SPWM逆變電源抗直流偏磁的研究

1.引言

SPWM全橋逆變器中，為了實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離以及得到合適的電壓幅值，一般在輸出端接有基頻交流變壓器。逆變橋輸出電壓為SPWM脈沖波，變壓器承受從基頻到高頻的電壓分量，理論上不存在直流分量。但是，在實(shí)際運(yùn)行過中，各種因素使得變壓器的輸入電壓中的直流分量難以避免，直流分量的存在致使鐵心飽和，從而加大了變壓器的損耗，降低了效率，甚至?xí)鹉孀兤黝嵏玻瑢ο到y(tǒng)的運(yùn)行有著極大的危害，必須采取措施加以解決。

2.偏磁產(chǎn)生的主要原因

圖1 單相全橋逆變電源系統(tǒng)

變壓器鐵心中的磁場強(qiáng)度H與原副邊電流、變壓器鐵心長度L之間的關(guān)系為

( 1 )

從(1)式中可以看出，當(dāng)

中含有直流分量時，H中才會產(chǎn)生直流分量，由鐵心的磁化曲線可以知道H中含有直流分量時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B中也必然含有直流分量。有因為

可分為激磁電流

[和變壓器副邊負(fù)載電流折算到原邊的電流

兩部分，并且

和

在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是大小相等，方向相反相互抵消的，所以 中的直流分量僅取決于激磁電流

中的直流分量

。設(shè)變壓器原邊電壓中的直流分量為

，變壓器原邊直流電阻為

，則

(2)

從式(2)中可以看出，在SPWM全橋逆變器中，若變壓器原邊電壓正負(fù)半周波形對稱，正負(fù)半波伏秒積分相等

為0;反之，若變壓器原邊電壓正負(fù)半周的波形不對稱，正負(fù)半波伏秒積分不相等，產(chǎn)生直流分量

。

造成原邊電壓正負(fù)波形不對稱的主要原因：

(1) 逆變器中兩橋臂各功率管的導(dǎo)通時飽和壓降不同，關(guān)斷時的存儲時間不一致，使得加在變壓器原邊的電壓正負(fù)波形幅值不等;

(2) 控制電路輸出的驅(qū)動脈沖正負(fù)半周不對稱;

(3) 控制系統(tǒng)采用了波形矯正技術(shù)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中調(diào)制波容易出現(xiàn)正負(fù)半周面積不等的情況，從而產(chǎn)生“動態(tài)”不平衡。

3.解決偏磁問題的方法

由上述分析可知，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁。直流偏磁的存在會導(dǎo)致鐵心飽和，加大了變壓器的損耗，降低了效率，增大了噪聲，嚴(yán)重時會引起逆變器顛覆，損壞功率開關(guān)管，嚴(yán)重影響逆變器的正常運(yùn)行，因此必須采取措施加以解決。

為解決SPWM全橋逆變器中存在的直流偏磁問題，一般可采取如下措施：

1) 增加變壓器鐵心氣隙，增加鐵心的磁阻，但是這樣降低了變壓器鐵心的利用率，且增大了變壓器的體積和重量。

2) 在變壓器的原邊繞組串聯(lián)一個無極性隔直電容。這種方案不適合大功率逆變電源。大功率逆變電源中因為無極性電容耐壓和容量的限制，需要大量的電容進(jìn)行串并聯(lián)，從而加大了成本、體積和重量。另外，主電路中如果串入隔直電容，會降低了功率傳遞效率，影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。

3) 選擇飽和壓降和存儲時間特性一致的開關(guān)管，減小控制電路的脈寬失真和驅(qū)動延時。

4) 在動態(tài)情況下限制控制信號的最大變化率，使正負(fù)半波盡量對稱，這樣也會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

文獻(xiàn)[1]提出的靜態(tài)補(bǔ)償和適時補(bǔ)償?shù)姆椒軌蜉^好地解決SPWM全橋逆變器中的直流偏磁問題，但是屬于模擬控制。文獻(xiàn)[3]提出的自適應(yīng)控制方法需要對變壓器的原副邊電流進(jìn)行分別采樣，需要兩個電流傳感器，增加了系統(tǒng)的成本和體積，在算法上也相對比較的復(fù)雜。本文通過采樣變壓器原邊電壓，通過數(shù)字PI控制器來調(diào)整觸發(fā)脈沖的寬度，從而較好地解決了SPWM全橋逆變器中的直流偏磁問題。

4.抗變壓器偏磁的控制方法

由前面的分析可知，SPWM全橋逆變器中，在沒有直流偏磁的理想情況下，輸出變壓器原邊電壓中的直流分量

=0，即正負(fù)半周波形對稱，電壓的伏秒積分為0。這一點(diǎn)也可以由變壓器工作時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率得知

(3)

在有直流偏磁的情況下，輸出變壓器鐵心工作磁滯回線中心點(diǎn)偏離零點(diǎn)，從而造成在一個周期內(nèi)

，即電壓的伏秒積分不為0。

圖2 抗直流偏磁控制器

圖2是SPWM全橋逆變器抗直流偏磁控制器的原理圖。PI調(diào)節(jié)器使誤差

為一個很小的值。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)

來產(chǎn)生所要求的控制量。PI控制算法的表達(dá)式為：

(4 )

(5)

在本文中通過檢測變壓器原邊電壓在幾個周期內(nèi)的變化量，利用PI調(diào)節(jié)器得出的控制量來適時的調(diào)整觸發(fā)脈沖的寬度，把變壓器直流偏磁限制在較小的范圍之內(nèi)。

5.偏磁控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗

5.1變壓器偏磁后的仿真分析

原邊電壓中的直流分量大小直接關(guān)系到變壓器的飽和程度。直流分量越大，電流上升率越大，波形畸變越嚴(yán)重。由圖3和圖4可以看出，變壓器進(jìn)出飽和后，原邊電流隨著電壓的升高急劇增大，電流嚴(yán)重畸變，其波形中含有尖峰現(xiàn)象。原邊電壓中的直流分量越大，電流的上升率越大，變壓器的原副變的比值關(guān)系不再符合正常工作時的比例關(guān)系。

圖3 變壓器偏磁飽和原邊電流波形

圖4 變壓器偏磁飽和原邊電壓波形

5.2數(shù)字PI抗偏磁的仿真與分析

數(shù)字PI控制把變壓器的原邊電壓做為反饋量進(jìn)行閉環(huán)控制，對變壓器的直流偏磁加以矯正，使的變壓器原邊的直流分量為零。

從圖5可以看出，引入變壓器抗偏磁控制回路以后，變壓器原邊的電流波形得到明顯的改善，證明改方法能夠有效的抑制變壓器的直流偏磁。

圖5 矯正后變壓器原邊電流波形

6.結(jié)論

本文分析了變壓器偏磁產(chǎn)生的主要原因，在此基礎(chǔ)上提出了抗壓器偏磁的控制方法，并對變壓器偏磁和加入抗偏磁控制電路以后的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗，結(jié)果證明該方法抑制磁飽和的有效性。

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