一種交流穩(wěn)流逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0??? 引言

??? 本文所描述的交流穩(wěn)流逆變電源應(yīng)用于低壓電器長延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)，適用于對(duì)斷路器、熱繼電器等低壓電器作長延時(shí)特性的校驗(yàn)和測(cè)試。為保證溫升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測(cè)試正弦電流必須穩(wěn)定、精確。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.2－94要求，長延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)的電流誤差≤±2％，正弦波失真度<5％。

??? 目前國內(nèi)大多數(shù)采用的長延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)方案是通過變壓器直接對(duì)斷路器施加一個(gè)電壓以獲得測(cè)試電流[1]。在測(cè)試過程中，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、載流電路中引線電阻變化、負(fù)載本身電阻發(fā)熱變化，使測(cè)試電流隨之變動(dòng)，難以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文介紹了一種新型的交流穩(wěn)流逆變測(cè)試電源，具有工作穩(wěn)定可靠、輸入功率因數(shù)高、輸出精度高、波形失真度小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1??? 交流穩(wěn)流逆變電源體系結(jié)構(gòu)

??? 功率主電路采用AC/DC/AC結(jié)構(gòu)，如圖1所示。前級(jí)為功率因數(shù)校正（PFC）電路，由Boost變換器構(gòu)成，用于提高網(wǎng)測(cè)功率因數(shù)、降低網(wǎng)側(cè)電流的THD值，并為逆變部分提供一個(gè)合適的直流母線電壓。后級(jí)的全橋逆變電路完成正弦波逆變、快速調(diào)壓穩(wěn)流功能。逆變輸出的高頻SPWM波經(jīng)過LC濾波，得到平滑正弦波。由于負(fù)載電阻小，電壓低，電流大（15～160A連續(xù)可調(diào)），采用升流變壓器進(jìn)行降壓增流，可以使逆變電路主開關(guān)管的選取容易許多。由圖1中可以看出，該逆變器實(shí)際上是一個(gè)電壓型電流源，即通過對(duì)逆變橋輸出電壓的快速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

圖1??? 交流穩(wěn)流逆變電源電路結(jié)構(gòu)

??? 交流穩(wěn)流源采用全橋SPWM逆變電路，并工作于倍頻單極性模式下，這樣逆變橋在不增加開關(guān)損耗的情況下，其輸出電壓的頻率比開關(guān)頻率再提高一倍，而且諧波含量較小，可以簡化輸出LC濾波電路，也有利于減小波形的失真度。

??? 數(shù)字部分由MCS－51單片機(jī)電路組成，具有兩個(gè)功能：其一，作為人機(jī)接口界面，帶有鍵盤輸入和液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)給定值設(shè)定、負(fù)載電流顯示等功能；其二，單片機(jī)與控制電路接口，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦波的給定、逆變電路的軟啟動(dòng)、電路時(shí)序控制、負(fù)載檢測(cè)等諸多功能。

2??? 逆變電路控制系統(tǒng)的建模與分析

??? 交流穩(wěn)流逆變器的負(fù)載是純阻性負(fù)載，增流變壓器和負(fù)載可視為一等效電阻R。則逆變器輸出濾波電感L、濾波電容C和R構(gòu)成二階振蕩環(huán)節(jié)，其阻尼比為

??????? ξ=（1）

??? 滿載時(shí)R最大，ξ最小，系統(tǒng)最不穩(wěn)定；而輕載時(shí)R變小，ξ變大，系統(tǒng)較易穩(wěn)定；所以，閉環(huán)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)主要考慮R較大時(shí)的情況。

??? 本文中采用了帶有電感電流瞬時(shí)值反饋的雙環(huán)控制策略，這是因?yàn)殡姼须娏鞯扔陔娙蓦娏髋c負(fù)載電流之和，一方面可對(duì)輸出電壓進(jìn)行超前控制，以取得比較好的動(dòng)態(tài)特性；另一方面電感電流中包含了負(fù)載電流，在輸出負(fù)載極小的情況下，也能對(duì)輸出電流進(jìn)行有效控制[2][3]。穩(wěn)流源逆變器的控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，由小信號(hào)模型獲得的傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

圖2??? 基于電感電流瞬時(shí)值反饋的雙環(huán)控制

圖3??? 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

??? 由圖3可知，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

??? G_o(s)=（2）

??? 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

??? G_c(s)=[K_aK_mn(K_pτ_s＋1)]/[RLCτs³＋(L＋K_iLK_aK_mRC)τs²＋(R＋K_iLK_aK_m＋K_iRK_aK_mK_pn)τ_s＋K_iRK_aK_mn]

