一​种​简​单​的​逆​变​器​输​出​直​流​分​量​消​除

一种简单的逆变器输出直流分量消除方法
叶智俊1
,严辉强2,余运江,吴建德
1
(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.杭州中信网络自动化有限公司,浙江杭州310027;
3.镇江船艇学院工程系,江苏镇江212003)
摘 要:逆变器输出直流分量会对逆变器本身和交流负载产生不利影响,必须消除直流分量来保障逆变器的可靠运行。提出了一种简单的消除输出直流分量的方法,并在理论分析的基础上,通过对1台220V、1kW的逆变器系统进行实验,验证了该方法的有效性。实验结果表明,该方案产生的基准正弦波质量高,直流分量消除效果明显。
关键词:逆变器;直流分量;基准正弦波电路中图分类号:TM464    文献标识码:A
文章编号:1001-4551(2007)09-0050-03


在现代生产生活中,随着电力电子技术的发展,逆变技术被广泛地应用于各种电力系统供电设备,以满足用电负载对供电质量的各类要求。作为理想交流供电电源的逆变电路的输出电压应为正弦波,不含有直流分量。但实际上,对于采用SPWM调制技术的逆变器,由于基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器的零漂、开关器件不一致以及驱动脉冲分配和死区时间的不对称等原因,都会造成输出电压含有直流
分量[1]
。
在输出带工频隔离变压器的场合,如果直流分量超过一定值,就会造成隔离变压器饱和,导致系统过流保护,甚至损坏功率器件。在输出不带工频隔离变压器的场合,直流分量将直接对负载供电。对于非线性负载,直流分量会造成电流的严重不对称,损坏负载。同时,在逆变器并联系统中,直流分量电压将会造成很
大的直流环流,严重影响系统的均流性能,降低并联系
统的可靠性[2,3]
。
近年来在电源数控技术的快速发展下,出现了数字调节方法,可以通过对输出直流分量的采样,经A/D转换成数字信号,送入控制芯片进行处理,从而调整逆变器的控制信号,达到消除输出直流分量的作用[4]
。利用数控的方法,电路简单,便于控制,但是由于直流分量相对交流输出而言,幅值要小得多,很难保证精确采样,因此会大大影响直流分量的消除效果。
本研究主要介绍一种简单的消除输出直流分量的方法。
1 基准正弦波对输出电压的影响
采用SPWM调制技术的逆变电路,本研究以常见的输出电压外环、电感电流内环的双环控制策略为例,
来分析基准正弦波信号对逆变器输出电压的影响[5]
。
双环控制下的逆变器控制框图,如图1所示。




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图1 双环控制下的逆变器控制框图
Gvcmp(S)和Gicmp(S)-电压环调节传递函数和电流环调
节传递函数;M-脉宽调制电压比例增益;Lf、Cf、Rf-输出滤波器的电感、电容和电感的寄生电阻;Kif、Kvf-电流环和电压环反馈系数。
根据控制框图得到系统的闭环传递函数:
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,得到对于直流分量的传递函数:Gdc=VOdcVrefdc
io=0
≈
1Kvf
(2)
式(2)说明逆变器的输出电压直流分量与基准正
弦波信号直流分量成比例关系,比例系数为电压环反馈系数的倒数,电压环和电流环的调节传递函数对直流分量的消除几乎没有影响。该结论同样适用于其他逆变器控制策略。通过以上分析可知,虽然引起逆变器输出电压含有直流成分的原因有很多,但是调节基准正弦波的直流分量能够影响逆变器输出电压的直流成份,从而实现对逆变器输出电压直流分量的消除。
2 直流分量的采样调理电路

输出电压直流分量的采样调理电路,如图2所示。

图2 输出电压直流分量的采样调理电路
Uo是逆变器的输出电压,通过2级RC低通滤波器
组成的2阶滤波电路,滤除交流成份。
该2阶滤波电路的传递函数为:
G(s
)
=
1
s2
R1R2C1C2+s(R1C1+R1C2+R2C2)+1
(3)
为了滤除交流电压成份,一般而言,RC滤波器的极点设置远远低于输出电压的基波频率,其幅频特性,如图3所示。
从幅频特性可以看到,该2阶电路截止频率很小,
图3 2阶滤波电路的幅频特性
带宽很窄,在50Hz基波频率处,滤波电路有-93dB
的衰减,对直流成分则基本没有衰减,因此该电路能够很好地提取直流信号。
集成运算放大器IC1、R4、R5、C3为比例积分电路,为了不对逆变器的控制系统产生影响,直流分量调理环路的带宽应远低于逆变器电压环的带宽,因此积分常数需取值较大,比例常数则需考虑后级光耦的增益作综合考虑加以选取。如果逆变器输出含有正的直流分量,则IC1的输出为一个正的直流电压值;如果输出含有负的直流分量,则IC1的输出为一个负的直流电压值。
集成运算放大器IC2与光耦组成一个隔离型的比例放大器,实现隔离。当直流分量为正时,IC2驱动
OPT2,在电阻R7上产生一个负电压;当直流分量为负
时,IC2驱动OPT1,在电阻R7上产生一个正电压。由此可见,光耦的输出与直流分量成负比例关系,R7上的电压可以直接叠加在基准正弦波信号上,从而消除直流分量。
整个采样调理电路简单、方便、可靠,既实现了直流分量的精确检测、PI调节,又实现了与控制电路的隔离。
图4 基准正弦波的产生及直流分量的叠加电路
3 基准正弦波的产生及直流分量的叠加
基准正弦波的产生及直流分量的叠加电路,如图4所示。USPWM是DSP查表产生的SPWM方波信号,电
容C1起隔直作用。集成运算放大器IC1和R2、R3、R4、
R5、C2、C3组成1个2阶有源滤波器,DSP产生的SPWM
方波信号被滤成光滑、高质量的基准正弦波,作为逆变器控制电路的基准。图2电路产生的直流分量调制信号Udc通过R1叠加到基准正弦波上,再经过逆变器的闭环调节系统实现输出电压直流分量的消除。
・
15・第9期叶智俊,等:一种简单的逆变器输出直流分量消除方法






 




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4 实验结果
为了验证该方案的有效性,笔者设计了1台
1kW、220V输出的逆变器系统。输出电压和基准正弦波实验波形,如图5(a)所示。输出电压的THD为0.6%,基准正弦波的正弦度较好,说明本研究提出的正弦波发生电路简单实用。没有直流分量消除电路时带整流桥负载实验波形,如图5(b)所示。由于输出电压中含有直流分量,输出电流不对称。有直流分量消除电路时带整流桥负载和1kW线性负载的实验波
形,如图5(c)、
(d)所示。实验结果表明,输出电压的直流分量几乎为零,输出电流波形对称,说明提出的直流分量消除方法简单、可靠。
5 结束语
本研究在分析逆变器输出系统中直流分量危害和
产生机理的基础上,提出了一种简单可靠的直流分量消除电路。直流分量反馈调节信号直接叠加到由DSP产生的基准正弦波电路上。实验表明,该方案产生的基准正弦波质量高,直流分量消除效果明显。
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[编辑:李 辉]