PWM逆变器式交流稳压电源的原理分析

1 引言

现有两种无触点补偿式交流稳压电源在取代三相柱式交流电力稳压器。一种是变压器补偿式稳压器，其原理是用多个补偿变压器组合，通过“多全桥”变换电路，切换补偿变压器的初级头、尾连接方式进行补偿，去掉了机械传动和触点，提高了寿命和动态性能。补偿是有级的，而且所需的补偿变压器和切换开关较多，电路相对复杂，补偿精度低。另一种是PWM开关式交流稳压器，其原理是从输入侧取得工频交流电压，经过整流、正激高频PWM变换、相位跟踪和转换产生交流补偿电压进行补偿，补偿是无级的，补偿精度高，响应速度快。但电路复杂，还需要一个固定的逆补偿变压器，不易实现大功率应用。我曾介绍过的PWM斩波器式交流稳压电源很好地克服了上述缺点，是一种很有发展前途的交流稳压技术，但其存在着只能稳压，不能消除市电电压中谐波成分的缺点。为了扩大交流稳压电源的功能，我们又开发研制了利用PWM高频逆变器进行补偿的多功能交流稳压电源，这种稳压电源具有用户电力综合调节器（CustomPower)的功能，使稳压电源的性能又上了一个台阶。

2 采用PWM高频逆变器的补偿式交流稳压电源

采用PWM高频逆变器的补偿式交流稳压电源的原理电路如图1所示。其中补偿电压uco由单相全桥逆变器产生（也可以采用半桥式或推挽式逆变器），逆变器采用高频SPWM调制。单相全桥逆变器的输出电压uab通过输出变压器Tr，把电压uab变成补偿电压uco在Tr的次级输出。Tr的次级串联在主电路中以对市电电压的变化进行补偿，保持输出电压uo稳定不变。图中LFCF为低通滤波器，以滤掉逆变器输出电压uab中的高次谐波。变压器Tr次级绕组的电阻和漏感以及市电电源内阻共同组成线路阻抗Z，则当负载变化时在Z上产生的压降会使输出电压随之变化。ur为用正弦电压发生器和锁相环产生的标准参考电压，锁相环是使ur在相位上与市电电压us同步。用瞬时值us?Zis?ur作为SPWM全桥逆变器控制电路中的调制电压，控制电路的原理框图如图2所示。按此图的高频SPWM调制原理，当用（us?Zis?ur）作为正弦调制波时，就可以使逆变器的输出电压与市电电压的变化和负载电压的变化成比例。



图1采用逆变器补偿的交流稳压电路



图2 控制电路原理框图

2.1逆变器输出电压的谐波分析

假定逆变器的直流电源电压为Ud，载波三角波的电压幅值为Uc，则调制比M的值为：M=（1）

式中：Us、Is、Ur为市电电压us，市电电流is和基准参考电压ur的有效值。载波比：N=，fc为三角波频率，fs为市电电压频率。

SPWM波形如图3所示。由此图可知，逆变器输出电压uab的双重付里叶级数表示为：

uab=ua－ub=MUdsinωt＋·cosmπ·sin〔(mN＋n)ωt〕(2)



图3参差相位法获得三阶SPWM波

因为变压器Tr的变比为ξ，故补偿电压uco的表示式为：

uco=ξMUdsinωt＋ξ·cosmπ·sin〔(mN＋n)ωt〕(3)

uco的频谱如图4所示，可知：载波比N越大，谐波频率越高，滤波越容易，所需的LFCF的值越小，当fc=12.8kHz时，LF=10mH，CF=2μF，即可将uco中的高次谐波滤掉。



图4补偿电压uco的频谱和谐波分量与M的关系

2.2 考虑线路阻抗Z的补偿分析

由于逆变器开关管的正向压降，开关死区、变压器Tr初级绕组的电阻及漏感和交流滤波电感LF的绕组电阻及电感的影响，会使补偿电压uco的值减小。但这种影响不大，而且是基本固定的，与负载的大小变化关系不大，因此可以通过增大变压器Tr的变比ξ来补偿。

由图1考虑到线路阻抗Z时，在us＞ur的情况下输出电压的方程式为：

uo=us－Zis－uco(4)

假定市电电压中无谐波，市电输入功率因数cosφ=1，则：us=Ussinωt,is=Issinωt，将方程式（3）uco的值以及us、is的值代入式（4）得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt－ξMUdsinωt－cosmπ·sin〔(mN＋n)ωt〕(5)

用电路中低通滤波器LFCF滤掉uco中的高次谐波时，则上式变为：

uo=Ussinωt－ZIssinωt－ξMUdsinωt（6）

将式（1）的M值及ξ=代入式（6），则得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt－(Us－ZIs－Ur)·sinωt=Ursinωt

图5所示SPWM高频逆变器式交流稳压电源有六种工作状态：

us＞ur＋Zis，此时uco=us－Zis－ur，输出电压uo=us－(us－Zis－ur)－Zis=ur

us us=ur，此时uco=－Zis，输出电压uo=us－(－Zis)－Zis=ur

空载（is=0)us＞ur，此时uco=us－ur，输出电压uo=us－(us－ur)=ur

空载（is=0)us ?空载（is=0)us=ur，此时uco=0，不补偿。



图5 SPWM高频逆变器式交流稳压电源有六种工作状态

从以上分析可知：当市电电压us或负载发生变化时，用瞬时值（us－ur－Zis)作为正弦调制电压的SPWM高频逆变器的输出电压uco完全可以补偿输出电压uo的变化，保持uo=ur不变。