一種靈活的可編程三相開關(guān)功率放大器

摘要：分析了三相四橋臂開關(guān)功率放大器的原理及其在繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用。該拓?fù)淅玫谒臉虮蹃碚{(diào)節(jié)中線電流，實現(xiàn)了三相之間的獨立。實驗結(jié)果表明該電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相功能。

關(guān)鍵詞：開關(guān)功率放大器；可編程；三相四橋臂逆變器 

A Flexible and Programmable Three Phase Switching Power Amplifier

SONG Dong- liang, LU? Zheng- yu, WANG You- sheng 

Abstract:The principle of three-phase four-leg switching power amplifier and its application in relay protection test are introduced. This topology realizes the decoupling of each phase by the fourth leg to handle the neutral current. Experiment results show the structure of the circuit is simple,the amplitude, frequency and phase of each output can be regulated easily. 

Keywords:Switching power amplifier; Programmable; Three-phase four-leg inverter 

1  引言

    電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是逆變技術(shù)和高速全控型的功率開關(guān)器件（IGBT、MOSFET）的發(fā)展，使得采用電力電子技術(shù)構(gòu)成的開關(guān)功率放大器在儀器儀表校驗、電量變送器校驗、繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用成為可能。開關(guān)功率放大器具有高效、可靠、功率大、易數(shù)字控制、任意波形發(fā)生等功能。三相四橋臂開關(guān)功率放大器由于引入了第四橋臂，從而形成三個獨立的全橋電路，因而能夠?qū)崿F(xiàn)三相輸出的獨立調(diào)整。本文提出的第四橋臂采用固定開關(guān)頻率、固定占空比的控制方法，簡化了控制電路，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。

    微機(jī)型繼電保護(hù)測試裝置由于體積小、重量輕、測試方便可靠、便攜等優(yōu)勢逐漸取代了模擬式的繼電保護(hù)裝置。其主體由數(shù)字波形發(fā)生器、功率放大器、反饋檢測電路、通訊端口等組成。精密三相測試電源則是繼電保護(hù)裝置的主體，功率放大電路傳統(tǒng)上采用線性功率放大電路，但其效率低、體積大而笨重。繼電保護(hù)測試裝置中主要有三相電流源和三相電壓源，它們均要求能夠獨立地調(diào)整輸出電壓和電流的幅值、相位、頻率，對電流源還要求三相能夠合并輸出大電流。采用三相四橋臂的開關(guān)功率放大器能夠方便地實現(xiàn)三相電源的各種功能，如諧波疊加、移相、各類故障模擬等。

2  開關(guān)功率放大器的原理

    三相電壓、電流源由三相四橋臂的逆變器構(gòu)成，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常對三相不對稱負(fù)載中線流過的電流采用電容器串聯(lián)構(gòu)成中點，這樣做只能解決比較輕的不對稱負(fù)載，對于嚴(yán)重不對稱的負(fù)載（如三相同相），則由于電容器的容量需要選得非常大而不切實際。三相四橋臂逆變器通過引入第四橋臂來實現(xiàn)對中線電流的調(diào)節(jié)，使得電路變成了三個完全獨立 的 單 相 逆 變 器 。 因 此 ， 第 四 橋 臂 的 控 制 成 為 關(guān) 鍵 ， 通 常 對 第 四 橋 臂 的 控 制 方 法 都 比 較 復(fù) 雜[1－3]， 本 文 對 第 四 橋 臂 的 控 制 采 用 固 定 占 空 比 的 控 制 方 法 。 以 其 中 一 相 為 例 來 說 明 開 關(guān) 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理 。

圖1  三 相 四 橋 臂 逆 變 器 主 電 路 拓 撲

    當(dāng)逆變電路一橋臂以SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）方式工作，而另一橋臂以固定的50％占空比工作時，與一般的單相雙極型和單極型逆變器相比，這種方式工作下的逆變器在一個開關(guān)周期內(nèi)有三個電平輸出狀態(tài)，而不是兩個（參見圖2）。假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制波的頻率，則可認(rèn)為在一個開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓的幅值基本不變。這樣在一個開關(guān)周期內(nèi)，電路經(jīng)歷了四個工作狀態(tài)。電路工作狀態(tài)分析如下：

(a)  雙 極 型SPWM輸 出 波 形

(b)  單 極 型SPWM輸 出 波 形

(c)  三 相 四 橋 臂 一 相 輸 出 波 形

圖2  幾 種 逆 變 電 路 輸 出 電 壓 比 較

    狀態(tài)1[t0～t1]    S3、S2開通，電感上的電流增加，此時由電源向負(fù)載提供能量。此時電路滿足Edc－Vo=LdiL/dt。

    狀態(tài)2[t1～t2]    S2關(guān)斷，D1導(dǎo)通，此時負(fù)載電流通過S3、D1進(jìn)行續(xù)流。此時滿足－Vo=LdiL/dt

