0 引言
本文所描述的交流" title="交流">交流穩(wěn)流逆變電源" title="逆變電源">逆變電源應(yīng)用于低壓電器長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn),，適用于對(duì)斷路器、熱繼電器等低壓電器作長(zhǎng)延時(shí)特性的校驗(yàn)和測(cè)試,。為保證溫升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,，測(cè)試正弦電流必須穩(wěn)定、精確,。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.2－94要求,，長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)的電流誤差≤±2％，正弦波失真度<5％,。
目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用的長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)方案是通過(guò)變壓器直接對(duì)斷路器施加一個(gè)電壓以獲得測(cè)試電流[1],。在測(cè)試過(guò)程中，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng),、載流電路中引線電阻變化,、負(fù)載本身電阻發(fā)熱變化，使測(cè)試電流隨之變動(dòng),，難以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,。本文介紹了一種新型的交流穩(wěn)流逆變測(cè)試電源，具有工作穩(wěn)定可靠,、輸入功率因數(shù)高,、輸出精度高、波形失真度小,、效率高的優(yōu)點(diǎn),。
1 交流穩(wěn)流逆變電源體系結(jié)構(gòu)
功率主電路采用AC/DC/AC結(jié)構(gòu)，如圖1所示,。前級(jí)為功率因數(shù)校正（PFC" title="PFC">PFC）電路,，由Boost變換器構(gòu)成，用于提高網(wǎng)測(cè)功率因數(shù),、降低網(wǎng)側(cè)電流的THD值,，并為逆變部分提供一個(gè)合適的直流母線電壓。后級(jí)的全橋逆變電路完成正弦波逆變,、快速調(diào)壓穩(wěn)流功能,。逆變輸出的高頻SPWM波經(jīng)過(guò)LC濾波,，得到平滑正弦波。由于負(fù)載電阻小,，電壓低,，電流大（15～160A連續(xù)可調(diào)），采用升流變壓器進(jìn)行降壓增流,，可以使逆變電路主開(kāi)關(guān)管的選取容易許多,。由圖1中可以看出，該逆變器實(shí)際上是一個(gè)電壓型電流源,，即通過(guò)對(duì)逆變橋輸出電壓的快速調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流輸出,。
圖1 交流穩(wěn)流逆變電源電路結(jié)構(gòu)
交流穩(wěn)流源采用全橋SPWM逆變電路，并工作于倍頻單極性模式下,，這樣逆變橋在不增加開(kāi)關(guān)損耗的情況下,，其輸出電壓的頻率比開(kāi)關(guān)頻率再提高一倍，而且諧波含量較小,，可以簡(jiǎn)化輸出LC濾波電路,，也有利于減小波形的失真度。
數(shù)字部分由MCS－51單片機(jī)電路組成,，具有兩個(gè)功能：其一,，作為人機(jī)接口界面,，帶有鍵盤(pán)輸入和液晶顯示模塊,，實(shí)現(xiàn)給定值設(shè)定、負(fù)載電流顯示等功能,；其二,，單片機(jī)與控制電路接口，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦波的給定,、逆變電路的軟啟動(dòng),、電路時(shí)序控制、負(fù)載檢測(cè)等諸多功能,。
2 逆變電路控制系統(tǒng)的建模與分析
交流穩(wěn)流逆變器的負(fù)載是純阻性負(fù)載,，增流變壓器和負(fù)載可視為一等效電阻R。則逆變器輸出濾波電感L,、濾波電容C和R構(gòu)成二階振蕩環(huán)節(jié),，其阻尼比為
ξ=
（1）
滿載時(shí)R最大，ξ最小,，系統(tǒng)最不穩(wěn)定,；而輕載時(shí)R變小，ξ變大,，系統(tǒng)較易穩(wěn)定,；所以,，閉環(huán)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)主要考慮R較大時(shí)的情況。
本文中采用了帶有電感電流瞬時(shí)值反饋的雙環(huán)控制策略,，這是因?yàn)殡姼须娏鞯扔陔娙蓦娏髋c負(fù)載電流之和,，一方面可對(duì)輸出電壓進(jìn)行超前控制，以取得比較好的動(dòng)態(tài)特性,；另一方面電感電流中包含了負(fù)載電流,，在輸出負(fù)載極小的情況下，也能對(duì)輸出電流進(jìn)行有效控制[2][3],。穩(wěn)流源逆變器的控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示,，由小信號(hào)模型獲得的傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。
圖2 基于電感電流瞬時(shí)值反饋的雙環(huán)控制
圖3 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
由圖3可知,，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為
Go(s)=
（2）
系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
Gc(s)=[KaKmn(Kpτs＋1)]/[RLCτs3＋(L＋KiLKaKmRC)τs2＋(R＋KiLKaKm＋KiRKaKmKpn)τs＋KiRKaKmn]
（3）
則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的零,、極點(diǎn)分布為
sz=1/Kpτ（4）
sp1=0（5）
sp2,3=
（6）
式中：R為等效負(fù)載電阻；
KiR為外環(huán)反饋系數(shù),；
KiL為內(nèi)環(huán)反饋系數(shù),；
n為輸出變壓器原副邊變比；
Km為全橋逆變電路放大系數(shù),；
Ka為內(nèi)環(huán)比例補(bǔ)償增益,；
Kp＋1/τs為外環(huán)PI補(bǔ)償傳遞函數(shù)。
由式（6）可知,，當(dāng)R<L/(KiLKaKmC＋
×2),，且KiLKaKm<
×2（此式可通過(guò)設(shè)計(jì)保證）時(shí)，此時(shí)等效負(fù)載電阻R較小,，系統(tǒng)極點(diǎn)sp2,3分布在負(fù)實(shí)軸上,，系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示（R1，R2對(duì)應(yīng)的根軌跡）,；當(dāng)R>L/(KiLKaKmC＋
