中心議題:
- 逆變器的輸入特性研究
- 逆變器輸入電流對(duì)與其連接的直流電源的影響
解決方案:
- 在逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器
1 概述
隨著各種各樣的逆變電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)逆變器的研究也日益深入。目前,應(yīng)用最多的為輸出工頻220V的逆變器,它廣泛應(yīng)用在各種不間斷電源(UPS)、小型太陽(yáng)能逆變電源及通訊用逆變電源中。
現(xiàn)在的逆變器一般都帶有前級(jí)DC/DC變換器,原因包括以下幾個(gè)方面:
(1)為了達(dá)到交流220V的輸出,逆變器直流側(cè)輸入電壓幅值至少為315V。除很少數(shù)情況外,一般逆變電源的輸入電壓都遠(yuǎn)低于此值。這樣,為了達(dá)到輸入輸出電壓的匹配,增加一級(jí)DC/DC升壓電路。
(2)一般電源都要求輸入輸出電氣隔離。一種方法是在交流輸出側(cè)采用工頻變壓器隔離,但這樣做增加了電源本身的體積和成本。另一種方法就是增加一級(jí)DC/DC隔離變換器。由于采用高頻隔離,大大降低了電源的體積和成本。
(3)大多數(shù)逆變電源的輸入為交流電網(wǎng)。如果采用直接整流濾波的方式,輸入功率因數(shù)很低。為了提高輸入功率因數(shù),逆變器前級(jí)需要增加功率因數(shù)校正電路。
(4)在一些對(duì)輸出電壓質(zhì)量要求不是太高的的場(chǎng)合,如家用太陽(yáng)能、風(fēng)能逆變電源,為了降低成本,提高可靠性,逆變器本身采用開(kāi)環(huán)控制。為了達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的,要求逆變器的輸入電壓是非常穩(wěn)定的直流電壓。這樣,逆變器前級(jí)必須是閉環(huán)控制的DC/DC穩(wěn)壓變換器。
對(duì)于直流變換器來(lái)說(shuō),逆變器是一個(gè)特殊的非線(xiàn)性負(fù)載,它直接影響前級(jí)DC/DC變換器的穩(wěn)壓效果。反過(guò)來(lái),又進(jìn)一步影響到逆變器的交流輸出效果。本文針對(duì)所研制的小型太陽(yáng)能、風(fēng)能逆變電源,研究了兩級(jí)變換器連接中存在的問(wèn)題,提出了一種實(shí)用的解決方法。
2 逆變器的輸入特性研究
典型的逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1典型逆變器電路結(jié)構(gòu)
為了減小輸出諧波,逆變器一般都采用雙極性SPWM調(diào)制,即逆變橋的對(duì)管是互補(bǔ)高頻開(kāi)通和關(guān)斷的。由于后級(jí)濾波電感Lf存在,電感電流為輸出低頻交流電,每半個(gè)周波內(nèi)電感電流iL方向保持不變。這樣就造成逆變橋輸入電流為高頻交變電流,具體如下:當(dāng)iL為正時(shí),S2、S3導(dǎo)通輸入電流iin為正,S1、S4導(dǎo)通輸入電流iin為負(fù);當(dāng)iL為負(fù)時(shí),S2、S3導(dǎo)通輸入電流iin為負(fù),S1、S4導(dǎo)通輸入電流iin為正。各電流波形與驅(qū)動(dòng)脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。
(a)輸出電感電流 (b)SPWM波 (c)輸入電流
圖2逆變器輸入輸出電流與驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)應(yīng)圖
[page]
由圖2可見(jiàn),逆變器輸入電流并不是真正的直流電流,除直流成分外,還含有很大成分的兩倍輸出頻率的交流分量和少量的高頻交流分量。如果將DC/DC變換器的輸出直接與逆變器相連,則逆變器的這種輸入電流的低頻和高頻交流成分必然會(huì)對(duì)變換器造成一定的影響:低頻交流分量相當(dāng)于直流變換器在始終突加減載,使其一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中;高頻交流分量則直接對(duì)直流變換器的控制電路造成干擾,影響變換器的正常工作。其結(jié)果是造成DC/DC變換器工作不穩(wěn)定,噪聲加重,輸出紋波變大,甚至造成電源不能穩(wěn)壓。
為了減小逆變器輸入電流對(duì)直流電源的影響,可以有以下幾種方法:
