2003年1月

电工电能新技术

Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy

Vol.22,No.1Jan.2003

收稿日期:2002 04 29

作者简介:孙 进(1968 ),女,四川籍,博士生,研究方向为高性能三相逆变电源控制技术;

苏彦民(1938 ),男,陕西籍,教授,博导,研究方向为电气传动及电力电子技术。

针对不平衡负载三相逆变电源控制方法的研究

孙 进,宋聚明,卢家林,苏彦民

(西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049)

摘要:三相逆变电源一个最重要的性能是维持三相电压的对称输出。本文提出了一种新的针对不平衡负载三相逆变电源控制方法,其通过对逆变电源交流中性点的控制,使得主电路中三相电压可以控制。所提出的方案在1KW,400Hz 的三相逆变电源实现,在不平衡负载下,逆变电源能够维持很好的对称输出电压。关键词:不平衡负载;逆变电源;控制

中图分类号:TM4 文献标识码:A 文章编号:1003 3076(2003)01 0029 03

1 引言

对于三相逆变电源保证其三相电压的对称输出,是对其最基本的一个要求。通常地,三相逆变电源的主电路采用三相逆变桥结构,这种电路结构在平衡负载下可以获得非常好的输出性能。但在不平衡负载情况下,此种电路结构很难获得很好的输出[1]

。这是由于其三相之间存在一定的耦合关系,调节其中的任何一相,必然影响到其他两相的电压输出。所以,针对不平衡负载下三相逆变电源输出电压的不对称问题,如何进行解耦控制是非常必要的。传统的针对不平衡负载的控制方法之一是采用三个半桥的主电路拓扑结构。该电路是在通常的三相逆变桥主电路结构中,在直流母线上有两个串联连接的电容,两个电容的中点和交流输出的中性点相连,由于其三相完全,可以采用三相分别控制。但此电路存在以下缺点:采用两个电容串联,在单相负载时它们必须承受全负载相电流,从而所需电容容量较大,在实际应用中,增大了成本;两个串联的电容还存在均压问题。控制方法之二是主电路采用三个单相桥,其输出通过三个单相变压器耦合成三相电路,可采用三套的控制电路,此电路可以解决三相输出电压的不平衡问题,比较适合于大功率输出场合,但由于其采用的开关管较多,且输出采用三个单相变压器耦合成三相,变压器的体积较大,在中、小功率输出场合不太适用。本文提出了一

种新的针对不平衡负载三相逆变电源控制方法。其

通过对交流中性点电压的控制,使得三相电压可以分别控制,在不平衡负载下,三相逆变电源能够维持很好的对称输出电压。该方法比较适用于中、小功率输出场合。

2 新的控制方法

2 1 主电路

主电路如图1所示,本方法是在传统的三相逆变桥电路的基础上,增加了一个由T 7、T 8组成的臂对D 及L 、C 滤波器(L 0和C 0)。设直流母线电压为E d ,如果控制交流输出中性点N 和直流母线电压的中点O 等电位,则当T 1导通,T 4关断时,u AN =E d 2,当T 1关断,T 4导通时,u AN =-E d 2,因此,A 相输出电压仅决定于对A 臂对的控制,与对B 、C 两臂对的控制完全无关。其它两相输出电压的情况类似。这样,每一相输出电压可以实现控制。

图1 三相逆变电源的主电路拓扑

Fig.1 Main circui t topology of three phase inverter power supply

2 2 交流中性点电位控制

从以上分析可知,每一相控制的前提就是实现N 点与O 点等电位,如何实现N 、O 点等电位,如图2(a)所示,其在通常三相逆变桥电路中增加了一个交流中性点控制电路,其由PW M 斩波电路、LC 滤波器(L 0和C 0)和负载组成。通过控制N 点的电位,使u N M =E d 2,从而形成的N 点与O 点等电位。2.2.1 动态模型

