单相和三相软开关静止变流器第五章

第五章三相软开关静止变流器的研究有必要研究新的拓扑结构来实现无输出变压器和功率器件软开关的三相逆变器，发展逆变电源的三相独立控制技术。

本章研究了一种新型组合式软开关三相静止变流器拓扑，给出仿真波形。

§5－1 三相软开关逆变器技术的发展状况正弦输出三相逆变电源在国民经济的各个领域得到了广泛应用，如UPS、航空航天、船舶与车辆等。

在交通运输设备中的逆变电源更有体积重量小、效率高和工作可靠等要求。

迄今为止，三相逆变器已出现了几种结构形式，如三相桥式逆变器、三相半桥逆变器和四桥臂逆变器等[1]，电路图分别见图5－1（a）~（c）所示。

1、三相桥式逆变器三相桥式逆变器电路结构简单，所用器件少，功率管承受母线电压。

但为了得到三相四线制输出，减小不对称负载时的三相输出电压不对称度，必须采用中点形成变压器，从而增加逆变器的体积和重量。

与单相软开关逆变器一样，三相桥式逆变器可通过两种方式来实现功率管软开关。

一种是给每个桥臂附加一谐振支路[2]，利用电感和电容的谐振抽光功率管两端电容的电荷，使功率管在其反并联二极管导通期间开通，实现零电压开通，关断靠并联电容的缓慢充电实现软关断。

另一种方案是在三相逆变器的输入端增加一谐振直流环节[3]，利用电感电容的谐振作用使三相逆变桥的输入电压为高频直流脉冲列，脉冲过零点为逆变器功率管提供零电压开关条件，该类逆变器采用离散脉冲控制策略。

2、三相半桥逆变器三相半桥逆变器是在电源输入端用两个电容串联来提供输出中点。

为防止中点电位偏移，串联电容的容值很大，同样加重系统的体积和重量。

在与三相桥式逆变器输出相同电压值的条件下，输入电源电压和功率管承受的电压变大。

3、三相四桥臂逆变器三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上又增加了一个桥臂，该桥臂功率管提供输出中点。

这样不仅逆变器带不对称负载能力提高，而且三相输出电压可独立闭环控制。

当逆变器输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均为零电压开关，开关损耗低，可靠性高。

但逆变器的控制变得复杂。

4、三相组合式逆变器三相组合式逆变器是由三个单相逆变器组合而成，元件数较多，电路复杂。

但每个单相逆变器输出相电压，功率管承受的电压低；自然形成三相中线；三相独立控制，可以提高调压精度和三相对称性。

(a) 三相桥式逆变器电路图(b) 三相半桥逆变器电路图(c) 四桥臂三相逆变器电路图图5－1目前较常使用的三相逆变电源主要有两个缺点：一是有大的输出变压器。

普通三相逆变器输出只有三根线，为了实现三相四线制输出，满足单相用电设备的要求，必须采用工频或中频输出变压器。

另外，为了减小不对称负载时的三相电压不对称度，输出变压器必须有低的零序阻抗，从而使变压器体积、重量较大。

二是功率器件工作于硬开关状态，开关工作频率不高，除个别航空和航天用逆变器开关频率达20KHz 左右外，一般仅几千赫兹，故滤波器件的体积重量降不下来，且滤波时间常数大，输出电压瞬态响应特性差。

因此要研究新的拓扑结构来实现无输出变压器的三相逆变器，发展逆变电源的三相独立控制技术，以消除体积较大的工频或中频输出变压器，同时实现逆变器功率器件的软开关，提高功率器件的开关频率，降低滤波器的体积重量，提高逆变器的工作可靠性和系统动态性能。

为此本文研究了一种新型直流环节软开关三相静止变流器拓扑，主要要求为：①输入电压：DC28V（18V～32V）②输出电压：三相AC，115/200V±1%；400Hz±1%；失真度小于3%③输出功率：1KV A④相数：3相，星形连接，带中线⑤输出三相电压平衡度：<±4%；1/3不平衡负载时输出电压变化范围为110.5～117V AC；2/3不平衡负载时输出电压变化范围为110～118V AC⑥相移：任何相邻两相之间的相角应在120︒±4%范围内§5－2 三相软开关静止变流器的构成及其模块化结构的实现5－2－1 三相组合式软开关静止变流器1、电路构成三相组合式软开关静止变流器的电路框图如图5－2所示。

它由三个单相软开关静止变流器组成，三个单相静止变流器的输出端按星形连接，每个单相静止变流器独立控制。

图5－2 三相组合式软开关静止变流器的电路框图每个单相软开关静止变流器由交叉并联正激直流变换器、吸收电路和桥式逆变器三级级联构成（见图4－1）。

电路的工作原理、特性分析、参数设计、仿真计算以及实验结果等在前几章中已作过详细讨论。

直流变换器将输入电压变换成占空比可调的高频直流脉冲电压，逆变器将该脉冲电压变换成115V交流电压输出，吸收电路用来存储逆变器回馈的能量。

直流变换器和逆变器分别独立控制，直流变换器采用直流脉冲电压平均值反馈控制，桥式逆变器采用瞬时输出电压和滤波电感电流双闭环反馈控制。

因为静止变流器输出电压瞬时跟踪电压基准信号变化，只要控制三个单相静止变流器的基准信号幅值相等，并且满足120︒相位关系，即可控制三相组合式软开关静止变流器的三相输出电压幅值相等，相位差为120︒。

