能量回饋型數(shù)碼發(fā)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(shù)碼發(fā)電機體積小巧，性能可靠，電源品質(zhì)高。數(shù)碼發(fā)電機組的交流發(fā)電機直接與發(fā)電機結(jié)合，取消了飛輪，因此，與傳統(tǒng)發(fā)電機組比，數(shù)碼發(fā)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(fā)電設備。國內(nèi)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(jīng)LC濾波變成穩(wěn)定的交流電壓源。針對電源產(chǎn)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(chǎn)品早期不良零件和可靠性較差的產(chǎn)品。目前老化工藝如圖1所示，通過變頻器產(chǎn)生三相400～600 Hz，經(jīng)過LC濾波器及中頻隔離變壓器后(中頻發(fā)電機模擬器)，模擬三相的中頻發(fā)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(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)碼發(fā)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)高達節(jié)能94%以上的全自動的滿載老化測試。

1 系統(tǒng)方案及主電路拓撲模型

1.1 數(shù)碼發(fā)電機電力電子變流逆變器工作原理

小型數(shù)碼發(fā)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(tǒng)組成。如圖2所示，變流逆變器首先將永磁中頻發(fā)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(zhuǎn)化成直流，通過全橋逆變，最后經(jīng)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(tǒng)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(shù)碼發(fā)電機逆變器老化測試電路拓撲

本文研制的饋能式數(shù)碼發(fā)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(tǒng)通過變頻器模擬出中頻發(fā)電機產(chǎn)生400～600 Hz的三相電給到逆變器，逆變器經(jīng)過變流后產(chǎn)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(jīng)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(xiàn)升壓、功率因數(shù)校正、恒流輸入功率變換控制作用。經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(jù)單相全橋拓撲上的兩個橋臂開關管狀態(tài)的不同，Uab有3種不同電壓狀態(tài)，其瞬時等效電路如圖5所示。

根據(jù)KVL和KCL方程得到系統(tǒng)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(huán)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(shù)如下式所示：

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

圖6 單相全橋電流環(huán)控制框圖

為了加快電流環(huán)的調(diào)節(jié)速度，控制上采用了輸入電壓前饋控制策略，其中KPWM為逆變?nèi)珮虻脑鲆?，TPWM為單相全橋開關管的開關周期。電流環(huán)中PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為C(s)[3-4]。

2.2 后級中間直流母線穩(wěn)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(huán)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(wǎng)補充，又有直流母線電容支撐，根據(jù)能量守恒定律，可以認為其是個穩(wěn)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(huán)的基礎上外加電壓環(huán)，控制中間級直流母線電壓在400 V，但此方法最終體現(xiàn)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?qū)χ虚g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(tǒng)，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(shù)如下式所示[5-8]。

式中：k為電感的比例系數(shù)，即Ls/Lm；Q為電路品質(zhì)因數(shù)，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(gòu)建中間母線電壓環(huán)，電壓環(huán)的輸出給定到傳遞函數(shù)并計算出諧振半橋的頻率進行對其調(diào)頻控制，以穩(wěn)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(huán)控制框圖

3 系統(tǒng)樣機測試結(jié)果及分析

根據(jù)上述單相逆變?nèi)珮?、LLC諧振半橋結(jié)構(gòu)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(shù)如表2所示。

圖9 單模塊饋能式負載及系統(tǒng)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(shù)據(jù)如表3所示。測試結(jié)果表明，通過兩級聯(lián)合控制，可以很好地對數(shù)碼發(fā)電機逆變器進行恒流控制滿載老化測試，平均節(jié)能效率高達94%以上。

表2 饋能式逆變器單模塊元器件參數(shù)表

表3 單通道負載模塊模擬純阻性負載測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)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(xiàn)高達94%以上的節(jié)能老化測試，有效解決了原來傳統(tǒng)阻性負載的耗能、耗人力的方式，達到了良好的經(jīng)濟效應和自動化節(jié)能檢測目的。研制的產(chǎn)品得到了市場推廣，并通過了市場上客戶的驗收，節(jié)能效果得到了客戶的肯定，證實了該產(chǎn)品的研制具有很好的可行性及良好的經(jīng)濟效益。