一種簡單的逆變器輸出直流分量消除方法
葉智俊1
,嚴輝強2,余運江,吳建德
1
(1.浙江大學電氣工程學院,浙江杭州310027;2.杭州中信網(wǎng)絡(luò)自動化有限公司,浙江杭州310027;
3.鎮(zhèn)江船艇學院工程系,江蘇鎮(zhèn)江212003)
摘 要:逆變器輸出直流分量會對逆變器本身和交流負載產(chǎn)生不利影響,必須消除直流分量來保障逆變器的可靠運行。提出了一種簡單的消除輸出直流分量的方法,并在理論分析的基礎(chǔ)上,通過對1臺220V、1kW的逆變器系統(tǒng)進行實驗,驗證了該方法的有效性。實驗結(jié)果表明,該方案產(chǎn)生的基準正弦波質(zhì)量高,直流分量消除效果明顯。
關(guān)鍵詞:逆變器;直流分量;基準正弦波電路中圖分類號:TM464    文獻標識碼:A
文章編號:1001-4551(2007)09-0050-03


在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,逆變技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種電力系統(tǒng)供電設(shè)備,以滿足用電負載對供電質(zhì)量的各類要求。作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應(yīng)為正弦波,不含有直流分量。但實際上,對于采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變器,由于基準正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零漂、開關(guān)器件不一致以及驅(qū)動脈沖分配和死區(qū)時間的不對稱等原因,都會造成輸出電壓含有直流
分量[1]
。
在輸出帶工頻隔離變壓器的場合,如果直流分量超過一定值,就會造成隔離變壓器飽和,導致系統(tǒng)過流保護,甚至損壞功率器件。在輸出不帶工頻隔離變壓器的場合,直流分量將直接對負載供電。對于非線性負載,直流分量會造成電流的嚴重不對稱,損壞負載。同時,在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中,直流分量電壓將會造成很
大的直流環(huán)流,嚴重影響系統(tǒng)的均流性能,降低并聯(lián)系
統(tǒng)的可靠性[2,3]
。
近年來在電源數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展下,出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)方法,可以通過對輸出直流分量的采樣,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,送入控制芯片進行處理,從而調(diào)整逆變器的控制信號,達到消除輸出直流分量的作用[4]
。利用數(shù)控的方法,電路簡單,便于控制,但是由于直流分量相對交流輸出而言,幅值要小得多,很難保證精確采樣,因此會大大影響直流分量的消除效果。
本研究主要介紹一種簡單的消除輸出直流分量的方法。
1 基準正弦波對輸出電壓的影響
采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變電路,本研究以常見的輸出電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略為例,
來分析基準正弦波信號對逆變器輸出電壓的影響[5]
。
雙環(huán)控制下的逆變器控制框圖,如圖1所示。




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圖1 雙環(huán)控制下的逆變器控制框圖
Gvcmp(S)和Gicmp(S)-電壓環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)和電流環(huán)調(diào)
節(jié)傳遞函數(shù);M-脈寬調(diào)制電壓比例增益;Lf、Cf、Rf-輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻;Kif、Kvf-電流環(huán)和電壓環(huán)反饋系數(shù)。
根據(jù)控制框圖得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù):
G(S)=
VO
Vrefio=0
=
Gvcmp(s)Gicmp(s)?M
1+s2
CfLf+sCfRf+sCfKifCicmp(s)?M+Kvf?Gvcmp(s)Gicmp(s)?M
(1)
令S=0,得到對于直流分量的傳遞函數(shù):Gdc=VOdcVrefdc
io=0
≈
1Kvf
(2)
式(2)說明逆變器的輸出電壓直流分量與基準正
弦波信號直流分量成比例關(guān)系,比例系數(shù)為電壓環(huán)反饋系數(shù)的倒數(shù),電壓環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)對直流分量的消除幾乎沒有影響。該結(jié)論同樣適用于其他逆變器控制策略。通過以上分析可知,雖然引起逆變器輸出電壓含有直流成分的原因有很多,但是調(diào)節(jié)基準正弦波的直流分量能夠影響逆變器輸出電壓的直流成份,從而實現(xiàn)對逆變器輸出電壓直流分量的消除。
2 直流分量的采樣調(diào)理電路

