一種簡(jiǎn)單的逆變器輸出直流分量消除方法
葉智俊1
,嚴(yán)輝強(qiáng)2,余運(yùn)江,吳建德
1
(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027;2.杭州中信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化有限公司,浙江杭州310027;
3.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院工程系,江蘇鎮(zhèn)江212003)
摘 要:逆變器輸出直流分量會(huì)對(duì)逆變器本身和交流負(fù)載產(chǎn)生不利影響,必須消除直流分量來(lái)保障逆變器的可靠運(yùn)行。提出了一種簡(jiǎn)單的消除輸出直流分量的方法,并在理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)1臺(tái)220V、1kW的逆變器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦波質(zhì)量高,直流分量消除效果明顯。
關(guān)鍵詞:逆變器;直流分量;基準(zhǔn)正弦波電路中圖分類(lèi)號(hào):TM464    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1001-4551(2007)09-0050-03


在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,逆變技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種電力系統(tǒng)供電設(shè)備,以滿(mǎn)足用電負(fù)載對(duì)供電質(zhì)量的各類(lèi)要求。作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應(yīng)為正弦波,不含有直流分量。但實(shí)際上,對(duì)于采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變器,由于基準(zhǔn)正弦波的直流分量、控制電路中運(yùn)算放大器的零漂、開(kāi)關(guān)器件不一致以及驅(qū)動(dòng)脈沖分配和死區(qū)時(shí)間的不對(duì)稱(chēng)等原因,都會(huì)造成輸出電壓含有直流
分量[1]
。
在輸出帶工頻隔離變壓器的場(chǎng)合,如果直流分量超過(guò)一定值,就會(huì)造成隔離變壓器飽和,導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)流保護(hù),甚至損壞功率器件。在輸出不帶工頻隔離變壓器的場(chǎng)合,直流分量將直接對(duì)負(fù)載供電。對(duì)于非線(xiàn)性負(fù)載,直流分量會(huì)造成電流的嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng),損壞負(fù)載。同時(shí),在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中,直流分量電壓將會(huì)造成很
大的直流環(huán)流,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的均流性能,降低并聯(lián)系
統(tǒng)的可靠性[2,3]
。
近年來(lái)在電源數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展下,出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)方法,可以通過(guò)對(duì)輸出直流分量的采樣,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),送入控制芯片進(jìn)行處理,從而調(diào)整逆變器的控制信號(hào),達(dá)到消除輸出直流分量的作用[4]
。利用數(shù)控的方法,電路簡(jiǎn)單,便于控制,但是由于直流分量相對(duì)交流輸出而言,幅值要小得多,很難保證精確采樣,因此會(huì)大大影響直流分量的消除效果。
本研究主要介紹一種簡(jiǎn)單的消除輸出直流分量的方法。
1 基準(zhǔn)正弦波對(duì)輸出電壓的影響
采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變電路,本研究以常見(jiàn)的輸出電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略為例,
來(lái)分析基準(zhǔn)正弦波信號(hào)對(duì)逆變器輸出電壓的影響[5]
。
雙環(huán)控制下的逆變器控制框圖,如圖1所示。




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圖1 雙環(huán)控制下的逆變器控制框圖
Gvcmp(S)和Gicmp(S)-電壓環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)和電流環(huán)調(diào)
節(jié)傳遞函數(shù);M-脈寬調(diào)制電壓比例增益;Lf、Cf、Rf-輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻;Kif、Kvf-電流環(huán)和電壓環(huán)反饋系數(shù)。
根據(jù)控制框圖得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù):
G(S)=
VO
Vrefio=0
=
Gvcmp(s)Gicmp(s)?M
1+s2
CfLf+sCfRf+sCfKifCicmp(s)?M+Kvf?Gvcmp(s)Gicmp(s)?M
(1)
令S=0,得到對(duì)于直流分量的傳遞函數(shù):Gdc=VOdcVrefdc
io=0
≈
1Kvf
(2)
式(2)說(shuō)明逆變器的輸出電壓直流分量與基準(zhǔn)正
弦波信號(hào)直流分量成比例關(guān)系,比例系數(shù)為電壓環(huán)反饋系數(shù)的倒數(shù),電壓環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)對(duì)直流分量的消除幾乎沒(méi)有影響。該結(jié)論同樣適用于其他逆變器控制策略。通過(guò)以上分析可知,雖然引起逆變器輸出電壓含有直流成分的原因有很多,但是調(diào)節(jié)基準(zhǔn)正弦波的直流分量能夠影響逆變器輸出電壓的直流成份,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓直流分量的消除。
2 直流分量的采樣調(diào)理電路

