三相四桥臂逆变器

三相四桥臂逆变器  

摘要：叙述了三相四桥臂逆变器的工作原理与控制方法。

关键词：三相；四桥臂；逆变器Three?phase InverterwithFourBridgeLegs

1前言

三相四桥臂逆变器，主要用于给三相不对称负载供电的UPS、中频变频器和航空机载变速恒频发电系统。它是近两年才出现的一种新型逆变器，主要特点是体积小重量轻。

一般的三相逆变器是只有三个桥臂的三相半桥式逆变器，当给不对称负载供电时，就必须在输出端接入一个△/Y输出变压器，或接入一个中性点形成变压器（NeutralFormedTransformer简称NFT）。NFT是一个变比为1：1的自耦变压器，它虽然比 △/Y输出变压器的体积重量小些，但它的体积重量是随负载不对称的程度而变化的，不对称度越大，它的体积重量也越大。为了除掉输出变压器，减小逆变器的体积重量，可以在三相半桥式逆变器的基础上加入一个桥臂来形成中性点N，如图1所示。这样就构成了适应不对称负载输出的三相四桥臂逆变器。

2三相四桥臂逆变器的开关模态

三相四桥臂逆变器，是由三相半桥式逆变器与一个由S7、S8组成的公用桥臂结合而成的。开关S1、S4与S7、S8组成A相全桥逆变器；开关S3、S6与 S7、S8组成B相全桥逆变器；开关S5、S2与S7、S8组成 C相全桥逆变器；由公用桥臂S7、S8形成中性点。由于S7、S8是公用桥臂，因而A、B、C三相输出电流的激励就发生相互牵制，这是三相四桥臂逆变器控制时必须要解决的难点之一。 假定三相四桥臂逆变器的每个桥臂有两种工作方式：上管导通、下管关断定义为1；下管导通，上管关断定义为0，则四桥臂逆变器共有24=16种开关方式。引入开关电压相量用（uA，uB，uC，uN）表示，其中两种零开关方式：（0，0，0，0）和（1，1，1，1）是相同的，故共有15种不同的开关方式。一个单相全桥式逆变器有三种工作模态。 Mk=

式中k分别代表A、B、C相，则三相逆变器共有 33=27种工作模态如表1所示。由于四桥臂逆变器只有四个桥臂，因而只有15种开关模态。因为有S7、S8中性点形成桥臂的牵制作用，在任一瞬间S7、S8只有一个导通，所以其它三个桥臂的开关不能同时存在相反的激励，故表1中的后12种开关模式不能存在。表

  相别 开关模态 A相 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 －1 －1 －1 －1 　 0 0 1 －1 1 －1 1 －1 1 －1 －1 1 B相 0 0 0 1 1 －1 －1 0 0 1 1 0 0 －1 －1 　 1 －1 0 0 －1 1 －1 1 1 －1 1 －1 C相 0 1 －1 0 1 0 －1 0 1 0 1 0 －1 0 －1 　 －1 1 －1 1 0 0 1 1 －1 1 －1 －1 三相工作模态 对应的开关方式 备注 A相MA B相MB C相MC uA uB uC uN 0 0 0 0 0 0 0 ±iN时零模态 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 －iN时方式 0 0 －1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 －1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 －1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 ＋iN时方式 0 －1 －1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 －1 0 －1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 －1 －1 0 0 0 1 1 －1 －1 －1 0 0 0 1

2给出了三相四桥臂逆变器的15种开关模态及其对应的开关方式。

表2中的15种开关模态，如果某相的开关模态为1，就表明该相加＋E，相电流增加；如果某相的开关模态为－1，就表明该相加－E，相电流减小；如果某相的开关模态为0，就表示该相续流，相电流增加或减小趋势较小。

3三相四桥臂逆变器的HCPM控制

三相四桥臂逆变器由于设置了由S7、S8组成的中性点形成桥臂，这相当于能够实现三相四线制输出，此时各相电路就具有了独立性，各相的输出电压和电流只取决于各相的负载变化。因此采用具有独立控制性能的三态滞环电流脉冲调制（HysteresisCurrentpulseModulator，简称HCPM）控制方式是比较合适的，其A相电路框图如图2所示。它的控制规律是：