    狀態(tài)3[t2～t3]    S3關(guān)斷，S4開通，由于負(fù)載電流方向沒有變，所以S4的反并二極管D4導(dǎo)通，負(fù)載向電源側(cè)回饋能量。此時有Vo－Edc=LdiL/dt。

    狀態(tài)4[t3～t0]    S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通負(fù)載繼續(xù)處于續(xù)流狀態(tài)，等待下一個開關(guān)周期。此時電路滿足－Vo=LdiL/dt。

    圖3示出了輸出負(fù)載電流在遠(yuǎn)大于零和過零附近情況下的電感電流波形。電感上的電流紋波最大發(fā)生在電流過零處，為

        ΔI=Edc/4fL   （1）  [!--empirenews.page--]

(a) 輸 出 電 流 大 于 零

(b) 輸 出 電 流 在 過 零 附 近

圖3 電 路 的 工 作 波 形

    根據(jù)對輸出電壓的頻譜分析可知，其諧波主要分布在開關(guān)頻率邊頻帶和開關(guān)頻率諧波邊頻帶上，而開關(guān)頻率通常都很高，因此很容易被濾波器濾除而只剩下調(diào)制波。如果調(diào)制波是正弦波，其濾波后的輸出電壓可以表示為：

       Vo=mEdcsinωt  （2）

式中：Edc為直流母線電壓；

      m為正弦調(diào)制波和三角載波的比值。

    如果調(diào)制波不是正弦波，則輸出電壓可以表示為：

     Vo=Vref(t)     （3）

式中：Vc為三角載波的幅值；

      Vref(t)為要放大的參考信號。

    由此可以看出當(dāng)給定信號所包含的頻率比較低

（遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率）時，逆變電路對給定調(diào)制波是起放大作用的。如果在電路中需要進(jìn)行直流偏置，只需要在調(diào)制波Vref中增加直流分量即可。

3  三相電壓源的實現(xiàn)

    在三相四橋臂開關(guān)放大器拓?fù)涞幕A(chǔ)上實現(xiàn)三相電壓源，圖4是三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖。它主要包括主電路、輔助電源、單片機(jī)波形發(fā)生、保護(hù)電路等。電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流、濾波后再經(jīng)半橋DC/DC變換器后，產(chǎn)生高質(zhì)量的直流母線電壓。輸出直流電壓的大小是受控于單片機(jī)的，由單片機(jī)根據(jù)逆變輸出的大小而提供相應(yīng)的直流母線參考電壓。根據(jù)式（1）可知，降低直流母線電壓就可以保證在小電壓輸出時有著較低的開關(guān)紋波。逆變級控制上采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI調(diào)節(jié)的SPWM控制方案。三相輸出的參考信號通過文獻(xiàn)[4]的方法由單片機(jī)給出高精密的三相參考基準(zhǔn)信號，三相采用獨立的控制電路，因而實現(xiàn)了三相電壓源的頻率、幅值、相位的獨立調(diào)整。第四橋臂上下橋臂之間的占空比要嚴(yán)格一致，這樣保證中線的輸出電壓是50％嚴(yán)格對稱的。

圖4  三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖  [!--empirenews.page--]

(a)  

(b)

圖5  實 驗 波 形 圖

4  實驗結(jié)果

    三相電壓源的技術(shù)指標(biāo)如下：

    交流輸入    AC220（1±20％）V；

    直流母線電壓    40－400V；

    輸出電壓    2－100V（有效值）/相；

    輸出頻率    0－1000Hz；

    輸出功率    50VA/相。

    圖5(a)是A,B兩相輸出不同相位（相差60°）而C相輸出不同頻率（200Hz）的波形，圖5(b)是其中一相輸出三角波和疊加三次諧波的波形。輸出純正弦電壓波形THD在TektronixTDS210示波器上分析，50Hz時為0.750％，400Hz為1.382％。從實驗結(jié)果可以看出三相之間的幅值、相位、頻率可以方便地獨立調(diào)節(jié)，而不會產(chǎn)生相互之間的影響。該電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定可靠，并且具有良好的性能，能夠滿足在繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用。

5  結(jié)語

    本文分析了一種三相四橋臂開關(guān)功率放大器的原理，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了用于繼電保護(hù)測試需求的三相電壓源。第四橋臂采用簡單的固定占空比控制，三相采用電壓電流雙環(huán)PI調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)給定信號的幅值、頻率、相位從而實現(xiàn)對三相電源的輸出進(jìn)行靈活控制。把波形的點數(shù)存儲在RAM中則可以達(dá)到對輸出波形的可編程。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)三相之間的完全獨立，所以在此基礎(chǔ)容易實現(xiàn)多相逆變電源。