三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制

1、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在传统的三相全桥逆变器的基础I:增加一个桥皆构成的三相四桥悯逆变器可以产生三个独 立的输出电JKa通过所埔加的第四桥曾产生一个自由度来控制中性点电JR,可以使逆变器具有 带不平衡负载的能力。本章对采用正弦脉宽调制技术6PWM)的三相半桥逆变器和三相四桥普 逆变器进行了分析比较，重点分析了正弦波调制和三次谐波注入的PWM控制的三相四桥号逆 变器I:作原理，并进行了伤口比较.2.1 三相半桥逆变器的工作原理分析2.1.1 三相半桥逆变器输出纹波分析当逆变器的开关频率远大于输出频率时,逆变器输出电乐主要包含调制频率及其谐波、开

2、 关频率及其谐波的边颜带卜'。在SPWM逆变器中开关频率远大于输出频率，因此席次南波群 远离整波.经过滤波后谐波得到了抑制，逆变器输出基本上只剜下基波电压。木节利用平均值 模型町 招输出电乐在一个开关周期内的平均值近似为输出电东基波分尤的瞬时值来分析电感图ZL 半桥逆变器主电路图22单相半桥逆变器图2.1所示为三相半桥逆变器主电路图，三相半桥逆变器蟀相的工作方式与单相半桥相同, 其中一相的电路结构图如图2.2所示，在一个开关冏期内有：4= ：QD-,d(f)T<t<T一个开美周期内输出电床的平均值为：5 =5 I： “付=皿£) 一 ；后(2.2)其中- d(f)

3、 =+ r”sin(Q。 . m为调制比，取i = 1，则输)出电爪为：(2.3)滤波电感上的电流纹波为:1 P-uT<t<d(tyri p1将式(2.2)代入式(2.4)可以得到电流纹波为：(2.4)(2.5)= >J_sm,3O拉加先妁Q-d©J /图2.3输出电JIM。和也感电流打变化曲线图2.3示出了输出电东4(f)和电感电流纹波心3的变化曲线，可以看出，输出电乐过零处电感上的电流纹波最大，最大电感电流纹波为:(2.6)(2.7)(2.8)输出滤波电容充电的平均电流为：电容在工/2时间间隔内充电网，所以输出电乐纹波为：(。二竺 2八 C 2p=罚句一2.1.

4、2三相半桥逆变器输入电容电压纹波分析当逆变器的前级为DCZDC变换器时，逆变器的输入端电容前的电流可认为是一直流；也 逆变器的输入电容承担功率解烟的功能【'叫在三和半桥逆变器，3输入电容还具仃抑制中点电 位偏移的作用。三相半桥逆变器的负载不平衡时,输出中线流过不平衡电流电流总、小 上的方向如图2.1所示，作出中线电流入.、输入电容电流*和*、输入电容电乐心和心，的 近似曲线如图2.4所示。以A相带26载,B、C相空载为例来分析输入电容上电压的脉动，则(2力其中.，为输出额定电流行效值，8为输出电流初始相位角，取决于开机瞬间基准电出的瞬时 值.是一个随机地。(2.15)(2.(10)(2

5、.(11)(2.(12)(2.(13)(2.(14)J2I1L.、dr + S-% = 一 cos(tW + 司)- co36 + -£3o)Cy2分压电容上的平均电压为:图2.4中线电流小、输入电容电流电和加、输入电容电东小 和小 的近似曲线在三和半桥逆变器中，要求q = g ,假设输入分乐电容的初始电JK为=。门° = e。由2如= E ,可以得到a* +0° = 0。又因为如+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-分展电容匕的

6、电压脉动为:则两个分压电容上的电乐不平衡值为：(2.16)2 W* |(2.17)由式(2.16)可以得到西个输入分压电容的取值范困为： rW 2H2.2三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出纹波分析三一四桥皤的海相桥臂与第四折臂构成一个全桥逆变隔 但斑相的工作方式与单相逆变器 有所不同。本节分析了这种情况：逆变电路的一个桥料采用SPWM控制，第四个桥普以固定的 。的占空比匚作？如图2.5所示。4区A G图2.5三和四桥臂一相电路的工作模态假设开关须率远大于输出基波频率，一个开关冏期内的输出电压幅值不变。对25示出了 四个开关管弱动信号之间的相位关系，由此看出三和四桥臂

7、斑相桥情控制信号的分布并不是随 机的。在一个开关周期内有四个.作状态，三相四桥椭中通用电路的工作模态如下：-图2.6三相四桥除单相电踣模态图SJ &、£开通，如图2.6所示，A、N两点间输出电压为助电感电流增加,电 源向负载提供能盘，电感上电流变化量为：(2.18)时刻,。关断，一导通，如图26(切所示，A、N两点间输出电压为期.电感 电流经过Q、Q续流.此时电感上电流变化室为:：(2.19)/ Y 一时刻，2关断，。导通，如图26©所示，A、N两点间输出电乐为人 电感 上电流变化量为,Q20)E-U& =-U如L与时刻，&关断，。，导通，如图26(