当Δi>＋h时（2h为滞环宽度），S1和S8导通， S4和S7关断，A相加＋E，使相电流增大；当Δi<－ h时，S4和S7导通，S1和S8关断，A相加－E，使相电流减小；当－h<Δi<＋h时，S1和S7或S4和S8导通，逆变器A相续流。这样，使A相输出电流在给定的滞环宽度2h范围内跟踪给定电流ira，经交流滤波器LfA、CfA滤波后，即可得到正弦波电流输出。

对于三相四桥臂逆变器，要用三个HCPM分别对逆变器的三相进行控制，但要注意解除由于S7和 S8公用桥臂造成的电流激励的相互牵制，解决的办法是用中性点电流iN控制S7和S8的导通。三相逆变器在实现三相四线制输出时，三相星形负载虽不对称，但三相相电压是对称的，因此三相负载电流也是不对称的，使中线电流iN不等于零。中性点桥臂的S7和S8就是专为iN的流通而设置的，所以电流iN就决定了开关S7和S8的工作状态。为了说明简单，假定三相星形负载是大小不相等的纯电阻负载，即：RA≤RB iC，

iA=uA/RA=(Im＋ΔIA)sinωt=Imsinωt＋ΔIAsinωt

iB=uB/RB=(Im＋ΔIB)sin(ωt－2π/3)

=Imsin(ωt－2π/3)＋ΔIBsin(ωt－2π/3)

iC=uC/RC=Imsin(ωt＋2π/3)

iN=iA＋iB＋iC=ΔIAsinωt＋ΔIBsin(ωt－2π/3)

由余弦定理、正弦定理及图3可知：iN=· sin(ωt－α)α =arcsin

当只有A相有负载时

iN=iA=Imsinωt

当只有A、B相有负载时，假定RA=RB，

则：iN=iA＋iB=－iC=－Imsin(ωt＋2π/3)

当三相负载对称时，RA=RB=RC则：

iN=iA＋iB＋iC=0

从以上分析可知：中线电流iN有三种值：iN=0，

iN=＋iN和iN=－iN。iN的的检测有两种方法，如图4所示。其中图4（a）是用两个小直流电容Cd1=Cd2形成直流电压中点N1作为中性点对iN进行检测；图4（ b）是用小型NFT形成的中性点N1作为中性点对iN进行检测。当三相负载对称时iN=0，S7和S8都不导通；当iN=±iN时，±iN的正半周使S8导通，±iN的负半周使S7导通，逆变器四个桥臂在－iN和＋iN时的开关方式如表2所示。这样，S1～S6的控制就可以采用带有电流内环的所有PWM控制电路，例如三相HCPM控制电路等。理论分析表明，采用iN控制S7和 S8的导通可以使控 制 精 度 提 高 ， 可 以 使 输 出 电 压 、 电 流 的 波 形 更 接 近 于 正 弦 波 ， 可 以 使 S1～ S6与 S7、 S8的 控 制 分 开 独 立 进 行 。

起 动 过 程 ： 起 动 前 S7和 S8处 于 关 断 状 态 ， 控 制 电 路 的 直 流 电 压 已 加 上 。 在 起 动 瞬 间 iN=0， 所 以 电 流 互 感 器 的 CT2的 次 级 无 感 应 电 压 发 生 ， “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 正 电 压 使 交 流 开 关 S9导 通 ， N′ 与 N1点 之 间 有 电 流 iN流 过 ， 电 流 互 感 器 CT1次 级 的 感 应 电 压 使 S7或 S8导 通 （ iN正 半 周 使 S8导 通 ， iN负 半 周 使 S7导 通 ） ， 逆 变 器 进 入 工 作 状 态 。

正 常 工 作 过 程 ： 在 iN过 零 期 间 ， S7和 S8不 导 通 ， CT1和 CT2次 级 无 感 应 电 压 ， “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 正 电 压 使 S9导 通 。 iN流 通 并 在 CT1次 级 感 应 出 电 压 使 S7或 S8导 通 ， 此 时 ， iN的 大 部 分 由 N′ 点 到 N2点 通 过 S7或 S8流 通 ， 并 在 CT2的 次 级 感 应 出 电 压 ， 使 “ 过 零 点 检 出 ” 电 路 输 出 零 电 压 将 S9关 断 ， 使 iN全 部 通 过 S7或 S8流 通 ， 进 入 到 iN≠ 0期 间 。 此 时 ， 虽 然 N1点 与 N2点 电 位 不 等 ， 但 由 于 S9的 关 断 就 切 断 了 N1到 N2点 之 间 流 过 的 电 流 ， 以 提 高 逆 变 效 率 。

