三相四橋臂航空靜止變流器的研究

0 引言

航空靜止變流器是將飛機(jī)主電源電能轉(zhuǎn)變?yōu)槟承Ｓ脵C(jī)載設(shè)備適用的電能形式的裝置，隨著多電飛機(jī)的發(fā)展，將會(huì)有更多的單相和多相電子負(fù)載設(shè)備使用[1-2]，這樣，會(huì)造成變流器輸出負(fù)載不平衡，為拓寬三相航空靜止變流器的使用范圍，必須采用三相四線制輸出電壓。

目前解決三相逆變器接不平衡負(fù)載[3]主要有以下5種方法：一是中點(diǎn)形成變壓器的三相逆變器，缺點(diǎn)是體積重量隨系統(tǒng)容量和負(fù)載不對(duì)稱程度的增加而增加，并且為了達(dá)到較好的耦合，繞制工藝和接線復(fù)雜，自身功耗降低了整機(jī)效率;二是吟/Y輸出變壓器的三相逆變器，缺點(diǎn)是零序電壓不可控;三是應(yīng)用分裂電容的三相四線制逆變器，缺點(diǎn)是防止中點(diǎn)電位偏移，需要較大電容，而且直流電壓利用率低，輸出相電壓峰值最高僅為直流母線電壓的一半;四是組合式三相逆變器，缺點(diǎn)是由三個(gè)單相逆變器組成，采用的開關(guān)器件和輸出濾波器太多。五是三相四橋臂逆變器[4]，在傳統(tǒng)三橋臂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個(gè)橋臂，用來構(gòu)成中線，可直接控制中性點(diǎn)電壓，增加了一個(gè)自由度，使得三相四橋臂逆變電源可產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立的電壓，從而表1 三相四橋臂逆變器開關(guān)矢量表能在不平衡負(fù)載下維持三相電壓的對(duì)稱輸出。

三相四橋臂逆變器具有電路形式簡單，體積小，重量輕，電壓利用率高的突出優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用三相四橋臂逆變器作為靜止變流器的主電路拓?fù)溥M(jìn)行研究。

1 三相四橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為三相四橋臂逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，E 為直流母線電壓;VT1~VT8為功率開關(guān)管;v1耀v4 為逆變器輸出電壓;L1~L3 為輸出濾波電感;C1~C3為輸出濾波電容;A、B、C 為三相輸出;N為中線;Ln為中線電感，可以改善整體濾波效果，抑制中線電流開關(guān)紋波，減小三相輸出電壓的THD值。

2 abc 坐標(biāo)系下的三維空間矢量法

2.1 開關(guān)矢量的選擇及區(qū)間判別

三相四橋臂逆變器具有4 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂具有兩種開關(guān)狀態(tài)，定義如下：p 表示橋臂上管導(dǎo)通下管關(guān)斷，n表示橋臂上管關(guān)斷下管導(dǎo)通。設(shè)4個(gè)橋臂開關(guān)狀態(tài)順序?yàn)锳BCN，例如ppnn，表示該時(shí)刻A 相和B 相橋臂上管導(dǎo)通下管關(guān)斷，C 相和N相橋臂上管關(guān)斷下管導(dǎo)通。由排列組合可知，三相四橋臂逆變器具有24=16種開關(guān)矢量。將16種開關(guān)矢量定義為V1~V16，ABC 各相中點(diǎn)電壓定義為vAN、vBN、vCN，則得到各矢量狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的各相中點(diǎn)輸出電壓幅值，如表1所列。

將16 個(gè)開關(guān)矢量在abc 坐標(biāo)系下畫成矢量圖就得到了一個(gè)空間十二面體，如圖2 所示。所有的開關(guān)矢量，要么與坐標(biāo)軸平行，要么與某一坐標(biāo)軸成45毅。可以用6 個(gè)平面將控制區(qū)域進(jìn)行分割。

這樣控制區(qū)域可以分為二十四個(gè)面積相等的空間四面體。每一個(gè)空間四面體由3 個(gè)非零電壓矢量和兩個(gè)空間零電壓矢量構(gòu)成，可以用來判斷給定

根據(jù)公式(1)可計(jì)算得出的RP有24 個(gè)不同值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)一個(gè)互不相同的空間四面體[5]。

2.2 開關(guān)占空比的計(jì)算

根據(jù)空間合成的原理，用任意時(shí)刻合成空間矢量的三個(gè)非零矢量來等效參考電壓矢量，則每一時(shí)刻參考電壓矢量的值都與三個(gè)非零電壓矢量乘以其占空比后的和相等，見公式(2)，其中vref 為參考電壓矢量。

體中各開關(guān)矢量對(duì)應(yīng)的占空比。

3 參考電壓的設(shè)定

4 仿真結(jié)果

4.1 三相平衡負(fù)載仿真

設(shè)直流側(cè)輸入電壓為270 V，三相輸出電壓為115 V/400 Hz，三相平衡負(fù)載為115 贅，輸出濾波電感為1.2 mH，輸出濾波電容為3 滋F。定義Ua、Ub、Uc為三相輸出電壓、ia、ib、ic 為三相輸出電流，in為中線電流。仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示?？梢钥闯鋈嗥胶庳?fù)載情況下，三相輸出電壓穩(wěn)定，中線電流基本為0，僅有紋波電流。

通過圖5耀圖8可以看出三相不平衡負(fù)載情況下，三相四橋臂逆變器的輸出電壓波形基本保持穩(wěn)定、對(duì)稱、無畸變，第四橋臂的電流為不平衡負(fù)載引起的中線電流。

5 結(jié)語

1)abc坐標(biāo)系下的三維空間矢量法具有區(qū)間判斷簡單和占空比計(jì)算快速的特點(diǎn);

2)四橋臂可作為逆變器接不平衡負(fù)載時(shí)零序電流的通路;

3)參考電壓的設(shè)定可補(bǔ)償不平衡負(fù)載時(shí)輸出電壓的損失;

4)三相四橋臂逆變器可作為三相四線制航空靜止變流器功率電路使用。