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(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)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(bǔ)償式穩(wěn)壓器，其原理是用多個(gè)補(bǔ)償變壓器組合，通過(guò)“多全橋”變換電路，切換補(bǔ)償變壓器的初級(jí)頭、尾連接方式進(jìn)行補(bǔ)償，去掉了機(jī)械傳動(dòng)和觸點(diǎn)，提高了壽命和動(dòng)態(tài)性能。補(bǔ)償是有級(jí)的，而且所需的補(bǔ)償變壓器和切換開(kāi)關(guān)較多，電路相對(duì)復(fù)雜，補(bǔ)償精度低。另一種是PWM開(kāi)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(guò)整流、正激高頻PWM變換、相位跟蹤和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生交流補(bǔ)償電壓進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償是無(wú)級(jí)的，補(bǔ)償精度高，響應(yīng)速度快。但電路復(fù)雜，還需要一個(gè)固定的逆補(bǔ)償變壓器，不易實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用。我曾介紹過(guò)的PWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源很好地克服了上述缺點(diǎn)，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(diǎn)。為了擴(kuò)大交流穩(wěn)壓電源的功能，我們又開(kāi)發(fā)研制了利用PWM高頻逆變器進(jìn)行補(bǔ)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(gè)臺(tái)階。

2 采用PWM高頻逆變器的補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源

采用PWM高頻逆變器的補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的原理電路如圖1所示。其中補(bǔ)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(guò)輸出變壓器Tr，把電壓uab變成補(bǔ)償電壓uco在Tr的次級(jí)輸出。Tr的次級(jí)串聯(lián)在主電路中以對(duì)市電電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)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(jí)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(dāng)負(fù)載變化時(shí)在Z上產(chǎn)生的壓降會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dāng)用（usZisur）作為正弦調(diào)制波時(shí)，就可以使逆變器的輸出電壓與市電電壓的變化和負(fù)載電壓的變化成比例。

圖1采用逆變器補(bǔ)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(zhǔn)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(jí)數(shù)表示為：

uab=ua－ub=MUdsinωt＋?

cosmπ?sin〔(mN＋n)ωt〕(2)

因?yàn)樽儔浩鱐r的變比為ξ，故補(bǔ)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(dāng)fc=12.8kHz時(shí)，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(bǔ)償分析

由于逆變器開(kāi)關(guān)管的正向壓降，開(kāi)關(guān)死區(qū)、變壓器Tr初級(jí)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(huì)使補(bǔ)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(fù)載的大小變化關(guān)系不大，因此可以通過(guò)增大變壓器Tr的變比ξ來(lái)補(bǔ)償。

由圖1考慮到線路阻抗Z時(shí)，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(bǔ)償電壓uco的頻譜和諧波分量與M的關(guān)系

圖5對(duì)電壓波動(dòng)、諧波、瞬變脈沖補(bǔ)償?shù)脑硎疽鈭D