【文章內(nèi)容簡介】 60。按逆變器開關電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關式逆變器和定頻軟開關式逆變器。按逆變器換流方式分，可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。按逆變器拓撲結構分類有組合式、半橋式和全橋式逆變器。這里側重于逆變器拓撲結構的討論,如圖21,為組合式逆變器的電路結構。圖21 組合式逆變器組合式逆變器一般由三個相同的單相低頻環(huán)節(jié)或高頻環(huán)節(jié)逆變器星形聯(lián)結構成,且能夠實現(xiàn)單相和三相四線制供電。由于三個單相逆變器是相互獨立的,因此具有極強的帶不平衡負載能力,并且可以實現(xiàn)各相的獨立控制(只要以某一相為基準,其它兩相分別滯后2/3和超前2/3即可)。該電路的優(yōu)點是控制簡單、易于模塊化、具有N+1個模塊冗余技術,而缺點是元器件數(shù)較多、成本高。圖22給出了三相半橋式逆變器拓撲結構。這種拓撲結構存在直流側中點電壓偏移問題,需要保證直流側的兩個串聯(lián)電解電容足夠大,才能夠實現(xiàn)兩個電容上平均分擔直流電壓。與三相全橋拓撲結構相比,三相半橋的直流電壓利用率低,并且功率主開關管承受的電壓應力相對較大。三相半橋的也具有較強的帶不平衡負載能力,但這會大大增加系統(tǒng)的體積和重量。圖22 三相半橋逆變器 三相全橋式逆變器的拓撲結構如圖23所示,由于其具有電路結構簡單、易于控制和主開關管承受的電壓應力低等優(yōu)點,在并網(wǎng)逆變器中而得到廣泛采用,但是其缺點是其帶不平衡負載的能力較弱。圖23 三相全橋逆變器 逆變器的工作原理[4]用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應用最廣的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖23所示的直流側通常只有一個電容器件就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出了假想中點，和單相半橋、全橋逆變電路相同，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180176。導通方式，即每個橋臂的導通角為180176。，同一相即同一半橋的上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度一次相差120176。，這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通，因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形，對于U相來說，當橋臂1導通時，當橋臂4導通時， 因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位一次相差120176。 負載線電壓可由下式求出 （21） 該負載中點N與直流電源假想中點之間的電壓為，則負載各相的相電壓分別為 （22）把上面各式相加并整理可求得 （23）設負載為三相對稱負載，則有，故可得 （24） 的波形為矩形波，但其頻率為頻率的3倍，幅值為其1/3，即為 。且的波形形狀相同，只是相位一次相差120176。負載參數(shù)已知時，可以由的波形求出U相電流的波形。負載的阻抗角不同，的波形和相位都有所不同，橋臂1和橋臂4之間的換流過程和半橋電路相似，上橋臂1中的從通態(tài)轉換到斷態(tài)時，因負載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的先導通續(xù)流，待負載電流降到零，橋臂4中的電流反向時，才開始導通，負載阻抗角越大，導通時間就越長。的上升段即為橋臂1導電的區(qū)間，其中時為導通，的下降段即為橋臂4導電的區(qū)間，其中時為導通?？芍?、的波形和形狀相同，相位一次相差120176。把橋臂5的電流加起來，就可得到直流側電流的波形，每隔60176。脈動一次，而直流側電壓基本是無脈動的，因此逆變器從電網(wǎng)側向直流側傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和脈動情況大體相同，這也是電壓型逆變器的一個特點。下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析，把輸出線電壓展開成傅里葉級數(shù)得： （25）式中，k為自然數(shù)輸出線電壓有效值為： （26）其中基波幅和基波有效值分別為 （27） （28）下面再來對負載相電壓進行分析，把展開成傅里葉級數(shù)得： （29）式中，k為自然數(shù)負載相電壓有效值為 （210）其中基波幅值和基波有效值分別為 （211） （212）在上述180176。導電的方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起的直流電源的短路，要采取“先斷后通”的方法，即先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發(fā)出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間，死區(qū)時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區(qū)時間就可以越短，這一“先斷后通”的方法對于工作在上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的，顯然，前述的單相半橋和全橋逆變電路也必須采取這一方法。 基于LCL濾波器的PWM逆變器數(shù)學模型LCL 濾波的高頻PWM逆變器拓撲結構如圖24 所示。逆變器側是三個電阻為，電感為L 的電抗器，網(wǎng)側是三個電阻為 ，電感為 的電抗器，網(wǎng)側電抗器和逆變器側電抗器之間是三個星型聯(lián)結的電容器。電抗器 L 除濾波外，還具有升壓及能量交換功能， 、 用于濾除高次諧波，滿足電網(wǎng)對電流諧波的要求。