一種基于軟開關(guān)技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)逆變電路的研究與設(shè)計(jì)

王 宏，王子成，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002)

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一種基于軟開關(guān)技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)逆變電路的研究與設(shè)計(jì)

王 宏，王子成，崔光照

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002)

目前國內(nèi)外針對軟開關(guān)技術(shù)的理論進(jìn)展非常迅速，在交流調(diào)速系統(tǒng)中引入軟開關(guān)逆變技術(shù)更是目前的熱點(diǎn)研究方向之一，但其應(yīng)用設(shè)計(jì)和研究卻非常不夠。為了解決逆變器電路中的開關(guān)損耗問題，提高開關(guān)頻率，文章在對輔助二極管諧振極軟開關(guān)逆變器(ADRPI)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變器，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的軟開關(guān)逆變電路能夠較好地工作在軟開關(guān)狀態(tài)下, 且結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)，為ADRPI軟開關(guān)逆變器在交流調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

軟開關(guān)技術(shù)；逆變器；交流調(diào)速系統(tǒng)

0 引言

軟開關(guān)逆變技術(shù)從1986 年一出現(xiàn)就以其顯著優(yōu)于常規(guī)硬性開關(guān)逆變技術(shù)的諸多特點(diǎn)而顯示出了蓬勃的生命力, 并引起了各國專家學(xué)者越來越多的關(guān)注。在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中引入軟開關(guān)逆變技術(shù)更是目前日益受到國際傳動界重視的熱點(diǎn)研究方向之一。近年來，國內(nèi)外對于軟開關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展不一，主要表現(xiàn)在：國外特別是發(fā)達(dá)國家對于軟開關(guān)技術(shù)的研究起步較早，其樣機(jī)己達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，有些產(chǎn)品已經(jīng)形成了市場化，例如：美國能源部Oak Ridg國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在混合電動汽車中成功的應(yīng)用了輔助換相軟開關(guān)逆變器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意；此外，由于近年來出現(xiàn)的能源危機(jī)，軟開關(guān)逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域的地位也日益凸顯，像德國著名電氣企業(yè)西門子已經(jīng)推出了以并網(wǎng)型逆變器為代表的產(chǎn)品，而且除歐洲的科技強(qiáng)國外，像美國，日本等國家也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場化的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化[1]。相對國外，國內(nèi)對于軟開關(guān)逆變器的研究起步較晚，這表現(xiàn)在國內(nèi)的研究大都集中在DC-DC變換器和開關(guān)電源上，雖然不斷有新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新的控制策略出現(xiàn)，但是大多還只是停留在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面，能夠推向市場的逆變器產(chǎn)品不多。因此研究新型的軟開關(guān)逆變器具有重要意義，同時對于跟蹤國際先進(jìn)理論和技術(shù)是非常必要的。

迄今為止，各種軟開關(guān)逆變器的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層出不窮，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可分為兩類。第一類是諧振直流環(huán)節(jié)逆變器，其主要特點(diǎn)是諧振電壓峰值高，電壓應(yīng)力大，同時電壓過零點(diǎn)與逆變器開關(guān)策略難以同步，易產(chǎn)生大量次諧波，常見的有諧振直流環(huán)節(jié)逆變器、準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器等。第二類是極諧振逆變器，其主要特點(diǎn)是克服了電壓應(yīng)力高的缺點(diǎn)，常見的有輔助二極管諧振極逆變器(ADRPI)，軟開關(guān)過渡PWM技術(shù)逆變器等。此外，ADRPI逆變橋的各相相互獨(dú)立，便于采用常規(guī)的PWM調(diào)制策略進(jìn)行輸出電壓控制[2]。

本文以異步電機(jī)為被控對象，通過對幾種常見軟開關(guān)逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)比較以及在對ADRPI工作機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變器，通過系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性與可行性，為ADRPI在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 ADRPI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖1所示為ADRPI一條變換橋臂的原理結(jié)構(gòu)圖。該電路包括兩個雙極性晶體管VT1、VT2和兩個反并聯(lián)二極管VD1、VD2，電感L與電容C3、C4共同構(gòu)成諧振電路并在電路中起儲能和諧振的作用，續(xù)流二極管VD4和鉗位二極管VD3分別與C4、C3并聯(lián)連接，電容C1、C2作用是作為開關(guān)器件的無損耗關(guān)斷緩沖電路。該電路結(jié)構(gòu)不僅可實(shí)現(xiàn)續(xù)流二極管和開關(guān)管的開通，還可通過合適的電路安排及適當(dāng)?shù)拈_關(guān)次序消除電路中所有主要寄生成分的影響。另外，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過在逆變橋臂上附加輔助諧振電路，使開關(guān)器件在零電壓下導(dǎo)通，在緩沖電容保護(hù)下關(guān)斷，可有效減小器件的開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)操作[3]。

