3 kVA高頻軟開關航空靜止變流器并聯(lián)模塊研究

　　1 引 言

　　國外航空靜止變流器目前已經(jīng)系列化，單相靜止變流器從50VA～6KVA有20個功率等級，三相靜止變流器從150VA～12KVA有11個功率等級，其中基本模塊有6個，最大功率為1kVA，功率密度為6.1kg/kVA。許多功率等級的產(chǎn)品，尤其是大于1kVA的產(chǎn)品多采用由幾個基本模塊構成的模塊方案。目前國內(nèi)的航空靜止變流器僅有三個品種，最大功率為1kVA，大于1kVA的仍然使用旋轉變流器，且不能并聯(lián)工作，與先進國家差距較大。

　　航空靜止變流器的模塊化及系列化設計可以有效地提高系統(tǒng)的通用型、可靠性、可維護性及可擴展性。采用多個電源模塊并聯(lián)組合成大功率電源是實現(xiàn)電源高可靠性的關鍵，本文在成功研制1kVA高頻軟開關航空靜止變流器模塊的基礎上，進一步研究了由多個單相模塊組合成大功率航空靜止變流器的方案。實驗表明，采用模塊并聯(lián)方案具有簡單可靠、效率高、體積小等優(yōu)點，對提高航空靜止變流器的可靠性、可維護性和通用性具有重要意義。

　　2　系統(tǒng)構成及工作原理

　　3kVA高頻軟開關航空靜止變流器采用3臺1kVA 27VDC/115V 400Hz單相DC/AC航空靜止變流器模塊并聯(lián)構成(見圖1)。3臺航空靜止變流器模塊均為電壓、電流雙環(huán)控制，通過公用電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)定并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓及頻率，同時產(chǎn)生統(tǒng)一的模塊電流給定信號，各并聯(lián)模塊工作于電流跟蹤壯態(tài)，從而實現(xiàn)各航空靜止變流器模塊的均流并聯(lián)。該方案簡單可靠，模塊間僅有一條電流給定線連接，不需要輸出隔離變壓器以及復雜的均流控制電路，因此體積小、重量輕。

圖1系統(tǒng)構成及工作原理框圖

　　2.1　1kVA單相軟開關航空靜止變流器模塊的構成及工作原理

　　1kVA 27VDC/115V 400 Hz AC航空靜止變流器模塊由DC/DC變換、DC/AC逆變、吸收電路、控制保護電路及機內(nèi)電源等組成(見圖2)。DC/DC變換部分采用兩路交錯并聯(lián)有源箝位軟開關正激變換器輸出100kHz、占空比可變的周期過零的脈沖波。DC/AC逆變采用V6~V9組成橋式逆變器，經(jīng)離散脈沖滯環(huán)控制(DPM)，在直流母線電壓Ub過零時進行開關切換，實現(xiàn)了開關管的零電壓開關。逆變橋輸出調(diào)制電壓，經(jīng)濾波電感Lf、電容Cf濾波后，得到115V/400Hz的單相交流電輸出。

圖2　單逆變模塊主電路拓撲圖

　　控制電路采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案，該方案可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時自動達到限制電流的目的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雙環(huán)控制兩態(tài)調(diào)制方案，電感電流變化較大，逆變橋開關損耗大。為此，引入三態(tài)控制方式，即在電感電流與電流給定誤差小于滯環(huán)上限且大于滯環(huán)下限時，開通V7、V9使電感處于自然續(xù)流狀態(tài)，只有當誤差大于滯環(huán)上、下限時才進入兩態(tài)調(diào)制，這樣就可以有效地減少開關管的切換次數(shù)（每周期69～71次)，提高了變換器的效率，同時減小了輸出能量的回饋。

　　該靜止變流器模塊的DC/DC電路采用有源箝位技術，DC/AC采用零電壓開關技術，效率較高(額定阻性負載時為83.1%，其中DC/DC為89.2%，DC/AC為93.2%，THD為0.894%，功率密度為5.3kg/kVA)。

　　2.2　3kVA單相航空靜止變流器的構成及工作原理

　　3kVA單相航空靜止變流器由3塊1kVA逆變模塊并聯(lián)構成（見圖3）。并聯(lián)控制電路采用公用電壓外環(huán)方案，即由一個公用電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)用來調(diào)節(jié)航空靜止變流器的輸出電壓，它的輸出信號ig為各模塊的電流內(nèi)環(huán)的給定輸入信號，由于電流內(nèi)環(huán)可以等效為一比例放大環(huán)節(jié)，等效放大倍數(shù)為電流環(huán)反饋系數(shù)的倒數(shù)。因此，當各模塊的電流內(nèi)環(huán)反饋系數(shù)Kin相等時，各模塊的濾波電感電流相等，從而實現(xiàn)了并聯(lián)航空靜止變流器模塊的均流。

圖3共用電壓調(diào)節(jié)器航空靜止變流器并聯(lián)系統(tǒng)框圖

　　2.3　并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流分析

　　圖4為兩臺航空靜止變流器模塊并聯(lián)系統(tǒng)的輸出等效電路，r1，r2分別表示航空靜止變流器的輸出連線的阻抗L1，C1和L2，，C2分別為航空靜止變流器輸出濾波電感和電容，RL為負載電阻。由圖可知，存在以下關系式

　　(1)

圖4 公用電壓調(diào)節(jié)器輸出等效電路

　　式中: Ig為公用電壓調(diào)節(jié)器輸出，分別為兩臺上述航空靜止變流器模塊的電流環(huán)等效放大倍數(shù)。對于該航空靜止變流器并聯(lián)系統(tǒng)，r1和r2非常小，因此U＆0≈U＆1，U＆0≈U2，故式1可以簡化為

　　(2)

　　從式(2)中可看出，任一逆變模塊的輸出電流等于該模塊的電感電流與該模塊的濾波電容電流的差。由式(2)得該控制方式下兩并聯(lián)模塊間的環(huán)流IH為

　　(3)

　　從式（2，3）中可以看出，兩臺逆變模塊的輸出電流以及兩臺逆變模塊間的環(huán)流由兩個分量組成:(1)由于兩逆變模塊的電流放大倍數(shù)差而引起的環(huán)流;(2)由于兩臺逆變模塊的輸出濾波電容的差異而引起的環(huán)流。

　　(1)當，令C1=C+△C1C2，C2=C+△C2，則式（3）化為

　?。?）

　　其中:△C=△C1－△C2。從式（4）中可以看出當兩臺逆變模塊的輸出濾波電容不相等時會在兩逆變模塊間產(chǎn)生環(huán)流，這一環(huán)流正比于兩濾波電容的差△C。

　　(2)當C=C1=C2，令，則式（4）化為

　　（5）

　　其中:。從式（5）中可以看出當兩臺逆變模塊的電流放大倍數(shù)不相等時會在兩逆變模塊間產(chǎn)生環(huán)流，這一環(huán)流正比于兩逆變模塊電流放大倍數(shù)差△K。

　　綜合（1）與（2）分析可知:在共用一個電壓調(diào)節(jié)器的多電流模塊并聯(lián)系統(tǒng)中，欲使各模塊均分負載電流，必須減小各逆變模塊間在電流反饋環(huán)節(jié)、輸出濾波環(huán)節(jié)上參數(shù)的差異。