【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 60。按逆變器開關(guān)電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。按逆變器換流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。按逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類有組合式、半橋式和全橋式逆變器。這里側(cè)重于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的討論,如圖21,為組合式逆變器的電路結(jié)構(gòu)。圖21 組合式逆變器組合式逆變器一般由三個(gè)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(jié)構(gòu)成,且能夠?qū)崿F(xiàn)單相和三相四線制供電。由于三個(gè)單相逆變器是相互獨(dú)立的,因此具有極強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載能力,并且可以實(shí)現(xiàn)各相的獨(dú)立控制(只要以某一相為基準(zhǔn),其它兩相分別滯后2/3和超前2/3即可)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、易于模塊化、具有N+1個(gè)模塊冗余技術(shù),而缺點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏移問題,需要保證直流側(cè)的兩個(gè)串聯(lián)電解電容足夠大,才能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電容上平均分擔(dān)直流電壓。與三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,三相半橋的直流電壓利用率低,并且功率主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力相對(duì)較大。三相半橋的也具有較強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載能力,但這會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23所示,由于其具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制和主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn),在并網(wǎng)逆變器中而得到廣泛采用,但是其缺點(diǎn)是其帶不平衡負(fù)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(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖23所示的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器件就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想中點(diǎn)，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(dǎo)通方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)通角為180176。，同一相即同一半橋的上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度一次相差120176。，這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)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(duì)于U相來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)， 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(fù)載線電壓可由下式求出 （21） 該負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為，則負(fù)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(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)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(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由的波形求出U相電流的波形。負(fù)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(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降到零，橋臂4中的電流反向時(shí)，才開始導(dǎo)通，負(fù)載阻抗角越大，導(dǎo)通時(shí)間就越長(zhǎng)。的上升段即為橋臂1導(dǎo)電的區(qū)間，其中時(shí)為導(dǎo)通，的下降段即為橋臂4導(dǎo)電的區(qū)間，其中時(shí)為導(dǎo)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(cè)電流的波形，每隔60176。脈動(dòng)一次，而直流側(cè)電壓基本是無脈動(dòng)的，因此逆變器從電網(wǎng)側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，且脈動(dòng)的情況和脈動(dòng)情況大體相同，這也是電壓型逆變器的一個(gè)特點(diǎn)。下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析，把輸出線電壓展開成傅里葉級(jí)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(duì)負(fù)載相電壓進(jìn)行分析，把展開成傅里葉級(jí)數(shù)得： （29）式中，k為自然數(shù)負(fù)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(dǎo)電的方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)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(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就可以越短，這一“先斷后通”的方法對(duì)于工作在上下橋臂通斷互補(bǔ)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(xué)模型LCL 濾波的高頻PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖24 所示。逆變器側(cè)是三個(gè)電阻為，電感為L(zhǎng) 的電抗器，網(wǎng)側(cè)是三個(gè)電阻為 ，電感為 的電抗器，網(wǎng)側(cè)電抗器和逆變器側(cè)電抗器之間是三個(gè)星型聯(lián)結(jié)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(duì)電流諧波的要求。圖24 基于LCL 濾波的三相高頻PWM 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取單相LCL 濾波的PWM 整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:圖25 LCL 濾波器的單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可得其在連續(xù)靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： （213） （214） （215）式中： ——電網(wǎng)電壓、電容器電壓、整流器側(cè)控制電壓——電網(wǎng)側(cè)電流、電容器電流、整流器側(cè)電流由式（213），（214），（215）及前面開關(guān)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(duì)稱情況下的開關(guān)數(shù)學(xué)模型： （216） （217） （218） 式中：C ——整流器直流側(cè)電壓、負(fù)載電阻及支撐電容根據(jù)KCL、KVL 得到三相靜止abc 坐標(biāo)系下各相方程：a相： （219）b相: （220）c相: （221）式中： ——三相電網(wǎng)側(cè)交流電壓 ——三相濾波電容上的電壓 ——整流器交流側(cè)的三相電壓 ——三相電網(wǎng)側(cè)交流電流 ——整流器交流側(cè)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(duì)這樣一個(gè)高階被控系統(tǒng)來說，如果不采用一定的方法進(jìn)行降階處理的話，則很難設(shè)計(jì)控制器。因此，對(duì)此狀態(tài)方程進(jìn)行abc→αβ 變換，按照式（216），（217）的轉(zhuǎn)換矩陣，可得αβ坐標(biāo)系下的LCL 濾波器狀態(tài)空間方程為： （223） 然后進(jìn)行αβ →dq根據(jù)式（220），（221）的變換矩陣，可得dq坐標(biāo)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(cè)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(cè)電流矢量的d，q 軸分量 由式（224） 所示的LCL 濾波器的結(jié)構(gòu)框圖?？刂频哪康氖墙o出正確的控制矢量,使網(wǎng)側(cè)電流與電壓同相位。可以看出，基于LCL 濾波器的PWM整流器是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(shè)計(jì)中都要設(shè)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(jiǎn)稱PLL。其作用是使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)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(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，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(shù)，因?yàn)橥ㄟ^鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個(gè)采樣時(shí)鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時(shí)基的相位都是同步的，從而采樣時(shí)鐘也是同步的。因?yàn)槊繅K板卡的采樣時(shí)鐘都是同步的，所以都能嚴(yán)格地在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)： 鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由以下三個(gè)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(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)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(gè)很短的時(shí)間，VCO 的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。 鎖相環(huán)可用來實(shí)現(xiàn)輸出和輸入兩個(gè)信號(hào)之間的相位同步。當(dāng)沒有基準(zhǔn)（參考）輸入信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出為零（或?yàn)槟骋还潭ㄖ担?。這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率fv進(jìn)行自由振蕩。當(dāng)有頻率為的參考信號(hào)輸入時(shí)，和同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行鑒相。如果和相差不大，鑒相器對(duì)和進(jìn)行鑒相的結(jié)果，輸出一個(gè)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(gè)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(hào)的頻率靠攏，最后使=，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)（參考信號(hào)）之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒有頻差存在。這時(shí)我們就稱環(huán)路已被鎖定。 環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對(duì)輸入信號(hào)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(hào)，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(hào)的頻率和相位變化，則這時(shí)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(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率嚴(yán)格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)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(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，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(dòng)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(shí)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(dāng)時(shí)，開關(guān)管TT4 導(dǎo)通而TT3截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管TT4截止而TT3導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。通過上述過程，就將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)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(dāng)大于零時(shí)，載波為正的半波；當(dāng)小于零時(shí)，載波為負(fù)的半波。在雙極性調(diào)制中，四個(gè)開關(guān)管都工作在高頻狀態(tài)，而在單極性調(diào)制中，一對(duì)開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，而另一對(duì)開關(guān)管工作在低頻狀態(tài)。當(dāng)時(shí)，T3一直截止而T4一直導(dǎo)通，此時(shí)當(dāng)時(shí)，開關(guān)管T1導(dǎo)通而T2截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管T1截止而T2導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。當(dāng)時(shí)，T3一直導(dǎo)通而T4 一直截止，此時(shí)當(dāng)時(shí)，開關(guān)管T1導(dǎo)通而T2截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管T1截止而T2導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。從上述過程中看出，在輸出波形中包含有，0和三個(gè)狀態(tài)，因此這種調(diào)制方式也被稱為三態(tài)調(diào)制（對(duì)應(yīng)得，雙極性調(diào)制也被稱為兩態(tài)調(diào)制）圖28 單極性SPWM