圖1 ADRPI原理電路

首先定義VT1導(dǎo)通，VT2截止為“1”狀態(tài)，VT1截止，VT2導(dǎo)通為“0”狀態(tài)，則ADRPI電路的基本工作原理可簡述如下：

(1) 設(shè)電路初始狀態(tài)為“1”狀態(tài)，此時VT1導(dǎo)通，此時流過電感L的電流線性增加，并且對電容C4充電，此時UC4極電壓增加。當(dāng)UC4=US時，二極管VD3導(dǎo)通，極電壓UC4被鉗位為US。

(2) 當(dāng)電路需從“1”→“0”狀態(tài)時，關(guān)斷VT1，電感電流iL通過二極管VD2續(xù)流，此時iL一部分繼續(xù)對C4充電，使其電壓穩(wěn)定為US，另一部提供給電機(jī)的線圈。當(dāng)iL由穩(wěn)定正值諧振到零，此時VD2截止，這時VT2管集電極電壓Uce=0并自然導(dǎo)通，隨后電容C4放電，同時iL由零值反向增加，當(dāng)UC4諧振到零時，二極管VD4導(dǎo)通，UC4被VD4鉗位為零。

(3) 當(dāng)PWM調(diào)制要求電路從“0” →“1”狀態(tài)時，在緩沖電容C1、C2的作用下關(guān)斷VT2，iL通過二極管VD1續(xù)流，電感L與電容C3、C4再次諧振，當(dāng)iL由負(fù)變正時，VT1在零電壓條件下自然導(dǎo)通，當(dāng)UC4諧振到US時，二極管VD3導(dǎo)通，UC4被鉗位到為US，電感電流iL保持正值，UL等于零，電路回到“1”狀態(tài)。

ADRPI變換橋臂的一個工作過程按照上述工作原理可分為六個時間段，其中有兩個電感電流線性變化段，在這兩個時間間隔中，輸出電壓UC4被鉗位在零或US；有兩個諧振段，諧振在L與C3之C4間進(jìn)行；還有兩個穩(wěn)態(tài)段，在這兩段間隔，輸出電壓UC4被鉗位在零或US，電感電流iL為穩(wěn)定負(fù)值或正值，這兩段間隔的持續(xù)時間由系統(tǒng)的PWM調(diào)制所決定。電感電流iL和輸出電壓UC4波形如圖2所示[4]。

圖2 ADRPI負(fù)載時的電壓電流波形

2 基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變器設(shè)計(jì)

目前，常見的軟開關(guān)逆變電路有零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路、諧振直流環(huán)以及ADRPI逆變器電路，它們均具有各自的特點(diǎn)：

(1)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，但其諧振電壓峰值高于輸入電壓ui的2倍，開關(guān)S的耐壓性要求高，電路成本增加，可靠性降低。

(2)諧振直流環(huán)。該電路是適用于變頻器的一種開關(guān)電路，但同零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路相似，諧振直流環(huán)電路中電壓ucr諧振峰值很高，管子耐壓性要求高。

(3)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路。該電路是另一種常用的軟開關(guān)電路，它內(nèi)部簡單且效率高，但其控制比較復(fù)雜，且整個電路效率的提高有限。

(4)ADRPI軟開關(guān)逆變器電路。通過前面對該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理的分析，該電路是極諧振型逆變器中的一種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它不但克服了DC環(huán)節(jié)諧振型逆變器普遍存在的電壓應(yīng)力高的嚴(yán)重缺點(diǎn)，還具有三相橋臂之間操作相互獨(dú)立、控制靈活、可方便地實(shí)現(xiàn)各種PWM調(diào)制策略等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以本文將進(jìn)行基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變器設(shè)計(jì)[5]。