图2(a)所示为交流中性点控制电路系统结构图,电路由PWM 斩波器、LC 滤波器、负载、控制电路等部分组成。PW M 斩波器的输入为信号波e i ,输出为u N M 。当斩波器的开关频率f s 较大时,e i 中的直流及低次谐波与u N M 中的对应分量存在固定的比

例关系,因此对于基波及低次谐波而言,PW M 斩波器可以看作比例环节,其增益为K PW M =E d U t ,其中E d 为直流测电源电压,U t 为三角波的峰值。在LC 滤波器中各电量间的关系可表示为:

u i -u NM =sL 0 i L

i L -i 0=i C u N M =

i C sC 0

其中u i 为LC 滤波器的输入电压,u N M 为输出电压,L 0为滤波电感,C 0为滤波电容,i L 、i c 、i 0分别为电感电流、电容电流、负载电流。根据以上分析可以得

出交流中性点控制电路的动态模型如图2(b)

所示。

图2 (a)交流中性点控制系统结构图;(b)系统的动态模型

Fig.2 (a)Circuit diagram of AC neutral point control system;(b)dynamic model of

system

图3 (a)带电流内环的电压控制系统;(b)PWM 控制方式

Fig.3 (a)Current regulated voltage controlled system;(b)PWM switch operation

2.2.2 工作原理

图3所示为交流中性点控制系统,其采用PW M

方式的带电容电流内环的电压控制系统。其中电压调节器采用PI 调节,电流调节器采用P 调节。K 1、K 2分别表示电压、电流的反馈系数。滤波电容电流内环的引入,使滤波电容电流成为可控的电流源,这

样从电压调节器的输出i *

c 到电容电流i c 之间的部分可以看成一个近似的比例环节,使得系统的稳定

性大大提高;同时,滤波电容电流内环对于包含在环内的扰动,如输入电压的波动、电感参数的变化、负载电流i 0的变化等起到及时的调节作用,使得系统的稳态特性、动态特性、对负载的适应性等都大大提高。由于滤波电容的电流在输出电压稳定时是不变的,因此只需一个检测小电流的电流传感器。电容电压控制外环用于确保输出电压始终为直流参考电压(直流母线电压)的一半,电压调节器采用PI 调节

30

电工电能新技术第22卷

器可以达到零稳态误差;在PW M 调制方式中,信号波是电流调节器的输出信号e i ,载波是三角波u t ,当e i >u t 时,T 7导通,T 8关断,斩波电路输出电压是E d ;当e i 2.2.3 稳态误差分析

带滤波电容电流内环的电压控制系统的方框图如图4,其传递函数为:

G (s )=

U N M (s )

U *

(s )

=K P K i K PWM (1+ i s )

i (s 2

LC +sCK 1K i K PWM +1)+K P K i K PWM K 2(1+ i s )

(

1)

图4 带电流内环的电压控制系统方框图Fig.4 Block diagram of current regulated

voltage controlled system

设给定为直流信号U *

,则输出电压u N M 的稳态值为:

U NM

=lim s 0s U N M (s )=lim s 0

s U

*

s G (s )(2)由(1)、(2)式可得u N M 的稳态值为:

U N M =

1K 2

U *

(3)

由(3)式可以看出,系统是一个无差调节系统。如果要使输出电压u N M =12

E d ,则只要使给定u *=1

2K 2E d

即可。2 3 三相输出电压控制

三相输出电压采用三套的控制电路,每一相输出电压均采用带电容电流内环的多环控制方案,如图5所示。

在多环反馈控制结构中,电容电流波形反馈环是内环,电容电压波形反馈环是外环,电容电压有效值反馈环是最外环。在该方案中,通过电容电压有效值反馈控制来改变电压波形反馈环中正弦波给定的幅值,采用PI 调节器来确保系统参数变化时输出

电压的有效值是稳态无差的

[3,4]

。

图5 三相输出电压控制系统方案Fig.5 Control scheme of three phase output voltage

3 实验结果

输入:单相交流电压:220V 、50Hz 输出:L 0:200 C 0:2200 F 400V 滤波电感:1.5mH 滤波电容:10 F 400V 输出相电压:36V

