三相电压型桥式逆变电路设计及仿真

曹欣悦,胡永富

国网新疆电力有限公司巴州供电公司 新疆 巴音郭楞蒙古 841000

摘要：在电力电子这门技术短短几十年的发展历程中,这门技术应用于工业、电力、铁路、通信、城轨、电网、航天航空等多个领域。逆变器作为电力电子重要转换装置，即将直流电转变成交流电，往往在其中利用不同的开断控制器件可以在不同场合下满足各种用户的需求。

关键词：三相；电压型桥式；逆变器；电路设计；

引言

逆变技术是一种应用功率半导体器件将直流电变换为交流电的变流技术。随着电力半导体器件的发展，逆变技术广泛应用于航空、电动汽车、新能源和并网逆变等方面。由电力电子功率半导体器件组成的逆变电路是逆变器中的核心部分，由于功率器件处于不停的开关状态，导致逆变电路成为系统的薄弱装置，是主要的失效组件。在整个逆变系统中，任何一个器件的故障或者损坏都会导致整个电路甚至系统的瘫痪，造成严重的安全事故或经济损失，因此提高功率器件的可靠性是提高整个逆变系统可靠性的重要环节。

1三相逆变器结构

本文所研究的三相逆变器采用三相三线制结构，如图1所示，其中Lf和Cf分别为LC滤波器的滤波电感和滤波电容。三相三线制结构无法直接为单相负荷供电，可采用附加△/Y变压器等方法引出中线。当负荷为不平衡或非线性负荷时，对图1所示结构来说，电压控制目标是保证三相输出线电压对称。

图1三相逆变器结构

2电路设计论文中所探讨的三相电压型桥式逆变器电路，选用一个额定输出功率为3KVA的三相逆变器为主要实验对象。该实验对象的主要参数如下：

（1）直流输入电压：DC800V

（2）输出线电压：AC220V±2%

（3）输出相电压：AC160V±2%

（4）额定输出频率：50HZ

（5）额定功率因素：COSφ=0.8

（6）额定输出功率：3KVA

（7）总谐波畸变率＜5%

（8）该实验对象的额定输出功率为3KVA，因为三相电压型桥式逆变器的电路结构为三相对称型，所以可知其每一相的输出功率都为额定功率的1/3。再根据额定电流的计算公式，可以得到其额定输出电流为：又知道其功率因素，则可得到每相的无功电流Iq和有功电流Ip分别为：在电路运行的时候，要综合考虑多种情况。例如，负载的性质发生突变时，由于滤波电路中有一个电感，由电感的性质决定，我们要用电容去补偿电感的无功功率，当带阻感性负载，且功率因素COSφ=0.8

时，变压器副边滤波电感电流有效值为：则可得出变压器原边电流有效值为19.6A，最大值为27.7A。当为纯阻性负载时，变压器副边电感电流为：则变压器原边电流最大值为22.65A，根据以上算出的数据，为符合其电压和电流的条件，选择一个参数为40A/1700V的IGBT放在逆变主电路中。针对三相桥式逆变电路的特点，在三相桥式逆变电路的左端输入直流电，直接输出的三相交流电压波形往往不理想，这时需要考虑通过滤波电路进行处理，可得到所需的三相交流电压值和波形，在滤波方式的选择上，通过计算和试验，提出了LC滤波电路在电力电子技术中，针对其输入电路的设计，有着良好的滤波效果，本文同样将采用LC型滤波电路，根据计算方法，确定截止频率选择范围为而由可知，我们还需要确定电感和电容的值，根据结论，可知：同时为了提高系统的性能，需要在桥式逆变电路的输出侧加入反馈，这里考虑两种反馈方式，一种方法是在逆变桥输出侧线路上采集电压，然后再与期望值做一次比较，并且将他们之间的相差数据反馈回逆变桥的输入端，构成一个单闭环系统，这种方式相较于没有反馈参数的开环系统，它的优势便在于能通过调节某个参数，自动消去系统中的误差，正因如此，它具有较好的抗干扰能力，并且对元器件在切换时的动作灵敏度较低，可以帮助系统改善其响应特性，并且这种方法易于实现，不过因为单闭环系统的局限性，只能对一个参数进行调节，但实际运用中，整个电路往往涉及到多个参数，单个调节器便不能够满足对电路动态性能的调节，故而不太能在实际中得到广泛运用。另一种方式是在第一种单闭环方式的基础上，加入电流采集环节，将电流采集点放在电路的输出端，把采集到的电流数据与标准电流数据做比对，构成一个电流内环。

3三相逆变器控制策略

1）基波电压跟踪。通常采用Quasi-PR控制器，实现基波电压无静差跟踪。2）谐波电压抑制。首先通过二阶广义积分器提取电容电压中的基频分量，然后进一步获取除基频分量外的其他分量，进行一阶滤波后反馈至调制电压。谐波电压抑制能够降低逆变器中频段的输出阻抗，对因非线性负荷引起的谐波电压进行负反馈控制。3）输出限流。当系统发生短路故障或过载时对输出电流进行限制。4）基于电容电流反馈的有源阻尼。通过模拟滤波电容串联电阻抑制LC谐振，提高系统稳定性。与传统电压-电流双环控制相比，所提方法仅需电压环，简化了参数设计。在不平衡电压控制方面，由于控制在αβ坐标系下实现，无需进行正负序坐标转化；在谐波电压抑制方面，本文所提方法总体降低了变流器中频段输出阻抗，避免了传统方法中多谐振环节引起的运算资源消耗；传统电压-电流双环通过对电流环参考值进行限幅实现限流控制，当出现不平衡过载时将影响正常相电压，而本文所提控制策略能够确保限流过程中正常相电压不受影响。

4电路设计及仿真

逆变器的额定输出电压通常给出的是一个变化范围，接入电网或直接给负荷供电时，其值应满足电网或负荷要求，在规定的输入条件下，逆变器输出的电压波动范围一般为:单相220V±11V，三相380V±19V。三相逆变器不存在电压不平衡问题，只有经单相逆变器接入时，如果没有将逆变器输出均匀的分配，就有可能会出现三相电压不平衡问题，我国规定，电力系统的公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%。考虑到逆变器主要是电气元器件构成，其输入必然含有谐波，而谐波的大小用谐波电压含有率或谐波电流含有率表示，其值应符合国家或行业标准，正弦波逆变器在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量≤10%。控制器的输出包括：PWM1、PWM2控制DC/DC变换器，Mcu_L、Mcu_R控制逆变桥换向。控制器的输入包括：Uink、Uok输入输出电压采样信号，Ufb反馈信号，I_test电流采样信号，Iref电流、电压参考信号，1/2Vcc用来实现双电源供电效果。采用了单片机做纯数字运算，端口都是I/O功能。这部分用纯硬件电路实现的，控制电路可以实现对Boost拓扑、Buck拓扑、Buck-Boost拓扑的电流模式及电压模式控制，能实现Boost和Buck模式的无缝切换，除了能实现逆变外还可以实现PFC功能（兼容断续、临界、连续模式）。

结束语

本文研究的三相电压型桥式逆变电路，在常规桥式逆变电路结构后加入了电感电容结构的滤波电路进行滤波，并采用现在主流的电子器件控制方式-SPWM双极性控制方式控制电子器件的通断，为了增强电路的整体稳定性，加入电压外环电流内环的双闭环反馈设计，最后经过电路输出的电压可以满足从单相直流电转换为三相交流电的需求，同时，输出的三相电压的波形均呈正弦形态，频率、幅值、相位角均满足要求，可以应用于实际生活中。

参考文献

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