圖3 基于ADRPI的軟開關(guān)逆變電路圖

如圖3所示為設(shè)計(jì)的基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變電路的電路圖。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過對當(dāng)前電力電子器件性能的比較以及考慮本設(shè)計(jì)是適合于中小型逆變調(diào)速系統(tǒng)，從高頻化、集成化、價(jià)格低等方面綜合考慮，最終選擇功率MOSFET管作為開關(guān)器件，型號為intersil公司生產(chǎn)的IRFP460。此外，為了保證開關(guān)管VT1和VT2實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流軟開關(guān)操作的可靠性，為此零電壓操作必須要檢測電容電壓。常見的電壓傳感器有CHV-25P、CHV-100等型號，在本設(shè)計(jì)中采用CHV-100型電壓傳感器，該電壓傳感器是原邊電路與副邊電路絕緣的傳感器，可精確測量直流、交流和脈動電壓或小電流[6]。

3 軟開關(guān)電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 ADRPI軟開關(guān)電路的仿真研究

為了簡化系統(tǒng)，這里只針對ADRPI軟開關(guān)三相逆變器當(dāng)中的一條單橋臂進(jìn)行了建模和仿真，如圖4所示是利用MATLAB的SIMULINK下建立的單橋臂仿真模型。仿真參數(shù)為：正弦波頻率為1kHz ，三角波頻率為40kHz ，負(fù)載電流I0為20A，直流母線電壓為220V。主電路參數(shù)為：L=12μH，C1=C2=0.027μF，C3=C4=0.168μF，延時模塊的延時為1.3μs[7]

圖4 ADRPI軟開關(guān)逆變器單橋臂仿真模型

仿真波形如圖5所示。從圖中可以看出uC2,iL,uC4的仿真波形圖與前面理論分析時的波形圖是一致的，這表明所建立的仿真模型是正確的。

圖5 ADRPI單相橋臂仿真波形

改變仿真參數(shù)時，令I(lǐng)0=30A，仿真波形如圖6所示。由圖6可以知道此時主電路參數(shù)已不滿足實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的要求，其原因是：iL已不能反向，且總大于零。此時，VT1已不能零電壓開通，而是硬開通。研究表明，所建立的仿真模型能夠反映系統(tǒng)物理?xiàng)l件的改變，因此該仿真模型可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與調(diào)試研究。

圖6 I0=30A時的仿真波形

3.2ADRPI軟開關(guān)電路的實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的正確性，根據(jù)前面在MATLAB下的仿真所設(shè)計(jì)的參數(shù)建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示，其中iL,uC4的實(shí)驗(yàn)波形是符合理論分析的，另外逆變器的輸出電流和輸出電壓基本上具有較好的正弦度，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)是有效的，所建立的仿真模型是正確的[8]。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

輔助二極管諧振極逆變器是一種性能優(yōu)良的軟開關(guān)逆變電路。本文首先對ADRPI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了分析，隨后又對幾種常見軟開關(guān)逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，在此基礎(chǔ)上建立了基于ADRPI的軟開關(guān)三相逆變電路，通過系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)表明：該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可靠性較高，為ADRPI軟開關(guān)逆變器在交流調(diào)速系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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[3]秦森，張恕遠(yuǎn)，陳小靜.輔助二極管諧振極逆變器中零電壓檢測問題中的研究在逆變器中的應(yīng)用研究[J].電測與儀表，2010，47(531)：70-72.

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(編輯 李秀敏)

A Design and Research of Inverter Circuit of AC Drive System Based on Soft-switching Technology

WANG Hong，WANG Zi-cheng，CUI Guang-zhao

(Department of Electric and Information Engineer, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002,China)

Now the theories with relation to soft-switching technology home and broad are advancing very fast, one of a hot spot research direction is the soft-switching inverter technology in AC Drive System, but the soft-switching technology achieves much less application in inverter technology. In order to solve the problem of switching losses and improve the switching frequency in inverter, the paper analyzes the topology configuration and work principle of the soft-switching inverter employing ADRPI, based on which, the ADRPI soft-switch Three-Phase inverter circuit has been designed. The effects to the auxiliary-resonant soft-switching inverter circuit by modulating its resonant parameters are well researched. At last come to the purpose of reducing switch lost of power device efficiently and the model of this auxiliary-resonant soft-switching inverter circuit is proved correct，and it has laid the foundation to the application of the ADRPI soft-switch technology in AC Drive System.

soft-switch technology; inverter; the AC drive system

1001-2265(2014)01-0117-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.033

2013-04-05；

2013-06-20

王宏(1977—)，男，河南平頂山人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院講師，碩士，主研方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制及自動化檢測；王子成(1976—)，男，河南商丘人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院副教授，博士，主研方向計(jì)算機(jī)計(jì)算及系統(tǒng)工程，(E-mail)wanghong@zzuli.edu.cn

TH39；TG659

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