PWM逆變器式交流穩(wěn)壓電源的原理分析

1引言

現(xiàn)有兩種無觸點補償式交流穩(wěn)壓電源在取代三相柱式交流電力穩(wěn)壓器。一種是變壓器補償式穩(wěn)壓器，其原理是用多個補償變壓器組合，通過“多全橋”變換電路，切換補償變壓器的初級頭、尾連接方式進行補償，去掉了機械傳動和觸點，提高了壽命和動態(tài)性能。補償是有級的，而且所需的補償變壓器和切換開關(guān)較多，電路相對復(fù)雜，補償精度低。另一種是PWM開關(guān)式交流穩(wěn)壓器，其原理是從輸入側(cè)取得工頻交流電壓，經(jīng)過整流、正激高頻PWM變換、相位跟蹤和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生交流補償電壓進行補償，補償是無級的，補償精度高，響應(yīng)速度快。但電路復(fù)雜，還需要一個固定的逆補償變壓器，不易實現(xiàn)大功率應(yīng)用。我曾介紹過的PWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源很好地克服了上述缺點，是一種很有發(fā)展前途的交流穩(wěn)壓技術(shù)，但其存在著只能穩(wěn)壓，不能消除市電電壓中諧波成分的缺點。為了擴大交流穩(wěn)壓電源的功能，我們又開發(fā)研制了利用PWM高頻逆變器進行補償?shù)亩喙δ芙涣鞣€(wěn)壓電源，這種穩(wěn)壓電源具有用戶電力綜合調(diào)節(jié)器（Custompower)的功能，使穩(wěn)壓電源的性能又上了一個臺階。

2 采用PWM高頻逆變器的補償式交流穩(wěn)壓電源

采用PWM高頻逆變器的補償式交流穩(wěn)壓電源的原理電路如圖1所示。其中補償電壓uco由單相全橋逆變器產(chǎn)生（也可以采用半橋式或推挽式逆變器），逆變器采用高頻SPWM調(diào)制。單相全橋逆變器的輸出電壓uab通過輸出變壓器Tr，把電壓uab變成補償電壓uco在Tr的次級輸出。Tr的次級串聯(lián)在主電路中以對市電電壓的變化進行補償，保持輸出電壓uo穩(wěn)定不變。圖中LFCF為低通濾波器，以濾掉逆變器輸出電壓uab中的高次諧波。變壓器Tr次級繞組的電阻和漏感以及市電電源內(nèi)阻共同組成線路阻抗Z，則當負載變化時在Z上產(chǎn)生的壓降會使輸出電壓隨之變化。ur為用正弦電壓發(fā)生器和鎖相環(huán)產(chǎn)生的標準參考電壓，鎖相環(huán)是使ur在相位上與市電電壓us同步。用瞬時值usZisur作為SPWM全橋逆變器控制電路中的調(diào)制電壓，控制電路的原理框圖如圖2所示。按此圖的高頻SPWM調(diào)制原理，當用（usZisur）作為正弦調(diào)制波時，就可以使逆變器的輸出電壓與市電電壓的變化和負載電壓的變化成比例。

圖1采用逆變器補償?shù)慕涣鞣€(wěn)壓電路

圖2控制電路原理框圖

21逆變器輸出電壓的諧波分析

假定逆變器的直流電源電壓為Ud，載波三角波的電壓幅值為Uc，則調(diào)制比M的值為：M=（1）

式中：Us、Is、Ur為市電電壓us，市電電流is和基準參考電壓ur的有效值。載波比：N=，fc為三角波頻率，fs為市電電壓頻率。

SPWM波形如圖3所示。由此圖可知，逆變器輸出電壓uab的雙重付里葉級數(shù)表示為：

uab=ua－ub=MUdsinωt＋?

cosmπ?sin〔(mN＋n)ωt〕(2)

因為變壓器Tr的變比為ξ，故補償電壓uco的表示式為：

uco=ξMUdsinωt＋ξ?

cosmπ?sin〔(mN＋n)ωt〕(3)

uco的頻譜如圖4所示，可知：載波比N越大，諧波頻率越高，濾波越容易，所需的LFCF的值越小，當fc=12.8kHz時，LF=10mH，CF=2μF，即可將uco中的高次諧波濾掉。

22考慮線路阻抗Z的補償分析

由于逆變器開關(guān)管的正向壓降，開關(guān)死區(qū)、變壓器Tr初級繞組的電阻及漏感和交流濾波電感LF的繞組電阻及電感的影響，會使補償電壓uco的值減小。但這種影響不大，而且是基本固定的，與負載的大小變化關(guān)系不大，因此可以通過增大變壓器Tr的變比ξ來補償。

由圖1考慮到線路阻抗Z時，在us>ur的情況下輸出電壓的方程式為：

圖3參差相位法獲得三階SPWM波

圖4補償電壓uco的頻譜和諧波分量與M的關(guān)系

圖5對電壓波動、諧波、瞬變脈沖補償?shù)脑硎疽鈭D