【文章內(nèi)容簡介】 出采用移相調(diào)壓的方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓可調(diào)，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓幅值的目的。移相調(diào)壓技術(shù)是將多臺逆變器通過變壓器申聯(lián)，通過調(diào)節(jié)它們輸出電壓的相位差角，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓的要求[24][25]。兩組輸出電壓間基波的相位差為2α，則輸出電壓為 (218) (219)可見，在調(diào)壓的時(shí)候，α的增大或減小，即 U01 、U02 的相位拉開或靠攏，只引起U0幅值的變化，相位不會變化。 移相調(diào)壓原理 移相調(diào)壓階梯波逆變器輸出電壓波形分析兩臺逆變器串聯(lián)疊加可以有兩種電路形式，一是逆變橋輸出通過變壓器后串聯(lián)疊加再經(jīng)濾波器輸出，即所謂先串聯(lián)后濾波電路，；另一種是逆變橋輸出通過變壓器后先濾波再串聯(lián)，即所謂先濾波后串聯(lián)電路。采用移相調(diào)壓技術(shù)，在兩臺逆變器各自輸出的基波電壓進(jìn)行移相疊加時(shí)，各次諧波電壓也同時(shí)在疊加， 先濾波后串聯(lián) 先串聯(lián)后濾波因而系統(tǒng)輸出的電壓波形中，各次諧波電壓幅值也將隨移相角的變化而變化。 先串聯(lián)后濾波電路的諧波分析，系統(tǒng)以直流母線電壓Ud中點(diǎn)電壓為參考點(diǎn)時(shí)，輸出波形即為12階梯波。系統(tǒng)變壓器連接為△/Y形連接，變壓器原邊線電壓的n次諧波[26]。 (220)同樣，可以推得逆變器B變壓器原邊對應(yīng)的線電壓的n次諧波， (221)當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行移相調(diào)壓時(shí)， (222) (223)其中，N為變壓器變比，為方便計(jì)算，本章（除仿真外）均取N＝1。由式(223)可以看出，疊加后的波形，理論上將只含有6k177。1 (k=3,4,5...)次以上的諧波，即含有11次、13次、17次、19次等諧波。同時(shí)，由于移相角α的存在，使得系統(tǒng)輸出波形中的各次諧波幅值將隨α角的變化而變化。、1117和19次諧波幅值隨α角變化情況，其中，基波及各次諧波幅值均取，即相對直流母線電壓的標(biāo)么值，α值用弧度表示。由上圖可以看出，當(dāng)移相角α變化時(shí)，基波及各次諧波幅值變化是一余弦變化曲線。移相角α不僅影響各次諧波幅值，同時(shí)，也對系統(tǒng)輸出電壓的總諧波含量THD有影響?？紤]輸出端采用Γ型濾波器，經(jīng)過輸出濾波器后，若逆變器空載，即負(fù)載阻抗。，對于n次諧波有: (224)其中， (225)設(shè)濾波器的諧振頻率。從圖中可以看出，經(jīng)過濾波器后，高次諧波得到了較大的抑制。，THD隨著α角的變大而呈現(xiàn)震蕩型的增大。當(dāng)移相角α較小時(shí)，移相調(diào)壓12階梯波逆變器的直流母線電壓利用率較高。當(dāng)要求輸入電壓在177。10%范圍內(nèi)變化時(shí)，空載時(shí)若設(shè)計(jì)額定工作點(diǎn)為α＝；當(dāng)輸入電壓最高時(shí)，α=；在最低輸入電壓時(shí)，α＝。在此區(qū)間內(nèi)，THD值小于2%，可以滿足通常的技術(shù)指標(biāo)要求。 THD隨α變化曲線應(yīng)用MATLAB軟件，對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。,其移相角為α＝。 先濾波后串聯(lián)電路諧波分析，A組逆變器輸出的電壓先經(jīng)過交流濾波器的濾波，然后再進(jìn)行移相疊加。對于此種電路，如前分析，系統(tǒng)空載時(shí)，其中，K與前述中含義一樣。進(jìn)行移相疊加時(shí)，則N同前述，為變壓器變比。比較上述兩種功率電路所對應(yīng)的分析，對于系統(tǒng)輸出端而言，兩種功率電路對諧波的抑制在理論上是一樣的。同前述分析，系統(tǒng)輸出n次諧波電壓( N為變壓器變比)。由此可以得出，對于兩種不同的功率電路在空載時(shí)，THD隨移相角α變化曲線是一致的。同樣用MATLAB軟件，對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。,其移相角也取α＝。 移相調(diào)壓階梯波逆變器動態(tài)特性研究 移相調(diào)壓階梯波逆變器的動態(tài)模型為了研究系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能,對系統(tǒng)進(jìn)行了小信號分析。首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,為了便于建模分析,同時(shí)保證模型的合理有效,做如下假設(shè)：①假設(shè)系統(tǒng)在某一時(shí)刻已經(jīng)穩(wěn)定,輸入給定發(fā)生微小變化Ugr,考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能；②所有元件都是理想的，無寄生參數(shù)，功率管的開關(guān)在瞬間完成，并忽略上下管的死區(qū)時(shí)間；③輸出電壓為正弦波，忽略所有諧波，并忽略濾波器對基波的延遲[24]。根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成。