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逆變變壓器直流不平衡?原因都在這

發(fā)布時間:2015-11-13 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】在使用逆變變壓器的過程中經(jīng)常遇到直流不平衡的狀況。逆變電源變壓器的工作效率大幅下降,功耗上升還使得成本增加。本文就簡析了單相全橋SPWM逆變變壓器的直流不平衡問題,同時探討了造成變壓器直流不平衡的原因。

逆變變壓器直流不平衡?原因都在這
圖為常見的逆變變壓器電路系統(tǒng)

考慮圖1所示的單相全橋SPWM逆變電源系統(tǒng)。一般SPWM被認(rèn)為是一個理想的調(diào)制過程,即橋端電壓滿足:
逆變變壓器直流不平衡?原因都在這
在上文所提供的SPWM逆變電源變壓器的橋端電壓計算公式中,參數(shù)Ed指的是直流側(cè)母線電壓,參數(shù)Vs為橋端輸出電壓中的基波幅值,參數(shù)Vcm為正弦調(diào)制波峰值,參數(shù)V△m代表的是三角載波幅值,參數(shù)Kc代表的是調(diào)制系數(shù),且該值小于等于1。在上圖所提供的逆變變壓器基礎(chǔ)電路圖中,我們可以看到,T為輸出變壓器。該變壓器的設(shè)計除需考慮高次諧波的影響外,與一般基頻變壓器的設(shè)計相差不大,只是磁密選得略低,但仍在磁化曲線的拐點處。因此在一種理想的情況下,該變壓器工作在對稱的磁滯回線下,施加在其初級上的正、負(fù)電壓在每個基波周期內(nèi)保持“伏秒”數(shù)相等。

然而這種逆變變壓器的電路系統(tǒng)中,有一個很明顯的問題需要我們特別注意,那就是只要橋端輸出電壓Vs——SPWM脈沖列在任何一段基波周期時間內(nèi)與橫坐標(biāo)所圍成面積的總和不為零,那么這一變壓器的輸入電壓中就會出現(xiàn)直流分量,引起單向偏磁,也就是我們經(jīng)常說的直流不平衡。在系統(tǒng)正常運行的情況下,一定程度的直流不平衡就會造成變壓器磁芯單向飽和,勵磁電流急增,進而惡化系統(tǒng)的動態(tài)性能,并威脅到半導(dǎo)體開關(guān)管的安全運行。在目前的運行過程中,導(dǎo)致逆變變壓器系統(tǒng)中出現(xiàn)直流不平衡情況的因素,通常有以下幾種。

控制系統(tǒng)引起的直流分量過大,導(dǎo)致逆變變壓器直流不平衡狀態(tài)的出現(xiàn)。由上文中的公式可見,理想狀態(tài)下的SPWM逆變橋可看成一個增益為K(K=Ed/V△m)的比例環(huán)節(jié)。在該狀態(tài)下,控制系統(tǒng)的電源電壓或元件參數(shù)漂移會造成三角載波或正弦調(diào)制波正、負(fù)半周不對稱,作SPWM調(diào)制后,將導(dǎo)致同一橋臂上、下兩個開關(guān)管在基波周期內(nèi)的有效導(dǎo)通時間不等。因此,SPWM逆變橋端輸出電壓脈沖列Vs的正、負(fù)伏秒數(shù)不等,其直流分量是載波或調(diào)制波中的直流成分的K倍。這種直流分量一般是持續(xù)的,其大小和極性也基本不變,可稱為靜態(tài)不平衡。

若逆變電源的控制系統(tǒng)采用了輸出瞬時值反饋等波形校正技術(shù),那么在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中,調(diào)制波Vc就非常容易出現(xiàn)正、負(fù)半周面積不等的情況,并進一步產(chǎn)生動態(tài)不平衡,一般持續(xù)幾個到十幾個基波周期。另外,對于整流類沖擊性負(fù)載的投入,系統(tǒng)可采用瞬時封鎖驅(qū)動脈沖的限流保護措施。由于被封鎖驅(qū)動脈沖在基波周期內(nèi)所處位置的隨機性,也會造成變壓器動態(tài)不平衡。

還有一種問題也同樣會造成逆變電源變壓器的直流不平衡狀態(tài),那就是脈沖分配及死區(qū)形成電路引起的直流分量過大。逆變電源的控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的SPWM信號,需經(jīng)過脈沖分配及死區(qū)形成電路分相、設(shè)置死區(qū),再經(jīng)驅(qū)動電路隔離、放大后驅(qū)動開關(guān)管。在這一過程中,元件參數(shù)的分散性會引起死區(qū)時間不等,即各管每次導(dǎo)通時間中的損失不一致,從而導(dǎo)致變壓器輸入電壓Vs中包含直流分量。而主電路引起的直流分量也同樣會造成直流不平衡,由于主電路同一橋臂上、下兩個開關(guān)器件的開通、關(guān)斷時間不等,飽和壓降不同,緩沖電路參數(shù)有差異,因此變壓器輸入電壓中也會產(chǎn)生直流分量。

在上面所羅列出的三種導(dǎo)致逆變變壓器直流不平衡的原因中,第一種因素的可能性和實際影響其實是最大。因為在逆變電源的控制系統(tǒng)中,存在調(diào)制信號發(fā)生及調(diào)節(jié)電路,易混入直流分量,且被逆變橋放大。而在后兩種因素中,電路處理的是SPWM開關(guān)信號,只要設(shè)計合理,匹配恰當(dāng),造成的影響也相對較小一些。

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