能量回饋型數碼發電機逆變器老化測試負載研制

徐裕勇

（京瑯智能裝備（中山）有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

數碼發電機體積小巧，性能可靠，電源品質高。數碼發電機組的交流發電機直接與發電機結合，取消了飛輪，因此，與傳統發電機組比，數碼發電機組在尺寸和重量上減少了50%，這使得其可以應用于許多娛樂場合和小型便攜式電動工具，是真正的“迷你”（Mini）發電設備。國內外市場年銷量4 500萬臺以上，市場巨大[1-2]。其核心部件變流器是一種通過三相整流后單相逆變后，經LC濾波變成穩定的交流電壓源。針對電源產品，廠家都會在出廠前進行嚴格的48 h以上的老化測試工藝，有效篩選產品早期不良零件和可靠性較差的產品。目前老化工藝如圖1所示，通過變頻器產生三相400～600 Hz，經過LC濾波器及中頻隔離變壓器后(中頻發電機模擬器)，模擬三相的中頻發電機給變流器供電，變流器通過外接大功率電阻帶滿載老化。老化的過程中需要工人隔時記錄實際的電壓、電流數據。

圖1 數碼發電機逆變器老化舊狀

本文通過分析變流器的工作原理，提出了用AC/DC/DC控制拓撲，模擬出純阻性負載，把能量回饋到變頻器的直流母線上，同時通過計算機實時記錄測試數據，實現高達節能94%以上的全自動的滿載老化測試。

1 系統方案及主電路拓撲模型

1.1 數碼發電機電力電子變流逆變器工作原理

小型數碼發電機主要由汽油電動機組、電力電子變流電壓源及其電子控制系統組成。如圖2所示，變流逆變器首先將永磁中頻發電機的400～600 Hz三相電通過整流變成直流電后，通過Boost DC/DC升壓（考慮寬電壓輸入）轉化成直流，通過全橋逆變，最后經LC濾波器輸出單相120 V/60 Hz（或230 V/50 Hz）的電壓源。

圖2 電力電子變流逆變器原理框圖

1.2 饋能式逆變器老化測試負載系統方案拓撲

饋能式逆變器老化測試電路拓撲如圖3所示。

圖3 饋能式數碼發電機逆變器老化測試電路拓撲

本文研制的饋能式數碼發電機逆變器老化測試負載分為兩級控制，中間通過直流母線電容將兩級能量進行解耦控制。其中前級是單相全橋AC/DC電路，后級是LLC諧振半橋DC/DC電路。如圖3所示，老化系統通過變頻器模擬出中頻發電機產生400～600 Hz的三相電給到逆變器，逆變器經過變流后產生120 V/60 Hz或230 V/50 Hz單相正弦波電壓源。逆變電壓源的輸出接入饋能負載前級的輸入，經過濾波電容Cf、濾波電容Lf和開關管S1～S4組成的單相全橋，實現升壓、功率因數校正、恒流輸入功率變換控制作用。經過中間直流母線電容Cdc進行功率解耦后（緩沖兩級間能量交換，以方便每級進行獨立控制），接入由勵磁電感Ls、諧振電容Cs、變壓器漏感Lm、半橋功率管S5～S6、整流二極管D1～D2和輸出LC濾波器組成的后級LLC升壓電路。經過DC/DC隔離后把能量饋送到變頻器的直流母線上，模擬出阻性負載，實現滿載老化測試。

2 饋能式逆變器老化測試負載控制策略

對兩級的控制策略進行詳細分析。如圖4所示，饋能式老化測試拓撲分為兩級，分別為前級單相全橋、后級LLC諧振半橋，中間通過直流電容進行功率解耦。其設計指標如表1所示。

表1 饋能式逆變器AC/DC/DC變換器設計要求

圖4 兩級式饋能老化測試負載電路拓撲

2.1 前級單相全橋AC/DC模擬阻性負載控制

前級采用的是單相全橋AC/DC的拓撲結構，其工作在整流模式下，輸入電壓范圍是87～264 V，頻率為50 Hz/60 Hz，整流輸出電壓固定在400 V直流。全橋采用IGBT進行高頻控制，通過跟蹤輸入電壓控制輸入電流，能夠模擬出功率因素接近1.0的純阻性負載，把能量推送到400 V的直流母線上。根據單相全橋拓撲上的兩個橋臂開關管狀態的不同，Uab有3種不同電壓狀態，其瞬時等效電路如圖5所示。