输出频率:400Hz

在本文介绍的新控制方法下,三相平衡负载(每一相带阻性负载10!)三相输出电压波形如图6(a)

(a)新的控制方法下带平衡负载三相输出电压波形(b)新的控制方法下带平衡负载E d 和u NM 波形(c)新的控制方法下带单相负载三相输出电压波形(d)新的控制方法下带单相负载E d 和u NM 波形(e)常规控制方法下带平衡负载三相输出电压波形(f)常规控制方法下带单相负载三相输出电压波形

图6 实验波形Fig.6 Experimental waveforms

(下转第60页,cont.on p.60)

31第1期孙 进,等:针对不平衡负载三相逆变电源控制方法的研究

Abstract :The article presents the design and e xperimental results of a high current(5000A)and lo w voltage(up to 12V)converter.Soft switching is achieved for shifting phase PW M control.And the performance is observably improved by in ductance less power bus.Moreover,a novel power transformer is designed to make the output current shared by output rectifier diodes.

Key words :shifting phase PW M;soft switching;inductance less power bus;transformer

(上接第31页,cont.from p.31)

所示,E d 与u N M 的波形如图6(b)所示。三相不平衡负载(单相带阻性负载10!,其余两相空载)三相输出电压波形如图6(c)所示,E d 与u NM 的波形如图6(d)所示。为了加以对比,本文给出常规控制方法下,三相平衡负载时(每一相带阻性负载10!)三相输出电压波形如图6(e )所示,三相不平衡负载时(单相带阻性负载10!,其余两相空载)三相输出电压波形如图6(f)。

从图6(b)和图6(d)我们可以看出,通过对交流中性点的控制,u N M 始终保持为直流母线电压的一半。从图6(a)和图6(c)可以看出,不论是平衡还是不平衡负载情况,在新的控制方法下逆变电源均能维持三相电压的对称输出。通过图6(c)和图6(f)的对比,在同样的不平衡负载情况下,本文所提出的新的控制方法明显优于常规控制方法。

4 结论

本文提出了一种针对不平衡负载三相逆变电源

新的控制方法。当控制u N M 始终为直流母线电压E d 的一半时,交流中性点N 的电位与直流母线的中点O 等电位,从而可以实现每一相输出电压的控制。实验表明,本文所采用的方法简单易行,在不平衡负载下,可以保证三相电压的对称输出。参考文献:

[1] Guijun Yao,Stephen Phillips,Lars Norum.Three phase in

verters analysis of ability to maintain symmetrical output volt age [A ].IECON !1993[C ].Denver,Colorado,USA,1993.1033 1038.

[2] Michael J Ryan.Analysis,modeling and control of three

phase four wi re sine wave inverter system [D ].USA,The Uni versity of Wisconsin Madison,1997.

[3] Lu Jialin,Su Yan min.A novel control strategy for high pow

er high performance AC power supplies [A ].IECON !2001[C].Hawaii,USA.2001.1178 1183.

[4] 卢家林,苏彦民.一种新型的大功率高性能逆变电源

控制方案[J].电工电能新技术,2002,21(1):73 77.

Study on control method of three phase inverter power supply

with unbalance load

SUN Jin,SONG Ju ming,LU Jia lin,SU Yan min

(Dept.of Electrical Engineering,Xi !an Jiaotong University,Xi !an 710049,China)

Abstract :One of the important performance issues for three phase inverter power supply is to maintain symmetrical out put voltages.This paper proposes a new control strategy of a three phase inverter po wer supply with the three phase un balanced load applied.In this paper,an accessible AC neutral point is established.W hen the AC neutral point is con trolled to half of the DC link voltage,the potential of AC neutral point N is equal to that of DC link mid point O ,thus each phase voltage can be controlled independently.The proposed control strategy has been implemented on a 400Hz,1KW three phase inverter power supply,in contrast with the usual control strate gy,the inverter can maintain sym metrical output volta ges not only at balance load but also at unbalance load.Key words :unbalance load;inverter power supply;control

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