輸出電壓直流分量的采樣調(diào)理電路,如圖2所示。

圖2 輸出電壓直流分量的采樣調(diào)理電路
Uo是逆變器的輸出電壓,通過2級RC低通濾波器
組成的2階濾波電路,濾除交流成份。
該2階濾波電路的傳遞函數(shù)為:
G(s
)
=
1
s2
R1R2C1C2+s(R1C1+R1C2+R2C2)+1
(3)
為了濾除交流電壓成份,一般而言,RC濾波器的極點設(shè)置遠遠低于輸出電壓的基波頻率,其幅頻特性,如圖3所示。
從幅頻特性可以看到,該2階電路截止頻率很小,
圖3 2階濾波電路的幅頻特性
帶寬很窄,在50Hz基波頻率處,濾波電路有-93dB
的衰減,對直流成分則基本沒有衰減,因此該電路能夠很好地提取直流信號。
集成運算放大器IC1、R4、R5、C3為比例積分電路,為了不對逆變器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響,直流分量調(diào)理環(huán)路的帶寬應(yīng)遠低于逆變器電壓環(huán)的帶寬,因此積分常數(shù)需取值較大,比例常數(shù)則需考慮后級光耦的增益作綜合考慮加以選取。如果逆變器輸出含有正的直流分量,則IC1的輸出為一個正的直流電壓值;如果輸出含有負的直流分量,則IC1的輸出為一個負的直流電壓值。
集成運算放大器IC2與光耦組成一個隔離型的比例放大器,實現(xiàn)隔離。當直流分量為正時,IC2驅(qū)動
OPT2,在電阻R7上產(chǎn)生一個負電壓;當直流分量為負
時,IC2驅(qū)動OPT1,在電阻R7上產(chǎn)生一個正電壓。由此可見,光耦的輸出與直流分量成負比例關(guān)系,R7上的電壓可以直接疊加在基準正弦波信號上,從而消除直流分量。
整個采樣調(diào)理電路簡單、方便、可靠,既實現(xiàn)了直流分量的精確檢測、PI調(diào)節(jié),又實現(xiàn)了與控制電路的隔離。
圖4 基準正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加電路
3 基準正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加
基準正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加電路,如圖4所示。USPWM是DSP查表產(chǎn)生的SPWM方波信號,電
容C1起隔直作用。集成運算放大器IC1和R2、R3、R4、
R5、C2、C3組成1個2階有源濾波器,DSP產(chǎn)生的SPWM
方波信號被濾成光滑、高質(zhì)量的基準正弦波,作為逆變器控制電路的基準。圖2電路產(chǎn)生的直流分量調(diào)制信號Udc通過R1疊加到基準正弦波上,再經(jīng)過逆變器的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)輸出電壓直流分量的消除。
?
15?第9期葉智俊,等:一種簡單的逆變器輸出直流分量消除方法






 




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4 實驗結(jié)果
為了驗證該方案的有效性,筆者設(shè)計了1臺
1kW、220V輸出的逆變器系統(tǒng)。輸出電壓和基準正弦波實驗波形,如圖5(a)所示。輸出電壓的THD為0.6%,基準正弦波的正弦度較好,說明本研究提出的正弦波發(fā)生電路簡單實用。沒有直流分量消除電路時帶整流橋負載實驗波形,如圖5(b)所示。由于輸出電壓中含有直流分量,輸出電流不對稱。有直流分量消除電路時帶整流橋負載和1kW線性負載的實驗波
形,如圖5(c)、
(d)所示。實驗結(jié)果表明,輸出電壓的直流分量幾乎為零,輸出電流波形對稱,說明提出的直流分量消除方法簡單、可靠。
5 結(jié)束語
本研究在分析逆變器輸出系統(tǒng)中直流分量危害和
產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上,提出了一種簡單可靠的直流分量消除電路。直流分量反饋調(diào)節(jié)信號直接疊加到由DSP產(chǎn)生的基準正弦波電路上。實驗表明,該方案產(chǎn)生的基準正弦波質(zhì)量高,直流分量消除效果明顯。
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