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)電壓作為反饋來抑制直流偏磁的新方法?？蛇m用于單、三相逆變電源抗偏磁設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)逆變器；偏磁；抑制

1 引言

在SPWM開關(guān)型變換器中，主變壓器的偏磁可以說是一種通病。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)開關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽覺范圍內(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，抗偏磁是開關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問題之一。

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程及抑制偏磁方法比較

開關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過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=N₁Sk_T （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)；

k_T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＋B_r （2）

式中：B_r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±Δφ_1m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="" />Δφ_1m＋φ_d～＋Δφ_1m＋φ_d，變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度變動(dòng)范圍也由正常時(shí)的－B_1m～＋B_1m變?yōu)?i>B_d－B_1m～B_d＋B_1m，磁化曲線也將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱，導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(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)開關(guān)周期的脈寬來消除偏磁，不存在對(duì)輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個(gè)開關(guān)周期脈寬本來就不相同，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]采用電子開關(guān)來模擬同一橋臂上下兩開關(guān)管，此方法未考慮到功率開關(guān)管的離散性問題；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，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。