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.杭州中信網絡自動化有限公司,浙江杭州310027;
3.鎮江船艇學院工程系,江蘇鎮江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上,通過對1臺220V、1kW的逆變器系統進行實驗,驗證了該方法的有效性。實驗結果表明,該方案產生的基準正弦波質量高,直流分量消除效果明顯。
關鍵詞: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


在現代生產生活中,隨著電力電子技術的發展,逆變技術被廣泛地應用于各種電力系統供電設備,以滿足用電負載對供電質量的各類要求。作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應為正弦波,不含有直流分量。但實際上,對于采用SPWM調制技術的逆變器,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、開關器件不一致以及驅動脈沖分配和死區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,在逆變器并聯系統中,直流分量電壓將會造成很
大的直流環流,嚴重影響系統的均流性能,降低并聯系
統的可靠性[2,3]
。
近年來在電源數控技術的快速發展下,出現了數字調節方法,可以通過對輸出直流分量的采樣,經A/D轉換成數字信號,送入控制芯片進行處理,從而調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調制技術的逆變電路,本研究以常見的輸出電壓外環、電感電流內環的雙環控制策略為例,
來分析基準正弦波信號對逆變器輸出電壓的影響[5]
。
雙環控制下的逆變器控制框圖,如圖1所示。




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圖1 雙環控制下的逆變器控制框圖
Gvcmp(S)和Gicmp(S)-電壓環調節傳遞函數和電流環調
節傳遞函數;M-脈寬調制電壓比例增益;Lf、Cf、Rf-輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻;Kif、Kvf-電流環和電壓環反饋系數。
根據控制框圖得到系統的閉環傳遞函數:
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: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系,比例系數為電壓環反饋系數的倒數,電壓環和電流環的調節傳遞函數對直流分量的消除幾乎沒有影響。該結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,但是調節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,從而實現對逆變器輸出電壓直流分量的消除。
2 直流分量的采樣調理電路

輸出電壓直流分量的采樣調理電路,如圖2所示。

圖2 輸出電壓直流分量的采樣調理電路
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產生影響,直流分量調理環路的帶寬應遠低于逆變器電壓環的帶寬,因此積分常數需取值較大,比例常數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,實現隔離。當直流分量為正時,IC2驅動
OPT2,在電阻R7上產生一個負電壓;當直流分量為負
時,IC2驅動OPT1,在電阻R7上產生一個正電壓。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。
整個采樣調理電路簡單、方便、可靠,既實現了直流分量的精確檢測、PI調節,又實現了與控制電路的隔離。
圖4 基準正弦波的產生及直流分量的疊加電路
3 基準正弦波的產生及直流分量的疊加
基準正弦波的產生及直流分量的疊加電路,如圖4所示。USPWM是DSP查表產生的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產生的SPWM
方波信號被濾成光滑、高質量的基準正弦波,作為逆變器控制電路的基準。圖2電路產生的直流分量調制信號Udc通過R1疊加到基準正弦波上,再經過逆變器的閉環調節系統實現輸出電壓直流分量的消除。
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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 實驗結果
為了驗證該方案的有效性,筆者設計了1臺
1kW、220V輸出的逆變器系統。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 結束語
本研究在分析逆變器輸出系統中直流分量危害和
產生機理的基礎上,提出了一種簡單可靠的直流分量消除電路。直流分量反饋調節信號直接疊加到由DSP產生的基準正弦波電路上。實驗表明,該方案產生的基準正弦波質量高,直流分量消除效果明顯。
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[編輯:羅向陽]
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[編輯:李 輝]