圖24 基于LCL 濾波的三相高頻PWM 逆變器拓撲結構取單相LCL 濾波的PWM 整流器結構進行分析:圖25 LCL 濾波器的單相拓撲結構可得其在連續(xù)靜止坐標系下的數(shù)學模型為： （213） （214） （215）式中： ——電網(wǎng)電壓、電容器電壓、整流器側控制電壓——電網(wǎng)側電流、電容器電流、整流器側電流由式（213），（214），（215）及前面開關函數(shù)的定義，可以推出LCL 濾波的三相PWM 整流器在三相電網(wǎng)電壓對稱情況下的開關數(shù)學模型： （216） （217） （218） 式中：C ——整流器直流側電壓、負載電阻及支撐電容根據(jù)KCL、KVL 得到三相靜止abc 坐標系下各相方程：a相： （219）b相: （220）c相: （221）式中： ——三相電網(wǎng)側交流電壓 ——三相濾波電容上的電壓 ——整流器交流側的三相電壓 ——三相電網(wǎng)側交流電流 ——整流器交流側的三相電流經(jīng)過整理可得采用LCL 濾波器的狀態(tài)方程: （222）可以看出，三相LCL 濾波器的狀態(tài)空間方程為9 階的狀態(tài)方程，對這樣一個高階被控系統(tǒng)來說，如果不采用一定的方法進行降階處理的話，則很難設計控制器。因此，對此狀態(tài)方程進行abc→αβ 變換，按照式（216），（217）的轉換矩陣，可得αβ坐標系下的LCL 濾波器狀態(tài)空間方程為： （223） 然后進行αβ →dq根據(jù)式（220），（221）的變換矩陣，可得dq坐標系下的LCL濾波器狀態(tài)空間方程為： （224）式中:——三相電網(wǎng)電壓的基波角頻率 ——三相電網(wǎng)電壓矢量的d，q 軸分量——三相濾波電容電壓矢量的d，q 軸分量——整流器交流側電壓矢量的d，q 軸分量 ——三相電網(wǎng)電流矢量的d，q 軸分量——整流器交流側電流矢量的d，q 軸分量 由式（224） 所示的LCL 濾波器的結構框圖?？刂频哪康氖墙o出正確的控制矢量,使網(wǎng)側電流與電壓同相位?？梢钥闯?，基于LCL 濾波器的PWM整流器是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。 鎖相環(huán)節(jié)的工作原理逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網(wǎng)供電，所以控制器的設計中都要設置鎖相環(huán)節(jié)。 鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是PhaseLocked Loop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術，因為通過鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。 鎖相環(huán)的基本結構： 鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。其組成方框圖如下所示。 圖26 鎖相圖的基本方框圖鎖相環(huán)的工作原理： 1. 壓控振蕩器的輸出經(jīng)過采集并分頻； 2. 和基準信號同時輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓； 4. 控制VCO，使它的頻率改變； 5. 這樣經(jīng)過一個很短的時間，VCO 的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值。 鎖相環(huán)可用來實現(xiàn)輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準（參考）輸入信號時，環(huán)路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為的參考信號輸入時，和同時加到鑒相器進行鑒相。如果和相差不大，鑒相器對和進行鑒相的結果，輸出一個與和的相位差成正比的誤差電壓ud，再經(jīng)過環(huán)路濾波器濾去中的高頻成分，輸出一個控制電壓,將使壓控振蕩器的頻率（和相位）發(fā)生變化，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使=，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號與環(huán)路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒有頻差存在。這時我們就稱環(huán)路已被鎖定。 環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。 鎖相環(huán)路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術的各個領域中都有著廣泛的應用。 逆變器的SPWM調(diào)制方式分析SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是調(diào)制波為正弦波，載波為三角波的一種脈寬調(diào)制法，這項技術的特點是原理簡單，通用性強，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。SPWM可分為雙極性SPWM調(diào)制，單極性SPWM調(diào)制和單極性SPWM倍頻調(diào)制三種，半橋逆變電路只能使用雙極性SPWM調(diào)制而全橋逆變電路則三種調(diào)制方式均用[10]。雙極性SPWM調(diào)制方式的原理如圖22所示，圖中調(diào)制波，幅值為，頻率。載波為全波三角波，頻率為,幅值為。同時定義調(diào)制比為正弦調(diào)制波的輔助與三角載波的幅值之比，頻率比為三角載波與正弦調(diào)制波的頻率之比。圖27 雙極性SPWM調(diào)制原理由上圖可見，當時，開關管TT4 導通而TT3截至，橋臂中點間電壓；當時，開關管TT4截止而TT3導通，橋臂中點間電壓。通過上述過程，就將輸入的直流電壓轉變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列。下面是單極性SPWM調(diào)制方式的原理：圖23為單極性SPWM調(diào)制原理圖，這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波，當大于零時，載波為正的半波；當小于零時，載波為負的半波。在雙極性調(diào)制中，四個開關管都工作在高頻狀態(tài)，而在單極性調(diào)制中，一對開關管工作在高頻狀態(tài)，而另一對開關管工作在低頻狀態(tài)。當時，T3一直截止而T4一直導通，此時當時，開關管T1導通而T2截至，橋臂中點間電壓；當時，開關管T1截止而T2導通，橋臂中點間電壓。當時，T3一直導通而T4 一直截止，此時當時，開關管T1導通而T2截至，橋臂中點間電壓；當時，開關管T1截止而T2導通，橋臂中點間電壓。從上述過程中看出，在輸出波形中包含有，0和三個狀態(tài)，因此這種調(diào)制方式也被稱為三態(tài)調(diào)制（對應得，雙極性調(diào)制也被稱為兩態(tài)調(diào)制）圖28 單極性SPWM