8、所示，电感电流处于续流状态，A、N两 点间输出电压为期.电感上电流变化搔为，(2.21)由以上分析可以看出，逆变器在 个开关周期内有两个电平输出状态，一个开关周期内A、N两点间输出电乐可表示为t(2.22)(2 23)o,h(OT-LT <f<|r-U(/)3110,-T <t<T O' ， 1一个开关周期内输出电东的平均值为：S,="u 才= (/)_；£由式(2.23)可以得到逆变曙输出电压为:(2.24)电感电流纹波可表示为:d（o-Lr,o<t< Ld（t）T - 1 t-U1131木卜北阳，丁函-产"产-那f)

9、中山© -如丁 - ys ”,.Lt,£t <t<TL 2 ' 2 ''(2.25)将式Q.23）代入Q.25）可以得到电感上电流纹波为(2.26)输出电JK幡值(2.27)(2.28)图2.7输出电-4s和电感电流M变化曲线图2.7示出了输出电压/©和电感电流纹波了的的变化曲线，可以看出， 处电感上的电流纹波母大，最大电感电流纹波为：M =-4"输出电乐纹波为:E1 就1电饥1 - -suXOl o w « 不16jr °E1-j 6 f 1slM+ 34 0f 4 2万2.2.2三相四桥臂逆变器

10、输入电容电压纹波分析同样以A相带2/3裁，B. C相空载为例来分析三相四桥臂逆变器输入电压的肽动。三相 负祓不平衡时负载电流可分解为正序分量、侦序分量和零序分量。在三相四桥神逆变器”3零 序电流通过第四桥臂流过，所以不平衡负载时的零序分量不会影晌到输入电用的纹波。为了控 制输出三相电压的平衡,牛相桥白开关函数中存在负序开关函数,从而可得到正序占空比函数和负序占空比函数。正序电流4负序占空比函数的乘积以及负序电流与正序占空比函数的乘积 将在输入电流中产生二次亦特征谐波分，他，从而在输入电压上产生两倍于基须的电压脉动。系 统无法从控制策略卜.消I除该靖波分量”因此.二相四桥臂逆变器需要输入滤波电容

11、束港除该谐 波电流，使得输入电底脉动在要求的范用内a假设开关管是理想的，考虑到开美函数中的正序分量、负序分吊:和与序分量，孙桥普占空 比的表达式为，!* = d. sin(3f+6 J + 4 sirtX+ 包 D + d)皿5 + 旦 Jda = d、sin(Bf+6"、-2" /3) + d,豆«血“ +2万 /3) +rf0 血乂切1+8.,，o)4 = d sin(8/ + G. . + 2r /3)十 4 sin(8,十4 e -2务 /3) +4+优 °) C 9)a=4)区岭，+/ °)其中,对a=Rag为备存分量对应的占空比函数

12、，%式人=”4。)为备序分量对应的占 空比函数初始向dA、B两相桥曾间输出电JR的表达式为；坦3二("-直鸿=、行机d.sm(Gf+C + 力/ 6) + & siiX>f+- n /6)(2.30)同理可得小C和Q”的表达式。与逆变器三相仇我不平衡时，各桥忤输出电流的非达式为："=4 如Qf 十 e ,)十 z,出。，+«)+)»i/JB = J,疝1噂"十e ”一 2% /3) + /“ sirQf + C “ + 2开 /3)十 Z(I siilQ"十£. °)晨=J. siiryt + d -

13、 +2力/3) +人 sinj(Gf+6 , - 2万/3) + 41sh乂皿+ 8 J。"1) 一-3"2 + 2 0)其中，4 (k=p,几0)为牛序分量对应的电流峰值，g ,(k = p,0)为各序分量对应的电流初 始角B直流恻输入电流为:? = 4乙+知而+4%+/£。工)由式Q29)和(23)代入式Q .3劣可以得到输入电流瞬时值的表达式为,' =，同( c。式包0-&. p)+ d,，。侬- -e; j3 "Q33)十-< 】八c。即矽"4+a)一 用乙co42以+d+ a.，则输入电流的交流分地为：(2.34