下面具體分析各部分等效模型。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1) 電壓調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (226) 其中比例系數(shù)，積分時(shí)間，,結(jié)構(gòu)圖如下 PI調(diào)節(jié)器2) 比較器，由圖不難推得 (227)因此，比較器輸出脈寬與輸入電壓成正比。在本系統(tǒng)中，鋸齒波頻率很低，為800Hz，如果Up發(fā)生變化，要等到下一次鋸齒波交截才會發(fā)生變化，即存在時(shí)間上的延遲。平均半周期調(diào)整一次，調(diào)節(jié)緩慢，可以將其等效為一個(gè)較大的慣性環(huán)節(jié)[27]。，其中。 比較器 比較相位形成3) 脈沖系列生成器由于本系統(tǒng)擬用計(jì)數(shù)器對移相信號進(jìn)行對應(yīng)的系列脈沖生成，通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，所以也存在著時(shí)間上的延遲。也可以將其等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)時(shí)間長數(shù)取取1/3周期的長度即＝。 脈沖系列生成器4) 逆變電路 前后兩組逆變器可等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，各管占空比固定，比例系數(shù)kE正比于輸入電壓Ud和變壓器變比，額定輸入電壓時(shí)的kE＝46，取其為該環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。 逆變器調(diào)節(jié)前后組逆變器輸出電壓的相位差可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。即，其中 移相調(diào)壓框圖 移相調(diào)壓矢量圖由于cos是超越函數(shù)，不能進(jìn)行拉氏變換。考慮將cos在一定條件下線性化[27]。由于假定①，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，如果此時(shí)電壓給定有微小變化ugr，變化不大，設(shè)系統(tǒng)原來穩(wěn)定在，由泰勒級數(shù)可知 (228)拉哥朗日型余項(xiàng)是高階無窮小，可忽略。對上式進(jìn)行拉氏變換，可得 (229)即移相調(diào)壓等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)。輸入電壓為530V的額定值時(shí)，取。 逆變電路5) 反饋環(huán)節(jié)三相輸出電壓經(jīng)取樣、整流、濾波得到反饋電壓Uf，反饋環(huán)節(jié)的原理電路如圖，可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，如圖。三相整流后得到六波頭的饅頭波，脈動頻率為，濾波時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于3倍的脈動周期，因此Tf＝。另外反饋放大倍速為反饋?zhàn)儔浩鞯淖儽扰c分壓比例的乘積，實(shí)際取kf＝。 反饋電路圖 反饋框圖 綜上所述，系統(tǒng)的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)如圖。 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖 移相調(diào)壓階梯波逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)及動態(tài)特性研究系統(tǒng)開環(huán)傳函為 (230)閉環(huán)傳遞函數(shù)如下 (231)1）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的特征方程為： (232)整理得： (233)列出如下勞斯表：可以根據(jù)勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，勞斯表第一列為正[28]，得出： (234)整理得：。因此，，系統(tǒng)就能夠穩(wěn)定。2）系統(tǒng)PI參數(shù)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)性能有直接影響。選擇適當(dāng)?shù)腜I參數(shù)可使系統(tǒng)具有良好的性能。分別固定kp或Ti時(shí)變化另一個(gè)參數(shù),可以做出系統(tǒng)的伯德圖。 kp=5,Ti= 固定Ti，改變kp、Ti參數(shù)下的系統(tǒng)分析結(jié)果,。比例系數(shù)kp相角裕度20lgh(db)幅值裕度γ截止頻率wc(rad/s)89188510積分時(shí)間Ti= 固定kp，改變Ti積分時(shí)間Ti相角裕度20lgh(db)幅值裕度γ截止頻率wc(rad/s)135比例系數(shù)kp＝5，可以得出如下結(jié)論：a)小PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)或增加積分時(shí)間可以增加系統(tǒng)的相角裕度，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定；b)小比例系數(shù)或增加積分時(shí)間的同時(shí)，系統(tǒng)的截止頻率也減小，即降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；c)因此，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，提高系統(tǒng)的增益，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。