??????????????????????????????????????????????????????? （3）

??? 則開環(huán)系統(tǒng)的零、極點(diǎn)分布為

??? s_z=1/K_pτ（4）

??? s_p1=0（5）

??? s_p2,3=（6）

式中：R為等效負(fù)載電阻；

????? K_iR為外環(huán)反饋系數(shù)；

????? K_iL為內(nèi)環(huán)反饋系數(shù)；

????? n為輸出變壓器原副邊變比；

????? K_m為全橋逆變電路放大系數(shù)；

????? K_a為內(nèi)環(huán)比例補(bǔ)償增益；

????? K_p＋1/τ_s為外環(huán)PI補(bǔ)償傳遞函數(shù)。

??? 由式（6）可知，當(dāng)R<L/(K_iLK_aK_mC＋×2)，且K_iLK_aK_m<×2（此式可通過設(shè)計(jì)保證）時(shí)，此時(shí)等效負(fù)載電阻R較小，系統(tǒng)極點(diǎn)s_p2,3分布在負(fù)實(shí)軸上，系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示（R1，R2對(duì)應(yīng)的根軌跡）；當(dāng)R>L/(K_iLK_aK_mC＋×2)且K_iLK_aK_m<×2時(shí)，此時(shí)等效負(fù)載R較大，系統(tǒng)極點(diǎn)s_p2,3為一對(duì)共軛復(fù)數(shù)，系統(tǒng)根軌跡如圖4所示（R₃，R₄對(duì)應(yīng)的根軌跡）。根軌跡的漸近線σ_a=。對(duì)于無電感電流瞬時(shí)值反饋的系統(tǒng)，其根軌跡如圖5所示。可以看出，根軌跡以虛軸為漸近線趨向于±∝，相應(yīng)在控制上必會(huì)引起輸出電流的振蕩，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。而引入電感電流反饋后，根軌跡如圖4所示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也得以提高。

s_p2、s_p3：空載（R₁）；s_p2′、s_p3′輕載（R₂）；

s_p2″、s_p3″重載（R₃）；s_p2′″、s_p3′″：滿載（R₄）；

（R₁<R₂<R₃<R₄）

圖4??? 雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖

圖5??? 無電感電流瞬時(shí)值反饋的根軌跡圖

??? 在不同負(fù)載條件下式（2）和式（3）對(duì)應(yīng)的波特圖分別如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且系統(tǒng)的相位余量>50°。由圖7可以看出，系統(tǒng)的幅值響應(yīng)接近1/K_iR，在50Hz的頻率處，輸出電流和給定電流信號(hào)之間的相移幾乎為零，因此，輸出電流能很好地跟隨參考信號(hào)。高的轉(zhuǎn)折頻率和寬的頻帶能保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖6??? 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖

圖7??? 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖

3??? 一些其它的設(shè)計(jì)考慮

??? 作為電流源必須考慮輸出開路的情況。由于本文中的交流穩(wěn)流源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓型電流源，即通過快速調(diào)節(jié)輸出電壓來實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開路時(shí)，輸出電壓會(huì)迅速上升到到直流母線電壓附近，而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高。盡管如此，負(fù)載開路時(shí)，輸出電壓仍會(huì)迅速上升，并引起輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩，這兩者均會(huì)導(dǎo)致輸出波形嚴(yán)重畸變；此外，當(dāng)輸出負(fù)載重新接上時(shí)會(huì)引起輸出瞬態(tài)過流。因此，系統(tǒng)必須進(jìn)行過壓保護(hù)，當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定值時(shí)迅速切斷逆變器輸出。

??? 眾所周知，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁，會(huì)導(dǎo)致鐵心飽和，不僅加大了變壓器的損耗，降低了效率，增大了噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流迅速增大，使功率開關(guān)管因過流而損壞。本文采用如圖8所示的糾偏電路來抑制直流偏磁，即由LEM器件采樣逆變輸出濾波電感電流，檢出直流電流分量，與零電壓比較得到誤差，積分后疊加到正弦給定上，實(shí)時(shí)校正變壓器的直流偏磁。其優(yōu)點(diǎn)在于與電感電流反饋共用一個(gè)檢測(cè)器件，節(jié)省費(fèi)用；當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流以指數(shù)規(guī)律迅速增大，比檢測(cè)電壓糾偏的方法靈敏。

圖8??? 輸出變壓器直流偏磁校正

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 交流穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和控制電路參數(shù)如表1所列。逆變器最大輸出電流20A，經(jīng)輸出變壓器增流后可達(dá)200A，以滿足對(duì)低壓電器的大電流測(cè)試要求。

表1??? 穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和參數(shù)

??? 圖9～11顯示了在不同等效負(fù)載電阻R及不同的輸出電流條件下輸出電流和輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形。實(shí)驗(yàn)波形顯示輸出電流具有良好的正弦波形和較小的電流脈動(dòng)，很好地跟隨了參考信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得在不同輸出電流條件下電流誤差不超過1％，電流總諧波失真度不超過3％，完全滿足了低壓電器長延時(shí)熱脫扣實(shí)驗(yàn)對(duì)交流穩(wěn)流逆變電源的性能要求。

圖9??? R=10Ω和i_o=20A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖10??? R=60Ω和i_o=4A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖11??? R=120Ω和i_o=2A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形