輸出電壓直流分量的采樣調(diào)理電路,如圖2所示。

圖2 輸出電壓直流分量的采樣調(diào)理電路
Uo是逆變器的輸出電壓,通過(guò)2級(jí)RC低通濾波器
組成的2階濾波電路,濾除交流成份。
該2階濾波電路的傳遞函數(shù)為:
G(s
)
=
1
s2
R1R2C1C2+s(R1C1+R1C2+R2C2)+1
(3)
為了濾除交流電壓成份,一般而言,RC濾波器的極點(diǎn)設(shè)置遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸出電壓的基波頻率,其幅頻特性,如圖3所示。
從幅頻特性可以看到,該2階電路截止頻率很小,
圖3 2階濾波電路的幅頻特性
帶寬很窄,在50Hz基波頻率處,濾波電路有-93dB
的衰減,對(duì)直流成分則基本沒(méi)有衰減,因此該電路能夠很好地提取直流信號(hào)。
集成運(yùn)算放大器IC1、R4、R5、C3為比例積分電路,為了不對(duì)逆變器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響,直流分量調(diào)理環(huán)路的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)低于逆變器電壓環(huán)的帶寬,因此積分常數(shù)需取值較大,比例常數(shù)則需考慮后級(jí)光耦的增益作綜合考慮加以選取。如果逆變器輸出含有正的直流分量,則IC1的輸出為一個(gè)正的直流電壓值;如果輸出含有負(fù)的直流分量,則IC1的輸出為一個(gè)負(fù)的直流電壓值。
集成運(yùn)算放大器IC2與光耦組成一個(gè)隔離型的比例放大器,實(shí)現(xiàn)隔離。當(dāng)直流分量為正時(shí),IC2驅(qū)動(dòng)
OPT2,在電阻R7上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓;當(dāng)直流分量為負(fù)
時(shí),IC2驅(qū)動(dòng)OPT1,在電阻R7上產(chǎn)生一個(gè)正電壓。由此可見(jiàn),光耦的輸出與直流分量成負(fù)比例關(guān)系,R7上的電壓可以直接疊加在基準(zhǔn)正弦波信號(hào)上,從而消除直流分量。
整個(gè)采樣調(diào)理電路簡(jiǎn)單、方便、可靠,既實(shí)現(xiàn)了直流分量的精確檢測(cè)、PI調(diào)節(jié),又實(shí)現(xiàn)了與控制電路的隔離。
圖4 基準(zhǔn)正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加電路
3 基準(zhǔn)正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加
基準(zhǔn)正弦波的產(chǎn)生及直流分量的疊加電路,如圖4所示。USPWM是DSP查表產(chǎn)生的SPWM方波信號(hào),電
容C1起隔直作用。集成運(yùn)算放大器IC1和R2、R3、R4、
R5、C2、C3組成1個(gè)2階有源濾波器,DSP產(chǎn)生的SPWM
方波信號(hào)被濾成光滑、高質(zhì)量的基準(zhǔn)正弦波,作為逆變器控制電路的基準(zhǔn)。圖2電路產(chǎn)生的直流分量調(diào)制信號(hào)Udc通過(guò)R1疊加到基準(zhǔn)正弦波上,再經(jīng)過(guò)逆變器的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓直流分量的消除。
?
15?第9期葉智俊,等:一種簡(jiǎn)單的逆變器輸出直流分量消除方法






 




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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證該方案的有效性,筆者設(shè)計(jì)了1臺(tái)
1kW、220V輸出的逆變器系統(tǒng)。輸出電壓和基準(zhǔn)正弦波實(shí)驗(yàn)波形,如圖5(a)所示。輸出電壓的THD為0.6%,基準(zhǔn)正弦波的正弦度較好,說(shuō)明本研究提出的正弦波發(fā)生電路簡(jiǎn)單實(shí)用。沒(méi)有直流分量消除電路時(shí)帶整流橋負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形,如圖5(b)所示。由于輸出電壓中含有直流分量,輸出電流不對(duì)稱(chēng)。有直流分量消除電路時(shí)帶整流橋負(fù)載和1kW線(xiàn)性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)波
形,如圖5(c)、
(d)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輸出電壓的直流分量幾乎為零,輸出電流波形對(duì)稱(chēng),說(shuō)明提出的直流分量消除方法簡(jiǎn)單、可靠。
5 結(jié)束語(yǔ)
本研究在分析逆變器輸出系統(tǒng)中直流分量危害和
產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了一種簡(jiǎn)單可靠的直流分量消除電路。直流分量反饋調(diào)節(jié)信號(hào)直接疊加到由DSP產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦波電路上。實(shí)驗(yàn)表明,該方案產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦波質(zhì)量高,直流分量消除效果明顯。
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