥愕的控制佶号足固定占空比为0・$的方波,第四桥样屮亢的平均电压打输入巾点电乐相同.输;11和电托幅值y=E/2.血流电压利用率偏低。 /E调制信号巾注入三次谐波后・『[流电用利用帑提高了13・4%・ 232三相四桥譬逆变器的PWM控制及仿真 对iE效波调制和毅用-次時波注入调制的四桥禅逆变器进行仿氏•不考虑JF关管死区、營压隱、电路分/邯11瓠瞽因索的影响•仿克参数为: rtiJttW'J输入电m-ff=3oor>调制比”"0加•XT咲频率f・20口£•输山电圧频率f=400Hz.输山渕波电曙—240朗•淞波电容C=20/iF.^2A儿种负戯条件卜Win输出电潮li电JRTHD、输出电用相位卩。 衣2」为正兹波调制的三相四桥帖仿貞数柳・系统H流电压利川黒为0$衣2・2为三次谐波注入 调制的二柑四桥仿貢数塀-rt流电压利川率为0,5S. 农21正兹波调制的三相四桥側仿其数期 \y输出 A B C U (肉 V 侬) THD (絢 U ・> (伏) 卩 (呀 THD TO U O (偽 V (血 THD 三村空载 1075 0 Id% 107,9 240 1.5% 1075 120 1.4% 2Q不对称 1074 0 1.2% 107,2 240 1.0% 107,2 120 to% 三村満载 107.2 0 0,9% 1072 240 1,0% 107,2 120 1,0% 我2・2三次淸波注入训制的三村的桥愕仍真数据 \^9[ll资栽\y A B C (U) a必 1THD (夠 (伏) (呀 THD w W (/so THD 三相空载 124.9 0 1.6% 1249 240 1.6% 124,9 120 1.6% 2Q不对称 124.5 0 13% 123,8 240 1.0% 1235 120 IQ% 三相满载 123,8 0 1ro% 123,8 240 1,0% 123,8 120 1,0% 图\10为.•: 次消波注入调制的-相四桥臂逆变器带26不平衡负我时的仿貞波形.如IO)为齐桥惮调制信号.(◎为第四桥愕调制信号打栽波信号.(C)为三相输出电用彼形.电感电流波形。 可以看出蔺二个桥眸的调制波形叫八2也、均为注入三次済波的芷域调制波.第四桥眸调制谀臥为三次淸波。 图2.11为逆变器A相短『孙B.C相满戟时的输出电压和电感电流波形。 500“yw〉uu■swv (c)三IM输II]电JK(®三IH电感电流 国210带2/3不平衡负伐时的仿真液形 Cb)三相电感电流 c相满栽时的仿真披形 仿真结果谖明•三相四桥禅采川正效波调制和三次谐波注入调制都町以带不对称负栽.任电H01: 他参数相同的张什下•三次谐波注入训制的M流电JK率用率明龜离于疋兹波调制的方案。 且三次谐波注入调制的三相四桥HI逆变器在・相短賂的情况下另外两相仍町以正席工作•电路 木敢対桥式逆变器的匸作原理进行了分析.对三相半桥和二相四桥碎逆变器进行了比较。 为了握离-相四桥愕逆变器的流电JR利川率•研究了三次谐波注入的PWM控制方案。 分别对正兹波调制相三次苦波注入调制的-M桥脅逆变器进行了仿其比较.验证了控制方窠的町行性-由此得出结论? 采用三次時波注入调制的三相四桥诵逆«.其木质屋改变了三相倫出小血电压.打正弦波调制的方法相比宣流电压利用帘得到了提鬲•具仃很好的带不平衡祢仮载和如略工作的能丿J°
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