d)提高系統(tǒng)相應(yīng)速度的同時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)超調(diào)。考慮到輸出對后級的負(fù)載可能造成損害，應(yīng)限制超調(diào)，所以要求相對較大的相角裕度。當(dāng)然，由于在建模過程中忽略了許多次要因素，有的參數(shù)取了近似值，模型建立并不精確。仿真并不能代替試驗(yàn)調(diào)試，仿真目的是為選擇電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)提供理論依據(jù)及取值范圍，指導(dǎo)電路參數(shù)選擇。根據(jù)前面分析結(jié)果，初步確定電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)為比例系數(shù)kp＝5，積分時(shí)間Ti＝。3）系統(tǒng)動態(tài)特性研究 根據(jù)上面的設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。本設(shè)計(jì)的移相疊加三相逆變器三相之間具有相對獨(dú)立性，因此單相系統(tǒng)的動態(tài)性能便能夠反映出整個(gè)三相系統(tǒng)的動態(tài)特性[17][20]。系統(tǒng)使用MATLAB的SINMULINK工具箱進(jìn)行仿真，利用負(fù)載擾動可以觀測系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)[29][30]，％突加到100％的輸出電流電壓波形，％突減到10％的輸出電流電壓波形。從中可以看出，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度很快，超調(diào)量很小，因此本系統(tǒng)對負(fù)載擾動具有較好的動態(tài)特性。 突加負(fù)載波形 突卸負(fù)載波形％（從530V到477V）輸出電壓波形，％（）輸出電壓波形，可以看出，兩個(gè)過程輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)間都比較長，近300ms，實(shí)際系統(tǒng)具有直流電容，能較好的抑制母線波動，從而減少輸出電壓波動。 母線電壓突減10％波形 給定突加10％波形 小結(jié)主要講述了多重疊加12階梯波逆變器的原理及移相調(diào)壓工作方式，并對移相角與輸出各次諧波的幅值，THD的關(guān)系做了詳細(xì)的理論分析。根據(jù)逆變電源的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，提出了電源的動態(tài)模型，并利用該動態(tài)模型討論系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，確定了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)運(yùn)用MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。經(jīng)過理論分析，推導(dǎo)出12階梯波逆變器能消除7次諧波，使系統(tǒng)最低次諧波為11次，通過移相調(diào)壓，可以連續(xù)改變輸出基波電壓幅值大小。對系統(tǒng)建模分析，從而設(shè)計(jì)出電壓調(diào)節(jié)器，通過仿真，驗(yàn)證了校正后的系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，為后面設(shè)計(jì)逆變電源提供了理論指導(dǎo)。3 逆變電源主功率電路分析 概述移相調(diào)壓階梯波逆變器主要由以下幾部分組成：輸入整流濾波電路；兩組12階梯波逆變和驅(qū)動電路；輸出濾波器；輸出變壓器等。輸出變壓器采用△/Y連接，采用先疊加后濾波的結(jié)構(gòu)形式。，400HZ，115V輸出三相逆變器為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。 主功率電路分析，本設(shè)計(jì)指標(biāo)為,輸入三相交流電：380V177。10％，頻率50Hz；輸出三相交流電壓：115177。2V（相電壓），頻率400Hz；輸出功率：；。 輸入整流濾波電路為了提高設(shè)備的電磁兼容性能，減少網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波，本設(shè)計(jì)采用自耦變壓器的12相整流電路，它能夠有效消除輸入電流中的5次、7次、17次、19次等諧波，并且大大減小了整流變壓器的等效容量[31][33]。，[34]。同時(shí)，在網(wǎng)側(cè)加入EMC濾波器，吸收較高頻率諧波。由于采用12相整流電路，兩組整流橋之間需加入平衡電抗器。為減少直接上電對直流母線電容沖擊，整流輸出和整流母線之間濾波加入了限流充電電路。 12相整流自耦變壓器Tz的設(shè)計(jì),。整流輸出母線電壓 ()取530V，設(shè)逆變部分效率為85％，則 (32)以A相為例，兩個(gè)小繞組電流,電壓為 (33