由 以 上 分 析 可 知 ： 开 关 S7和 S8工 作 在 基 频 ZCS状 态 ， 故 可 以 采 用 无 反 并 联 二 极 管 的 晶 闸 管 作 开 关 ， 以 减 少 成 本 ， 提 高 逆 变 效 率 。

当 三 相 四 桥 臂 逆 变 器 采 用 iN控 制 S7和 S8导 通 ， 与 S1～ S6采 用 HCPM进 行 控 制 时 ， 这 两 种 控 制 是 互 不 相 关 的 ， 可 以 分 别 独 立 进 行 控 制 。 对 于 S1～ S6的 HCPM控 制 过 程 是 这 样 的 ： 三 态 HCPM周 期 地 对 滤 波 电 感 电 流 iLfA和 给 定 电 流 ira进 行 采 样 保 持 （ Sample/Hold， 简 称 S/H） ， 滤 波 电 感 LfA即 是 滤 波 电 感 ， 又 是 HCPM的 积 分 环 节 ， 它 给 电 流 闭 环 控 制 提 供 一 个 斜 坡 函 数 ， 在 采 样 点 上 ， 如 果 ira－ iLfA=Δ i<－ h时 ， 则 S1和 S8导 通 ， 将 ＋ E加 到 LfA两 端 ， 使 iLfA增 大 ； 如 果 ira－ iLfA=Δ i >＋ h， 则 使 S4和 S7导 通 ， 将 － E加 到 LfA两 端 ， 使 iLfA减 小 ； 如 果 ira－ iLfA=Δ i， － h<Δ i<＋ h， 则 使 S1和 S7或 S4

和 S8导 通 ， 将 LfA短 路 逆 变 器 续 流 。

4 采 用 负 载 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器

在 采 用 HCPM控 制 时 ， 为 了 提 高 逆 变 器 的 动 态 响 应 速 度 ， 应 采 用 电 压 、 电 流 双 闭 环 控 制 ， 电 压 调 节 作 外 环 ， 电 流 调 节 作 内 环 ， 外 环 采 用 了 PI调 节 器 。 这 对 于 逆 变 器 来 说 ， 当 负 载 变 化 时 输 出 电 压 也 发 生 变 化 ， 输 出 电 压 有 静 差 。 为 了 消 除 电 压 静 差 ， 在 采 用 PI调 节 器 的 基 础 上 又 加 入 了 电 流 正 反 馈 iAf和 给 定 电 压 ura的 微 分 支 路 。 电 流 正 反 馈 iAf与 PI的 输 出 ir以 及 ura微 分 支 路 的 输 出 信 号 三 者 相 加 作 为 电 流 调 节 器 的 给 定 信 号 。 这 种 调 节 方 式 称 作 “ 负 载 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器 ” ， 其 原 理 框 图 如 图 5所 示 。 这 种 电 压 调 节 器 的 传 递 函 数 是 个 常 数 ， 其 特 点 是 与 负 载 变 化 无 关 ， 无 论 负 载 如 何 变 化 其 输 出 电 压 总 是 等 于 给 定 电 压 ur， 不 产 生 电 压 静 差 。

5 结 语  

采 用 中 线 电 流 iN控 制 S7和 S8的 导 通 ， 是 比 较 精 确 的 控 制 方 式 ， 它 消 除 了 S7和 S8桥 臂 对 三 相 电 流 的 牵 制 作 用 ， 可 以 使 用 于 多 种 类 型 的 带 电 流 内 环 控 制 的 PWM控 制 电 路 。

采 用 电 流 前 馈 式 电 压 调 节 器 ， 可 以 消 除 输 出 电 压 的 静 差 ， 可 以 提 高 逆 变 器 的 动 态 响 应 速 度 。