基于三次諧波注入法的逆變器控制設計

摘 要 本論文為了提高三相逆變器的直流電壓利用率，采用了用三次諧波注入的逆變器，其次本論文對基于三次諧波注入法的逆變器進行了系統建模，設計了輸入輸出電壓電流的采樣調理電路，以及精密整流電路，雙T濾波電路和峰值保持電路等等。最后根據樣機的性能要求對逆變器主功率電路、控制電路、驅動電路、保護電路進行了詳細的設計。針對輸入電壓：250-280Vdc；輸出功率為6kVA/400Hz；輸出電壓為三相115V/400Hz；電源參數指標符合GJB181A；并對三相逆變器進行了仿真和實驗驗證。

【關鍵詞】航空靜止變流器 三相逆變器 三次諧波注入 保護電路 控制電路

1 三次諧波注入法逆變電源控制方案

在采取常規的SPWM調制時，相電壓的峰值可以達到直流母線電壓的一半，即ud ?2，其輸出線電壓的峰值為ud ?2，所以說SPWM 的直流電壓利用率僅有86.6%。提高電壓利用率的基本做法就是通過各種變換方式，使相電壓的基波峰值超過ud ?2。如果能夠利用現有的直流電壓，通過調制波變換的方法得到更高的輸出電流電壓，則可大大提高系統穩定輸出的能力，于是，就有了優化PWM方法-三次諧波注入法。一般情況下，利用三次諧波注入法，可使直流電源電壓的利用率提高到1.2左右。

1.1 三次諧波注入法的原理

采用三次諧波注入法后，其三個橋臂的調制波表達式分別為：

式中，m為調制比，k為三次諧波系數，且0.15≤k≤0.2， 在實際應用中，為了兼顧其對輸出電壓諧波和直流電壓利用率的影響，通常取k為0.18。

1.2 逆變器控制保護原理

本文中對逆變器的控制保護部分進行了詳細設計并提出了控制保護電路功能及方案，此外還研究了幾種常用電壓電流的采樣方法，用到了霍爾傳感器中的LA—55P和LV—28P，它們分別負責電壓和電流的采樣。然后通過調理電路和邏輯電路，來控制逆變器六個開關管的通斷。

2 調理電路設計

2.1 電流采樣調理電路設計

電流量的采樣方法有串聯取樣電阻法、電流互感器法、霍爾傳感器法。串聯取樣電阻法通過檢測取樣電阻上的電壓值來檢測通過電阻的電流，主要缺點是功率損耗大，電阻串接在主回路，電氣隔離困難，需要外加光隔離器或磁隔離器。電流傳感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和測量電路無損耗等優點。本文選用LEM公司生產的LA100P型電流傳感器，根據LA100P的數據手冊，電路將交流額定電流衰減100倍后，變為幅值在-1.5V～+1.5V范圍內變化的交流信號，再經過由AD712構成的加法電路提升1.5V，最終調理為0～3V的電壓信號送入DSP進行采樣。

2.2 電壓采樣調理電路

輸出電壓采樣調理電路主要包括電壓傳感器LV-28P、精密整流電路、半波整流電路和雙T濾波電路幾部分組成。逆變器三相輸出相電壓分別經電壓傳感器LV-28P隔離，輸出正弦電壓信號，采用精密整流電路將其整流為饅頭波，三個饅頭波經過二極管獲得6脈波直流信號，再經過雙T濾波器得到整流后的平均電壓，送給DSP的AD口進行采樣。

2.3 峰值保持電路

峰值保持電路是一種能跟隨輸入信號變化并能將最大值記憶下來的電路。在工業過程自動檢測中往往需要將某些物理量如溫度、壓力等最大值保留下來，以供記錄、分析用。

其原理是：當輸入信號為正半周時二極管導通對電容充電，一直充電到峰值即最大值，當輸入電壓下降時二極管截止，電容不放電，保持電壓（峰值電壓），這樣電容兩端電壓一直處于峰值。以便DSP對其進行檢測。

3 系統仿真

圖1即為在模擬任意一種情況如輸入輸出過、欠壓或輸入輸出過流后逆變器單相電壓的輸出波形，在波形中可以看出在10ms時邏輯輸出為低電平再通過與門控制逆變器六個開關管關斷，所以逆變器任意一相輸出電壓立刻變為零。

4 結語

研究了三次諧波注入逆變器工作原理，并且對逆變器的控制保護部分進行了詳細設計并提出了控制保護電路功能及方案此外，研究了幾種常用電壓電流的采樣方法，用到了霍爾傳感器中的LA—55P和LV—28P，并介紹了一些常用電路例如精密整流電路，峰值保持電路，雙T濾波電路。并詳細的介紹了這些電路的原理及計算方法。在合理利用了上述這些電路的基礎上實現了輸入輸出的過、欠電壓的檢測以及輸入輸出的過流檢測。并通過邏輯電路，來控制逆變器六個開關管的通斷，實現了基于三次諧波注入法逆變器保護的功能。并且通過一些列仿真，及模擬的過壓欠壓電壓源及電流源驗證了該控制方案的可行性。

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作者簡介

曹鈺，男，西北工業大學自動化學院碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

作者單位

西北工業大學自動化學院 陜西省西安市 710129