抑制單相及三相正弦波逆變器偏磁的有效方法
摘要:分析了SPWM逆變電源中直流偏磁產(chǎn)生的原因,對(duì)目前所采用的抗偏磁方法進(jìn)行了比較,提出了以各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁的新方法。可適用于單、三相逆變電源抗偏磁設(shè)計(jì)。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179408.htm關(guān)鍵詞:正弦波脈寬調(diào)逆變器;偏磁;抑制
1 引言
在SPWM開(kāi)關(guān)型變換器中,主變壓器的偏磁可以說(shuō)是一種通病。只是在各種應(yīng)用場(chǎng)合中,表現(xiàn)的程度不同而已。偏磁的后果是十分嚴(yán)重的,輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加,溫升加劇,變壓器的機(jī)械噪聲增大(當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件,使逆變器不能正常工作。因此,抗偏磁是開(kāi)關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
本文在比較分析了PWM和SPWM變壓器鐵心的不同磁化過(guò)程的基礎(chǔ)上,提出了SPWM型逆變電源抑制變壓器偏磁的新方法,即以逆變橋各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來(lái)抑制直流偏磁。并已成功應(yīng)用在400Hz單、三相系列變頻電源中,驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可靠性。
2 變壓器鐵心的磁化過(guò)程及抑制偏磁方法比較
開(kāi)關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過(guò)程與普通變壓器一樣均滿足電磁感應(yīng)定律,為方便分析可認(rèn)為繞組電阻,漏感,變壓器分布電容等都等于零。這樣,加到變壓器初級(jí)繞組的電壓u1和繞組感應(yīng)電勢(shì)相平衡。因此,
u1=N1=N1SkT (1)
式中:B為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度;
S為鐵心截面積;
N1為初級(jí)繞組匝數(shù);
kT為鐵心面積的有效系數(shù);
φ為變壓器主磁通。
由式(1)可得磁感應(yīng)強(qiáng)度
B(t)=u1dt+Br (2)
式中:Br為t=0時(shí)鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
為分析方便將式(2)寫為增量形式并考慮到在PWM和SPWM型逆變器中,u1為幅值恒定的脈沖量,因而磁感應(yīng)增量變成
ΔB(t)= (3)
從而磁感應(yīng)增量ΔB(t)成為時(shí)間的線性函數(shù)。對(duì)于全橋PWM型逆變電路,正常情況下,變壓器正、反方向的方波“伏-秒”面積相等,鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度與方波脈寬成正比,變化如圖1(a)所示,且磁化曲線對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。而SPWM型逆變電路中各個(gè)脈沖的寬度不一樣,而且隨載波比的變化而變化,ΔB(t)的大小與SPWM脈沖寬度成正比關(guān)系,其電壓波形和鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形如圖1(b)所示。此時(shí),磁化曲線在一基波周期對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。
(a) PWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度
(b) SPWM型 變 壓 器 鐵 心 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度
圖1 變 壓 器 原 邊 電 壓 及 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度
當(dāng)變壓器原邊含有直流成分時(shí),PWM型變換電路的正、反方向的方波“伏-秒”面積不再相等,磁通將向某一方向逐漸增加,最終導(dǎo)致變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度而飽和,磁化曲線將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。在SPWM型變換電路中,當(dāng)含有直流成分時(shí),將在變壓器鐵心中產(chǎn)生恒定的磁鏈。從而使得變壓器磁通在基波周期將不再是正、反方向相同的正弦波,其范圍將由正常時(shí)的±Δφ1m變?yōu)椋?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" height="14" src="http://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-7/200977103250728.gif" width="13" border="0" style="zoom: 1" alt="" />Δφ1m+φd~+Δφ1m+φd,變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度變動(dòng)范圍也由正常時(shí)的-B1m~+B1m變?yōu)?i>Bd-B1m~Bd+B1m,磁化曲線也將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱,導(dǎo)致半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管損壞[5]。
不少科技工作者根據(jù)自己的工程實(shí)踐,提出了一些減小偏磁的辦法,并取得了較好的效果[1]~[5]。其中有些辦法僅適用PWM型直流變換器[1]~[3],可以采用校正每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的脈寬來(lái)消除偏磁,不存在對(duì)輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期脈寬本來(lái)就不相同,采用此方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重地偏離SPWM模式,產(chǎn)生調(diào)制失真,最終使輸出波形發(fā)生畸變。對(duì)于SPWM正弦波逆變器,文獻(xiàn)[4]采用電子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬同一橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管,此方法未考慮到功率開(kāi)關(guān)管的離散性問(wèn)題;文獻(xiàn)[5]在主變壓器初級(jí)串入一個(gè)采樣變壓器,要求該變壓器和主變壓器的工作特性完全一致,如實(shí)反映主變壓器的工作狀態(tài)。由于材料、器件等諸多因素的離散性,實(shí)際中可能存在一定困難。同時(shí),在上述方法中,有的還要用到電流傳感器,采樣保持器等價(jià)格較高的元器件,這對(duì)于成本較敏感的電力變換裝置將產(chǎn)生不利影響。而且,對(duì)于三相逆變器將使控制電路變得異常復(fù)雜。因此,對(duì)于正弦波逆變器,尋求一種簡(jiǎn)單,有效,單、三相逆變器均適用的抗偏磁方法是很有意義的。
3 正弦波逆變器抑制偏磁的新方法
概括地說(shuō),逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱具體原因有:
1)功率半導(dǎo)體模塊(IGBT)開(kāi)關(guān)速度的差異(器件的離散性或非一致性);
2)功率半導(dǎo)體器件(IGBT)通態(tài)壓降的差異(同上);
3)各種信號(hào)傳輸延遲的不同。
評(píng)論