根據KVL和KCL方程得到系統的電壓電流方程如下：

圖5 單相全橋PWM整流器瞬時等效模型

式中：Vs為逆變器輸出電壓源，is為逆變器輸出電流。

為了對逆變器輸出（即饋能負載的輸入）電流進行控制，用簡化的平均模型控制，對is進行電流環控制。

對式（1）進行拉普拉斯變換后，得到逆變器輸出電流的傳遞函數如下式所示：

由傳遞函數式（2）及單相全橋的拓撲模型，得出電流環控制框圖如圖6所示[3-4]。

圖6 單相全橋電流環控制框圖

為了加快電流環的調節速度，控制上采用了輸入電壓前饋控制策略，其中KPWM為逆變全橋的增益，TPWM為單相全橋開關管的開關周期。電流環中PI調節器的傳遞函數為C(s)[3-4]。

2.2 后級中間直流母線穩壓控制

本文研制的能量回饋式負載采用兩級拓撲，其中間通過直流電容解耦進行能量解耦，前級通過電流環控制逆變器輸出電流，必然會推高中間直流母線的電壓。后級LLC輸出到變頻器整流后的母線電壓上，變頻器的直流母線能量有電網補充，又有直流母線電容支撐，根據能量守恒定律，可以認為其是個穩定不變的值。為了控制中間級的電壓，通常有兩種方法，一種是在前級電流環的基礎上外加電壓環，控制中間級直流母線電壓在400 V，但此方法最終體現的控制對象是中間級直流母線電壓而不是輸入電流，故不可取。另外一種方法是通過后級LLC諧振半橋對中間直流母線電壓進行控制。鑒于回饋負載的特殊性，本文采用了第二種方法進行控制；鑒于LLC諧振變換器為高階系統，控制模型較為復雜，因此在工程上多用FHA模型進行簡化分析。其基波等效模型如圖7所示[5-8]。

圖7 LLC諧振半橋FHA簡化模型

由諧振半橋FHA簡化模型得出其等效傳遞函數如下式所示[5-8]。

式中：k為電感的比例系數，即Ls/Lm；Q為電路品質因數，Q=；fn為歸一化諧振頻率，fn=fs/fr。

G(jω)與原邊電壓Vr(即中間級直流母線電壓Vdc)、輸出電壓Vo(即輸出變頻器直流母線電壓Vbus)的關系如下所示：

后級LLC諧振半橋通過對中間構建中間母線電壓環，電壓環的輸出給定到傳遞函數并計算出諧振半橋的頻率進行對其調頻控制，以穩定中間直流母線電壓在400 V，其控制框圖如圖8所示。

圖8 后級中間直流母線電壓環控制框圖

3 系統樣機測試結果及分析

根據上述單相逆變全橋、LLC諧振半橋結構和上述控制策略的分析，搭建饋能式負載模塊及實驗樣機如圖9所示。實驗樣機單通道參數如表2所示。

圖9 單模塊饋能式負載及系統樣機圖片

在變頻器輸入范圍電壓380 V/50 Hz±38 V/5 Hz條件下測試單通道負載模塊模擬10 A、16 A時，在不同輸入電壓情況下的測試數據如表3所示。測試結果表明，通過兩級聯合控制，可以很好地對數碼發電機逆變器進行恒流控制滿載老化測試，平均節能效率高達94%以上。

表2 饋能式逆變器單模塊元器件參數表

表3 單通道負載模塊模擬純阻性負載測試數據

4 結束語

本文通過分析逆變器(變流器)工作原理，提出了用AC/DC/DC輸入恒流控制拓撲，模擬出純阻性負載，把能量回饋到變頻器的直流母線上，實現高達94%以上的節能老化測試，有效解決了原來傳統阻性負載的耗能、耗人力的方式，達到了良好的經濟效應和自動化節能檢測目的。研制的產品得到了市場推廣，并通過了市場上客戶的驗收，節能效果得到了客戶的肯定，證實了該產品的研制具有很好的可行性及良好的經濟效益。