電壓型單相全控全橋恒頻恒壓逆變器研究

在電力電子變換和控制技術中，通常將直流電變換成交流電的過程叫逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路，實現(xiàn)逆變過程的裝置叫逆變器。逆變器應用廣泛，類型繁多。依據(jù)直流電源的類別，逆變器可分為電壓型逆變器（VSI）和電流型逆變器（CSI）；依據(jù)輸出交流電壓的性質(zhì)，可分為恒頻恒壓（CVCF）正弦波逆變器和方波逆變器，變頻變壓（VVVF）逆變器，高脈沖電壓（電流）逆變器；依據(jù)逆變結構的不同，可分為單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器；依據(jù)開關器件及其關斷（換流）方式的不同，可分為采用全控型開關的自關斷換流逆變器和采用晶閘管半控型開關的強迫關斷晶閘管逆變器。本文以電壓型單相全控全橋恒頻恒壓逆變器為研究對象，在Matlab中搭建基于SPWM調(diào)制的雙閉環(huán)仿真模型，通過仿真結果對單相全橋逆變器的進行分析說明。

圖一?單相全橋逆變器主電路結構

單相全橋式 PWM 逆變器電路結構如圖 一?所示，圖中 T1、T2、T3、T4

是功率開關管，濾波電感 L 與濾波電容 C 構成LC低通濾波器，r 為考慮濾波電感 L 的等效串聯(lián)電阻、開關管導通壓降、線路電阻等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻，理想分析時可以忽略。ud為直流母線電壓，u1為逆變橋輸出電壓，uo為逆變器輸出電壓，iL為流過濾波電感的電流，io代表負載電流。

單相全橋逆變器的工作原理其實很簡單，一句話：對角線同時導通，上下管互補。因此，當T1、T4導通時，u1之間的電壓為ud；而當T3、T2導通時，u1之間的電壓為-ud，如圖二所示：

圖二??單相全橋逆變器工作原理

根據(jù)圖二，為方便分析首先去掉LC濾波器，負載兩端直接與全橋逆變器的橋臂中點相連。由圖可知，經(jīng)過MOSFET/IGBT的開關動作，原來的直流電壓ud已變?yōu)檎摻蛔兊姆讲ń涣麟?。要注意的是，因為采用spwm調(diào)制，正負交變的方波電壓是逐個周期(與調(diào)制波周期一致)按正弦規(guī)律變化的，即：方波脈沖的寬度呈現(xiàn)正弦寬度變化。以雙極性SPWM為例，具體如圖三所示：

圖三? 雙極性SPWM工作原理

結合圖三，再次說明一下：單個正負交變的方波脈沖的周期與三角載波的周期一致，又三角載波的頻率就是開關頻率，因此正負交變的方波脈沖頻率此時可認為是開關頻率；而正弦波作為調(diào)制波，也就是我們想得到的輸出波形，可通過控制其幅值和頻率實現(xiàn)輸出的調(diào)壓調(diào)頻。

以上的分析都是在忽略LC濾波器的前提下進行的，在加入LC濾波器之前，首先對LC濾波器的本身特性進行分析。LC濾波器是低通濾波器，其伯德圖如圖四所示：
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圖四? LC濾波器伯德圖

以常用的基波頻率50hz為例，觀察圖六的幅頻特性可知，頻率為50Hz(即314rad/s)的基波可以無衰減通過，而250Hz(即1579rad/s)的五次諧波有較大的衰減，對開關頻率10kHz的主電路而言，由開關動作所產(chǎn)生的高頻分量(即角頻率在31400rad以外的諧波)均可以得到很好的抑制。結合上文中提到的交變方波的頻率就是開關頻率，并且對交方波進行傅里葉級數(shù)分解可知：經(jīng)過LC濾波器之后，輸出得到的將是大部分基波分量，即50hz的輸出信號。由此可以看出：參與PWM生成的調(diào)制波形就是我們想得到的輸出波形，而載波的頻率就是開關頻率；通過控制調(diào)制波與載波的幅值比，即調(diào)制比可實現(xiàn)對輸出的控制。一般情況下，調(diào)制比<1;若調(diào)制比>1，我們稱之為過調(diào)制。

理論分析完成后，在MATLAB中進行仿真驗證。仿真模型如圖五所示：

圖五?單相逆變器仿真模型

圖六?雙閉環(huán)PI控制模塊

由圖六可知：仿真采用的是輸出電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制算法是PI控制，采用雙極性SPWM調(diào)制(圖7)。通過給定模塊可以實現(xiàn)輸出電壓幅值和頻率的調(diào)整，如圖七所示：

圖七 給定模塊內(nèi)部結構圖

SPWM的內(nèi)部結構如圖八所示：

圖八?spwm內(nèi)部結構圖

注意，在這里載波的幅值為1，頻率為20khz，因此電流內(nèi)環(huán)的輸出作為調(diào)制信號時要進行限幅，防止過調(diào)制，限幅值上下限為：1和-1。

仿真結果如下所示：

圖九?輸出電壓

以上！