2、仿真结果与分析为简化仿真过程，假设：①交叉并联正激直流变换器改为单端正激直流变换器。

②三个单相静止变流器电路参数相同，并沿用第二章的1KV A 单相软开关静止变流器的电路参数。

③给定三相静止变流器输出电压和吸收电容电压的初值。

④单端正激直流变换器采用开环控制。

三相组合式静止变流器的电路图如图5－3所示。

器件名称满足Pspice 软件要求，电路节点和电流方向均标注在图上。

图5－4（a ）～（n ）为三相组合式软开关静止变流器的部分仿真波形，每一相带40Ω阻性负载，输入电压28V ，正激功率管开关占空比0.6，变压器匝比为14，滤波电感为1mH ，滤波电容为20F μ。

图5－3 三相组合式静止变流器电路图图（a ）给出了三个单相静止变流器的输出电压波形、输出电压有效值和滤波电感电流波形。

A 相输出电压V （9）的初值设定为0，B 相输出电压V （67）的初值设定为-140V ，C 相输出电压V （82）的初值设定为140V 。

0.8ms 后，三相输出电压较为平滑，畸变减小，滤波电感电流脉动降低。

输出电压有效值相等，相位相差120︒。

图（b ）是A 相静止变流器的输出电压V （9）、滤波电感电流I （lfa ）和负载电流I （rna ）波形。

I （lfa ）脉动较大时，V （9）和I （rna ）有畸变。

Alfa I Arna I VUa ︒∠=︒∠=︒∠=∙∙∙5.6346.6)(088.2)(0115图（c ）和图（d ）分别是B 相和C 相静止变流器的输出电压、滤波电感电流和负载电流波形。

三者之间的幅值和相位关系同A 相。

因为仿真对应0s 时，C 相滤波电感电流理论上接近零，所以C 相仿真进入稳态运行的时间比A 、B 相都短。

图（e）中，V（8）、V（60）和V（91）分别是三相逆变桥输出调制电压波形。

将（e）图和（b）~（d）图相对应可见：①当调制电压正负变化时，电感电流脉动较大。

②在输出电压转变方向期间，调制电压正负脉冲变化。

③对应输出电压的峰值处，调制电压的脉冲较密；对应输出电压的过零处，调制电压的脉冲较稀疏。

④三相调制电压基本上也是按120︒相位差分布。

三相调制电压波形之所以有差别的原因在于：直流变换器为开环控制，逆变器负载使直流变换器的输出电压幅值下降，因而电感电流的变化不相同，逆变器功率管的开关状态不相同。

图（f）是三相逆变器输入电压波形。

同样，该电压也按120︒相位差分布。

图（g）是三相正激功率管的漏极电流波形，图（h）是三相整流二极管的电流波形。

变压器原副边电流波形彼此对应。

因为逆变器输入电压的变化引起逆变器功率管结电容的充放电，整流管的电流尖峰较大；当直流变换器提供负载能量时，整流管电流较大；当逆变器处于续流和能量回馈状态时，整流管电流很小；与整流管的输出电压（图（f））相对应，三相整流管的电流也按120︒相位差分布。

图（i）和图（j）分别给出了磁复位二极管的电流波形和吸收功率管的漏极电流波形。

三相电流波形同样按120︒相位差分布，幅值相同。

图（k）~（n）分别是3.7ms~3.8ms范围内三相正激功率管漏源电压波形、三相正激功率管的漏极电流波形、三相吸收功率管的漏极电流波形和三相磁复位二极管的电流波形。

四幅图相对应可见，①正激功率管导通且吸收管关断时，直流变换器提供负载能量，正激功率管流过较大电流；正激功率管和吸收功率管同时导通时，吸收电容提供负载能量，吸收管流过较大电流，正激功率管流过较小电流。

②当逆变器回馈能量或逆变器处于续流状态时，正激功率管流过一小电流。

③当逆变器处于续流状态，且吸收电容电压低于整流二极管输出电压时，吸收功率管的反并联二极管流过一较小电流。

当逆变器向吸收电路回馈能量时，吸收功率管的反并联二极管流过较大电流。

④变压器原边电流较大时，功率管导通压降增大，变压器磁化电流减小，去磁绕组电流较小。

3、静止变流器特性三相组合式软开关静止变流器具有以下特性：①正激直流变换器的功率管施加缓冲电路就可工作在软开关状态；吸收功率管的开关控制在正激功率管的开关范围内即可实现软开关；逆变器功率管控制在逆变器输入电压的过零点开关，可实现零电压开关，但上桥臂功率管开通需消耗其结电容能量。

因此，所有功率管的开关损耗较低，系统可靠性较高。

②高频变压器实现电气隔离，有助于减小体积和重量，提高功率密度。

③三相彼此独立控制，不仅控制简单，而且带不平衡负载能力提高。

④每一相静止变流器既可用作单相静止变流器，也可通过适当的外部控制组合成三相静止变流器，便于实现静止变流器的模块化设计。

⑤三相组合式静止变流器的不足之处就在于需要三套单相静止变流器的器件，不仅器件较多，而且成本也较高。

(a)(b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)(i) (j) (k)(l)(m) (n) 图5－4 三相组合式软开关静止变流器的仿真波形5－2－2 三个单相软开关逆变器共用直流变换器1、电路构成由于电压型直流变换器的隔离变压器副边可以设置多个绕组，每个绕组均可接单相桥式逆变器，因而可获得多相输出。

若副边为三个绕组并后接相同的三个单相软开关逆变器，将三个逆变器的输出端接成星形，即可构成共用直流环节的三相软开关静止变流器，电路框图如图5－5所示。

图5－5 共用直流环节的三相静止变流器电路框图2、电路分析定义sa i 、sb i 和sc i 分别是变压器的三个副边绕组电流，max La I 、max Lb I 和max Lc I 分别是三相滤波电感电流的最大值，p i 是变压器原边绕组电流，max p I 是p i 的最大值，a n 2、b n 2和c n 2分别是变压器的三个副边绕组匝数，1n 是变压器原边绕组匝数。