14、)】小(2砒)=；-d/os(2M + aj+0,)-&(cos(%f +色,“+.)逆变器输入电座与输入电流的关系为:(2.35)则输入电压的二次谐波电压为:(236)u (2of) =-d I shlQS + e +0 ) + d I 疝42加 + 夕 + 6 )1An、 / JtyC 工。C 、d一户 J。 、dj ，_“fl!A相带2Z3载，B、C相空载时有乙=4=嬴4，根据式(2.36)可以得到输)入电容同满足;(2.37)由式(2.30)可以得到输出线电压的峰值U.4s满足：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励入电容的取值范附为：C 1 12曲.由以上分析可.以看出，同样功率等级的三相四桥皆逆变器所需的输入滤波电容远小于三相 半桥逆变器，所以与三相半桥逆变器相比，三相四桥皆逆变器体枳和垂玷得到了减小。在第四 桥碑固定占空比的三和四梅鸭逆变器中，其输出电压、输出电氏纹波最大值和电感电流纹波最 大值与三相半桥逆变器相同，所以这种控制模式下的三相四桥以逆变器实际上等同于三湘半桥 逆变器，虽然三相之间独立输出，但直流电任利用率低a为了克服这一三点,可以通过在调制 波中登加基波的谐波波形甚至三角波、方波以及可编程的波形来提高门.流电年利用率叫2.3采用三次谐波注入法的三相

16、四桥臂逆变器2.3.1 三次谐波注入法原理为了便于分析，假设直流电源E一分为二，中间电位为。，如图2.8所示a四个桥湾的中 间点电压分别为以、小、弭、，电感电流分别为必、L，三相输出电JK分别为、 应八七,输出电流为L、L,、四。B32.8三相四桥竹结构图高频三角波的频率为A且远大于调制信号频率，滤波器。= 4 =。=1、 d = g = q. = c, n工、c：很大。为了便于分析，暂时忽略上上的低频电1E分量和（7上的低 频电流分量；逆变桥的上下管为互补导通，训制信号与三角波交被所得的脓冲信号控制上管， 其互补信号控制下管。设四个桥砰的调制信号分别为匕、%、心、%。三相四标皆中，L F +

17、.金口,由七、%，山和第四桥寓的中间点电位人共同决定如、 4B、&由第四桥他的调制信号”V决定，与k、丹6、,无关。假设；如=4皿吟=Q,出Q#-120"）（2.41）U ；. = U240"）忽略L%、工卷、21中的低须分量，有 dt ar dt（伞）-3如=3/，43）一&（。）= 35Q42）出 3）-&3） = 4为了降低电源电JR，提高电东利用率，可以通过改变谣制电JR,使%、%、4的幅值降 低。由式。.42）可以看出，4,、地-u“.为逆变器输出三相电去输出在逆变器输出电压幅值 恒定时-只能通过改变、才能改变%、1%、Uf O用三欢诲波注

18、入的正弦波湖制时，如图2.9所示。刺制波%、/、%、气，为。sm4J 十后sin3G。-12。)sin 劝 j)(2.43)图29注入三次谐波的洞制波如果洲=1, 0.14后02,则匕八 七、嗔的幅值小于三角波的幅值.不会出现过调制“ 。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可以得到三相输出电JK为：n4nCE=51118 tE=当应1/-12)=如法一240")(2.45)111(2.45)”以看出

19、，与采用一次谐波注入的正弦波调制方法时，逆变黑输出相电乐幅值为 R =EJ后。而采用常规的正弦波调制此 第四桥臂的控制信号是固定占空比为0.5的方波， 第四桥噌中点的平均电压与输入中点电压相同.输出相电压时dU.=5/2,直流电压利用率偏 低。在调制信号中注入三次谐波后，直流电JK利用率提卷了 13.4%“2 3 2三相四桥臂逆变器的PWM控制及仿真对正弦波调制和采用三次谐波注入调制的三相四新臂逆变器进行仿氟不考虑开关管死区、 管压降、电路分布阻抗等因素的影响，仍宽参数为：直流侧输入电压S = 30or,珊制比】=0.98 , 开关须率£ = 20雄，输出电压频率f = 400死，输

20、出滤波电感4=240作H .滤波电容 二2。湎-表21是几种负载条件下备相输出电压色、输出电压THD、输出电压相位入 表 2.1为正弦波调制的三相四桥皆仍真数据，系统直流电压利用率为0.5,表2.2为三次谐波注入 调制的三相四桥弯仿真数据.直流电压利用率为0.58e表2.1正弦波表制的三相四折代仿真数据、输出 负我ABCU您W （度）THD(%)U C(伏)（度）THD (%)U（伏）<P(唠THD的三相空载107.901.5%107.92401.5%107.91201.4%2B不对称107.401.2%107.22401.0%107.21201.0%三相满载107.200.9%107.22401.0%107.21201.0%表2.2 t 谐波注入调制的三相四桥臂仿真数据蒯11 贪战ABC5 （伏）夕 THD(%)工（伏）血THD 的（伏）夕（度）THD的三相空载124.901.6%124.92401.6%124.91201.6%2B不对称124.501.3%123.82401.0%123.21201.0