×2)且KiLKaKm<
×2時(shí),，此時(shí)等效負(fù)載R較大，系統(tǒng)極點(diǎn)sp2,3為一對(duì)共軛復(fù)數(shù),，系統(tǒng)根軌跡如圖4所示（R3,，R4對(duì)應(yīng)的根軌跡）。根軌跡的漸近線σa=
,。對(duì)于無(wú)電感電流瞬時(shí)值反饋的系統(tǒng),，其根軌跡如圖5所示?？梢钥闯?，根軌跡以虛軸為漸近線趨向于±∝，相應(yīng)在控制上必會(huì)引起輸出電流的振蕩,，系統(tǒng)不易穩(wěn)定,。而引入電感電流反饋后,，根軌跡如圖4所示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng),，動(dòng)態(tài)性能也得以提高,。
sp2、sp3：空載（R1）,；sp2′,、sp3′輕載（R2）；
sp2″,、sp3″重載（R3）,；sp2′″、sp3′″：滿載（R4）,；
（R1<R2<R3<R4）
圖4 雙環(huán)反饋控制系統(tǒng)的根軌跡圖
圖5 無(wú)電感電流瞬時(shí)值反饋的根軌跡圖
在不同負(fù)載條件下式（2）和式（3）對(duì)應(yīng)的波特圖分別如圖6和圖7所示,。由圖6可以看出，系統(tǒng)是穩(wěn)定的,，并且系統(tǒng)的相位余量>50°,。由圖7可以看出，系統(tǒng)的幅值響應(yīng)接近1/KiR,，在50Hz的頻率處,，輸出電流和給定電流信號(hào)之間的相移幾乎為零，因此,，輸出電流能很好地跟隨參考信號(hào),。高的轉(zhuǎn)折頻率和寬的頻帶能保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。
圖6 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)波特圖
圖7 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖
3 一些其它的設(shè)計(jì)考慮
作為電流源必須考慮輸出開(kāi)路的情況,。由于本文中的交流穩(wěn)流源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓型電流源,，即通過(guò)快速調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí),，輸出電壓會(huì)迅速上升到到直流母線電壓附近，而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高,。盡管如此,，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電壓仍會(huì)迅速上升,，并引起輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩,，這兩者均會(huì)導(dǎo)致輸出波形嚴(yán)重畸變；此外,，當(dāng)輸出負(fù)載重新接上時(shí)會(huì)引起輸出瞬態(tài)過(guò)流,。因此，系統(tǒng)必須進(jìn)行過(guò)壓保護(hù),，當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)迅速切斷逆變器輸出,。
眾所周知,，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁，會(huì)導(dǎo)致鐵心飽和,，不僅加大了變壓器的損耗,，降低了效率，增大了噪聲,，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流迅速增大,，使功率開(kāi)關(guān)管因過(guò)流而損壞。本文采用如圖8所示的糾偏電路來(lái)抑制直流偏磁,，即由LEM器件采樣逆變輸出濾波電感電流,，檢出直流電流分量，與零電壓比較得到誤差,，積分后疊加到正弦給定上,，實(shí)時(shí)校正變壓器的直流偏磁。其優(yōu)點(diǎn)在于與電感電流反饋共用一個(gè)檢測(cè)器件,，節(jié)省費(fèi)用,；當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流以指數(shù)規(guī)律迅速增大,，比檢測(cè)電壓糾偏的方法靈敏,。
圖8 輸出變壓器直流偏磁校正
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
交流穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和控制電路參數(shù)如表1所列。逆變器最大輸出電流20A,，經(jīng)輸出變壓器增流后可達(dá)200A,，以滿足對(duì)低壓電器的大電流測(cè)試要求。
表1 穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和參數(shù)
| 參數(shù) | 數(shù)值 |
|---|---|
| 輸入電壓Vd | 380V |
| 輸出電流io（可調(diào)） | 0～20A |
| 最高輸出電壓Vom | 250V |
| 滿載功率 | 5000W |
| 輸出頻率 | 50Hz |
| 開(kāi)關(guān)頻率 | 20kHz |
| S1～S4 | 1MB150N－060 |
| 變比n | 10 |
| L | 5mH |
| C | 5μF |
| KiL | 0.2 |
| KiR | 0.025 |
| Ka | 3 |
| Kp | 5 |
| Km | 100 |
| τ | 0.1ms |
圖9～11顯示了在不同等效負(fù)載電阻R及不同的輸出電流條件下輸出電流和輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形,。實(shí)驗(yàn)波形顯示輸出電流具有良好的正弦波形和較小的電流脈動(dòng),，很好地跟隨了參考信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得在不同輸出電流條件下電流誤差不超過(guò)1％,，電流總諧波失真度不超過(guò)3％,，完全滿足了低壓電器長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣實(shí)驗(yàn)對(duì)交流穩(wěn)流逆變電源的性能要求。
圖9 R=10Ω和io=20A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形
圖10 R=60Ω和io=4A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形
圖11 R=120Ω和io=2A條件下輸出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形