(1)逆變器采用一個(gè)橋臂低頻開(kāi)關(guān),另一個(gè)橋臂高頻調(diào)制的方式。這樣,當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),電感電流通過(guò)低頻導(dǎo)通管和對(duì)應(yīng)橋臂的反并聯(lián)二級(jí)管續(xù)流,電流不會(huì)反向流回輸入側(cè)。當(dāng)輸出為純阻性負(fù)載時(shí),完全沒(méi)有負(fù)電流流進(jìn)輸入側(cè),從而減小了輸入電流的高頻交流分量。一方面,這種方法只能在一定程度上減小逆變器對(duì)直流電源的影響,且僅適合于逆變器負(fù)載為阻性的情況。當(dāng)逆變器帶感性或容性負(fù)載時(shí),由于輸出電壓電流相位不一致,仍然會(huì)有負(fù)電流流入輸入側(cè)。另一方面,這種調(diào)制方式的輸出諧波增大,從而加大了后級(jí)濾波電路的體積和重量。因此,該方法的實(shí)用性不大。
(2)逆變器輸入側(cè)并聯(lián)一個(gè)大的電解電容和一個(gè)小的高頻無(wú)感電容。大電解電容可以在一定程度上減小輸入電流中的低頻交流成分,小無(wú)感電容可以很好地濾除輸入電流中的高頻交流成分。但是,直流電源輸出端一般為L(zhǎng)C濾波器,逆變器輸入側(cè)并聯(lián)電容相當(dāng)于增加了直流電源的輸出濾波電容,從而改變了其電路參數(shù)。當(dāng)直流電源的控制穩(wěn)定域不夠大時(shí),有可能使直流電源進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)域而引起振蕩。
(3)逆變器輸入側(cè)串聯(lián)一LC濾波器。這樣,就可以很好地濾除輸入電流中的低頻交流成分,并可完全消除其中的高頻交流成分。同時(shí),由于濾波電感的存在,減小了逆變器輸入對(duì)直流電源輸出參數(shù)的影響。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文針對(duì)逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器的方法,在所研制的小型太陽(yáng)能、風(fēng)能逆變電源上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,選用不同L、C參數(shù)時(shí)DC/DC變換器輸出電流、驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出電壓波形如圖3所示。
圖3(a)(b)(c)(d)示出了不同L、C參數(shù)時(shí)直流電源的控制脈沖和輸出電流。其中(a)為沒(méi)有LC濾波電路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,(b)的濾波參數(shù)為L(zhǎng)=2mH、C=1100μF,(c)的濾波參數(shù)為L(zhǎng)=2mH、C=2200μF,(d)的波波參數(shù)為L(zhǎng)=2mH、C=3300μF。由圖可見(jiàn),當(dāng)逆變器輸入側(cè)不加LC濾波器時(shí),直流電源輸出電流大范圍波動(dòng),造成控制脈沖時(shí)有時(shí)無(wú)。其結(jié)果是系統(tǒng)噪聲變大,整機(jī)效率下降,可靠性降低。隨著LC濾波參數(shù)的加大,逆變器輸入電流的波動(dòng)逐漸減小,控制脈沖逐漸變得連續(xù),系統(tǒng)噪音變小,效率變高。為了保證逆變器輸入電壓的穩(wěn)定,濾波電感不宜加的太大,增大濾波參數(shù)適宜加大濾波電容。
圖3(e)(f)示出了沒(méi)有LC濾波電路及有LC濾波電路時(shí)直流電源輸出電流和輸出電壓波形。(e)為沒(méi)有LC濾波電路的情況,(f)為L(zhǎng)=2mH、C=3300μF的情況。由圖可見(jiàn),不加LC濾波時(shí),輸出電壓紋波很大,已經(jīng)不能滿(mǎn)足輸出穩(wěn)壓的要求。當(dāng)加入LC濾波時(shí),輸出電壓紋波大大減小,成為穩(wěn)定的直流電源。
圖3 DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)脈沖、輸出電流及電壓波形對(duì)應(yīng)圖
當(dāng)然,L、C參數(shù)如何選取還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況而定,包括直流電源對(duì)輸出電流波動(dòng)的承受能力及系統(tǒng)成本。
4 結(jié)語(yǔ)
本文分析了逆變器輸入側(cè)電流情況,闡述了逆變器輸入電流對(duì)與其連接的直流電源可能造成的影響,提出了在逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器的解決方法。在本文所研制的小型太陽(yáng)能、風(fēng)能逆變電源上的實(shí)驗(yàn)證明,該方法可以很好地解決逆變器對(duì)DC/DC變換器的影響問(wèn)題。