【導(dǎo)讀】在使用逆變變壓器的過程中經(jīng)常遇到直流不平衡的狀況。逆變電源變壓器的工作效率大幅下降，功耗上升還使得成本增加。本文就簡析了單相全橋SPWM逆變變壓器的直流不平衡問題，同時(shí)探討了造成變壓器直流不平衡的原因。
圖為常見的逆變變壓器電路系統(tǒng)
考慮圖1所示的單相全橋SPWM逆變電源系統(tǒng)。一般SPWM被認(rèn)為是一個(gè)理想的調(diào)制過程，即橋端電壓滿足：
在上文所提供的SPWM逆變電源變壓器的橋端電壓計(jì)算公式中，參數(shù)Ed指的是直流側(cè)母線電壓，參數(shù)Vs為橋端輸出電壓中的基波幅值，參數(shù)Vcm為正弦調(diào)制波峰值，參數(shù)V△m代表的是三角載波幅值，參數(shù)Kc代表的是調(diào)制系數(shù)，且該值小于等于1。在上圖所提供的逆變變壓器基礎(chǔ)電路圖中，我們可以看到，T為輸出變壓器。該變壓器的設(shè)計(jì)除需考慮高次諧波的影響外，與一般基頻變壓器的設(shè)計(jì)相差不大，只是磁密選得略低，但仍在磁化曲線的拐點(diǎn)處。因此在一種理想的情況下，該變壓器工作在對(duì)稱的磁滯回線下，施加在其初級(jí)上的正、負(fù)電壓在每個(gè)基波周期內(nèi)保持“伏秒”數(shù)相等。
然而這種逆變變壓器的電路系統(tǒng)中，有一個(gè)很明顯的問題需要我們特別注意，那就是只要橋端輸出電壓Vs——SPWM脈沖列在任何一段基波周期時(shí)間內(nèi)與橫坐標(biāo)所圍成面積的總和不為零，那么這一變壓器的輸入電壓中就會(huì)出現(xiàn)直流分量，引起單向偏磁，也就是我們經(jīng)常說的直流不平衡。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，一定程度的直流不平衡就會(huì)造成變壓器磁芯單向飽和，勵(lì)磁電流急增，進(jìn)而惡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并威脅到半導(dǎo)體開關(guān)管的安全運(yùn)行。在目前的運(yùn)行過程中，導(dǎo)致逆變變壓器系統(tǒng)中出現(xiàn)直流不平衡情況的因素，通常有以下幾種。
控制系統(tǒng)引起的直流分量過大，導(dǎo)致逆變變壓器直流不平衡狀態(tài)的出現(xiàn)。由上文中的公式可見，理想狀態(tài)下的SPWM逆變橋可看成一個(gè)增益為K（K=Ed/V△m）的比例環(huán)節(jié)。在該狀態(tài)下，控制系統(tǒng)的電源電壓或元件參數(shù)漂移會(huì)造成三角載波或正弦調(diào)制波正、負(fù)半周不對(duì)稱，作SPWM調(diào)制后，將導(dǎo)致同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)管在基波周期內(nèi)的有效導(dǎo)通時(shí)間不等。因此，SPWM逆變橋端輸出電壓脈沖列Vs的正、負(fù)伏秒數(shù)不等，其直流分量是載波或調(diào)制波中的直流成分的K倍。這種直流分量一般是持續(xù)的，其大小和極性也基本不變，可稱為靜態(tài)不平衡。
若逆變電源的控制系統(tǒng)采用了輸出瞬時(shí)值反饋等波形校正技術(shù)，那么在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，調(diào)制波Vc就非常容易出現(xiàn)正、負(fù)半周面積不等的情況，并進(jìn)一步產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不平衡，一般持續(xù)幾個(gè)到十幾個(gè)基波周期。另外，對(duì)于整流類沖擊性負(fù)載的投入，系統(tǒng)可采用瞬時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖的限流保護(hù)措施。由于被封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖在基波周期內(nèi)所處位置的隨機(jī)性，也會(huì)造成變壓器動(dòng)態(tài)不平衡。
還有一種問題也同樣會(huì)造成逆變電源變壓器的直流不平衡狀態(tài)，那就是脈沖分配及死區(qū)形成電路引起的直流分量過大。逆變電源的控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的SPWM信號(hào)，需經(jīng)過脈沖分配及死區(qū)形成電路分相、設(shè)置死區(qū)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離、放大后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。在這一過程中，元件參數(shù)的分散性會(huì)引起死區(qū)時(shí)間不等，即各管每次導(dǎo)通時(shí)間中的損失不一致，從而導(dǎo)致變壓器輸入電壓Vs中包含直流分量。而主電路引起的直流分量也同樣會(huì)造成直流不平衡，由于主電路同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件的開通、關(guān)斷時(shí)間不等，飽和壓降不同，緩沖電路參數(shù)有差異，因此變壓器輸入電壓中也會(huì)產(chǎn)生直流分量。
在上面所羅列出的三種導(dǎo)致逆變變壓器直流不平衡的原因中，第一種因素的可能性和實(shí)際影響其實(shí)是最大。因?yàn)樵谀孀冸娫吹目刂葡到y(tǒng)中，存在調(diào)制信號(hào)發(fā)生及調(diào)節(jié)電路，易混入直流分量，且被逆變橋放大。而在后兩種因素中，電路處理的是SPWM開關(guān)信號(hào)，只要設(shè)計(jì)合理，匹配恰當(dāng)，造成的影響也相對(duì)較小一些。
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