单相和三相软开关静止变流器第五章.doc

三相软开关静止变流器的研究 有必要研究新的拓扑结构来实现无输出变压器和功率器件软开关的三相逆变器，发展逆变电源的三相独立控制技术。本章研究了一种新型组合式软开关三相静止变流器拓扑，给出仿真波形。 §5－1 三相软开关逆变器技术的发展状况 正弦输出三相逆变电源在国民经济的各个领域得到了广泛应用，如UPS、航空航天、船舶与车辆等。在交通运输设备中的逆变电源更有体积重量小、效率高和工作可靠等要求。迄今为止，三相逆变器已出现了几种结构形式，如三相桥式逆变器、三相半桥逆变器和四桥臂逆变器等[1]，电路图分别见图5－1（a）~（c）所示。 1、三相桥式逆变器 三相桥式逆变器电路结构简单，所用器件少，功率管承受母线电压。但为了得到三相四线制输出，减小不对称负载时的三相输出电压不对称度，必须采用中点形成变压器，从而增加逆变器的体积和重量。 与单相软开关逆变器一样，三相桥式逆变器可通过两种方式来实现功率管软开关。一种是给每个桥臂附加一谐振支路[2]，利用电感和电容的谐振抽光功率管两端电容的电荷，使功率管在其反并联二极管导通期间开通，实现零电压开通，关断靠并联电容的缓慢充电实现软关断。另一种方案是在三相逆变器的输入端增加一谐振直流环节[3]，利用电感电容的谐振作用使三相逆变桥的输入电压为高频直流脉冲列，脉冲过零点为逆变器功率管提供零电压开关条件，该类逆变器采用离散脉冲控制策略。 2、三相半桥逆变器 三相半桥逆变器是在电源输入端用两个电容串联来提供输出中点。为防止中点电位偏移，串联电容的容值很大，同样加重系统的体积和重量。在与三相桥式逆变器输出相同电压值的条件下，输入电源电压和功率管承受的电压变大。 3、三相四桥臂逆变器 三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上又增加了一个桥臂，该桥臂功率管提供输出中点。这样不仅逆变器带不对称负载能力提高，而且三相输出电压可独立闭环控制。当逆变器输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均为零电压开关，开关损耗低，可靠性高。但逆变器的控制变得复杂。 4、三相组合式逆变器 三相组合式逆变器是由三个单相逆变器组合而成，元件数较多，电路复杂。但每个单相逆变器输出相电压，功率管承受的电压低；自然形成三相中线；三相独立控制，可以提高调压精度和三相对称性。 (a) 三相桥式逆变器电路图 (b) 三相半桥逆变器电路图 (c) 四桥臂三相逆变器电路图 图5－1 目前较常使用的三相逆变电源主要有两个缺点：一是有大的输出变压器。普通三相逆变器输出只有三根线，为了实现三相四线制输出，满足单相用电设备的要求，必须采用工频或中频输出变压器。另外，为了减小不对称负载时的三相电压不对称度，输出变压器必须有低的零序阻抗，从而使变压器体积、重量较大。二是功率器件工作于硬开关状态，开关工作频率不高，除个别航空和航天用逆变器开关频率达20KHz左右外，一般仅几千赫兹，故滤波器件的体积重量降不下来，且滤波时间常数大，输出电压瞬态响应特性差。 因此要研究新的拓扑结构来实现无输出变压器的三相逆变器，发展逆变电源的三相独立控制技术，以消除体积较大的工频或中频输出变压器，同时实现逆变器功率器件的软开关，提高功率器件的开关频率，降低滤波器的体积重量，提高逆变器的工作可靠性和系统动态性能。为此本文研究了一种新型直流环节软开关三相静止变流器拓扑，主要要求为： ①输入电压：DC28V（18V～32V） ②输出电压：三相AC，115/200V(1(；400Hz(1(；失真度小于3( ③输出功率：1KVA ④相数：3相，星形连接，带中线 ⑤输出三相电压平衡度：((4(；1/3不平衡负载时输出电压变化范围为110.5～117VAC；2/3不平衡负载时输出电压变化范围为110～118VAC ⑥相移：任何相邻两相之间的相角应在120((4(范围内 §5－2 三相软开关静止变流器的构成及其模块化结构的实现 5－2－1 三相组合式软开关静止变流器 1、电路构成 三相组合式软开关静止变流器的电路框图如图5－2所示。它由三个单相软开关静止变流器组成，三个单相静止变流器的输出端按星形连接，每个单相静止变流器独立控制。 图5－2 三相组合式软开关静止变流器的电路框图 每个单相软开关静止变流器由交叉并联正激直流变换器、吸收电路和桥式逆变器三级级联构成（见图4－1）。电路的工作原理、特性分析、参数设计、仿真计算以及实验结果等在前几章中已作过详细讨论。直流变换器将输入电压变换成占空比可调的高频直流脉冲电压，逆变器将该脉冲电压变换成115V交流电压输出，吸收电路用来存储逆变器回馈的能量。直流变换器和逆变器分别独立控制，直流变换器采用直流脉冲电压平均值反馈控制，桥式逆变器采用瞬时输出电压和滤波电感电流双闭环反馈控制。因为静止变流器输出电压瞬时跟踪电压基准信